复合结构防护性能优化设计的关键问题

通常，复合结构优化设计需要有一个目标，设计目标不同，复合结构优化设计的思路也不同。根据本书的研究背景和需求，所设计的复合结构主要是为了抵御韧性钢破片的侵彻，以保护车辆、舰船内的人员和设备安全。因此，本书所研究钢/纤维复合结构的设计目标就是同等质量条件下提高对破片高速侵彻的防护能力，所需优化的复合结构性能可用单位质量条件下恰恰可以防御破片完全贯穿的破片威力量进行表征。本书所研究的复合结构主要用于防御有金属壳体爆炸装置形成自然破片的侵彻，自然破片具有质量不一、结构各异、随机着靶的特征。因此，自然破片通常不用比动能作为其威力表征量，而常用动能表征其威力，对于复合结构的防护性能，则采用单位面密度吸能进行表征。这就涉及三个独立量：破片的速度、破片的质量和靶体的面密度，而本章的研究靶体又由两种材质构成，因此，用单位面密度吸能作为复合结构防护性能的表征量，问题的研究就为多目标函数的优化，并不便于实施和应用。

对于同一结构有金属壳体爆炸装置所形成的自然破片，根据哥尼原理，通常近似认为破片在壳体圆柱段具有相同的初速，即大部分破片具有相同的初速。则在离爆炸物爆炸（不远的）一定距离外（速度衰减较少），也可近似认为破片具有相同速度，所以通常用破片质量来表征不同威力破片所占的比例。因此，确定了复合结构防护破片的质量，就能确定该复合结构可防护爆炸形成破片的比例。对于不同结构壳体爆炸所形成的质量分布，可由文献［263］提供的方法获得，在此不再详细叙述。(www.xing528.com)

因此，在钢/纤维复合结构的优化设计中，对于破片的速度、破片的质量和复合结构的面密度3个参量而言，可将破片质量作为确定量，问题则变为对于确定速度的破片，设计最小面密度的复合结构，以实现结构设计最优。因此，便于实施的复合结构优化设计的实质是：在给定破片质量和撞击速度条件下，获得最小面密度的复合结构，即对于确定密度的合金钢板和纤维板，获得最佳的合金钢板和纤维增强复合材料板的厚度，以获取最佳尺寸［264］。