泡沫材料是一种集物理功能与结构一体的新型工程材料,由于独特的结构特征,使得其压缩应力-应变曲线中包含一个较长的应力平台,表现出优异的能量吸收和抗冲击性能,已经广泛应用于吸能缓冲构件。梯度泡沫材料作为一类新型的复合材料,不但具有泡沫材料优良的性能,而且还具有可设计的特点。梯度泡沫材料通过改变泡沫材料密度分布,有效提高泡沫材料能量吸收和抗冲击性能。泡沫夹芯结构具有质量轻、比强度高、比刚度大和吸能缓冲性好等力学性能。梯度泡沫夹芯结构能够有效地发挥梯度泡沫材料和泡沫夹芯结构的优点,增强结构的可设计性,进一步减轻结构重量,提高结构的抗爆性能。本文以梯度泡沫夹芯圆筒为对象,研究其在内部爆炸载荷作用下的动态响应和抗爆性能优化。研究成果可为新型轻质便携防爆容器结构设计提供理论和技术支撑。完成的主要研究工作如下。首先,基于Voronoi算法建立了泡沫材料有限元模型,对爆炸载荷作用下泡沫材料压溃过程进行了数值模拟分析,得到了泡沫材料压溃规律。在此基础上,根据质量守恒和动量守恒关系,结合R-PP-L模型,推导出了爆炸载荷下均质泡沫压溃控制方程。进一步,采用试验和仿真研究了双层梯度泡沫压溃过程。研究表明,正梯度双层泡沫第一层泡沫的爆炸端先产生压溃,压溃波依次经过两层泡沫;负梯度双层泡沫的两层泡沫的爆炸端均产生压溃波,并以相同方向同时向固定端传播。根据压溃波传播规律,结合均质泡沫压溃控制方程,推导出了爆炸载荷下梯度泡沫压溃控制方程。接下来,根据试验和仿真结果,将泡沫夹芯圆筒变形过程简化、解耦成三个阶段,即爆炸载荷与内壳相互作用阶段、芯体压溃阶段和外壳变形阶段。在均质泡沫和梯度泡沫压溃控制方程的基础上,结合泡沫夹芯圆筒变形过程受力分析,建立了梯度泡沫夹芯圆筒变形过程理论分析模型。对于结构的抗爆性能来说,获得较高的能量吸收和较低的外壳变形量是最优的。研究表明,不同设计变量条件下,泡沫夹芯圆筒能量吸收和外壳最大变形量是两个相互矛盾的抗爆性能评价指标。为了提高防爆结构的抗爆性能,针对这两个评价指标对泡沫夹芯圆筒进行多目标优化。对比研究表明,泡沫夹芯圆筒防爆容器抗爆性能明显优于单层实体圆筒防爆容器。装药量为2 kg时,相对于单层实体圆筒防爆容器,泡沫夹芯圆筒防爆容器最大变形量降低了9.0%,能量吸收提高了269.5%。以标准化能量吸收和标准化外壳最大变形量为目标,建立了抗爆性能多目标优化数学模型,基于代理模型技术和非支配排序遗传算法,获得了泡沫夹芯圆筒防爆容器抗爆性能Pareto前沿。优化结果表明,相同外壳最大变形量条件下,相对于均质泡沫夹芯圆筒防爆容器,单独优化芯体梯度或内外壳体厚度,防爆容器的能量吸收分别提高了75.4%和45.0%,同时优化芯体梯度和内外壳体厚度,防爆容器的能量吸收提高了171.1%。