冲击荷载下单层球面网壳的失效机理

为研究单层球面网壳在冲击荷载下的失效机理,在ANSYS/LS-DYNA中建立60m跨度K8型单层球面网壳与圆柱形冲击物的数值模型并进行数值分析,总结了网壳结构的4种失效模式。通过对失效全过程的分析,从能量的角度将失效过程分为能量施加、能量传递与损失、能量消耗3个阶段。之后分别从能量传递与杆件破坏形式2方面揭示了网壳的失效机理。能量分析表明:剩余能量(Elf)对结构最终动力响应及失效模式起决定作用,而Elf只是初始冲击能量中除去冲击物穿透损失与网壳局部破坏损失后的剩余部分。通过对杆件破坏形式的分析发现:杆件的破坏可能滞后于冲击荷载的作用,且杆件的破坏形式决定其传递能量的能力,当杆件发生拉伸破坏时,其强度被充分利用,传递的能量最多,Elf值较大,网壳整体破坏严重。杆件的破坏形式与Elf及网壳整体的失效模式间有很好的对应关系。     

编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板在冲击荷载下的动态响应

通过编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板的平头弹冲击实验，分析了结构在不同冲量下的变形失效模式以及结构的抗冲击性能。实验表明复合板的变形失效模式主要表现为:(1)弹性变形；(2)复合板表面嵌入失效及整体塑性大变形；(3)背面纤维拉伸断裂及分层失效。基于实验研究，运用LS-DYNA 971有限元程序对铺层数不同的复合板在冲击载荷作用下的动态响应过程进行了数值模拟，模拟结果与实验吻合较好，子弹作用区域边缘处首先发生近似圆形的嵌入失效，而在板背面发生近似正方形的破坏区域；计算中重点分析了铺层数对结构动力响应的影响，在一定冲量范围内，通过对铺层数的优化，能够有效地减小后面板挠度，提高结构的能量吸收效率，增强结构的抗冲击性能。     

轻质泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能研究

通过实验研究和有限元模拟,重点关注了泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能和能量吸收机理.给出了爆炸载荷下泡沫金属夹芯壳结构的典型动力失效模式,分析了关键几何拓扑参量对其抗爆炸冲击性能的影响规律,模拟了爆炸载荷下夹芯壳结构的整个塑性动力响应过程,讨论了夹芯壳结构各组成部件的能量耗散分配机制.结果表明,夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能可以通过优化承载范围和结构配置而提高;夹芯壳结构的能量吸收能力与其失效机制相关,且泡沫金属芯层的贡献最大.研究结果可为强动载荷服役条件下泡沫金属夹芯复合结构的防护要求及优化设计提供技术支持.     

金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应

通过理论和数值方法，对冲击载荷下金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了研究。考虑材料应变率影响，建立了金属正交波纹夹芯结构动态响应的理论模型，同时对它的动态压缩响应进行了有限元模拟。结果表明，考虑材料应变率影响的理论模型的预测结果与有限元模拟结果吻合较好。进一步对多层正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了数值模拟，获得了不同速度冲击下的变形模式，分析了层数对其动态响应的影响。研究发现，通过增加层数能够有效地增强结构的缓冲吸能能力，但层数超过4层以后增强效果不明显。     

基于夏比冲击试验的材料失效模型参数

结合夏比冲击试验和ABAQUS显式动力数值模拟,对Q370d钢进行了Johnson-Cook失效模型参数研究。首先,在不考虑材料失效的情况下,通过3种不同厚度的无缺口试件冲击实验对有限元模型参数设置和材料本构模型的准确性进行了验证,同时还讨论了试件断裂区网格的合适尺寸;在此基础上,基于正交设计,通过大量的有限元数值模拟得到失效模型参数样本,利用回归分析求得冲击功与失效模型参数的回归方程组;最后结合夏比V型缺口冲击试验,求解Q370d钢的失效模型参数,并对断裂截面的力学特性进行了分析,可为工程应用提供参考。     

二维弹性结构入水冲击过程中的流固耦合效应

描述了一个研究弹性结构入水冲击过程中水弹性效应的数值方法,在弹性结构入水冲击过程中,流体域作用在结构上的水动力载荷由边界元法获得,而结构的弹性动力响应则由有限元方法求解,通过线性给离散Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程将有限元方程和边界元方程耦合到一起,从而获得了求解流场和结构动力响应的相互耦合的运动方程。在数值考虑了自由表面的非线性边界条件,通过引入射流单元以及最大射流厚度,较好地处理了冲击引起的射流问题。     

碳纤维叶片的鸟弹冲击响应及损伤

通过实验和数值模拟研究了T300碳纤维叶片的抗冲击性能，探讨了碳纤维叶片的变形损伤模式及纤维层数对叶片抗冲击性能的影响。采用明胶鸟弹对不同层数碳纤维叶片开展了冲击实验，基于宏观连续损伤力学理论和Hashin失效准则针对碳纤维材料的失效形式编写了用户材料（vectorized user-material,VUMAT）子程序，采用光滑粒子流体动力学方法模拟明胶鸟弹，运用ABAQUS有限元软件对不同层数碳纤维叶片的动态响应过程进行了数值模拟，在鸟弹冲击过程中叶片变形、鸟流状态、冲击持续时间等方面，模拟结果与实验结果吻合较好。在鸟撞叶片初始冲击阶段，三种不同层数的叶片都有较大的变形，且叶片的变形模式相近；在冲击衰减阶段与恒流稳定阶段，不同层数碳纤维叶片的挠度与断裂位置都有较大差别。在鸟弹冲击叶片过程中，叶片以弯曲和扭转耦合变形模式为主，其中弯曲变形对其损伤破坏起主导作用。实验结果表明，碳纤维叶片损伤模式主要表现为：（1）叶根部边缘损伤，（2）叶根部完全断裂，（3）叶根部与叶顶部完全断裂。碳纤维抗冲击性能受层数的影响较大，通过实验和数值模拟对鸟弹冲击叶片进行机理分析，可为碳纤维叶片的工程设计和应...     

应用浮动冲击平台考核舰载设备响应分析

为研究安装甲板模拟器的浮动冲击平台系统考核舰载设备的机理,对整个系统建立有限元模型进行数值模拟并建立力学模型进行了理论分析。根据船体甲板结构产生的垂向低通滤波特性,提出甲板模拟器具有减缓高频冲击并满足设备安装频率要求的作用。将被试设备的浮动冲击平台考核系统简化为有阻尼的三自由度系统强迫振动模型,通过拉普拉斯变换方法求解了不同冲击环境下被试设备的响应。数值模拟与理论计算结果比较吻合,被试设备响应迅速达到峰值后逐渐衰减,振动频率由高频向低频过渡,在分析浮动冲击平台舰载设备考核系统长时间响应时需考虑阻尼的影响。     

爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。     

混凝土HJC本构模型参数的研究

运用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA模拟了混凝土SHPB试验.将试验采集的入射波数据作为压杆的端面载荷,模拟条件尽量符合试验条件,确保模拟精度.将数值模拟与试验结果相结合,研究了混凝土HJC模型参数的确定方法,得到了C60混凝土的相关计算参数,模拟结果得到的应力-应变曲线与不同应变率下混凝土SHPB试验应力-应变曲线吻合较好.分析了HJC模型的本构特性,比较了与金属JC模型的差异与共性,讨论了HJC模型存在的问题.研究结果表明,未考虑混凝土弹性响应的应变率效应,横向效应的影响与采用的失效方式密切相关.     

基于动力放大系数与等效单自由度体系的圆中空夹层钢管混凝土抗撞设计方法

中空夹层钢管混凝土（concrete-filled double-skin steel tubular,CFDST）构件作为超高输电塔、海上平台等重要结构的承重构件,其抗撞性能是设计阶段需考虑的关键问题。因此,在前期试验研究的基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了200个圆CFDST柱力学模型,并进行了轴力与撞击耦合作用下的抗撞机理分析,研究了在0~0.7轴压比下不同名义含钢率、空心率、截面直径、材料强度对构件抗撞性能的影响规律;基于动力放大系数和等效单自由度方法提出了构件抗撞承载力计算公式,并预测了撞击作用下构件的跨中动力响应。结果表明:在0~0.7轴压比下,名义含钢率、外径、外钢管强度、撞击速度与撞击质量对构件跨中挠度峰值和撞击力平台值影响显著,空心率与混凝土强度影响较小;提出的简化计算方法能较好地预测圆CFDST构件的抗撞承载力和跨中位移响应。     

浮顶式储油罐的爆炸冲击失效

通过模型实验与数值模拟结果对比,探讨了浮顶油罐在可燃蒸气云爆炸冲击作用下的变形过程和破坏机理。研究发现,罐体失稳破坏的主要原因与爆炸冲击波和油罐内液体的复合冲量作用有关,在爆炸冲击作用下浮顶油罐模型产生剧烈振动,迎爆面上部罐壁形成动应力集中现象,最终导致罐体失稳并产生内凹动力屈曲破坏。     

大长细比弹体斜侵彻混凝土靶的动力学响应

基于刚塑性自由梁在横向冲击载荷下的动力学响应研究方法,结合空腔膨胀理论给出的弹体载荷分析,给出了弹体作为自由梁在塑性铰出现之前的响应行为,得到了梁内任一截面在横向载荷下剪力和弯矩分布规律以及轴向载荷下的轴力分布规律。计算结果表明,大长细比结构弹体的危险截面在承受较大轴向惯性压力载荷后,对由非正侵彻导致的横向载荷极为敏感。最后基于压弯联合作用载荷分析,给出了动能弹设计的抗弯极限壁厚要求。     

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DYNA, 对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究 表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量; 重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌 破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。     

点弹性碰撞问题之解析解

把处于碰撞状态下之碰撞体与靶体看作是一个振动体系，于是可把弹性碰撞问题转化成该体系在部分体系（碰撞体）具有初始扰动速度下的振动响应问题而纳入常规的振动分析范畴．典型示例表明用这种对策可以方便地得到与波动解完全相同的结果．     

Structural failures precipitated by weld discontinuities

A literature review was conducted to assess the effects of weld defects upon the failure of welded structures. This effort was focussed on storage tank failures with emphasis on those fabricated for cryogenic liquid containment in order to assess the significance of past storage tank failures relative to the 9% nickel steel storage tanks currently in service. Consideration of past failures can be instructive for insuring the integrity of these vessels.Along with other documented failures, three cryogenic storage tank failures are documented herein. One of these was a liquefied natural gas (LNG) tank, the other two were designed to store liquid ethylene. Although details of design differed slightly, the overall design was the ‘tank within a tank’ concept. In each of the three failures detailed in this review, a breach of the outer tank integrity resulted when cryogenic liquid came in contact with the outer tank wall. This can be attributed to the fact that the outer steel wall was brittle at service temperatures.In addition to the above failures, this review has revealed a pattern of failures in pressure vessels resulting from faulty welds (usually fillet welds) associated with nozzle attachments and branch connections. These are undoubtedly areas of concern in cryogenic storage tanks along with the ones delineated more fully in this review.     

Application of a stress triaxiality dependent fracture criterion in the finite element analysis of unnotched Charpy specimens

Nonlinear dynamic finite element analysis (FEA) is conducted to simulate the fracture of unnotched Charpy specimens of steel under pendulum impact loading by a dedicated, oversized and nonstandard Bulk Fracture Charpy Machine (BFCM). The impact energy needed to fracture an unnotched Charpy specimen in a BFCM test can be two orders of magnitude higher than the typical impact energy of a Charpy V-notch specimen. To predict material failure, a phenomenological, stress triaxiality dependent fracture initiation criterion and a fracture evolution law in the form of strain softening are incorporated in the constitutive relations. The BFCM impact energy results obtained from the FEA simulations compare favorably with the corresponding experimental data. In particular, the FEA predicts accurately the correlations of the BFCM impact energy with such factors as specimen geometry, impactor tup width and material type. The analyses show that a specimen’s progressive deterioration through the thickness dimension displays a range of shear to ductile fracture modes, demonstrating the necessity of applying a stress state dependent fracture initiation criterion. Modeling the strain softening behavior helps to capture the residual load carrying capability of a ductile metal or alloy beyond the onset of damage. The total impact energy can be significantly under predicted if a softening branch is not included in the stress-strain curve. This research supports a study of the puncture failure of railroad tank cars under dynamic impact loading. Applications of the presented fracture model in failure analyses of other structures are further discussed.     

侧向撞击荷载作用下内八边形空心钢筋混凝土柱的动力响应

相比于实心钢筋混凝土柱，空心钢筋混凝土柱具有自重轻和截面扩展好等优点，被广泛地用作桥墩，由此其不可避免地会受到船舶的撞击。本文中进行6根内八边形空心钢筋混凝土柱和4根内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱的动力响应的实验。在实验中记录了构件破坏形态、撞击力时程曲线和跨中位移时程曲线，并从撞击高度、边界条件和钢板厚度等方面分析了构件的耐撞性能。结果表明:内八边形钢筋混凝土柱和内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱在撞击荷载作用下的破坏形态主要分为两种破坏类型，分别为局部型破坏和整体型破坏；撞击高度越大构件破坏越严重；两端固定对构件的耐撞击性能有提升作用；钢管厚度对构件的耐撞击性能有较明显的提升作用。     

考虑材料损伤累积单层柱面网壳在强震下的失效研究

采用考虑钢材损伤累积的本构模型,对跨度15米单层柱面网壳在强震下的失效进行了系统的研究。在大量算例的基础上,考察了屋面质量、矢跨比、初始几何缺陷和长宽比等结构几何参数的变化对柱面网壳失效特征和失效极限荷载的影响,探讨了结构的强震失效模式及失效机理。对大量强度破坏算例在失效时刻的特征响应进行统计分析,建立了考虑材料损伤累积的单层柱面网壳动力损伤模型,可对结构在不同荷载强度下的损伤程度进行评估;提出了单层柱面网壳强震失效判别准则,用于判别单层柱面网壳在强震下的失效极限荷载。