舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果

为研究水下爆炸气泡载荷对船舶局部结构的毁伤效果,设计建造了实尺度舱段模型,并进行水下 爆炸实验,测量了水中压力、气泡脉动周期、舱段外板结构的动应变与塑性变形。分析了不同冲击因子作用下 舱段结构的动态响应,并结合水中压力测量结果,探讨了气泡射流的成因。在此基础之上,分析了气泡射流载 荷的影响范围以及外板在不同载荷作用下的毁伤模式。实验结果表明,相比冲击波载荷,在某些情况下射流 冲击载荷引起的结构响应更剧烈,毁伤效果更严重,因此在中近场水下爆炸作用下,气泡射流冲击载荷对船体 结构的影响不能忽视。     

水中爆炸冲击波载荷作用下舰船结构动态响应的数值模拟

采用大型通用有限元软件MSC.DYTRAN,对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了数值模拟。分别从结构的变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理和响应特征。     

舰船底部液舱结构在水下爆炸作用下的动态响应实验研究

实验研究了舰船底部液舱双层板结构在水下爆炸作用下的动态响应问题。对舰船底部液舱模型在空载、半载和满载状态下进行了水下爆炸实验,测量了底部液舱外板和内板的壁压、加速度和动态应变等参数。在此基础上,分析了船体底部液舱外板和内板在水下爆炸作用下的响应特点,液舱满载时水下爆炸冲击波的透射作用和半载液舱飞溅载荷对内底的冲击作用等问题。     

水下爆炸载荷作用下环肋加筋圆柱壳结构的弹塑性动力屈曲

为研究水下爆炸载荷作用下潜艇结构的动力屈曲现象,以潜艇耐压结构的简化模型环肋加筋圆 柱壳结构为研究对象,建立流固耦合有限元分析模型,应用瞬态有限元分析程序MSC.Dytran对该结构在水 下爆炸冲击载荷作用下的弹塑性动力屈曲行为进行研究,基于Budiansky-Roth准则和Southwell方法确定环 肋加筋圆柱壳结构的临界屈曲载荷,讨论结构动力屈曲的影响因素如载荷强度、网格密度、径厚比、长径比、加 筋截面间距、加筋尺寸等对环肋加筋圆柱壳结构动屈曲模态和临界屈曲载荷的影响。结果表明:采用建立的 流固耦合有限元分析模型,应用动力瞬态有限元软件MSC.Dytran可以对加筋圆柱壳结构的动力屈曲行为进 行模拟,模型网格尺寸大小、结构几何参数对结构的动力屈曲临界载荷都有一定的影响,其中加筋圆柱壳结构 的径厚比对结构的动力屈曲临界载荷影响最为显著。     

蓄能落锤式动静组合加载试验系统研制及应用

针对深部矿井中煤岩所处的高应力、强开采扰动等复杂的赋存环境特点,设计并研发蓄能落锤式动静组合加载试验系统,本文详细介绍了该系统的结构特点、技术指标及功能等。该系统能够分别独立向试样施加轴向冲击载荷、轴向静载荷及侧向静载荷,实现试样不同动静组合加载。该系统所用试样尺寸大,向试样施加的冲击载荷更接近现场实际。采用冲击力传感器及动态应变仪等高精度传感器进行实时监测,记录试样应变及所受冲击载荷。利用该系统对煤样进行了相同轴向载荷与不同冲击载荷共同作用下的动静组合加载试验,实时采集煤样冲击过程中力与应变数据。通过绘制冲击过程煤样应力应变曲线,分析不同动静组合加载下煤样应力及应变的变化特点,通过观察煤样形态,分析煤样的破坏变形特征,初步研究不同动静组合条件下煤样的破坏变形规律。该系统的研制丰富了深部高应力、强扰动等环境下岩石力学性质的研究手段,可为防治冲击地压灾害提供科学的试验基础。     

水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为试验研究

为加深水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为认识，设计典型圆柱壳结构模型，开展了水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应光电联合测试，获得了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用高速光学物理图像、动态应变、超压载荷、毁伤模式等试验数据。通过高速光学物理图像和三维激光扫描毁伤形态的分析，给出了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用物理过程及最终毁伤模式；通过动态应变的分析，给出了圆柱壳结构迎爆面和背爆面在加载过程中应变拉伸压缩转变和响应阶段的划分；通过超压载荷的分析，明确了装药爆轰完全性以及接触爆炸加载下结构吸能对超压的影响。研究表明：爆距的变化会显著影响圆柱壳结构的毁伤形态，近距加载下圆柱壳结构主要呈现塑性大变形，接触加载下圆柱壳结构主要呈现撕裂破坏；近距加载下圆柱壳结构迎爆面空化区的形成及溃灭形成的二次加载毁伤效应不容忽视，值得深入研究；研究成果可为水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构毁伤评估提供参考和依据。     

塑性动态断裂实验研究

本文利用自制的实验装置,对韧性材料在爆炸冲击载荷作用下的塑性动态断裂特性,进行了实验研究,其中包括高塑性应变速率下,塑性区裂纹扩展过程和扩展速度的测试;塑性动态断裂韧性CTOD,及其在不同裂纹扩展速度下变化规律的测试。同时,对不同裂纹扩展速度的试件断口进行微观分析。     

受轴向冲击薄壁圆管的几何畸变相似律研究

对于受轴向冲击载荷作用的薄壁圆管动态响应的相似律问题,由于圆管的薄壁特性导致厚度无法与高度和半径按相同的比例进行结构缩放,从而产生模型的几何畸变,此时传统的相似律已无法描述原型与畸变模型之间的动态响应规律。基于薄壁圆管轴向冲击问题的控制方程,通过能量守恒和量纲分析,推导了考虑几何畸变条件下轴向冲击载荷作用的理想弹塑性薄壁圆管动态响应的相似律。通过在给定应变与应变率区间上建立比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,将几何畸变相似律进一步推广至包含应变率和应变硬化的材料。通过数值方法验证了提出的几何畸变模型相似律的适用性。分析结果表明,提出的考虑厚度畸变的受轴向冲击薄壁圆管的相似律可用于预测原型结构的冲击动态响应,并显著降低比例模型与原型结构平均载荷和能量的偏差。     

大型浮顶式储油罐的爆炸破坏机理实验

利用可燃气体爆轰实验装置,通过乙炔/空气混合气体沿管道稳定爆轰后形成的冲击波对浮顶式储油罐模型的冲击实验,分别测得模型壁面上的超压荷载、动态应变及振动加速度时程曲线.通过对比分析,研究了大型浮顶式储油罐在爆炸冲击荷载作用下的动态响应特性及其破坏机理.在可燃气体爆炸荷载作用下,储罐结构在变形过程中诱发罐内液体产生压缩波并...     

基于饱和响应时间的封闭空间内爆炸载荷等效方法研究

针对舱内爆炸载荷形式复杂、作用时间长、缺乏有效的简化描述方法的问题，首先采用显式动力学计算程序开展了内爆载荷作用下钢板动态响应的数值计算，在与试验结果对比验证的基础上分析了金属板的内爆载荷饱和冲量。通过对216种不同爆炸载荷加载时长与金属板响应关系的分析，提出了内爆炸载荷作用下结构最大变形所对应的饱和时间计算经验公式，并给出了饱和时间的无量纲系数建议值。考虑到内爆载荷初始冲击波的影响，结合爆炸载荷饱和作用时间的规律，提出了封闭空间爆炸载荷的矩形载荷等效方法，对比了18组简化载荷与耦合载荷分别作用下钢板的动力响应，验证了等效方法的有效性。     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

脆性材料动态强度应变率效应

通过求解波动方程,结合有限结构-时间破坏准则,得到了动态载荷下脆性材料单轴拉伸强度应变 率效应的解析表达式。分析结果表明:材料动态强度的应变率效应具有明显的结构响应特征,即材料动态强 度除与应变率和静态参数相关外,还显著地依赖于外载荷结构及其与材料间的相互作用,因而动态强度不是 表征材料动态破坏的内禀材料性质;此外,由于在不同的外载荷条件下材料将表现出不同的动态强度,这是导 致实验结果离散性大的内在因素。     

混凝土动态双轴拉压破坏准则细观数值模拟研究

正常服役期内的混凝土结构往往处于复杂应力状态, 并且不可避免地会受到偶发动力载荷作用. 对于复杂载荷作用下的混凝土力学性能研究, 破坏准则是基础. 受试验设备等条件限制, 现有的动态双轴拉压破坏准则形式复杂、缺乏更高应变率和侧应力比范围且尚未综合考虑应变率和侧应力比的耦合作用. 为进一步提出适用范围更高且更准确的混凝土动态双轴拉压破坏准则, 在细观尺度上建立了混凝土立方体三维随机数值模型, 模拟了不同应变率和侧应力比下混凝土材料的动态双轴拉压破坏行为, 分别讨论了应变率和侧应力比对混凝土破坏模式和动态双轴强度的影响, 总结提出了混凝土动态双轴拉压破坏准则. 研究结论如下: 随应变率和侧应力比增大, 混凝土试件内部损伤增多, 裂纹数量增加. 动态双轴拉压工况下, 混凝土动态主轴压缩强度和侧轴拉伸强度均随应变率的增大而增大. 随侧应力比增大, 动态主轴压缩强度减小, 而动态侧轴拉伸强度增大. 本文提出的混凝土动态双轴拉压强度准则具有应变率和侧应力比适用范围大, 形式精炼简洁, 不再受物理试验条件限制和考虑了应变率和侧应力比的耦合作用等优点, 并且该准则得到了不同角度的验证.      

静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则

混凝土结构在受到动载荷作用之前,通常已承受着初始静载荷的作用.大量关于混凝土应变率效应的研究均没有考虑初始静载荷对动强度的影响,会导致过高地估计混凝土的动强度,使混凝土结构设计偏于危险.本文通过分析混凝土材料在静动组合载荷下的率效应机理,给出了初始静载荷的定义.在此基础上,推导了混凝土材料参数与初始静载荷和应变率的表达式,提出了建立静动组合强度准则的一般方法.通过材料参数反映初始静载荷与应变率的联合影响,给出了由初始有效静载荷、动态黏聚强度和摩擦强度共同组成的混凝土动态强度,将广义非线性强度准则发展为静动组合多轴强度准则.建立的强度面在相同初始静载荷下随应变率的增大向外扩张,在相同应变率下随初始静载荷的增大向里收缩,即混凝土的强度在相同初始静载荷下随应变率的增大而增大,在相同应变率下随初始静载荷的增大而减小.此外,当初始静载荷和应变率不变时,加载路径对混凝土材料的应变率效应无影响,但会影响混凝土材料的静水压力效应,即当初始静载荷和应变率固定不变时,静动组合强度面的位置和大小即可确定,不同加载路径下强度的不同是由于静水压力效应导致的.最后利用多组混凝土材料静动组合强度试验对建立的静动组合强度准则进行了验证.     

Influence of lateral confinement on dynamic damage evolution during uniaxial compressive response of brittle solids

A dynamic damage growth model applicable to brittle solids subjected to biaxial compressive loading is developed. The model incorporates a dynamic fracture criterion based on wing-crack growth model with a damage evolution theory based on a distribution of pre-existing microcracks in a solid. Influences of lateral confinement pressure (dynamic or static) as well as frictional coefficient on the rate dependence of fracture strength of basalt-rock are investigated systematically. It is found that the failure strength, damage accumulation and wing-crack growth rate are strongly influenced by the nature and the magnitude of confinement pressure. It is also verified that the effect of strain rate on fracture strength of brittle solids is independent of confinement pressure in a certain range of strain rate.     

Modal Analysis of a Servo-Hydraulic High Speed Machine and its Application to Dynamic Tensile Testing at an Intermediate Strain Rate

This paper describes the experimental procedure to identify the predominant frequencies of the high speed testing machine by conducting modal analysis. The effects due to the predominant frequencies of the system and loading rate on the magnitude of system ringing and the flow stress were analyzed by using a single degree-of-freedom (SDOF) spring-mass-damper model. The system was then used to study the dynamic tensile behavior of two engineering materials, i.e., polyethylene (PE) fabric-cement composite and Alkaline Resistant (AR) glass fabrics at an intermediate strain rate. The stress oscillations in the response of these materials due to system ringing were addressed. The failure behavior of each material was studied by examining high speed digital camera images of specimens during the test. The validity of the dynamic tensile tests was investigated by examining the condition of dynamic stress equilibrium—a criterion used in split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests. The results show that the quantitative criterion for a valid SHPB test is also applicable to dynamic tensile tests of these materials at the intermediate strain rate.     

Technique for Combined Dynamic Compression–Shear Testing of PBXs

We modify the split Hopkinson pressure bar and propose a compression–shear experimental method to investigate the dynamic behavior of polymer-bonded explosives (PBXs). The main apparatuses used include an incident bar with a wedge-shaped end and two transmission bars. We employ Y-cut quartzes with a rotation angle of 17.7° to measure the shear force and an optical system for shear strain measurement. A PBX with a density of 1.7 g/cm³ is investigated using the proposed method. Experimental results show that the specimen endures both compression and shear failure. Compression failure stress rises, and shear failure stress decreases as the strain rate increases. The sequences of shear and compression failure times are various at different strain rates. Based on the maximum shear failure criterion, we conclude that these phenomena are related to the experimental loading path.     

考虑面内破坏过程的含分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应

基于复合材料层合板一阶剪切理论，推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式；同时采用了Adams应交能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法，构造了相应的阻尼阵列式；为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象，建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析的分层分析模型和虚拟界面联接模型。在上述模型和理论基础上，采用了Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法，对含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了动力响应和破坏分析。通过算例，分别讨论了外载频率、分层位置，以及破坏过程的刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征的影响，得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

Loading rate and confining pressure effect on dilatancy,acoustic emission,and failure characteristics of fissured rock with two pre-existing flaws

Investigating the dilatancy, acoustic emission and failure characteristics of fissured rock are significant to ensure their geotechnical stability. In this paper, the uniaxial and triaxial compression experiments with AE monitoring under different loading rates were carried out on fissured rock specimens with the same geometrical distribution of two pre-existing flaws. The dilatancy and AE activity of these specimens were discussed, and the effects of the confining pressure and loading rate on the mechanical parameters and failure characteristics were analyzed. The results show that the exponential strength criterion is more suitable than the Mohr–Coulomb strength criterion to characterize the strength characteristics of fissured rock. The crack evolution and failure characteristics of fissured rock specimens are more complicated than those of intact rock specimens. The failure characteristics of the fissured rock follow the tensile shear coalescence model, crack branching occurs with increasing the loading rate, and the multi-section coalescence model is verified with increasing the confining pressure. The phenomena of stress drop and yield platform usually occur after the dilatancy onset, the specimen does not fail instantaneously, and the propagation and coalescence of cracks cause a sharp increase in the AE signals, circumferential strain, and volumetric strain.     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型，利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置，对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验，得到了不同加载应变率下的应力应变曲线，对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明，酚醛层压材料具有较强的应变率效应，与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比，在动态载荷(7×102 s-1)下，峰值应力增加了约10倍；破坏应变减少了约一半；在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同；采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为，拟合得到了本构方程的系数，在加载过程中，理论计算值与实验结果吻合较好。