舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察，结合数值模拟，分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明，舱内爆炸下，舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别，其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述；舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力，其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上；舱室板架结构主要有4种失效模式，其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生；舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加，但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度，减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

近场近地爆炸下建筑柱爆炸荷载分布规律及简化模型

为了快速评估近场近地爆炸荷载下建筑柱的动力响应和破坏模式,通过数值仿真方法,探究了近场近地爆炸工况下冲击波在建筑柱迎爆面的分布规律,并提供了该工况下的爆炸荷载简化模型。为此,首先利用已有实验数据验证数值模型,并建立典型近地近场爆炸工况的数值模型,然后研究比例爆距和比例爆高对建筑柱冲击波特征参数的影响规律,最后拟合出柱迎爆面反射冲量和正相超压持续时间的计算公式,将柱迎爆面各点爆炸荷载转化为等效三角形荷载模型,为工程实践中建筑柱遭受近场近地爆炸作用下的抗爆设计提供荷载输入。研究结果表明：当比例爆高小于0.3 m/kg^1/3、比例爆距在0.4～0.6 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可简化为三折线分布;当比例爆距在0.6～1.4 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可近似简化为双折线分布;在同一比例爆距和比例爆高工况下,随着炸药当量的增加,柱迎爆面相同比例高度处反射超压峰值保持不变而反射冲量正比于当量的立方根。     

爆炸载荷作用下加筋板的失效模式分析及结构优化设计

通过对爆炸载荷下具有1根加强筋的固支矩形加筋板的有限元模拟，探讨了抗爆加筋板结构优化设计方法，分析了加筋板的失效模式以及加强筋相对刚度和冲击载荷强度对加筋板失效模式的影响，指出了失效模式Ⅰ下的3种变形模态以及失效模式Ⅱ下的2种子失效模式，得到了失效模式Ⅰ下加强筋和加筋板最大挠度的近似计算公式，提出了单根加筋板的两种失效模式的判别条件，并对具有1根加强筋的固支矩形加筋板抗爆结构进行了优化设计。结果表明，通过数值模拟或模型实验可以求得任意加筋板结构由发生塑性大变形到发生破损的临界条件，从而确定抗爆性能最强时加筋板的质量与加强筋横截面尺寸及间距间的关系，实现对抗爆加筋板结构的优化设计。     

舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究

为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了3种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。     

钢化玻璃冲击波毁伤效应测试结果分析

为研究爆炸冲击波对钢化玻璃的毁伤阈值,开展了钢化玻璃冲击波毁伤效应实验。对每一发实验进行了爆炸参数测试,获得了冲击波超压随时间变化历程的实验数据。通过对实验数据的处理与分析,得到了爆炸冲击波基本参数,包括正反射超压、冲击波到时、正压作用时间、正反射冲量、负反射超压、负压作用时间和负反射冲量等。将实验结果与CONWEP计算结果进行了比较,比较结果表明二者误差很小,证明冲击波测试结果准确可靠。对冲击波正负反射参数进行了比较,结果表明冲击波正反射参数明显高于冲击波负反射参数。     

爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板动力响应研究

采用自行设计的冲击摆实验系统对铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应进行了系统实验研究,给出了面板和铝蜂窝不同区域的不同变形模态,得到了不同炸药当量对铝蜂窝夹芯板动态响应的影响规律,证实了铝蜂窝夹芯板产生较大塑性变形时,比一般的结构具有更好的能量吸收特性.并利用LS-DYNA对其动力响应进行了数值仿真,考察了炸药起爆、接触界面及上表面接触力对夹芯板变形影响的全过程,得到了板中心的最终变形和芯层的变形模式,与实验结果吻合较好.     

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。     

不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟

针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。     

近距离爆炸比例爆距的界定标准及荷载模型

如何准确界定“近距离爆炸（close-in explosion）”一直是防护工程研究领域的热点。本文中基于已被充分验证的精细化有限元模型,研究了TNT球形装药自由场爆炸冲击波传播与爆轰产物高速膨胀共同作用的特点和规律,发现在比例爆距小于0.80 m/kg1/3的范围内,爆轰产物对刚性壁面的爆炸荷载影响显著,提出球形装药近距离爆炸的比例爆距界定标准为0.30～0.80 m/kg1/3。研究发现,在近距离爆炸下,爆炸波在入射角为0°～5°范围内的刚性壁面反射荷载峰值会出现急剧下降的现象,这是由爆轰产物喷射的不均匀性和随机性导致的;近距离爆炸下,刚性壁面反射超压出现了两个峰值的现象,这是由冲击波和爆轰产物分别与刚性壁面相互作用导致的。提出了近距离爆炸情况下两个荷载峰值的计算公式,以及适合工程结构响应计算的简化荷载模型;揭示了近距离爆炸下刚性壁面反射超压的分布规律。     

泡沫铝内衬对抗内部爆炸钢筒变形的影响

为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能，研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验，发现在本文的实验条件下，泡沫铝内衬导致钢筒变形增大，甚至发生了严重的破坏；进而建立有限元模型，研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明，添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形，但泡沫铝厚度不足时，则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒，随着爆炸当量增加，泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1，泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷，从而减小钢筒变形。模式2，泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大，钢筒塑性变形增大。模式3，泡沫铝对载荷强度的影响可忽略，泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。     

具有分层损伤的不同加筋形式复合材料层合板的后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和V on-K arm an大挠度理论,分别推导了复合材料层合板和层合梁的几何非线性有限元列式,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩载荷作用下的后屈曲有限元分析方法,对在板厚方向具有不同分层位置的加筋板结构进行了有限元数值分析,研究了不同的加筋方式及筋的分布对具有分层损伤的复合材料加筋层合板的后屈曲性态的影响,所得结果对确定在压缩载荷作用下含损伤复合材料加筋层合板的剩余承载能力具有参考价值。     

Free vibration analysis of stiffened laminated plates

Based on the semi-analytical solution of the state-vector equation theory, a novel mathematical model for free vibration analysis of stiffened laminated plates is developed by separate consideration of plate and stiffeners. The method accounts for the compatibility of displacements and stresses on the interface between the plate and stiffeners, the transverse shear deformation, and naturally the rotary inertia of the plate and stiffeners. Meanwhile, there is no restriction on the thickness of plate and the height of stiffeners. To demonstrate the excellent predictive capability of the model, several examples are analyzed numerically. The model presented in this paper can also be easily modified to solve the problems of stiffened piezolaminated plates and shells, or plates and shells with piezoelectric material patches.     

加筋路径驱动的板壳自适应等几何屈曲分析

加筋薄壁结构常被用于航空航天结构的轻量化设计.随着结构尺寸和几何特征的增加,需要更加精细的网格来满足分析精度的要求.传统的等几何方法采用NURBS张量积形式的拓扑结构,使得在分析过程中难以实现局部细化,而全局细化则会增加不必要的自由度.为了提升加筋板壳结构的数值分析精度和效率,提出一种基于RPHT (rational polynomial splines over hierarchical T-meshes)样条的加筋板壳自适应等几何屈曲分析方法.样条网格可以沿着加筋路径进行自适应的局部细化,有效提升低自由度下加筋板壳结构等几何屈曲分析的精度.首先,蒙皮和筋条分别采用RPHT样条曲面和NURBS样条曲线进行建模,几何建模与数值仿真采用统一的几何语言,实现建模与分析的一体化.其次,采用几何投影算法和样条插值算法实现筋条与蒙皮之间的高效高精度强耦合,并建立基于加筋路径驱动自适应网格细化方法.最后,曲线加筋板和网格加筋壳两个算例验证本方法的高效性和鲁棒性,通过与基于NURBS的等几何分析进行对比,本方法能够明显降低分析模型的总自由度.     

薄板结构加筋布局优化设计方法研究

提出一种两步优化策略,以加筋板结构的固有频率最大化为目标函数,以结构所受外载荷作用的最大静变形为约束条件,开展薄板结构加筋构件的布局优化设计研究。为了降低加筋布局优化的难度,提高优化设计的效率,将加筋等效为一系列弹性铰（点）支撑,以便快速获得加筋横向移动的灵敏度信息。在基本不改变结构重量的情形下,通过合理布局加筋位置,能显著改善结构的刚度分布,提高结构的整体承载能力。随后,小幅调整加筋的截面尺寸,以满足对结构最大变形的设计要求。最后,用两个算例验证了所提优化方法的可行性和有效性。     

弹性体的正则方程和加筋板的固有频率分析

应用弹性力学的Hamilton正则方程理论和其半解析法，为整体加筋板的固有频率分析提出了一种新颖的数学模型. 采用同一种平面元素离散板和加强筋，并分别建立板和加强筋的线性方程组. 考虑到板和加强筋连接界面上应力和位移的连续性，联立板和加强筋的方程得到全结构的方程组和求解固有频率的特征方程. 主要优越性表现为：结构的旋转惯性、剪切变形等都得到了考虑，且不限制结构的板厚度和加强筋的高度. 多个数值实例的收敛分析和结果证明了方法是可靠的. 该方法很容易被修改用来分析加筋壳、加筋压电材料层合板或带有压电材料传感器和驱动器块的板壳问题.     

敷去耦层有限加筋板声辐射近似解析解

本文主要研究了流体负载下敷设去耦阻尼层的加筋板,在外界激励力作用下的振动和声辐射,推导出了敷设去耦层有限长加筋板的振动响应和水下辐射噪声近似解析解。采用弹性理论来描述去耦层,并采用模态迭加理论构造响应函数,将加强筋等效为线力的作用,以复模量形式计及去耦阻尼层损耗因子,建立了敷设去耦阻尼层加筋板的理论解析模型,结合加筋板与去耦层变形连续条件、结构与流体连续性条件组成了声-流体-结构的耦合方程,结合数值计算方法,得到了有限长加筋板结构的振动位移及水下辐射噪声。开展相应数值算例与模型试验结果吻合较好,验证本文方法的正确性。     

Thermal buckling and free vibration of FG truncated conical shells with stringer and ring stiffeners using differential quadrature method

In this paper, thermal buckling and free vibration of orthogonally stiffened functionally graded truncated conical shells in thermal environment is investigated. Conical shell has been stiffened by rings and stringers, and the influences of the stiffeners are evaluated by the aid of smearing method. The material properties of the structure are assumed to be changed continuously in the thickness direction. First, the initial thermal stresses are obtained accurately by solving the thermoelastic equilibrium equations. Then, by taking into account the initial thermal stresses, equations of motion as well as boundary conditions are obtained, applying the Hamilton’s principle and the first-order shear deformation theory. The natural frequencies of the system have been achieved, solving these governing equations with considering Differential Quadrature Method (DQM). In addition to Eigen frequency analysis, the critical buckling-temperature of the conical shell has been computed. Moreover, the effects of geometrical parameters, number of stiffeners, thermal environment and various boundary conditions on natural frequency of the system have been investigated. Finally, in order to validate the present work, the results are compared with those of other researches available in literature.     

基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究

基于水平集方法,提出薄板加强筋分布的拓扑优化理论。采用Kirchhoff板单元,通过刚度等效,分别使用不同的抗弯刚度表征薄板与加强筋,继而通过水平集方法描述加强筋的布局并进行加强筋分布拓扑优化。以最小柔顺度为设计目标,进行了几种典型载荷下加筋板结构的加筋分布优化设计,通过与变密度方法（SIMP）结果以及现有文献设计结果进行对比,验证了本文提出的加强筋分布拓扑优化理论。结果显示,本文方法能够避免灰度单元,获得清晰的加强筋优化布局和尺寸。     

考虑强度与固化变形的复合材料加筋壁板铺层优化方法

加筋壁板是复合材料飞行器主承力构件的主要结构形式,通过复合材料铺层参数设计可以有效优化壁板的强度,但铺层参数的变化也会影响壁板的固化变形.因此,复合材料加筋壁板铺层设计过程中需要综合考虑整体强度和固化变形.本文针对复合材料加筋壁板结构,建立了失效分析模型和固化变形分析模型;基于实验设计方法、NSGA-Ⅱ遗传算法以及上述分析模型,建立了综合考虑强度与固化变形的加筋壁板铺层优化方法.优化结果显示复合材料加筋壁板在强度提高的同时,固化变形显著降低.