撞击载荷作用下单层球面网壳动力响应模型实验研究

通过单层KIEWITT8型网壳模型在落锤撞击作用下的实验,研究单层网壳在撞击作用下的动力稳定性。利用动态应变仪和力传感器,获取了落锤撞击网壳时撞击力时程曲线、杆件轴力时程曲线和稳定临界力。利用高速摄影机拍摄了撞击历程、撞击失稳模态及破坏形态。结果表明:撞击作用为三角脉冲荷载形式,其最大幅值和脉宽与撞击冲量和网壳所处变形阶段的刚度性能相关;撞击荷载持续作用的时间为3.00~22.36 ms;撞击接触时间的突然增大对应着网壳的失稳;杆件开始响应的时刻比撞击力开始作用的时刻滞后0.2~0.4 ms;对失稳前的撞击,落锤回弹速度较大;对失稳时的撞击,落锤回弹速度很小;模型具有较大的后屈曲抗撞击能力,在顶点垂直撞击下没有发生连续断裂。     

撞击荷载作用下单层椭圆抛物面网壳的动力稳定分析

利用ANSYS/LS-DYNA 有限元程序,考虑几何非线性和材料非线性效应,开展单层椭圆抛物面网壳结构在撞击荷载作用下的动力稳定性研究.分析了该类网壳在以一定高度的自由落体撞击作用下的撞击力响应(撞击力、节点位移、杆件轴力和能量)及网壳失稳模态,进一步根据产生的动力响应对其在撞击作用下的弹塑性动力稳定问题进行了判定.结果表明:网壳结构在撞击作用下失稳时,撞击力时程曲线形状基本上呈陡峭的三角形脉冲荷载形式,其最大峰值和脉宽与撞击冲量及网壳所处变形阶段的刚度性能相关;特征节点的位移响应突然增大,失稳部位杆件的轴力大幅减小,结构的变形能和总能量也突然增大,整个结构变形形状发生突变;节点的残余位移、撞击力和持时等特征参数都产生一致性突变.     

基于SPH方法铁路车轴遭受道砟撞击的数值模拟

基于非线性有限元软件LS-DYNA及其提供的SPH（smoothed particle hydrodynamics）算法,建立了高速铁路车轴遭受道砟撞击的计算分析模型,考察了不同撞击速度、道砟形状和尺寸,以及撞击角度工况下车轴的动态响应。给出了撞击力和车轴受撞击处变形的响应特征,分析了车轴最大残余变形与撞击力峰值之间的关系,探讨了不同工况下车轴的撞击损伤规律。结果表明,撞击力峰值和车轴变形（包括瞬态变形和残余变形）均随着撞击速度、道砟直径和撞击角度的增大而增大,车轴最大残余变形与撞击力峰值呈近似线性增大关系,车轴的量纲一压痕深度（残余变形）与吸收冲击能平方根成线性关系。     

高温作用下钢管混凝土构件侧向撞击性能

通过耦合ABAQUS有限元软件中的隐式静态分析和显示动态分析，提出钢管混凝土构件在火灾与撞击联合作用下的数值计算方法，分别对已有钢管混凝土构件的温度场试验、火灾下轴向撞击试验和常温下侧向撞击试验进行数值模拟，以验证本文方法的合理性。在此基础上建立了钢管混凝土构件在不同温度下的侧向撞击有限元模型，分别对不同温度下的挠度和撞击力时程曲线进行对比，采用极值后平均撞击力和吸能系数对高温作用下构件的抗侧向撞击性能进行量化分析，并分析了600 ℃下构件撞击全过程。结果表明:温度对钢管混凝土构件的侧向撞击性能影响明显，随着温度升高，构件跨中挠度大幅增加，撞击时程变长；高温下构件的撞击力时程曲线与常温下差异明显，高温下曲线可分为震荡阶段、下降阶段和卸载阶段；构件主要通过整体弯曲变形吸收落锤的动能，随着温度升高，极值后平均撞击力和吸能系数逐渐降低，表明构件的抗撞击性能逐渐降低，当温度超过400 ℃后，构件抗撞击性能损失严重。     

层状结构冰球的高速撞击特性实验

为研究冰雹在不同撞击速度下的破碎特性及致损能力，通过空气炮加载技术，开展了单一性状冰球和层状结构冰球高速撞击刚性靶实验，利用测力杆记录了两种类型冰球在不同撞击速度下的撞击力时程曲线，并结合高速摄影技术研究了两类冰球的高速撞击破碎特性。实验结果表明:两类冰球高速撞击刚性靶的宏观破碎特性相似，在碰撞初始阶段冰球已完全破碎，形成微颗粒团簇体，反向溅射角呈随撞击动能增大而增大的趋势；与单一性状冰球撞击力曲线相比，层状结构冰球撞击力曲线中出现二次上升信号，推测是由于破碎界面在层间界面发生偏折，小球未完全破碎再次撞击测力杆所导致；高速撞击下层状结构冰球的撞击力高于单一性状冰球，推测是由于层间结构的存在延缓了冰球的破碎进程，提升了其在冲击方向传递动量的能力，进而产生了更高的撞击力。研究结果有助于深化对冰雹在高速撞击下的破坏力学行为的认识，同时可为飞行器结构防护、冰雹撞击安全设计研究等提供参考。     

AP1000屏蔽厂房在接触爆炸荷载作用下的非线性动力分析

屏蔽厂房是AP1000核岛厂房的第一层外部防线，确保屏蔽厂房在服役期间遭受爆炸冲击荷载作用下的安全性和完整性，十分重要。本文中，采用欧拉-拉格朗日算法(coupled Euler-Lagrange, CEL)，对炸药在屏蔽厂房20种不同起爆部位作用下的动态破坏特征进行了研究，以结构贯穿破坏的损伤质量作为损伤程度的判别依据，着重探讨在不同起爆位置作用下结构的压力和损伤演化特性。研究表明:在接触爆炸荷载作用下，厂房在起爆点附近发生局部破坏；在相同高度下，环向不同角度起爆所引起的损伤程度差异较小，不同高度起爆的损伤程度差异较大。通过压力和损伤的演化分析，确定了屏蔽厂房最不利抗爆部位，对厂房不同部位的配筋策略提出建议。结论可为制定屏蔽厂房在爆炸冲击荷载作用下的安全防护措施提供参考依据。     

飞机模型高速撞击钢筋混凝土载荷特性实验研究

为得到大型商用飞机撞击的冲击载荷特性及其计算方法,基于火箭橇加载试验平台,搭建了飞机模型撞击钢筋混凝土运动靶体测试系统,开展了两种不同尺寸飞机模型的撞击试验,利用高速摄影技术获得了飞机模型撞靶前的姿态、着速及飞机模型撞靶的破坏过程。采用加速度测试系统和激光干涉测速系统,分别得到撞击过程中运动靶体的加速度和速度历史,据此得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,二者吻合,验证了测试系统的可靠性。通过飞机模型上安装的机载存储过载测试系统,获得了撞击过程中飞机模型的负加速度-时间曲线,由此确定了修正的Riera理论模型中的静载荷项,并进一步计算得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,与通过测试靶体的加速度或速度得到的结果一致,验证了使用修正的Riera理论模型计算飞机模型冲击载荷的合理性及计算方法的正确性,同时确定了适合于本试验中飞机模型的修正系数α。     

长期持荷工况下钢管混凝土构件的抗撞击性能

为研究长期荷载作用对钢管混凝土构件抗撞击性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了长期荷载与侧向撞击荷载作用的耦合分析模型以及撞击后剩余受压承载力计算模型。对比了一次加载模式下和长期荷载作用下构件遭受撞击的动力响应,采用剩余受压承载力系数量化分析了两种加载模式下构件的剩余受压承载力。典型的有限元模型分析表明:相较于一次加载模式,考虑长期荷载作用时撞击力峰值和平台值下降,撞击时间延长,构件跨中挠度增大,但撞击力对构件做功基本保持不变;考虑长期荷载作用的撞击过程轴向荷载做功比一次加载模式增大,增加的功主要通过外钢管的塑性变形耗散,核心混凝土贡献较小;长期荷载作用下构件的剩余受压承载力系数均低于一次加载模式,撞击条件相同时,一次加载模式下撞击后可以继续承载的构件在考虑长期荷载作用时可能会丧失承载能力;提高含钢率和钢材屈服强度、降低长期荷载比可有效减小长期荷载对构件抗撞击性能的不利影响。     

柔性头部模型与大挠度板接触撞击力的预报方法

针对被撞击板是大挠度的特点,提出了模拟函数预报撞击力的方法,根据撞击系统的动量守恒原理推导出了撞击力的预报方程,用恢复系数考虑头皮对撞击缓冲的影响．得到了头部与发动机罩板大变形、非线性、瞬态撞击过程的响应函数．分析结果与鸿巢敦宏、石川博敏的试验数据进行了对比,结果显示有较好的一致性,表明该方法能够较好地描述柔性球体模型与大挠度板接触撞击的响应过程．同时还利用该预报方程分析了各种因素对接触撞击力的影响．     

双层环肋圆柱壳受多个物体撞击下的结构动响应

针对双层环肋圆柱壳受到多个物体的撞击问题,采用MSC.Dytran软件对受撞过程中的结构损伤变形、撞击力变化和能量转换进行数值模拟,并与模型试验相对比后发现:双层环肋圆柱壳结构同时受多物体撞击是一个瞬态动响应过程,在巨大瞬时冲击载荷作用下,受撞区壳板会迅速超越弹性变形而产生塑性变形;多物体撞击会造成外壳板一定区域的损伤变形,撞击力会相互干扰,导致其非线性特征更明显。结果表明,双层圆柱壳的外壳能对内壳起到较好的防护作用,在外壳没被撞穿的情况下,其结构变形会吸收绝大部分的撞击动能,可以通过优化外壳的吸能效率来达到双层壳体结构物内壳防撞的目的。     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

鸟体姿态对结构抗鸟撞性能的影响

低于现行标准规定能量的大量鸟撞事故中,航空结构仍然发生实质性破坏的情况,说明只考虑鸟体的质量和速度不足以保证飞机安全。本文中针对弹性平板、雷达罩及机翼前缘等飞机典型结构,开展了不同姿态鸟体的鸟撞分析研究。分析结果发现,鸟体姿态对结构的抗鸟撞性能有比较显著的影响,不同的结构特点反映的响应规律也不同:对吸能结构,姿态角越大,吸收的能量越多,被保护的结构就越安全;而对承力结构,姿态角越大,高应力区域越大,结构就越危险。因此,在结构的抗鸟撞安全性评估中,除了完成特定姿态鸟体的鸟撞实验,针对危险工况还应通过数值分析评估不同鸟体姿态的结构撞击响应,进一步确保结构的抗鸟撞能力。     

后墙拆分结构防护性能的实验和计算对比研究

为验证利用后墙拆分方式提升防护结构性能的可行性,通过开展数值模拟（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度5.0～8.3 km/s）和超高速撞击实验（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度约8.3 km/s）,研究了3种防护结构的性能差异以及不同撞击速度对结构防护性能的影响。防护结构主要包括Whipple结构和两种后墙拆分结构。针对直径6.0 mm铝弹丸分别以5.0、6.0、7.0、8.3 km/s的速度撞击防护结构的工况,借助Autodyn软件开展了数值模拟,并将模拟结果与在弹道靶设备上获得的超高速撞击实验结果进行了对比。模拟结果与实验结果均表明,在相同撞击状态下两种后墙拆分结构的防护性能有所差异,但均优于相同面密度的Whipple结构,且随着撞击速度的提高,这种优势具有增大的趋势。     

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能，采用二级轻气炮发射球形弹丸，对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究。根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征，以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律。通过固定弹丸直径，改变弹丸撞击速度，寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5~5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线，并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较，结果表明，实验最小临界弹丸直径略大于预测值。     

飞机撞击建(构)筑物研究进展

飞机撞击重要建(构)筑物会导致灾难性后果。本文从试验研究、理论分析、数值模拟等3个方面对飞机撞击建(构)筑物的国内外研究现状,相关研究难点、需要注意的问题和研究方向及趋势进行总结,包括:缩比试验的系统和验证,飞机撞击力模型,撞击所致局部破坏计算公式,飞机和建(构)筑物的精细化建模,撞击所致振动特性,撞击荷载和火荷载对结构的耦合毁伤效应,一般模型和精细化模型、解耦和耦合方法以及不同数值模拟程序计算结果的对比分析等方面,以期为后续研究提供参考。     

第一门槛值区间单防护屏防护正撞击实验研究

微流星及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行,导致其严重的损伤和灾难性的失效。本文级出和分析了柱状弹丸在第一门槛值速度区间正撞击铝合金单防护屏防护结构实验研究的结果。结果表明：单防护屏防护结构在此速度区间受柱状弹丸正撞击其损伤是比较严重的,并得到了柱状弹丸撞击防护结构损伤的特点和规律。     

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。     

STUDY ON DEBONDING FAILURE MODEL OF POLYUREA-BASED COATING WITH HIGH VELOCITY WATER FLOW BASED ON COHESIVE ZONE MODEL

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.     

基于拟流体模型的SPH新方法及其在弹丸超高速碰撞薄板中的应用

引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体,在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟,得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布,并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比,结果显示:新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究,分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性,计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。