砌体结构长脉宽爆炸荷载损伤等级评估方法

随着百千吨级当量爆炸工业事故的频繁发生,建筑结构的损伤评估和抗爆安全性更受到关注。目前,构件级的评估方法相对成熟,而大当量冲击波作用下的建筑结构整体毁伤评估依旧是个开放性问题。本文中,面向结构级的毁伤评估,提出了一种新的评估方法?构件损伤加权。该方法以承重构件损伤程度为基础,通过基于应变能的构件权系数加权,进而评估结构级损伤破坏程度。为了验证评估方法的有效性,以典型砌体结构为例,利用自主研发的冲击波结构毁伤模拟有限元程序,开展了百毫秒脉宽爆炸冲击波荷载下结构动力学响应数值模拟。根据数值模拟结果,结合构件损伤加权的评估方法,获取砌体结构损伤等级与冲击波超压的关系。预测的超压值的相对误差为?16.9%～26.2%,验证了评估方法的有效性。该评估方法为获取砌体结构的超压-冲量曲线提供了可行的途径,可为结构的抗爆安全设计提供参考。     

爆炸冲击波对肺损伤的数值模拟

采用数值模拟方法,分析了人体胸部在自由空间爆炸场中受冲击波作用的力学过程。利用Mimics 软件对CT图像进行处理,建立人体胸部三维模型。根据人体胸部各生物组织的特性,选择合理的材料模 型和参数,并利用LS-DYNA有限元程序中流固耦合方法,计算分析冲击波作用于人体胸部肺的受力过程。 通过计算获得冲击波入射超压峰值和正压持续时间,参照Bowen损伤曲线评估出肺处于Dc 与D1损伤状态 之间。观察肺部应力变化过程,获得肺部表面的正应力变化规律和损伤最严重的区域。分析剪切应力变化规 律,了解肺受切应力作用损伤的可能性。     

爆炸冲击波下导弹结构动力分析模型初步研究

针对爆炸冲击波对导弹目标毁伤这一复杂问题进行了合理的简化,研究了冲击波对导弹结构的破坏问题。利用动力学知识,估计了冲击波对导弹目标的机械破坏作用。在综合考虑战斗部装药质量、爆炸点距目标距离、爆炸高度的环境压力、目标几何尺寸以及目标抗冲击载荷能力等基础上,利用自行编制的程序进行了一系列的仿真计算,得出了战斗部在不同时间不同位置和不同装药质量下产生的冲击波对导弹产生的破坏。计算结果基本符合物理规律,说明采用的模型及算法是合理的,能够对目标在爆炸冲击波超压作用下的易损性进行评估,得到的计算结果对实际应用具有参考价值。     

空中爆炸冲击波下结构动响应及其抗冲击波设计研究进展

随着军事需求的不断增加,多种武器设备都会面临爆炸冲击波环境生存问题,例如,水下爆炸冲击波对船舶的作用、空中爆炸冲击波对飞机、导弹等结构的影响等,因此爆炸冲击波载荷作用下结构的动态响应及防护研究是一个急需关注的热点与难点问题。本研究主要对空中爆炸冲击波方向的研究进行了详细的梳理及综述。首先对空中爆炸冲击波载荷的参数经验公式计算、数值模拟及载荷试验验证研究进展进行了综述;进一步详细介绍了冲击波作用下平板结构、加筋结构及其他典型结构的动响应研究及抗冲击波结构设计进展,研究成果内容涉及爆炸冲击波作用下结构的理论与数值模拟方法研究、结构损伤及破坏效应研究、结构抗冲击波及防护设计研究、结构抗爆吸能特性研究、空中爆炸冲击波试验方法及验证研究等;最后基于目前已有的研究成果,从技术成熟的角度对此领域进行了总结与展望,并提出了几方面急需研究解决的关键技术问题,为后续的工程类结构抗冲击波设计研究提供参考。     

水下爆炸下典型舰船结构整体损伤模式表征方法及图谱研究

随着舰船抗爆炸冲击总体结构优化设计及水中兵器攻击效能评估研究的深入,建立水下中近距非接触爆炸作用下舰船整体损伤模式的快速判定方法尤为重要。通过Abaqus软件建立了爆炸冲击波和气泡联合作用下舰船结构整体损伤特性的数值模拟方法并进行了实验验证;分析了水下爆炸载荷强度及舰船结构强度等参数变化对结构整体损伤模式的影响,提出了综合反映爆炸冲击波和气泡联合作用的新型冲击强度因子C₄,表征舰船结构总体强度的结构强度因子S,初步构建了舰船整体损伤模式分布图谱C₄-S。研究结果表明,建立的数值方法能较好预测舰船结构整体损伤模式和总体变形,误差不超过10%;提出的两类因子能分别合理表征水下爆炸强度和舰船结构强度,构建的损伤模式分布图谱能较好区分不同爆炸强度、舰船结构强度下的舰船整体中拱、中垂、鞭状损伤模式,可实现对水下爆炸下舰船整体损伤模式的快速判定。     

船用加筋板架爆炸载荷下动态响应数值分析

针对船用加筋板架复杂结构在爆炸冲击波作用下的动态响应 ,采用商用高动态非线性有限元程序MSC/Dytran ,讨论了大尺寸加强结构板架迎爆承载问题 ,提出了复杂板架结构爆炸冲击波作用下动态响应的有限元计算方法 ,并进行了模型试验。试验结果与计算结果吻合较好 ,验证了应用程序及计算模型参数的稳定性和可靠性。对加筋板架两种承载形式 (大尺寸加强构件迎爆或背爆设置 )在爆炸冲击波作用下的动态响应 (板架中心挠度和塑性分布 )差异的分析研究表明 ,大尺寸骨架 (纵骨和肋骨 )背向爆炸冲击波设置将分散爆炸冲击波的冲击作用、减小板架变形、增强其抵抗爆炸冲击波冲击的能力 ,使结构偏于安全。     

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

冲击波-破片群联合作用下舰船复合材料结构近场动力学损伤模拟

采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在冲击波-破片群联合作用下的损伤情况。根据复合材料结构承受的载荷特性,分析冲击波-破片群联合作用下层合板及加筋板结构的损伤模式,考虑载荷作用次序等因素对于联合作用毁伤能力的影响规律。结果表明:联合作用对复合材料结构的损伤程度主要与冲击波强度、破片群侵彻能力、作用次序有关,主要损伤模式为分层失效、基体损伤、剪切损伤以及结构大变形;对于层合板而言,在冲击波先作用的工况下,结构损伤程度更高,损伤范围更大;对于加筋板而言,由于加筋板的筋条能显著降低冲击波作用,进而降低冲击波对破片群侵彻能力的增强效应,最终影响联合作用的毁伤能力,因而在破片群先作用的工况下反而损伤更严重。     

基于神经网络技术的管道机电阻抗健康状况定量评估研究

将机电阻抗法用于管道法兰和主干结构健康监测,并利用BP神经网络对结构损伤进行定量评估.首先实验研究了管道法兰与主干结构健康状况对阻抗谱的影响,不同的结构损伤可通过阻抗分析仪测量的阻抗实部谱变化反映出来;然后利用BP神经网络技术对管道不同工况下得到的阻抗实部谱进行定量分析.采用阻抗值实部作为输入样本对神经网络进行训练,并使用受训的神经网络实现了对管道中不同结构损伤状况的定量评估.研究结果表明,将机电阻抗法与神经网络数据处理技术结合起来用于复杂管道的结构健康监测,不仅可实现对不同类型损伤的定量评估,同时还具有较高的稳定性.     

冲击波技术在医学领域的应用

冲击波研究长期以来用于解决超音速飞行、宇宙飞船重返大气层等相关的高速气体动力学问题.近30年来,冲击波技术成功地应用于医学领域.本文从阐述体外冲击波碎石机的工作原理开始,对体外冲击波碎除肾结石和尿道结石的作用机制(如应力作用、空化效应)进行评述;在此基础上,重点介绍了冲击波治疗骨不连、假关节、肩周炎、网球肘及其他骨科疾病的临床疗效.通过认识气泡崩裂产生的微型水喷射的特点,综述了水中微爆炸、激光聚焦产生的微型水喷射和微型冲击波进行血运重建的理论和方法;通过认识基于冲击波的DNA/药物的定向转运技术,综述了液态DNA转运、粉末状药物转运、分子转移入胞的实验装置和实验结果.此外,还介绍了冲击波在兽医学中用于治疗马、犬等动物的跟腱、韧带和骨的损伤的疗效.最后,展望了今后值得研究的几个领域:冲击波的新波源、冲击波治疗的新设备、冲击波技术在脑血栓血运重建和癌症治疗中的应用.      

自由基在高速投射物压力波致伤机制中的作用

已发现高速投射物（ＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙＰｒｏｊｅｃｔｉｌｅ，ＨＶＰ）压力波可致培养的内皮细胞等损伤。但到目前为止，压力波引起细胞损伤的机理还不清楚。旨在用压力波于体外致伤培养肝细胞，并用自由基清除剂ＳＯＤ处理受损细胞，以观察自由基在ＨＶＰ压力波致伤机制中的作用。试验结果表明ＨＶＰ压力波可引起培养肝细胞明显损伤，压力波损伤培养细胞的机制与其引起细胞自由基反应等有一定关系，预防性地给予自由基清除剂ＳＯＤ可在一定程度上减轻压力波所引起的细胞损伤。     

过载性损伤与防护生物力学

损伤与防护生物力学(injury and protection biomechanics)是研究生物组织或器官损伤机理及其防护方法的一门交叉性学科,属于现代生物力学的重要分支.其研究目标是降低载荷环境下组织或器官的损伤程度,主要内容包括载荷造成生物组织和器官的损伤机制、损伤耐受极限以及损伤过程中的生物力学动态响应、如何改善组织和器官所处的力学环境降低其损伤程度、有效的防护装备优化设计思路.高过载性载荷由于其作用短时性和爆发性具有较高致命性, 因此,人在过载环境下的抗损伤能力已越来越成为航空器研制、汽车性能提升、运动员竞技能力提升与充分发挥的瓶颈;尤其是更快、更灵活新型飞机的出现,超音速弹射救生、大过载高增长率的机动飞行防护等问题向损伤与防护生物力学研究提出了新的挑战,同时也为损伤与防护生物力学的发展提供了新发展机遇.随着科技不断进步,航空航天、交通事故、体育运动乃至日常生活中老年人跌倒等过程中人体冲击过载性损伤越来越呈现发生率高、防护效率低等问题,一方面由于人体耐限实验会造成损伤而难以获得真实数据,另一方面生物组织具有复杂非线性及黏弹性、可再生和重建特性,涉及到如何精准描述生物组织或器官的本构关系、组织解剖学特征与其力学特性之间相关性,建立不同尺度的组织或器官损伤机理与耐受极限、防护方法及防护装备设计准则.为此,本文将主要总结过载性损伤与防护生物力学的主要研究内容和研究方法,并在此基础上针对人体在复杂过载环境下的损伤类型、损伤机制(包括生物力学和力学生物学响应)、损伤耐限及防护方法进行回顾,包括近年来该领域国内外的主要进展, 并提出该领域发展趋势.过载性损伤与防护生物力学研究对于保障和提高复杂过载环境下人体安全性具有重要意义,可为解决航空航天、交通、体育运动中广泛涉及的骨肌多轴向损伤评价方法与标准制定提供科学依据,对指导防护装备优化设计具有重要理论价值,同时该方面研究在工程仿生材料和防护装备方面具有潜在实用价值和广阔应用前景.      

基于时间反转法的Lamb波检测技术的研究进展

Lamb波具有传播距离远、衰减小等特点,已被广泛应用于大型板类结构的损伤检测。时间反转是实现超声波聚焦的有效方法之一。本文回顾并总结了近20年来时间反转方法在Lamb波检测领域中的研究进展。针对Lamb波固有的频散和多模态等传播特性,详细论述了时间反转法在板结构Lamb波检测中的应用。最后对基于时间反转法的免基准信号Lamb波损伤检测方法进行了总结,分析其存在的问题并对其应用前景进行了展望。     

纳米示踪平面激光散射技术在激波复杂流场测量中的应用

在激波以及激波边界层相互作用这类含激波的复杂流场中,流场结构具有明显的三维特征.研究这类流场,采用纹影、阴影和干涉等传统流动显示技术空间分辨率较低,难以分辨流场的三维特性.基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering,NPLS),是作者近年来开发的一种新的研究超声速流场的测试与显示技术,可对超声速复杂三维流场进行高时空分辨率流动显示与测量.NPLS技术的特点使其成为测量激波复杂流场的有力手段.近年来,作者以NPLS技术为主要手段,对航空航天领域典型的激波复杂流场进行了试验研究,包括超声速弹头绕流、超声速混合层、超声速边界层,以及激波边界层相互作用流场,显示出NPLS技术在激波复杂流场精细测试与流动显示中优势.本文简要介绍NPLS技术在激波复杂流场测量中应用的研究进展.      

Nondestructive testing method based on lamb waves for localization and extent of damage

Based on Lamb wave analysis of propagation in plate-like structures, a damage detection method is proposed that not only locates the position of the damage accurately but also estimates its size. Similar damage detection methods focus only on localization giving no quantitative estimation of extent. To improve detection, we propose two predictive circle methods for size estimation. Numerical simulations and experiments were performed for an aluminum plate with a hole. Two PZT configurations of different sizes were designed to excite and detect Lamb waves. From cross-correlation analysis, the damage location and extent can be determined. Results show that the proposed method enables a better quantitative resolution in detection, the size of the inspection area influences the accuracy of damage identification, and the closer is the inspected area to the damage, the more accurate are the results. The method proposed can be developed into a multiple-step detection method for multi-scale analysis with prospective accuracy.     

弱冲击波对人员内脏损伤的危险性估计

本文通过对绵羊TNT化爆试验,生物激波管试验和火炮现场试验资料的分析和数据处理,探讨了冲击波物理参数与人员内脏损伤的关系,制定了弱冲击波对人员内脏损伤的安全限值,该限值可作为部队作战、训练的依据,也可作为武器研究、论证、设计、试验和弱冲击波防护的依据,对判定各种爆炸物爆炸引起的人员内脏损伤情况亦有参考价值。     

高速列车轴承可靠性评估关键力学参量研究进展

轴承是高速列车牵引传动和轮轴系统的关键零部件. 受列车运行过程中电机转矩、齿轮啮合以及轮轨随机激励的影响,轴承可能发生疲劳破坏, 严重影响高速列车的行车安全.我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求,而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节.可靠性评估方面的相关研究在解决轴承可靠性研究的瓶颈问题中起到了承上启下的关键作用.高速列车轴承可靠性评估手段与技术旨在获得使用环境中轴承可靠性评估的关键力学参量,并以此推动复杂激励下轴承疲劳可靠性理论研究. 因此,需要哪些关键力学参量并且在复杂的实际使用环境下如何去获取这些力学参量是进行高速列车轴承可靠性评估的关键所在.本文首先概述了高速列车轴承所处的复杂使用环境及运用中的主要失效模式,并据此分析了高速列车轴承可靠性评估所需的关键力学参量,强调了轴承内部滚滑行为和载荷分布在可靠性评估和轴承状态监测中的重要作用,之后从计算模型和测试技术等方面系统阐述了针对这两个关键力学参量的研究进展.最后提出了在高速列车轴承可靠性评估关键力学参量特征及测试技术研究中值得关注的若干问题.      

基于低频动态信息和超声导波的复杂结构损伤的在线诊断技术

在近三十年来,基于各类测试数据对工程结构发展有效的结构损伤在线诊断技术取得了长足的进步,由于该领域的研究成果数量过于庞大,本论文将仅限于对利用结构动态数据进行在线损伤诊断的技术进行介绍和总结。文章主要涵盖了两方面的内容：首先介绍利用结构低频动态信号进行土木、航空航天等领域内的大型复杂结构的各类在线诊断技术,特别重点介绍利用结构低频振动数据信息进行损伤诊断的理论、方法与应用;其次介绍利用结构高频动态信号,进行结构在线损伤诊断与监测的技术,主要详细介绍近十多年来发展起来的超声导波技术及其应用。论文分析和介绍了各类技术的应用范围,及其在不同的情况下使用时的优缺点,并对该领域的未来方法与技术的发展趋势进行了展望。     

Thermomechanical assessment of damage in composites

This paper examines, experimentally and numerically, the use of thermal emission measurements to determine the surface stresses for fibre composite materials. Particular attention is paid to the use of this method for problems associated with damage assessment and repair. In contrast to most traditional methods, the thermal emission profile reflects the interaction of load, geometry, material and damage in a non-destructive fashion. It represents a possible method for the scaling of test data obtained from coupon tests to tests on full scale structures.     

空中爆炸冲击波对生物目标的超压-冲量准则

针对空中爆炸冲击波对生物目标的毁伤准则问题,超压-冲量毁伤准则可弥补单一毁伤准则的缺陷。首先,根据空中爆炸冲击波特征参量的一般形式,提出一种归一化毁伤准则形式,给出基于毁伤律的毁伤准则与判据的获取方法。其次,在不同爆炸条件对生物目标进行毁伤效应实验,依据生物整体的损伤情况确定出毁伤等级,对应获得的离散的实验数据确定连续性的超压-冲量曲线,继而拟合出不同毁伤等级的超压-冲量准则的表达式,所得到的超压-冲量准则可以评估生物目标的毁伤问题。