热塑性纤维金属层合板舱内爆炸响应数值模拟

热塑性纤维金属层合板作为具备优良抗冲击潜能的复合材料,在舰船防护领域受到广泛关注。以热塑性纤维金属层合板为研究对象,基于封闭空间内爆炸载荷作用下层合板动态响应试验数据,以及通过代表体积元(representative volume element,RVE)方法计算得到的纤维板材料参数,开展了热塑性纤维增强金属层合板的数值模拟研究。通过试验结果与数值模拟结果的对比,验证了数值模拟方法的有效性,进一步分析了层合板的响应规律。所采用的热塑性纤维金属层合板舱内爆炸响应数值模拟方法对研究层合板抗冲击性能具有一定的借鉴意义,为相关研究的进一步开展提供了思路。     

密闭空间内爆炸载荷抑制效应实验研究

炸药在密闭空间内爆炸时的爆炸载荷与在敞开环境中有很大差异,在密闭空间内,TNT炸药的爆炸产物能够与周围空气充分混合并发生燃烧反应进而释放额外的能量,使密闭空间内的反射冲击波及准静态压力均明显增加。为探究不同气体环境对密闭空间内爆炸载荷的抑制效应,开展了3种不同药量的TNT分别在空气、水雾和氮气环境密闭空间内的爆炸实验研究,通过理论计算和实验对比分析了密闭空间内的爆炸载荷压力、温度及受载钢板试件响应特性。结果表明,水雾和氮气均能有效降低空间内的准静态压力和温度,对准静态压力的平均降幅分别为36.0%和51.7%,对温度的平均降幅分别为42.6%和40.3%;在水雾和氮气环境中的爆炸载荷作用下,钢板试件动态响应较空气环境中显著降低,其中160 g药量下,水雾和氮气环境中钢板试件的最终变形分别减少了15.9%和23.5%,氮气的减弱效果优于水雾;水雾和氮气均能及时有效地抑制封闭空间内的爆炸载荷,降低结构的损伤程度。     

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。     

基于响应面法的纤维金属层合板抗弹性能优化设计

纤维金属层合板因其复合材料的各向异性和层合结构特征而具有较好的可设计性，开展金属纤维层合板的优化设计研究对其力学性能的增强和轻量化具有重要意义。为提高纤维金属层合板的抗弹性能，基于响应面分析法对纤维金属层合板的铺层方向和铺层厚度进行了优化设计。采用Box-Behnken方法进行方案设计，以纤维金属层合板各铺层相对厚度比为设计变量，以结构的比吸能为设计目标，根据设计的方案进行参数化建模获取样本点，在对设计样本进行方差分析和参数估计的基础上，建立了结构比吸能的响应面模型并验证了其精确度。采用遗传算法对响应面方程进行寻优分析，通过显式动力学计算程序ABAQUS/Explicit验证优化效果。最终，在最优的铺层方案下，层合板的质量减小了11.70%，能量吸收增加了19.40%，抗弹性能显著提升。