负泊松比蜂窝材料抗爆炸特性及优化设计研究

为了深入研究车辆底部防护组件爆炸冲击下的结构响应，提高防护型车辆的抗爆炸冲击性能，建立了某车辆底部防护组件在爆炸冲击下的有限元模型，并进行爆炸冲击台架试验验证了有限元模拟的可靠性；将内凹六边形负泊松比蜂窝材料作为防护组件的夹芯部分，分析负泊松比蜂窝材料在爆炸冲击下的变形模式，并对比了同等质量的其他3种防护组件的抗爆炸冲击性能。结果表明，含有负泊松比蜂窝夹芯的防护组件具有更优的抗爆性能。建立了以内凹六边形负泊松比蜂窝胞元尺寸参数为设计变量的多目标优化问题的数学模型，采用多目标遗传算法获得胞元几何参数的最优方案，有效降低了防护组件基板的最大挠度和最大动能。     

载人空投着陆冲击下不同乘员姿态的损伤影响

针对某军用车辆在1 m高度进行无缓冲平台空投实验,并建立座椅与乘员的模拟模型。利用实验获取的座椅安装点冲击信号作为模拟模型的输入数据,并通过实验结果与模拟结果的对比验证了该模型的可靠性。借鉴航空工程相关研究,提出了一种将各关键损伤指标加以归一化的权重评价指标—加权损伤准则(weighted injury criteria,WIC)。研究了乘员仰卧角度和大小腿夹角两个姿态参数对乘员损伤的影响,并以WIC为优化目标,利用遗传算法完成参数优化工作。研究发现:对乘员小腿运动进行约束能降低乘员整体损伤响应,乘员对抗着陆冲击的最佳姿态为仰卧角47°～56°、大小腿夹角62°～68°。     

循环爆炸作用下地下洞室的动态响应及损伤累积

为研究循环爆炸对地下洞室的影响,基于相似模型试验,采用通用有限元软件ABAQUS对比研究了洞室拱顶高水平单次爆炸和低水平10次循环爆炸作用下地下洞室围岩的应力波衰减规律、损伤累积规律及洞壁位移和环向应变分布特征。结果表明:循环爆炸中,洞室围岩的应力波衰减速度随着爆炸次数的增加先减小后增大。单次爆炸中,洞壁环向峰值应变从拱顶至直墙脚由拉应变转为压应变;循环爆炸中,随着爆炸次数的增加,拱顶环向峰值应变由压应变转为拉应变。爆炸荷载总水平相同时,低水平循环爆炸中洞室围岩的损伤面积和程度比高水平单次爆炸大。循环爆炸中,围岩的损伤累积呈现不可逆的逐级增加趋势,且累积损伤和爆炸次数之间呈明显的非线性关系。     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

基于神经网络的车辆抗冲击防护组件优化

随着军用车辆防护要求的不断提高，抗冲击防护组件设计面临越来越多的挑战。为了提供一种高效科学的研究方法，本文中采用V型结构，并应用径向基函数神经网络近似模型和多目标遗传算法对某型车防护组件进行优化设计。以防护组件变形量与总体质量最小为设计目标，利用灵敏度分析筛选出对防护组件防护性能影响较大的设计因子。以径向基函数神经网络构建实验设计样本的近似模型，然后用多目标遗传算法进行数值优化获得防护组件最优方案。最后通过仿真与实验验证，证明优化方案满足设计要求。研究结果可为今后防护组件开发提供设计思路。     

基于拓扑优化的车辆底部防护组件改进设计

为提升车辆底部防护组件的抗爆性能,降低车身底板变形对车内乘员的威胁,基于混合自动元胞机法对防护组件中的加强梁进行拓扑优化设计,得到了加强梁的最佳材料分布形式,随后根据拓扑优化结果进行了工程诠释和重新设计。为了进一步提升防护组件的抗爆性能,采用多目标优化的方法对加强梁进行优化设计,以基板的挠度峰值、基板的最大动能和防护组件质量为优化目标,防护组件的质量为约束条件,以及梁的厚度、截面尺寸为设计变量,得出加强梁各参数组合的最优方案。结果表明,相比于初始设计,该方案在不增加结构质量的情况下,防护组件的抗爆性能得到显著提升,改进后基板的挠度峰值降低了5%,基板的最大动能降低了11.58%。     

爆炸冲击作用时间差对盆骨和腰椎的损伤研究

为研究爆炸冲击环境下车内乘员小腿和座椅所受垂向冲击时间差对乘员盆骨和腰椎损伤的影响,利用Hyperworks和LS-DYNA进行建模和仿真分析,并结合小腿冲击试验和座椅跌落试验开展研究。分析结果表明:乘员小腿和座椅安装点单独受冲击时盆骨加速度、动态响应指数和腰椎z向力会分别产生正向和负向的峰值,但同时作用并控制冲击时间间隔时并不会出现正负峰值相抵消的现象;小腿和座椅安装点不同时受冲击时会加重乘员盆骨和腰椎损伤,且小腿先受冲击时损伤程度较座椅安装点先受冲击时严重。     

新型空壳颗粒材料在人防工程中应用的实验研究

研发了一种内衬PVC壳体,外裹泡沫陶瓷壳体的新型空壳颗粒作为人防结构分配层。通过大比尺化爆实验,研究了爆炸载荷下新型空壳颗粒分配层人防结构和普通黄沙分配层人防结构的破坏情况和冲击波传播规律。实验证明:同样当量爆炸载荷下,相对黄沙分配层,新型空壳颗粒分配层可以降低应力峰值50%左右;相对常规空壳颗粒,新型空壳颗粒分配层受损情况显著减小。这表明:新型空壳颗粒作为人防工程的分配层兼具显著的削波耗能效果和抵抗二次爆炸的能力,因此可以提高人防工程的抗爆能力,具有广阔的军事应用前景。     

应力波数值计算中的SPH方法

对一维波动方程的SPH(smoothed particle hydrodynamics)格式和有限差分格式进行比较,并采用SPH法模拟了一维应力/应变波, 获得1个可衡量SPH法模拟应力波准确性的重要指标。结果表明,SPH法模拟应力波传播中采用的光滑长度必须不小于粒子间距;采用B-样条核函数和高斯型核函数能够获得良好的应力波图像,而二次型核函数不能,因此二次型核函数不适用于冲击动力学的数值计算。