编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板在冲击荷载下的动态响应

通过编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板的平头弹冲击实验,分析了结构在不同冲量下的变形失效模式以及结构的抗冲击性能。实验表明复合板的变形失效模式主要表现为:(1)弹性变形;(2)复合板表面嵌入失效及整体塑性大变形;(3)背面纤维拉伸断裂及分层失效。基于实验研究,运用LS-DYNA 971有限元程序对铺层数不同的复合板在冲击载荷作用下的动态响应过程进行了数值模拟,模拟结果与实验吻合较好,子弹作用区域边缘处首先发生近似圆形的嵌入失效,而在板背面发生近似正方形的破坏区域;计算中重点分析了铺层数对结构动力响应的影响,在一定冲量范围内,通过对铺层数的优化,能够有效地减小后面板挠度,提高结构的能量吸收效率,增强结构的抗冲击性能。     

横向爆炸载荷下薄壁圆管的动态响应

采用实验研究、理论分析和有限元模拟相结合的方法,研究了横向爆炸载荷作用下薄壁圆管的动态响应。利用弹道冲击摆锤系统,对圆管在爆炸载荷下的动力响应进行了实验研究,分析了薄壁圆管的变形模式;基于地基梁模型,建立了横向爆炸载荷作用下圆管跨中挠度的理论模型,并进行了无量纲化;通过有限元模拟,分析了圆管的几何参数对其变形模式和跨中挠度的影响,并与理论结果进行了对比。研究结果表明:随着TNT药量增加圆管的变形区域和跨中挠度增大;圆管的长径比、厚度及爆炸载荷参数对圆管的变形模式有较大影响;理论预测、有限元模拟结果与实验结果吻合较好。     

含纤维搭桥的正交各向异性材料非线性矩形脱层屈曲分析

本文基于用挠度和应力函数表示的考虑含纤维搭桥影响的正交各向异性材料矩形脱层屈曲非线性方程组,采用伽辽金法获得了非线性矩形脱层屈曲的理论解,给出了屈曲载荷随脱层中心挠度、纤维搭桥因子及脱层几何和材料参数变化的解析关系式.通过理论计算与有限元数值结果的对比,验证了解的正确性.本文解可有效用于分析材料参数和几何参数以及纤维搭桥作用对结构非线性脱层屈曲行为的影响,对于复合材料抗压屈曲强度设计具有重要参考价值.     

爆炸载荷下中空夹层玻璃的动力响应影响因素

利用LS-DYNA有限元软件,基于多物质ALE算法,模拟中空夹层玻璃在爆炸载荷下的动力学响应,通过变化PVB夹层属性和中空气体层厚度分析了其改变对玻璃板板心最大挠度的影响。结果表明:(1)随气体层厚度的增加,中空钢化夹层玻璃上层玻璃板挠度减小而下层玻璃板挠度增加; (2)一定气体层厚度下,随夹层杨氏模量的增加,上、下玻璃板的挠度减小。     

层间接触对沥青路面粘弹性动力响应影响研究

为分析沥青面层材料粘弹特性及路面各层间接触条件对沥青路面动力响应的影响,基于解析的方法,开展了层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的求解工作．采用修正的Burgers模型定义沥青面层材料的粘弹性本构关系,考虑沥青路面层间接触条件,在车辆荷载作用下,建立沥青路面的理论计算模型;通过Laplace-Hankel积分变换将偏微分方程组转化为常微分方程组并对问题进行求解;采用转换矩阵表征层间接触条件,求得层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的解析表达式．从沥青路面实例计算结果发现：修正的Burgers模型中的瞬时弹性模量参数是对弯沉计算结果影响最大的因素之一,路表弯沉随的增大呈下降趋势,特别是当较小时,这种趋势尤为明显;沥青混合料本构模型中的粘弹性修正系数B和黏性参数是影响路面路表弯沉计算结果的另两个重要因素,并且B和对弯沉峰值出现时间的影响具有相反的趋势;层间的非完全连续条件对沥青路面动态弯沉计算结果影响较大,并以面层与基层间的非完全连续对弯沉计算结果影响最为显著．     

半潜式钻井平台管道钢构支架极限强度研究

钢构支架是半潜式钻井平台管道支吊架的主要类型之一,钢构支架的极限强度是管道系统正常工作的重要保障。研究结构极限强度的方法有理论分析、有限元数值仿真和实验分析。在分析极限理论的基础上由静力法计算四种钢构支架试件的极限载荷;利用MSC软件对试件极限载荷进行数值仿真分析,并对有限元模型化技术进行讨论;对试件进行实验极限载荷测试,对比分析了三种方法测得的极限载荷。结果表明,三种分析方法计算得到结构的极限载荷基本一致,对于结构形式较为简单的结构通过理论分析可以得到简化解析解析解;数值仿真分析中采用合理的有限元模型化技术(结构有限元模型、边界、约束等)可得到精度较高的计算结果。     

高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统动力学响应特性

为了给弹载记录仪的防护设计提供依据,从机械振动的角度揭示了高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统的动力学响应机理。在分析弹载记录仪内部载荷传递关系的基础上,基于双自由度弹簧-质量-阻尼系统建立了一种简化的防护系统动力学响应模型,并开展了数值模拟,通过脉冲响应分析和谐响应分析辨识了模型参数。理论计算与数值模拟的对比分析结果表明:建立的动力学响应模型能较准确地预测高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统的动力学响应特性。在此基础上,以模型的幅频响应特性为依据,分析了防护系统动力学响应特性随各种参数的变化规律。研究结果可为更有效地指导弹载记录仪的防护设计提供依据。     

船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段. 本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程. 其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建标识码元间的粘结-破碎模型. 同时,发展了 CPU-GPU 协同异构环境下的高性能并行算法. 为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性. 采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性. 采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点. 针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷. 本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.      

多层梯度点阵夹芯结构抗爆性能研究

基于CONWEP对多层梯度点阵夹芯板在爆炸载荷下的动态响应进行了模拟研究。在相同爆炸载荷下,对四种梯度点阵模型的后面板中心挠度峰值进行了对比分析,讨论了各模型每层芯子的总变形能随相对密度比的变化规律,并对多层点阵夹芯板各层的变形情况进行了比较。分析结果表明:对于三层金字塔点阵夹芯结构,强弱相间的点阵夹芯板充分利用了前两层芯子的变形吸能,从而对第三层芯子和后面板起到了很好的保护作用;且在350g TNT炸药和200mm爆距的爆炸载荷下,相对密度比为0.5的强弱相间点阵夹芯板的后面板中心挠度峰值最小,抗爆冲击性能最优。     

纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化

本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能,探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型,分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤;建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层;编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板,SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优,其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好,表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层;SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．     

Analytical model for delamination growth during small mass impact on plates

An analytical model is presented for delamination initiation and growth and the resulting response during small mass impact on orthotropic laminated composite plates, which typically is caused by runway debris and other small objects. The solution is obtained by a fast stepwise numerical solution of a single integral equation. Delamination size, load and deflection history are predicted by extension of an earlier elastic impact model by the author. Good agreement is demonstrated in comparisons with finite element simulations and experiments.     

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。     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

The response of clamped sandwich plates with lattice cores subjected to shock loading

The dynamic response of clamped circular monolithic and sandwich plates of equal areal mass and thickness has been measured by loading the plates at mid-span with metal foam projectiles. The sandwich plates comprise AISI 304 stainless steel face sheets and either AL-6XN stainless steel pyramidal core or AISI 304 stainless steel square-honeycomb lattice core. The resistance to shock loading is quantified by the permanent transverse deflection at mid-span of the plates as a function of projectile momentum. It is found that the sandwich plates have a higher shock resistance than monolithic plates of equal mass, and the square-honeycomb sandwich plates outperform the pyramidal core plates. Three-dimensional finite element simulations of the experiments are in good agreement with the experimental measurements. The finite element calculations indicate that the ratio of loading time to structural response time is approximately 0.5. Consequently, the tests do not lie in the impulsive regime, and projectile momentum alone is insufficient to quantify the level of loading.     

The response of clamped sandwich plates with metallic foam cores to simulated blast loading

The dynamic responses of clamped circular monolithic and sandwich plates of equal areal mass have been measured by loading the plates at mid-span with metal foam projectiles. The sandwich plates comprise AISI 304 stainless steel face sheets and aluminium alloy metal foam cores. The resistance to shock loading is quantified by the permanent transverse deflection at mid-span of the plates as a function of projectile momentum. It is found that the sandwich plates have a higher shock resistance than monolithic plates of equal mass. Further, the shock resistance of the sandwich plates increases with increasing thickness of sandwich core. Finite element simulations of these experiments are in good agreement with the experimental measurements and demonstrate that the strain rate sensitivity of AISI 304 stainless steel plays a significant role in increasing the shock resistance of the monolithic and sandwich plates. Finally, the finite element simulations were employed to determine the pressure versus time history exerted by the foam projectiles on the plates. It was found that the pressure transient was reasonably independent of the dynamic impedance of the plate, suggesting that the metal foam projectile is a convenient experimental tool for ranking the shock resistance of competing structures.     

脉冲载荷作用下钢梁动力响应及反常行为的应变率效应

为了讨论率敏感材料软钢钢梁受矩形脉冲载荷作用下的动力响应问题,通过直接离散有限变形弹 塑性连续体最小加速度原理中的Lee泛函得到基本控制方程,并将包含应变率的Cowper-Symonds方程嵌入 应力-应变关系方程,使该计算模型计及材料的应变率效应,因而能够准确描述钢梁受爆炸和冲击载荷作用下 的动力响应问题。该计算模型的有效性通过与通用有限元程序ABAQUS比较而得到了验证,并进一步与已 有的刚塑性解做了对比。利用该计算模型进行数值计算,分析了均布和集中脉冲载荷作用下钢梁动力响应的 应变率效应,结果发现对于钢梁存在新的异常行为响应模式,应变率导致异常区域偏移和扩大,已有的刚塑性 解在一定载荷强度范围内不能准确预报钢梁的实际位移。     

含基体横向损伤的黏弹性板的蠕变后屈曲分析

基于Schapery三维黏弹性损伤本构关系,引入沈为和Kachanov损伤演化方程,建立了基体横向损伤的纤维单一方向铺设黏弹性板的损伤模型;应用von Karman板理论,导出了考虑损伤效应的具初始挠度的纤维单一方向铺设黏弹性矩形板的非线性压屈平衡方程. 对未知变量在空间上采用差分法离散,时间上采用增量算法和Newton-Cotes积分法离散,控制方程被迭代求解. 算例中讨论了损伤以及有关参数对黏弹性复合材料板后屈曲行为的影响,且与已有文献的结果进行了比较. 数值结果表明：随着外载荷或者初始挠度的增大,板后屈曲趋于稳定时的挠度就愈大,损伤的影响愈明显;而随着长宽比的增大,板后屈曲趋于稳定时的挠度愈小,损伤的影响却随之增大.     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

Low-energy impact response of composite and sandwich composite plates with piezoelectric sensory layers

An efficient model reduction based methodology is presented for predicting the global (impact force, plate deflection and electric potential) and through-thickness local (interfacial strains and stresses) dynamic response of pristine simply-supported cross-ply composite and sandwich composite plates with piezoelectric sensory layers subjected to low-energy impact. The through-thickness response of the laminate is modelled using coupled higher-order layerwise displacement-based piezoelectric laminate theories. Linearized contact laws are implemented for simulating the impactor–target interaction during impact. The stiffness, mass, piezoelectric and permittivity matrices of the plate are formulated from ply to structural level and reduced by applying a Guyan reduction technique to yield the structural system in state space. This reduction technique enables the formulation of a plate–impactor structural system of minimum size (1 term per vibration mode for composite plates – 2 terms for sandwich plates) and reduces computational cost, thus facilitating applicability for real-time impact and vibration control.     

Transient dynamic response of debonded sandwich plates predicted with finite element analysis

Dynamic transient response of a composite sandwich plate with a penny-shaped debonded zone has been studied by using the finite element analysis within the ABAQUS/Explicit code in this paper. In order to accurately predict the response of the debonded sandwich plate to impulsive loading, contact–impact and sliding conditions along the damaged skin-to-core interface were imposed in the model through a kinematic predictor/corrector contact algorithm. The accuracy of the finite element (FE) model used was verified by comparing between numerical predictions and experimental data known in literature for the frequency spectrum of a cracked polycarbonate laminated beam containing a delamination. By analyzing nonlinear aspects of the transient dynamics of the sandwich plate, it is shown that the presence of the debond significantly alters its short-term response. In this respect, a considerable influence of contact events within the debonded region on the plate’s global dynamic response was found out. These results were presented in both time and frequency domains. The predictions performed also showed that the FE model applied would be useful for nondestructive evaluation of defects in composite sandwich plates, and for studying dynamic response of such plates to impact.