聚脲加固砖填充墙抗爆性能的试验和分析方法研究

为了掌握聚脲喷涂加固砖填充墙的抗爆特性,基于一种改进的大型爆炸试验装置,开展了聚脲加固框架砖填充墙的原型爆炸试验,分析了爆炸荷载作用下加固砖墙的动力响应特征和破坏过程及模式,揭示了其失效破坏机理。研究结果表明,聚脲加固可大幅提升填充墙构件的抗爆性能,显著增加填充墙构件的变形延性;加固砖墙受爆炸荷载作用发生振动的过程其体系刚度不断变化,最高相差133%;随着比例距离降低,加固砖墙的破坏模式逐渐由弯曲破坏转为剪切破坏,聚脲厚度超过6 mm可以有效限制局部剪切破坏现象;基于砖墙和聚脲涂层的抗力函数建立的理论计算模型,可以较为准确地预测爆炸作用下背爆面加固双向砖墙的正向位移响应过程。     

超静定连续梁弹塑性过程分析的单位荷载法

讨论了分析超静定连续梁弹塑性受力和变形全过程的单位荷载法,运用该方法分析了集中荷载作用下一次超静定两跨连续梁的弹塑性加载和变形全过程．根据受力变形的特点,集中荷载作用下两跨连续梁的弹塑性加载过程可分为四个阶段,分别是弹性阶段、集中荷载作用点附近塑性区扩展阶段、集中荷载作用点保持为塑性铰而附近区域线性卸载阶段、两跨连接点附近塑性区扩展直至形成第二个塑性铰阶段．给出了加载过程中各阶段的弯矩内力和竖向位移随外荷载而变化的解析公式．研究结果表明：在相同的单跨荷载工况下,连续梁的变形过程不同于单跨一次超静定梁,其塑性铰形成顺序不同,静定结构形成顺序不同,但塑性极限破坏荷载相同．     

阻尼对空爆荷载等效静载动力系数的影响

为考查阻尼参数对空爆荷载等效静载动力系数的影响,理论推导了空爆荷载下结构等效单自由体系弹塑性位移解及延性比解,设计并计算了阻尼比0.000 1～0.1、延性比1～4的20种典型工况的动力系数,并与现行抗爆设计规范动力系数公式结果进行了对比。结果表明:阻尼比小于0.000 1时可基本代表无阻尼状态,阻尼比0.01的动力系数比无阻尼的最大降低幅度为2.08%,数值差异很小,因此阻尼比为0.01以内时,可忽略阻尼对动力系数的影响;阻尼比0.05的动力系数比无阻尼的降低幅度约9.92%,数值差异较大,认为阻尼比0.05以上时将具有明显的经济效益;现行设计规范动力系数更适用于柔性结构体系,运用于刚性结构抗爆设计时,计算误差较大,对阻尼比较小的结构设计更不利。     

弹性或弹塑性土体中桩基的大变形分析

采用弧坐标,首先建立了位于弹性地基或弹塑性地基上并具有初始位移的桩基大变形行为的非线性微分方程组,并采用Winkeler模型来模拟地基对桩基的抗力;其次,应用微分求积方法离散非线性微分方程组,得到一组离散化的非线性代数方程,并给出了利用Newn-Raphson方法求解非线性代数方程的步骤;作为应用给出了数值算例,得到了桩顶受组合载荷作用时,变形后桩基的构形、弯矩和剪力,考察了土的弹性和弹塑性性质、桩基初始位移、荷载等参数对桩基力学行为的影响.最后将模型进行简化,得到了小变形理论的解析解,并比较了由大变形理论与小变形理论所得结果的差别.     

均布荷载作用下一次超静定梁的弹塑性过程改进分析

对均布荷载作用下一次超静定梁的弹塑性加载和变形全过程进行了改进分析.根据受力变形特点,均布荷载作用下一次超静定梁的加载过程可分为4个阶段,分别是弹性阶段、固支端附近塑性变形区扩展阶段、固支端保持为塑性铰而固支端附近塑性变形区卸载阶段、固支端保持为塑性铰而梁中部塑性变形区产生并扩展直至中部某点形成塑性铰阶段.在弹性阶段,位移与外荷载是线性比例关系,在第2、第4两个阶段,位移与外荷载是复杂的非线性关系,而在第3阶段,位移与外荷载是线性关系但不是比例关系.针对现有研究中位移计算存在的错误,给出了产生塑性铰后的第3、4两个阶段全过程任意点的位移计算公式,给出了跨中位置点各阶段荷载终值对应的位移.给出的位移公式具有一定的结构设计应用价值.     

基于内时大变形弹塑性本构模型的回弹和二次屈服分析

采用了一个由简单机构建立的材料热力学一致性弹塑性大变形本构模型，该模型满足热力学基本的不可逆约束条件，并考虑到了储存在残余微应力场中的能量，用相应的算法，编制了一个用户子程序UMAT，并将其嵌入到商用软件ABAQUS中，对圆柱形工件在弹性工具中镦粗和闭合模镦粗时的回弹和二次屈服进行了分析。比较模拟和实验所测得的载荷一位移关系，可以看出在镦粗的第一阶段发生塑性变形，工件在轴向加载过程中产生的横向变形受到了由于模具的弹性变形引起的径向约束，载荷迅速增加；第二阶段轴向压力减少，模具回弹使得工件的径向变形得以恢复，但随着塑性应变的增加，发生工作强化；第三阶段模具约束解除，工作的径向尺寸增加。用该本构模型对闭合模镦粗过程的计算，表明计算结果与实验结果是一致的。     

基于统一强度理论的非静水压圆形隧道塑性区半径的脆塑性摄动解

基于统一强度理论和弹?脆?塑性模型, 综合考虑围岩强度的中间主应力效应和脆性软化, 采用摄动法建立了非静水压圆形隧道塑性区半径的解析解, 继而探讨所得解析解的适用范围, 并与文献复变函数法、摄动法、数值模拟和总荷载不变法进行对比, 最后分析各因素对隧道塑性区形状和大小的影响规律. 研究结果表明: 所建立的圆形隧道塑性区半径摄动解析解为反映中间主应力效应不同程度的系列解答, 可退化为理想弹塑性模型解答且得到文献中4种方法的正确性和合理性验证, 适用于塑性区完全包围隧道的情况, 对应的隧道塑性区为双轴对称的类椭圆, 具有广泛的理论意义和工程应用价值; 摄动参数对隧道类椭圆形塑性区的大小和长/短轴变化都有明显影响; 隧道塑性区范围随中间主应力效应、围岩峰后强度参数的增加均显著减小, 说明不考虑中间主应力效应的Mohr?Coulomb强度准则解答偏保守, 弹?脆?塑性模型相比理想弹塑性模型更适合隧道塑性分析.      

受冲击作用弹塑性圆板动力响应的弹性效应

利用有限差分离散微分方程进行计算分析,研究冲击载荷作用下弹塑性圆板的早期动力响应,通过对瞬态径向弯矩分布规律的细致分析,阐明弹塑性固支圆板响应过程中弹性效应对其变形历史的影响.研究表明:弹塑性响应过程可划分为八个阶段,对应的变形模式为:“单铰圆模式”,“双铰圆模式”,“五铰圆模式”,“四铰圆模式”,“三铰圆模式”,“双铰圆模式”,“双驻定铰圆模式”,“弹性振动模式”.与刚塑性分析所假定的三相的变形模式比较,弹塑性响应分析证实了固支边界“驻定塑性铰圆”的存在性.虽然刚塑性分析所假定的第一相位移响应模式并不存在,但第二相和第三相响应模式则得到了证实.由于这两相及相应弹塑性分析的两个阶段持续时间都较长,因而也肯定了刚塑性分析所假定变形模式的主要特征.弹性效应对于板内“移行铰圆”的影响比较大,它不但使“移行铰圆”出现“回退”现象,还使得“移行铰圆”的个数增加到三个;对于圆心处的“塑性铰圆”,弹性效应则使得它的符号出现由负向到正向的反复变化.因此,弹性效应对弹塑性板的变形历史影响十分明显.     

分数阶微分流变模型圆形硐室黏弹塑性分析

基于分数阶微分黏弹塑性流变模型,同时考虑受硐室掌子面影响的围岩应力释放效应,根据Laplace变换、分数阶微积分理论、Mittag-Leffler函数,推导了圆形硐室黏塑性区半径、应力、位移的理论解。将理论解与西原本构模型解进行对比,证明了分数阶模型解的合理性。分析结果表明:黏塑性区半径、洞壁环向应力的分数阶微分模型解和西原模型解随时间最终都趋于稳定,两种解法在稳定前有一定差异,稳定后大小相同;一定范围内,掌子面对围岩变形具有一定抑制作用,越靠近掌子面,黏塑性区半径和洞壁径向位移越小;流变特征对硐室围岩黏塑性区环向应力的影响较大,离硐室圆心越近,影响效果越明显,而黏塑性区径向应力和黏弹性区环向应力、径向应力受围岩流变的影响较小。     

铁磁梁式板的磁弹塑性动力特征分析

针对典型的矩形磁脉冲,研究了横向磁脉冲作用下线性强化材料铁磁梁式板的磁弹塑性动力响应及其动力失稳特征,给出了线性强化铁磁梁式板的弹塑性动力失稳特征曲线;探讨了塑性应变强化系数对铁磁梁式板的动力响应特征曲线、最终平衡位置、残余构形等的影响.数值结果表明:在同等条件下,塑性应变强化系数越大,其相应铁磁梁式板的动力失稳磁场值越大,其相应的残余构形越小.     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究。首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在三个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关。为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。      

三维轮轨法向接触力学行为弹塑性理论分析

基于Hertz接触理论和双线性强化模型,建立了轮轨法向接触弹塑性理论分析模型,分析了轮轨法向接触力学响应特征,讨论了轴重对接触压力和接触变形的影响规律。同时,基于三维轮轨接触有限元模型模拟了轮轨接触力学行为,并引入理论误差系数分析了弹性模型和双线性强化模型对轮轨接触力学响应预测结果的差异性。结果表明,轮轨最大接触压力和接触变形量均随轴重的增大而增大;双线性强化模型的理论误差系数较小,采用双线性强化分析模型能较准确地预测轮轨接触弹塑性力学行为。研究结果可为轮轨系统安全服役和损伤评估提供理论和技术支持。     

起波配筋RC梁抗爆作用机理及抗力动力系数的理论计算方法

针对钢筋混凝土(RC)梁,提出了一种通过对抗拉纵筋进行局部弯折,形成钢筋起波,从而提高RC梁抗爆能力的高效新方法。结合已有的实验结果和有限元模型计算,分析了起波配筋RC梁的受荷破坏全过程,揭示了其抗爆作用机理。分析结果表明,在RC梁底部适当位置设置纵筋起波,能增大RC梁在爆炸荷载作用下的允许变形,有效吸收爆炸能量,大幅度提高RC梁的抗爆性能。基于能量法,建立了起波配筋RC梁在爆炸荷载作用下的理论计算模型,给出了抗力动力系数的显示计算公式;讨论了平屈抗力比、平弹变形比以及屈弹变形比3个关键设计参数对起波配筋RC梁抗爆性能的影响规律,以便为进一步工程应用提供理论依据。     

Dynamic response of elastic-plastic ideal sandwich beams

The dynamic response of elastic-plastic ideal sandwich beams is investigated. The plastic deformation is interpreted as a kind of general loads in the elastic beams, while the moving interfaces between elastic and plastic regions are treated as external restraint conditions. Particularly, the dynamic response of a cantilever beam is investigated using the classical method by means of the superposition of the vibration modes of elastic beams. The numerical results show that, compared with the rigid plastic solutions, the dynamic behavior of elastoplastic beam exhibits complex response modes. In some cases, elastic deformation has very important effects on the response mode of the beam, so it should not be ignored.     

A study of blast wave loading on cantilevers

A study has been made of the response of elastic-plastic and brittle circular-cross-section cantilevers when subjected to blast wave loading. It is demonstrated how the deformation or failure of such cantilevers enables them to be used as blast wave gauges. In addition, the deformation of cantilever-type structures can be used to assess the characteristics of accidental explosions. Two numerical models have been developed to describe the deformation of a dynamically loaded cantilever. Both models assume that the plastic deformation is localized in a region near the fixed end, and that the loading force is a function of the dynamic-pressure time-history and a variable drag coefficient, which depends on the Reynolds number, Mach number and angle of attack of each discretized element of the cantilever. The first model assumes a rigid-plastic response of the cantilever. It was found that this model accurately described the response of cantilevers made of 50/50 lead/tin alloy. It overestimated the deformation of cantilevers made of more elastic materials when exposed to blast waves from high explosives and in a shock tube. The second model assumes an elastic-plastic response. The algorithm is based on the premise that the elastic curvature of the cantilever is limited by the plastic yield stress of the material and that as the curvature approaches this limit the cantilever rotates by the amount needed to keep the curvature constant and equal to this maximum. It has been shown that this algorithm minimizes the curvature of the cantilever at the base. This model provided good predictions of the deformation of cantilevers made of aluminum and steel. The numerical models were evaluated by studying the response of cantilevers exposed to shock waves in a shock tube, and to the blast waves from two explosions of ammonium-nitrate/fuel-oil charges of approximately 2.5 kt. The response to the shock tube flows was recorded by high speed photography which showed good agreement between the observed modes of deflection and those predicted by the elastic-plastic model. The models also provided good predictions of the deformation of a wide range of cantilevers, made of a variety of materials and of different diameters and lengths, when exposed to the free field blast waves. It is demonstrated how the numerical models can be used to determine the type of cantilever that might be used as a gauge for monitoring the blast wave from an explosion, or for evaluating the deformation of a cantilever exposed to the blast wave from an accidental explosion so as to characterize the explosion. Received 23 September 1996 / Accepted 11 November 1996     

冲击载荷下软钢梁早期响应的数值模拟和简化模型

冲击载荷作用下，梁的早期响应既有弹性变形也有塑性变形，两者相互耦合．有限元数值模拟的结果表明，弹性弯曲波的传播是梁早期变形的主要机制，刚塑性简化理论预言的初始阶段中梁的“移行塑性铰”实际上是不存在的．本文提出的弹性 理想塑性简化模型可以很好地模拟固支软钢梁的早期响应     

爆炸载荷特征参数对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响

采用含有三角脉冲载荷和准静压载荷的爆炸载荷加载,利用单自由度模型对无限长圆柱壳体（即等效平面应变圆环）的弹性动态响应进行了力学分析,获得了径向位移响应解析解及准静压阶段弹性响应振幅的解析解。基于所得解析解,通过控制变量法分析了载荷压力及载荷分界点时刻（即三角脉冲载荷与准静压载荷作用的分界点时刻）对径向位移最大值、准静压阶段弹性响应振幅的影响规律,更加深入地研究了爆炸载荷对结构响应的影响。本文主要从准静压幅值与三角脉冲峰值的比值以及载荷分界点时刻两个主要特征参数入手,结合结构的呼吸振动频率来研究爆炸载荷对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响。在研究中发现存在临界时刻:当载荷分界点时刻早于临界时刻时,径向位移最大值出现在准静压阶段;当载荷分界点时刻晚于临界时刻时,获得了便于直观判断径向位移达到最大值时所处载荷阶段的分区图。基于前述解析解的分析,还获得了不同影响因素导致的振幅变化的单调性分区图,便于判别载荷压力的变化所致的准静压阶段振幅的增减趋势。通过研究获得的爆炸压力载荷对结构响应的影响规律,可为爆炸容器设计以及结构防护基础研究提供参考。     

Chaotic and asymmetrical beam response to impulsive load

Both symmetrical and asymmetrical final displacements are observed for elastic–plastic beams under symmetrical impulsive loading. A three-degree-of-freedom Shanley-type model is developed in this study, which is capable of revealing chaotic and asymmetrical responses of an elastic–plastic beam by introducing initial imperfections. To identify the asymmetrical displacement, the beam response is decomposed into three vibration modes. Corresponding modal participation factors are derived based on the displacement of the three-degree-of-freedom beam model. Phase plane trajectories, Poincaré maps and power spectral density diagrams are derived to illustrate both the symmetrical and asymmetrical chaotic vibrations. Numerical simulations using a general-purpose FE code LS-DYNA are carried out for an elastic–plastic beam subjected to impulsive load. The simulation results indicate that the elastic–plastic beam demonstrates chaotic and asymmetrical vibration when the applied impulsive load exceeds a critical value, which agrees with experimental observations.