近距空爆载荷作用下固支方板的变形及破坏模式

为探讨战斗部近炸下舰船结构的变形模式,为后续理论分析和数值模拟提供实验数据,通过模型实验,分析了固支大尺寸方板在近距空爆载荷下的变形和破坏模式。在此基础上,通过测量板破裂后各裂瓣的减薄率,利用双向应变假设和体积等效原理确定了Q235钢在中部拉伸撕裂破坏模式下的断裂极限应变;根据实验模型的变形和破坏模式,基于刚塑性假设和能量密度准则提出了结构在局部爆炸载荷下的破裂判据,并对实验结果进行了预测。结果表明,随着载荷强度的增大,固支方板呈现出3种不同的变形和破坏模式;利用破裂判据对实验工况进行了预测,预测结果与实验吻合较好。     

球形和等长径圆柱装药在爆炸近区内载荷差异的实验研究

为了研究爆炸近区内装药形状对爆炸载荷的影响,运用压杆法测量了爆炸容器内壁的压力。通过 实验发现,对于圆柱装药径向方向上的正反射爆炸载荷,等长径圆柱装药的压力峰值、冲量与相同当量下球形 装药对应量的比最大超过2。还通过实验验证了数值模拟,并运用数值模拟获得2种装药形状下爆炸载荷的 静水压、密度、粒子速度,得到爆炸近区内2种装药形状载荷的差异以及该差异随爆心距离的变化规律。     

浮顶式储油罐的爆炸冲击失效

通过模型实验与数值模拟结果对比,探讨了浮顶油罐在可燃蒸气云爆炸冲击作用下的变形过程和破坏机理。研究发现,罐体失稳破坏的主要原因与爆炸冲击波和油罐内液体的复合冲量作用有关,在爆炸冲击作用下浮顶油罐模型产生剧烈振动,迎爆面上部罐壁形成动应力集中现象,最终导致罐体失稳并产生内凹动力屈曲破坏。     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。     

POZD涂层方形钢筋混凝土板抗接触爆炸试验研究

为研究聚异氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料（polyisocyanate oxazodone,POZD）涂层方形钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的破坏模式和抗爆性能,对POZD涂层方形钢筋混凝土板进行接触爆炸条件下试验研究。试验中采用建筑结构中楼面设计常用的钢筋混凝土板为研究对象,通过11次独立的爆炸试验,分析了不同POZD涂层厚度对抗爆性能的影响,观测了钢筋混凝土板在不同装药量和不同POZD涂层厚度条件下的破坏模式和破坏特征,研究结果表明:涂层POZD钢筋混凝土板的主要破坏模式为钢筋混凝土板正面爆炸成坑,背面POZD涂层的圆锥状鼓起。POZD涂层鼓起主要是在爆炸冲击波作用下POZD涂层从基体板脱离并出现较大塑性变形所致。当冲击波荷载强度超过POZD材料的极限抗拉强度时,在涂层锥尖处形成较小的圆孔装剪切破坏,涂层的其他区域保持完好,从而让钢筋混凝土板不会产生较大范围的震塌破坏。在强冲击波荷载作用下利用POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性,可以通过自身的大变形很好地延长爆炸荷载的作用时间和耗散时间,吸收较大冲击波能量,从而约束混凝土震塌碎片,提高钢混混凝土板的抗爆性能。随着POZD涂层厚度增加,板的抗接触爆炸作用下的抗爆能力越强,临界震塌破坏装药量越多。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板的动力响应

为了考察铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷下的动态响应,采用自行设计的冲击摆系统,用激光位移传感器测定了爆炸载荷作用在铝蜂窝夹芯板上的冲量,对夹芯板的变形和失效模式进行了归类和分析,并就芯层的几何尺寸、炸药当量及板厚对其响应的影响进行了系统研究。给出的理论分析结果与实验结果吻合较好。     

钢筋混凝土排架结构的抗爆破坏等级

为了研究钢筋混凝土排架结构在大当量爆炸冲击波下的破坏规律,依据最大TNT当量为3 t的爆炸试验,对排架主体结构的抗爆破坏等级进行数值模拟研究。通过量纲分析得到1/2缩比模型的荷载参数和结构尺寸。基于Abaqus有限元软件,利用CONWEP方法实现爆炸加载,分别计算装药0.5 t爆距33 m和装药3 t爆距33 m两种工况下排架结构的破坏形态,并与试验结果进行对比。进一步通过控制药量和距离,计算不同超压和冲量下缩比模型的破坏形态。研究结果表明,排架的关键破坏特征为中间承重柱的倾覆转动;数值计算与试验破坏形态吻合较好,特征位移和特征转角的最大相对误差分别为5.6%和4.6%。以承重柱的倾覆角作为划分依据,将计算结果分为3种破坏等级,拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度预估。     

水下冲击波载荷作用下气背固支圆板动态毁伤实验

为了研究水下近爆载荷作用下舰艇水下结构的动态变形及失效毁伤模式,利用水下爆炸冲击波等效加载装置结合高速摄影技术,对两种厚度的气背固支5A06铝合金圆板进行了水下冲击波加载实验。得到了气背固支圆板塑性大变形、中心拉伸撕裂和边界剪切破坏3种典型失效模式的动态响应历程。比较分析了冲击波强度、冲击因子、损伤参数和响应参数4种毁伤判据对该类靶板毁伤模式的判别能力。实验结果表明:考虑了结构因素的损伤参数和响应参数能够更为全面的判别结构的失效毁伤情况。     

钢质圆柱壳在侧向爆炸荷载下的动力响应

将壁厚为2.75mm、外径为100mm的钢质圆柱壳置于75g裸装圆柱形压装TNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,获得了不同装药条件下圆柱壳的变形破坏特征。实验表明:非接触爆炸条件下,壳壁迎爆面局部破坏呈现碟型凹陷,同时沿壳体轴线方向产生了整体屈曲变形,且装药距离较大或药柱轴线与壳体轴线垂直放置情况下对壳体损伤程度较大;而接触爆炸时,壳壁发生破裂形成破口及破片。利用动力有限元程序LS-DYNA及Lagrangian-Eulerian流固耦合方法对圆柱壳的非线性动态响应过程进行数值模拟,分析了壳壁的屈曲变形过程及迎爆曲面中心点速度、位移时程曲线,计算结果与实验吻合较好。并基于数值计算确定了壳壁发生破裂的临界装药距离。     

强脉冲载荷作用下弹-塑性薄圆板的大挠度动力响应

利用有限变形弹塑性连续体的最小加速度原理 ,建立了分析圆板动力响应问题的数值方法 ,并通过对均匀分布的脉冲载荷作用下铰支圆板位移响应的细致分析 ,探讨了响应过程中的饱和冲量现象 ,指出对于高载范围内的脉冲载荷 ,相应于最大变形的饱和冲量确实是存在的。结果还表明 ,虽然圆板的弹塑性动力分析非常复杂 ,但基于最小加速度原理的数值计算方法却具有简单、直接的优点。     

Dynamic carrying capacity of thin inelastic circular plates with respect to strength and deformability

We take into account thin flexible circular plates, which deform elastic-visco-plastically under high intensity external loading and in which volume damage can occur. The plates are submitted to uniformly distributed impulsive loading. The plate-carrying capacity is determined in accordance with deformation and strength criteria. Our purpose is to obtain the relation between the geometrical sizes and the material characteristics of the plate on one hand and the dynamic impulse parameters (amplitude and duration) on the other, when the plates lose their carrying capacity.     

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。     

冲击波与破片对波纹杂交夹层板的联合毁伤数值研究

通过有限元软件LS-DYNA模拟了波纹杂交夹层板在冲击波与破片联合作用下的响应过程,研究了炸药当量、载荷类型和填充方式对波纹杂交夹层板变形与失效模式的影响,并与实体板、间隔板和波纹夹层板的抗联合毁伤性能进行了对比,讨论了波纹杂交夹层板的能量吸收特性。数值计算结果表明:与冲击波单独作用相比,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用对结构造成的毁伤更为严重;当药量较小时,波纹夹层板和波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能优于实体板与间隔板,波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能从全填充、迎爆面填充到背爆面填充逐渐降低;当药量较大时,所有结构均产生破口失效;在能量耗散方面,冲击波单独作用时以波纹芯层吸能为主,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用时以上面板吸能为主。     

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。     

A lattice deformation based model of metallic lattice sandwich plates subjected to impulsive loading

A lattice structure deformation mechanism based theoretical model is developed to predict the dynamic response of square lattice sandwich plates under impulsive loading. The analytical model is established on the basis of the three-stage framework proposed by Fleck and Deshpande (2004). In the first stage, the impulse transmitted from air shock loading to the sandwich plates by fluid-structure interaction is analytically calculated. The lattice core suffers non-uniform compression in the second stage due to the clamped boundary conditions. The structure deformation mechanism is introduced in the lattice core compression and the analytical nominal stress–strain curve of core compression accords well with previous experimental results. In the final stage, the sandwich plate is analyzed as a continuum plate with non-uniform thickness deduced by inconsistent deformation of the front and back sheets.The experiment results of square metallic sandwich plates with tetrahedral lattice core are presented and compared with analytical prediction to validate the theoretical model. Good agreements are found between the predicted and testing results for both the impulse transmitted to the sandwich plates and the maximum deflection of the back face sheet.     

TiNi合金圆薄板的横向冲击特性实验

利用改装的霍普金森压杆装置对周边固支伪弹性TiNi合金圆薄板进行了冲击实验,初步得到了该结构在时空2个尺度上的动态力学响应的演变发展现象和规律,包括板中弯曲波的传播、相变区的演化和全场的离面位移等,并和A3钢做了对比。结果表明,由于圆板的二维扩散效应,冲击过程中仅在TiNi板中心很小区域(约5 mm)内形成相变区和相变铰,卸载后相变铰消失,钢试件则留下明显的残余变形。TiNi合金圆板的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。     

爆炸载荷作用下加筋板的失效模式分析及结构优化设计

通过对爆炸载荷下具有1根加强筋的固支矩形加筋板的有限元模拟，探讨了抗爆加筋板结构优化设计方法，分析了加筋板的失效模式以及加强筋相对刚度和冲击载荷强度对加筋板失效模式的影响，指出了失效模式Ⅰ下的3种变形模态以及失效模式Ⅱ下的2种子失效模式，得到了失效模式Ⅰ下加强筋和加筋板最大挠度的近似计算公式，提出了单根加筋板的两种失效模式的判别条件，并对具有1根加强筋的固支矩形加筋板抗爆结构进行了优化设计。结果表明，通过数值模拟或模型实验可以求得任意加筋板结构由发生塑性大变形到发生破损的临界条件，从而确定抗爆性能最强时加筋板的质量与加强筋横截面尺寸及间距间的关系，实现对抗爆加筋板结构的优化设计。     

Plastic analysis of thin plates with anisotropic hardening

In this paper we discuss the adoption of the anisotropic hardening model due to the existence of Bauschinger effect when thin plate is applied by repeated loading. The loading condition of thin plates for linear kinematic hardening has been deduced in terms of generalized forces and generalized plastic deformation. And it can be extended to nonlinear kinematic hardening and mixed hardening. Finally as an example the numerical results are obtained for a circular plate.