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。     

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。     

含固支端梁的解析解

采用弹性力学的应力函数法求含固支端梁的应力和位移时,无法严格满足固支端的实际边界条件,需要采用简化的固支边界条件。本文对已有的简化固支边界条件进行了改进,基于新的简化固支边界条件,推导出了四种含固支端梁的应力和位移的解析解,并进行了相应的数值计算,对几种固支边界条件进行了讨论。由本文方法得到的上表面受均布载荷作用悬臂梁的位移u和v的解析解与有限元解的最大误差分别为3.0%和1.0%,两端固支梁的应力σx的解析解与有限元解的最大误差为5.3%。通过理论与数值结果的比较表明,本文改进的固支边界条件是对固支端一种很好的简化。     

固支加筋方板在爆炸载荷作用下的刚塑性动力响应分析

采用能量法分析了固支加筋方板在爆炸载荷作用下的刚塑性动力响应。提出了该类结构在这种载荷作用下的两种变形模态和模态判别条件，导出了计及膜力影响的最大残余横向变形的计算方法及计算公式。并对两种变形模态进行了试验研究，取得了理论计算值与试验值相一致的好结果。     

泡沫子弹冲击固支单梁的耦合分析模型

使用泡沫金属子弹进行冲击可以模拟爆炸载荷的作用,这一加载技术已被应用于防护结构的抗冲击性能测试中,然而泡沫子弹作用于被测试结构上的真实载荷以及二者间的相互作用过程尚不明晰.本文以泡沫子弹冲击固支梁的情形为例,开展了对该冲击过程的理论分析和数值模拟研究.基于泡沫材料的冲击波模型与固支单梁的结构冲击动力学响应模型,构建了描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型.给出了不同响应阶段下子弹和单梁的动力学控制方程,并采用Runge-Kutta方法得到了方程的数值解.基于三维Voronoi技术,建立了泡沫子弹冲击固支单梁的有限元模型并进行了数值模拟.通过与有限元模拟结果的对比发现,相较于经典的脉冲加载模型,耦合分析模型能更好地预测泡沫子弹和单梁的速度变化规律,也能准确地预测子弹对单梁的真实冲击压强.当泡沫子弹的初始动量相同时,由于子弹自身的压溃行为,子弹的初始冲击速度、密度和长度的改变都会对冲击过程产生影响.最后,通过耦合分析模型分别分析了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响,并针对具有不同特征的目标模拟载荷给出了泡沫子弹的筛选策略.所构建的耦合分析模型为研究泡沫...     

流固冲击载荷下弹性约束加筋板的非线性动力响应

本文在考虑大变形、忽略阻尼影响的情况下,基于高散加筋板模型,对具有弹性约束边界的加筋板在流固冲击载荷下的非线性瞬态响应进行了理论研究.取样条函数作为挠度试函数,运用加权残值法求得加筋板动力响应的控制方程,采用四阶Runge-Kutta法求解该方程,并用Fortran语言编制了相应的计算程序.构造的B样条函数能适应板侧边上的任意弹性转动约束.文中不仅分析了不同的冲击载荷形式对加筋板动力特性的影响,还讨论了载荷峰值、冲击栽荷持续时问、加强筋和弹性转动约束的影响.     

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     

嵌锁式CFRP方形蜂窝夹芯梁低速冲击响应及失效机理

采用嵌锁组装工艺制备了碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯梁,实验研究了低速冲击载荷下简支和固支夹芯梁的动态响应及失效机理,获得了不同冲击速度下夹芯梁的失效模式,分析了其损伤演化过程和失效机理,探讨了冲击速度、边界条件、面板质量分布以及槽口方向等因素对夹芯梁破坏模式及承载能力的影响。研究结果表明,芯材长肋板槽口方向对夹芯梁的失效模式有较大影响,槽口向上的芯材跨中部分产生了挤压变形,而槽口向下的芯材跨中部分槽口在拉伸作用下出现了沿槽口开裂失效,继而引起面板脱粘和肋板断裂;同等质量下,较厚的上面板设计可以提高夹芯梁的抗冲击能力,冲击速度越大,夹芯梁的峰值载荷和承载能力越高;固支边界使得夹芯梁的后失效行为呈现出明显的强化效应,在夹芯梁跨中部分发生初始失效后出现了后继的固支端芯材和面板断裂失效模式。     

热载荷作用下梯度多孔材料梁弯曲及过屈曲力学行为的研究

基于Bernoulli-Euler梁理论,引入物理中面解耦了复合材料结构的面内变形与横向弯曲特性,研究了梯度多孔材料矩形截面梁在热载荷作用下的弯曲及过屈曲力学行为．假设沿梁厚度方向材料的性质是连续变化的,利用能量法推导了矩形截面梁的控制微分方程和边界条件,并用打靶法对无量纲化的控制方程进行数值求解．利用计算得到的结果分析了材料的性质、热载荷、边界条件对矩形截面梁非线性力学行为的影响．结果表明,对称材料模型下,固支梁与简支梁均显示出了典型的分支屈曲行为特征,而其临界屈曲热载荷值均会随着孔隙率系数的增加而单调增加．非对称材料模型下,固支梁仍显示出分支屈曲行为特征,但其临界屈曲热载荷不再随着孔隙率系数的变化而单调变化;而对于两端简支梁,发生了弯曲变形,弯曲挠度随载荷的增大而增大．     

约束方式对温度环境下复材/金属混合结构壁板稳定性的影响

采用有限元对粘结连接和螺铨连接的复材/金属混合结构加筋板进行了数值模拟,分析了混合结构加筋板在不同温度、不同约束方式下的剪切、压缩屈曲及后屈曲性能。结果表明:温度环境下,夹具的厚度、与试件连接形式都对壁板屈曲失稳载荷有影响。通过不同组别的分析优化,可以得到比较理想的夹具及连接形式,即夹板厚度为6mm,螺栓连接;同时热胀系数接近壁板试件的边界约束可作为温度环境下混合结构壁板剪切稳定性试验边界条件较优的设计形式;壁板压缩情况下,侧边固支加筋板失稳载荷比侧边简支加筋板高5.6%,但侧边固支与简支加筋板的破坏载荷基本相同。     

子弹冲击下TiNi固支梁的结构动态响应特性研究

采用改装的霍普金森压杆装置结合数值模拟对伪弹性TiNi合金固支梁的结构动态响应特性进行了研究。结果表明,在子弹冲击下,撞击点和固定端附近首先发生相变,并随着载荷增加,进一步产生相变铰,梁演变为二杆铰接机构。由于轴力作用,此处相变铰为拉伸侧的单边铰。与传统塑性铰不同,卸载后相变铰完全消失,梁回复原状没有残余变形。此外,对固支边界条件的实现及其对实验结果的影响进行了专门研究。     

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。     

脉冲载荷下加筋圆板的各向同性快速等效方法

加筋板在爆炸与冲击防护中应用广泛,而其动力响应的快速求解一直是工程中关注的重点。对于径向均匀加筋的圆板,基于刚度叠加思想,提出了一种将其等效为各向同性平板的方法,用于分析其在脉冲载荷下弹性阶段的动力响应。结合理论推导与数值方法,显式地给出了简洁的等效平板厚度公式。经验证,提出的等效方法建立了加筋圆板与均质圆板间的内在联系,适用于多种加筋尺寸、材料及载荷形式。等效圆板与加筋圆板的最大挠度偏差不超过6%,低阶振动频率偏差不超过10%。相比于直接对加筋圆板进行计算,等效分析方法大大提高了求解效率,且保证了很高的计算精度,在冲击响应预测和结构优化等工程应用中具有重要意义。     

剪切载荷下加筋板失稳模态的全场数字光学测试

通过全场光学测试和应变测试的方法,研究了剪切载荷下平板、加筋板、含切口加筋板的屈曲模态及极限承载能力。实验采用对角拉伸方式施加剪切载荷,运用全场光学形貌扫描方法对试件的变形形貌和屈曲模态进行实时扫描。实验结果表明:采用光学方法得到的加筋板试件的临界屈曲载荷值(12.44 k N)与应变测量结果(12.65 k N)吻合较好,此方法可用于临界屈曲载荷的测试;平板试件破坏时的屈曲模态沿加载方向对称分布,完整加筋板与中心切口加筋板屈曲模态均呈反对称分布,而侧切口加筋板试件的屈曲模态没有对称性;加强筋的强化和切口的局部损伤会引起屈曲模态的偏移;加筋板试件在发生破坏前的位移-载荷曲线均相近;中心切口会极大地削弱加筋板的极限承载能力。     

考虑横向拉伸影响的FGM板的静态分析

在三阶剪切变形理论的基础上,添加关于厚度坐标z的幂函数项,并假设板结构的上下表面剪切力为0,提出了一种考虑横向拉伸影响的高阶剪切变形理论。并且研究了简支边界条件下受静态载荷作用的功能梯度材料矩形板的静态弯曲行为。基于虚功原理推导出了功能梯度矩形板的基本方程,利用Navier双三角级数法计算了功能梯度材料矩形板在静态载荷作用下沿厚度方向的位移及应力分布的数值结果。计算结果与三维精确解理论、其他高阶剪切变形理论得到的数值结果进行了比较。对比结果表明,改进的考虑横向拉伸影响的高阶剪切变形理论的正确性和优越性。     

小波加权残值法在斜板后屈曲上的应用

将斜板在大挠度理论下的平衡方程和变形协调方程转化为斜坐标系下的表达式,并无量纲化,对于四边固支斜板,选用尺度小于1的二维bior3.1重构尺度函数与小波作试函数,满足板在平面外的几何与自然边界条件,利用小波-Galerkin法将板的无量纲平衡控制方程与变形协调方程转化为两个非线性方程组,从而将后屈曲路径的求解转化为两非线性方程组的求解问题.以载荷作为迭代步长,采用Newton-Raphson迭代算法求得承受单向压缩四边固支斜板在不同边长比、不同斜角下的后屈曲平衡路径及四级渐近解.     

具有分层损伤的不同加筋形式复合材料层合板的后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和V on-K arm an大挠度理论,分别推导了复合材料层合板和层合梁的几何非线性有限元列式,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩载荷作用下的后屈曲有限元分析方法,对在板厚方向具有不同分层位置的加筋板结构进行了有限元数值分析,研究了不同的加筋方式及筋的分布对具有分层损伤的复合材料加筋层合板的后屈曲性态的影响,所得结果对确定在压缩载荷作用下含损伤复合材料加筋层合板的剩余承载能力具有参考价值。     

侧向冲击载荷下钢管混凝土结构的动力响应及参数分析

采用刚塑性结构模态分析法和数值模拟方法,对侧向冲击载荷作用下的圆截面钢管混凝土结构进行了塑性动力分析。将钢管混凝土等效为刚塑性地基梁模型,给出了钢管混凝土构件跨中侧向变形的模态解析解,得到了冲击载荷作用下影响结构最终侧向变形的无量纲参数。利用ABAQUS/Explicit软件建立了钢管混凝土结构在侧向冲击作用下的动态响应数值模型并进行了计算分析,将理论预测值和数值模拟结果与试验结果进行了交叉对比。结合量纲分析和数值模型对影响构件最终变形的几何、物理参数及初始冲量进行了分析。结果表明：理论预测值和数值模拟结果与试验结果吻合较好,结构的塑性变形与理论假定的塑性铰分布一致。构件几何参数中,长径比和径厚比对其侧向最终变形有较大影响;冲击头相对宽度可改变构件的变形模态;相比于几何参数,钢管和混凝土芯层的物理参数对构件跨中挠度的影响较小;结构的侧向变形与初始冲量成二次幂相关。最后给出了理论分析参数的适用范围。刚塑性响应模态解可较好地预测钢管混凝土结构在侧向冲击载荷作用下的塑性变形行为。

     

集中力拉伸楔体大变形理论分析及数值计算

对任意向集中力拉伸用下的橡胶类材料楔体尖端应力应变场进行了渐近分析,并利用有限元与无限元耦合作了数值计算,结果表明大应变情况下,楔体尖端场处于单向拉伸状态,应力主奇异项为ｒ＾－λ,ｒ为变形后至顶点距离,λ依赖于材料本构常数,数值计算与理论解吻合很好。     

割口单向叠层板的拉伸应力集中与强度

基于剪滞理论,建立一种分层剪滞模型,分析了含割口的单向叠层板在拉伸载荷作用下的应力重新分布问题,获得了割口前缘完整纤维的应力集中因子.在此基础上,采用细观统计破坏理论,研究了割口单向叠层板的拉伸破坏强度,得到了与现有实验较吻合的结果.