爆炸荷载作用下地下复合结构的合理刚度匹配

通过对多层复合结构的力学分析 ,得出了复合结构体系的广义能量泛函 ;并针对具体的算例 ,提出了结构截面合理的刚度匹配关系。     

Role of underground structure deformation velocity in the analysis of blast-resistant structures

The structural deformation velocity plays a significant role in the dynamic calculation of underground blast-resistant structures. The motion differentiating equation of a structure system taking into account the role of deformation velocity of the structure will truthfully describe the actual situation of structural vibration. With the one-dimensional plane wave theory, the expression of load on the structural periphery is developed, and the generalized variation principle for the dynamic analysis of underground arched-bar structures is given. At the same time, the results of the numerical calculation are compared. Biography: ZHAO Xiao-bing (1975-)     

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。

     

Fundamental of dynamical analysis of the blast-resistant underground structures

In this paper,the generalized variational principle of dynamic analysis for the blast-resistant underground structures is established,and the corresponding generalized functional of elastoplastic analysis for underground structures is derived,and the generalized variational principle of nonconservative system is given,thus the fundamental of dynamical analysis for underground structures to resist blast is proposed.Finally,for the underground cylindrical structure to resist blast,dynamical calculations are made,and compared with the test results.     

地下爆炸波作用下基底滑移隔震大跨结构的动力响应分析

对由地下隧道内发生意外爆炸引起的地下爆炸波作用下基底滑移隔震大跨结构考虑土一结构相互作用（SSI）的动力响应进行了全面的分析。在SSI分析中,分别采用有限元、无穷元和杆件体系建立了地下衬砌及周围有限土区、远场无限土区以及基底滑移隔震大跨结构的计算模型;在基底滑移隔震分析中,提出用连续摩擦力模型取代传统库仑摩擦力模型,以避免跟踪啮合滑移的过渡边界并可减小计算误差。最后,通过与Lysmer透射边界法和修正阻尼透射边界法的算例结果对比分析,验证了本文方法的有效性,其数值结果揭示了地下爆炸波作用下大跨结构的基底滑移隔震效果以及不同隔震参数对隔震效果的影响,从而为城市地下隧道建设相关的理论研究和工程实践提供了重要的依据。     

炸药爆炸作用下地下结构的动力响应分析

基于显式有限元计算程序LS-DYNA3D和粘弹性人工边界条件，建立了爆腔-地下结构-软回填隔震层-岩土介质系统三维弹粘塑性动力响应分析模型，其中爆腔的模拟采用了经验关系式。通过与美陆军技术手册TM5-855-1经验公式的计算结果比较，表明该分析模型与方法是合理的。还进一步讨论了软回填层的隔震效果。     

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。     

DYNAMIC LOAD ANALYSIS OF UNDERGROUND STRUCTURE UNDER EFFECT OF BLAST WAVE

A semi-analytical method of solving the problem of dynamic stress concentration of arbitrary underground structure under the effect of blast waves was introduced. Using the Fourier transform theory, the shock waves (in the forms of SH-waves) can be converted into frequency bands. After employing complex functions and conformal mapping, the admittance functions of various underground structures were obtained. Then, the problem of the time domain dynamic stress response of underground structure can be easily solved through the Fourier inverse transform. At last, the results and curves of the dynamic stress for the square, triangle and horseshoe cavity were presented.     

爆炸荷载下网壳结构的动力响应及泄爆措施

以有限元软件ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了40m 跨度K8型单层球面网壳在中心TNT 爆炸荷载作用下的精细化有限元数值分析模型。在网壳结构各组成部分的单元选取、钢材本构关系与参数确定、网格尺寸选择与划分方式、结构对称性应用等方面进行了探索,保证了有限元动力分析的精度与可行性。通过比较网壳结构的塑性应变及其发展程度、杆件应变与位移等结果获得了不同网壳矢跨比、炸点距离以及屋面板厚度下的结构爆炸响应规律;以屋面板作为网壳结构的泄爆方式,研究了屋面板开洞率、开洞数量及洞口分布、洞口位置对结构响应的影响。总结了中心爆炸荷载作用下大跨度单层网壳结构的动力响应结果、最佳的屋面板泄爆布置方案,为网壳结构的合理抗爆及防御设计提供了理论依据。     

复合点阵结构强爆炸冲击载荷下的损伤机理与动态响应特性

基于碳纤维增强复合材料面板与金属芯层,设计出金字塔型复合点阵夹芯结构。利用地面爆炸冲击实验,研究复合点阵结构在强爆炸载荷作用下的损伤机理和失效模式。基于材料的细观损伤机理,构建复合材料面板的三维渐进损伤模型和金属芯层的Johnson-Cook损伤模型,并结合有限元方法发展了复合点阵结构的爆炸冲击响应预报模型。开展了不同载荷工况下结构的动态响应特性分析,结合实验测试结果分析了结构抗爆性能的主要影响因素。研究表明,在近距离强爆炸载荷作用下,复合点阵结构整体构型基本保持完好,仅局部出现失效现象,主要失效形式为边缘区域面芯脱粘和局部芯层杆件断裂,但结构整体上仍具有较好的承载能力。探讨了考虑多种载荷条件和结构参数相关变量的毁伤函数,给出了结构的可行设计域。研究结果可为装备关键部件轻量化/抗爆设计提供参考。

     

爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应

为了找出爆炸动力作用下的隧道衬砌结构薄弱部位和力学规律,建立了土体隧道动力分析整体有限元模型;利用显式动力有限元程序Ansys/Ls-dyna进行了数值模拟,探讨了土体隧道衬砌结构在爆炸作用下不同部位的时间历程曲线;分析了爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应。结果显示:隧道衬砌结构肩部在x、y方向的位移都较大;隧道衬砌结构顶部在y方向的位移较大;隧道衬砌结构顶部、肩部的加速度峰值最大并且加速度曲线均出现了两次或多次峰值。这反映了爆炸冲击波有比较强烈的多次反射;各部位压力时程曲线波动较大,按照肩部、顶部、胯部、底部、腰部的顺序先后到达峰值;顶部和肩部σx峰值最大,顶部和底部σy峰值最大,顶部、肩部、底部τmax峰值最大。顶部和肩部出现最大拉应力说明爆炸对拱顶拱肩损伤较大,隧道衬砌结构将会最先在这两处发生破坏。     

Failure behavior of composite sandwich structures under local loading

Usually when analyzing the mechanical response of foam-cored fiber-reinforced composite sandwich structures to localized static loading, the face sheets are treated as a linear-elastic material and no damage initiation and growth is considered. However, practice shows that at higher indentation magnitudes damage develops in the face sheet in the area of contact with the indentor, which could lead to local failure of the face laminate due to the loss of bending stiffness and strength. Therefore, the main objective of the present study is to develop a damage model for predicting the local failure in the composite face sheet and its influence on the load–displacement behavior of sandwich structures under local loading. For this purpose, the Hoffman failure criterion is incorporated into a finite element modeling procedure using the ABAQUS program system. Results deducted from the modeling procedure are compared with experimental data obtained in the case of static indentation tests performed on sandwich beam specimens using steel cylindrical indentors. It is shown that taking into account the damage in the face sheet leads to a substantial improvement in the performance of the model when simulating the mechanical behavior of the sandwich structures at higher indentation values.     

爆炸荷载作用下围岩与地下结构的动力相互作用

利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流固耦合计算方法,对炸药在地下拱形结构上方岩石中垂直爆炸过程进行数值模拟,借助波动理论p-u Hugoniot线对爆炸冲击波在围岩与结构之间的传播和加卸载过程进行理论分析;得到了不同跨度拱形结构与围岩之间的最大相互作用力及相互作用力分布图。研究结果表明：冲击波由高阻抗围岩向低阻抗混凝土传播时,围岩卸载,应力减小;反向传播时,岩石加载,应力增大;爆距为5 m时爆炸冲击波对40 m跨度拱形结构整体产生拉压震荡,引起的震动效应显著。     

On the post-buckling analysis of plastic structures under impulsive loading

An analytical method is suggested to analyze the plastic post-buckling behavior under impulsive loading. The fundamental equation of motion of a cylindrical shell is taken as an example to explain the main concept and procedure. The axial and the radial displacements are decoupled by an approximate scheme, so that only one non-linear equation for the radial buckling displacement is to be solved. By expanding it in terms of an amplitude measure as a time variable, we may get the post-buckling behavior in the form of a series solution. The post-buckling behavior of a rectangular plate used as a special case of cylindrical shell is discussed.     

飞机撞击混凝土结构的动力学分析

基于已有的飞机撞击混凝土结构的实验数据,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,选用可模拟冲击作用下混凝土性能的4种不同材料模型,在同一接触算法、同一失效准则下,进行飞机撞击混凝土结构的数值模拟与动力学分析,探讨了4种混凝土材料模型在模拟飞机撞击下混凝土结构破坏效应的能力。结果表明:4种混凝土材料模型均能模拟飞机撞击混凝土结构的穿入、散裂、碎甲等局部破坏效应,但在考虑正、背面破坏面积及剩余速度等因素时,MAT072R3和MAT084材料模型的计算结果与实验结果较接近,MAT111材料模型次之,MAT159材料模型有较大的差异。本文的研究结果可为后续评估混凝土结构安全壳抵抗飞机撞击能力时提供基础参数。     

可折叠航天结构展开动力学分析

以欧拉参数为广义坐标（准坐标）,相对角速度和相对移动速度为广义速率,采用Ｋａｎｅ方程的Ｈｕｓｔｏｎ形式建立多体系统的运动力学方程。由伪上三角分解求约束Ｊａｃｏｂｉ矩阵的正交补阵,约简约束力,从而将运动方程由微分几何方程（ＤＡＥ）变为常微分方程（ＯＤＥ）,并由Ｇｅａｒ法对ＯＤＥ积分求出运动历程。最后给出一伸展臂数值分析算例。     

Dynamic response of underground structures by time domain SBEM and SFEM

The dynamic interaction problems of three-dimensional linear elastic structures witharbitrary shaped section embedded in a homogeneous,isotropic and linear elastic half spaceunder dynamic disturbances are numerically solved.The numerical method employed is acombination of the time domain semi-analytical boundary element method(SBEM)usedfor the semi-infinite soil medium and the semi-analytical finite element method(SFEM)used for the three-dimensional structure.The two methods are combined throughequilibrium and compatibility conditions at the soil-structure interface.Displacements,velocities,accelerations and interaction forces at the interface between undergroundstructure and soil medium produced by the diffraction of wave by an underground structurefor every time step are obtained.In dynamic soil-structure interaction problems,it isadvantageous to combine the SBEM and the SFEM in an effort to produce an optimumnumerical hybrid scheme which is characterized by the main advantages of the two methods.The     

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。

     

爆炸载荷下地下巷道分配层结构的对比分析

为寻找削波效果更好的分配层结构,基于光滑粒子流体动力学-有限元耦合方法SPH-FEM,建立地下巷道爆炸效应分析模型,形成11种不同的模拟方案。将含不同材料的分配层结构的测点应力峰值进行对比,以及从测点应力峰值、能量峰值和拱顶竖向位移的角度来比较不同分配层结构的削波能力,并将爆炸近区测点应力峰值与经验公式进行对比。结果表明,砂土的削波能力要强于泡沫混凝土;分配层中各层材料采用周期循环、波阻抗值递增且相邻材料波阻抗比减小的方式来布置,同时在分配层中加入钢铁,对应力波峰值的衰减和弥散效果最优。爆炸近区的模拟数值与计算值吻合度较高,证明此模拟具有一定的可靠性,可以为军事防护工程的结构设计提供参考。