水中爆炸冲击波载荷作用下舰船结构动态响应的数值模拟

采用大型通用有限元软件MSC.DYTRAN,对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了数值模拟。分别从结构的变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理和响应特征。     

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。

     

爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用

爆炸作用下围岩与被覆结构的动力相互作用对于合理确定防护结构荷载、科学设计被覆结构具有重要意义。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流-固耦合算法,对垂直爆炸作用下不同爆距、不同跨度的地下结构与围岩的动力相互作用进行了数值模拟,应用波动理论进行了动力相互作用力分析,讨论了相互作用动载计算公式在岩石结构中的适用性,得到了围岩与被覆结构的最大相互作用力变化规律。研究结果表明:在距拱顶1~25 m垂直爆炸作用下,14~25 m跨地下结构都发生了拱顶局部破坏,整个拱的混凝土均会产生震动裂缝;当爆距为4 m时,围岩与结构的动力耦合作用最大,可以作为确定最大荷载的依据。     

船用加筋板架爆炸载荷下动态响应数值分析

针对船用加筋板架复杂结构在爆炸冲击波作用下的动态响应 ,采用商用高动态非线性有限元程序MSC/Dytran ,讨论了大尺寸加强结构板架迎爆承载问题 ,提出了复杂板架结构爆炸冲击波作用下动态响应的有限元计算方法 ,并进行了模型试验。试验结果与计算结果吻合较好 ,验证了应用程序及计算模型参数的稳定性和可靠性。对加筋板架两种承载形式 (大尺寸加强构件迎爆或背爆设置 )在爆炸冲击波作用下的动态响应 (板架中心挠度和塑性分布 )差异的分析研究表明 ,大尺寸骨架 (纵骨和肋骨 )背向爆炸冲击波设置将分散爆炸冲击波的冲击作用、减小板架变形、增强其抵抗爆炸冲击波冲击的能力 ,使结构偏于安全。     

预制孔靶板在爆炸冲击波载荷作用下的动态响应

对四边固定带预制孔靶板在爆炸冲击波载荷作用下的动态响应问题进行了实验研究。通过设计爆炸冲击波载荷对2种材料不同孔数、不同孔径的靶板的冲击工况,获得了各靶板的中心点挠度。通过分析,得到了预制孔靶板中心点挠度与预制孔数、孔径的相关规律,结合无孔平板在爆炸冲击波载荷下的挠度公式,建立了广义的靶板中心点挠度公式,可用于计算不同孔靶板的中心点挠度。研究结果可作为平板材料在破片冲击波联合毁伤研究的基础,为杀爆战斗部威力评估提供一些依据。     

应用仿生原理设计遮弹层及其抗侵彻数值模拟分析

通过对木、贝壳珍珠层等自然复合材料强韧化的细观机理研究，应用仿生学原理，提出了一种新型蜂窝状钢管约束混凝土遮弹层结构；并对构成该新型遮弹层结构中的单个构件一钢管混凝土短构件抗侵彻的机理进行了研究；然后，应用IS—DYNA程序对单个钢管混凝土短构件抗侵彻的性能进行了数值模拟；通过仿真计算，表明钢管混凝土短构件比同强度的素混凝土构件的抗侵彻能力有较大提高。因此，由钢管混凝土短构件构筑的仿生遮弹层，将会增加其抗侵彻能力。     

近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好,证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明,相比普通混凝土夹层,泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播,大幅降低洞室内部空气的压力峰值,降低超压对人体器官的损伤,提高洞室内部人员的生存几率;采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应

通过理论和数值方法,对冲击载荷下金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了研究。考虑材料应变率影响,建立了金属正交波纹夹芯结构动态响应的理论模型,同时对它的动态压缩响应进行了有限元模拟。结果表明,考虑材料应变率影响的理论模型的预测结果与有限元模拟结果吻合较好。进一步对多层正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了数值模拟,获得了不同速度冲击下的变形模式,分析了层数对其动态响应的影响。研究发现,通过增加层数能够有效地增强结构的缓冲吸能能力,但层数超过4层以后增强效果不明显。

     

斜孔结构装甲设计及抗弹性能研究

设计了一种斜孔结构装甲,利用有限元方法研究高速弹体冲击下斜孔结构装甲的弹道力学行为,重点分析孔倾角对孔结构装甲不同典型弹着点侵彻破坏的影响.计算结果表明:弹着点位于孔结构中心(弹着点Ⅰ)时,斜孔结构设计导致弹体发生了严重侵蚀、偏航以及折断,有效降低了弹体的侵彻速度,使孔结构中心不再是最薄弱部位;随着孔倾角的增加,位于倾...     

一种Birkhoff形式下结构动响应问题的保辛中点格式

结构动响应预测是结构设计的基础,是结构振动控制、载荷识别的前提。本文在辛体系下针对结构动响应问题,提出了一种Birkhoff形式下的保辛中点格式。首先引入状态变量,并基于摄动方法将结构动响应方程转化为线性自治Birkhoff方程的形式,进一步利用中心差分推导出线性自治Birkhoff方程的中点格式,其证明是保辛的。该格式不要求Birkhoff方程系数矩阵非奇异,因此适用于奇数维系统。两个不同数值算例的结果充分验证了本文方法的卓越性,也凸显了相对于传统算法在计算精确度和稳定性方面的明显优势。     

统计能量分析中的响应统计估计及其研究进展

统计能量分析(SEA)是分析复杂动态系统结构－声耦合振动响应的有效方法,而结构响应的统计估计是评价SEA分析准确性的基本依据,是SEA的一个重要组成部分.在简要介绍了SEA基本理论及其响应统计估计理论的基础上,对SEA中的响应统计估计的研究进展进行了综述和讨论,指出了在SEA响应统计估计中存在的问题,论述了需要进一步深入研究的方面,并着重讨论了响应统计估计中基于Poisson频率空间和高斯正交总体(GOE)频率空间的结构响应方差分析方法及其在SEA响应统计估计发展中的重要作用.      

飞机风挡结构抗鸟撞一体化设计技术研究

结合大型非线性有限元分析软件,实践了飞机风挡结构由初步设计、数值仿真以及实验验证的一体化设计过程,建立了适于风挡结构材料的非线性黏弹性本构计算接口程序,对合理选取单元类型、材料模型、边界条件影响以及试验设计等工作细节进行了深入研究,通过实验与仿真计算结果的对比,验证了数值仿真计算模型的精度．为飞机风挡的抗鸟撞结构设计-数值仿真-实验验证一体化技术提供了支持论证．     

结构动力响应数值算法耗散和超调特性设计

对结构动力响应数值计算问题提出引入多个自由参数来获得所希望的算法特性. 多参数的一个明显的好处就是在算法设计上有更大的自由空间. 利用这些自由参数获得了两个新的无条件稳定、有二阶精度的、有好的耗散和没有超调的单步时间直接积分算法. 在存在阻尼情况下基于有限差分分析理论证明了新算法的这些特性. 其中一个有高频渐进消去特性,且在有阻尼情况下与Houbolt方法相比对高频有更强的耗散. 另一个在低频极限无耗散,高频耗散可以用一自由参数控制. 超调分析结果显示两个新算法都不显示超调,而HHT方法不仅有速度超调,还有位移超调. 最后使用一些算例并通过与传统方法的比较数值地验证了理论分析结果.     

基于风时程模拟的高耸结构风致响应有限元分析

高耸结构柔性较大,对风荷载较为敏感,相比一般风的影响,台风作用下的高耸结构更易产生强烈的动力响应.考虑台风的基本特性,选取合适的台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与结构竖向相关的18条脉动风载时程样本.采用有限元方法建立某高耸钢塔结构的三维有限元模型,并在时域内研究其在台风作用下的动力响应.侧重比较研究了结构线性与非线性对高耸钢塔结构风致动力响应影响,并与采用经典的Davenport谱的计算结果进行了比较.研究表明:同一种风谱计算的风载作用下,考虑几何非线性影响的高耸结构风致位移响应略大于线性情况下的计算结果,但差别不是太大;采用台风风谱计算风致结构动力响应的峰值和均方差比采用Davenport谱的计算结果大得多.     

在侧爆作用下既有山岭隧道支护结构动态响应分析

基于现场监测数据,采用数值分析方法研究了在侧爆作用下拱桥铺山岭隧道衬砌弯矩和锚杆轴力的动态响应规律。随着应力波的传播,衬砌最大正负弯矩先增加后减小,右衬砌拱脚一直受到较大负弯矩作用,衬砌受到正弯矩较大位置在右侧拱腰至拱脚之间。在右侧动载的作用下,无衬砌影响时,锚杆受到的拉力明显增加,并且每根锚杆轴力从锚头至锚尾先增加后减小;受衬砌的影响时,锚杆受到的拉力明显减弱,受到的压力有所增强。     

舰船底部液舱结构在水下爆炸作用下的动态响应实验研究

实验研究了舰船底部液舱双层板结构在水下爆炸作用下的动态响应问题。对舰船底部液舱模型在空载、半载和满载状态下进行了水下爆炸实验,测量了底部液舱外板和内板的壁压、加速度和动态应变等参数。在此基础上,分析了船体底部液舱外板和内板在水下爆炸作用下的响应特点,液舱满载时水下爆炸冲击波的透射作用和半载液舱飞溅载荷对内底的冲击作用等问题。     

厚度幂指数分布管状结构耐撞性设计准则与方法研究

厚度或质量连续分布技术对车身薄壁结构的轻量化和性能设计有着非常重要,甚至起到决定性的作用,从设计方法上研究连续变厚度结构在车身零部件中的耐撞性应用是安全性设计所需的主要工作。本文研究一种较新颖的薄壁吸能结构,其管壁厚度按照幂指数形式连续分布,根据此分布特点推导出了该薄壁结构在等质量条件下与其他管状结构(比如均匀管、拼焊管和锥管等)之间相关参数的定量解析关系,给出了前者的耐撞性设计准则,评估了不同梯度对幂指数管耐撞性能的影响。分析结果显示,该新颖管状结构比其他截面管具有更理想的耐撞特性。然后,在2个设计区间内对梯度指数分别采样并构造近似模型,采用遗传算法作为求解器得出了非劣解前沿,研究发现高阶响应面近似模型得到的设计结果不一定是最优的。     

一种基于变分法求解结构动态响应的通用逐步递推方法

由于数值仿真方法繁多而且理论不统一又只局限于一种仿真精度,所以不利于工程应用.本文以归纳总结为基点:分别独立给出了一种通用的结构位移和外力的插值函数构造形式;构造了驻值条件与结构动力学平衡方程等价的卷积泛函;给出了可满足不同精度要求的求解结构动态响应的通用逐步递推方法.实例表明:通用逐步递推方法可满足不同仿真精度的要求,适于工程结构响应分析.     

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。     

高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明：夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。