冲击波和高速破片联合作用下夹芯复合舱壁结构的毁伤特性

为探讨导弹战斗部近炸下舰船夹芯复合舱壁结构设计方法,采用TNT和预制破片近炸实验研究了典型夹芯复合舱壁结构在冲击波与高速破片联合作用下的破坏效应,分析了冲击波和破片联合毁伤载荷,指出了钢质面板和抗弹层的破坏模式,阐述了夹芯复合舱壁结构的防护机理。结果表明:预制破片装药近炸下,破片能远大于冲击波能,是防护结构的主要设计载荷;前面板主要是抵御冲击波,其变形破坏整体为挠曲大变形,局部为集团破片冲塞破口、破片穿孔和撞击凹坑;背板以挠曲大变形吸能为主;陶瓷材料碎裂严重,部分陶瓷碎片反向飞溅撞击前面板;纤维增强复合材料发生了纤维断裂、基体开裂、整体弯曲大变形及分层等破坏,抗弹层应避免产生穿透性破坏。     

结构间隙对夹芯式复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由厚度为8 mm的前置钛合金板、面密度为60 kg/m2的高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、厚度为8 mm的后置钢板构成的夹芯式复合装甲,模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间是否设置20 mm的间隙,将复合装甲结构定义为无间隙式、后间隙式及前后间隙式。为研究以上3种结构在55 g圆柱体弹高速冲击下的抗弹性能及破坏机理,开展了系列弹道实验,分析了钛合金板、高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板芯层及钢质面板的破坏模式,探讨了结构间隙对复合装甲结构抗弹性能的影响。结果表明:前置钛合金板的破坏模式为剪切冲塞,靶板背弹面产生脆性断裂并伴随碎块崩落现象;聚乙烯纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形范围受间隙的影响较大,前置钛合金板受间隙影响较小;相同载荷侵彻下,间隙的存在有利于提高复合装甲结构的抗弹性能。     

夹芯圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的抗冲击特性

采用声固耦合方法对夹芯圆柱壳和等质量的普通圆柱壳在爆炸载荷作用下的应变、速度和加速度进行有限元计算。结果表明:夹芯防护层对爆炸冲击波可起到较好的衰减作用,即通过芯层的塑性变形,耗散了冲击过程中产生的大部分能量,对里面的圆柱壳体起到较好的保护作用,由于夹芯防护层的存在,与等质量的普通圆柱壳相比,夹芯圆柱壳能够承受更强的爆炸冲击波,降低结构的整体变形。     

轻质泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能研究

通过实验研究和有限元模拟,重点关注了泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能和能量吸收机理.给出了爆炸载荷下泡沫金属夹芯壳结构的典型动力失效模式,分析了关键几何拓扑参量对其抗爆炸冲击性能的影响规律,模拟了爆炸载荷下夹芯壳结构的整个塑性动力响应过程,讨论了夹芯壳结构各组成部件的能量耗散分配机制.结果表明,夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能可以通过优化承载范围和结构配置而提高;夹芯壳结构的能量吸收能力与其失效机制相关,且泡沫金属芯层的贡献最大.研究结果可为强动载荷服役条件下泡沫金属夹芯复合结构的防护要求及优化设计提供技术支持.     

轻质金属泡沫夹芯曲板的抗爆炸冲击响应研究

夹芯结构具有高比强度、高比刚度和优异的吸能能力,已经被广泛应用于工程结构用来抵御高强度的爆炸冲击载荷。本文采用有限元数值模拟方法研究了爆炸载荷作用下四边固支夹芯曲板的动力响应。比较了同等质量下夹芯曲板、夹芯平板、实体曲板和实体平板四种结构的抗爆炸冲击性能,讨论了不同曲率和非对称因子对结构动力响应的影响,得到了使得夹芯曲板抗爆炸性能最佳的非对称因子。研究结果表明：夹芯曲板的抗爆炸冲击性能优于等质量的夹芯平板、实体曲板和实体平板结构,增大夹芯曲板的曲率能够提高结构的抗爆炸冲击性能。     

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。     

负泊松比蜂窝材料抗爆炸特性及优化设计研究

为了深入研究车辆底部防护组件爆炸冲击下的结构响应,提高防护型车辆的抗爆炸冲击性能,建立了某车辆底部防护组件在爆炸冲击下的有限元模型,并进行爆炸冲击台架试验验证了有限元模拟的可靠性;将内凹六边形负泊松比蜂窝材料作为防护组件的夹芯部分,分析负泊松比蜂窝材料在爆炸冲击下的变形模式,并对比了同等质量的其他3种防护组件的抗爆炸冲击性能。结果表明,含有负泊松比蜂窝夹芯的防护组件具有更优的抗爆性能。建立了以内凹六边形负泊松比蜂窝胞元尺寸参数为设计变量的多目标优化问题的数学模型,采用多目标遗传算法获得胞元几何参数的最优方案,有效降低了防护组件基板的最大挠度和最大动能。     

水下爆炸下典型舰船结构整体损伤模式表征方法及图谱研究

随着舰船抗爆炸冲击总体结构优化设计及水中兵器攻击效能评估研究的深入,建立水下中近距非接触爆炸作用下舰船整体损伤模式的快速判定方法尤为重要。通过Abaqus软件建立了爆炸冲击波和气泡联合作用下舰船结构整体损伤特性的数值模拟方法并进行了实验验证;分析了水下爆炸载荷强度及舰船结构强度等参数变化对结构整体损伤模式的影响,提出了综合反映爆炸冲击波和气泡联合作用的新型冲击强度因子C₄,表征舰船结构总体强度的结构强度因子S,初步构建了舰船整体损伤模式分布图谱C₄-S。研究结果表明,建立的数值方法能较好预测舰船结构整体损伤模式和总体变形,误差不超过10%;提出的两类因子能分别合理表征水下爆炸强度和舰船结构强度,构建的损伤模式分布图谱能较好区分不同爆炸强度、舰船结构强度下的舰船整体中拱、中垂、鞭状损伤模式,可实现对水下爆炸下舰船整体损伤模式的快速判定。     

水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为试验研究

为加深水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为认识,设计典型圆柱壳结构模型,开展了水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应光电联合测试,获得了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用高速光学物理图像、动态应变、超压载荷、毁伤模式等试验数据。通过高速光学物理图像和三维激光扫描毁伤形态的分析,给出了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用物理过程及最终毁伤模式;通过动态应变的分析,给出了圆柱壳结构迎爆面和背爆面在加载过程中应变拉伸压缩转变和响应阶段的划分;通过超压载荷的分析,明确了装药爆轰完全性以及接触爆炸加载下结构吸能对超压的影响。研究表明：爆距的变化会显著影响圆柱壳结构的毁伤形态,近距加载下圆柱壳结构主要呈现塑性大变形,接触加载下圆柱壳结构主要呈现撕裂破坏;近距加载下圆柱壳结构迎爆面空化区的形成及溃灭形成的二次加载毁伤效应不容忽视,值得深入研究;研究成果可为水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构毁伤评估提供参考和依据。     

爆炸冲击波下导弹结构动力分析模型初步研究

针对爆炸冲击波对导弹目标毁伤这一复杂问题进行了合理的简化,研究了冲击波对导弹结构的破坏问题。利用动力学知识,估计了冲击波对导弹目标的机械破坏作用。在综合考虑战斗部装药质量、爆炸点距目标距离、爆炸高度的环境压力、目标几何尺寸以及目标抗冲击载荷能力等基础上,利用自行编制的程序进行了一系列的仿真计算,得出了战斗部在不同时间不同位置和不同装药质量下产生的冲击波对导弹产生的破坏。计算结果基本符合物理规律,说明采用的模型及算法是合理的,能够对目标在爆炸冲击波超压作用下的易损性进行评估,得到的计算结果对实际应用具有参考价值。     

金属蜂窝夹层结构抗水下爆炸特性

金属蜂窝夹层结构是一种新型的舰船防护结构,在舰船防护领域具有广阔的应用前景,但目前缺乏对其在实际水下爆炸载荷作用下动态响应的研究。为研究金属蜂窝夹层结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应及防护性能,设计并制备了背板加筋蜂窝夹层结构样件以及相应的浮箱,在大型露天水池中进行了水下实爆 实验;通过声固耦合算法对结构响应进行模拟,实验结果与模拟结果吻合良好,随后分析了蜂窝夹层板的变形过程及能量吸收特性,量化了载荷参数（冲击因子）及结构参数（前后面板厚度比和芯体相对密度）对结构动态响应的影响;最后,以蜂窝夹层板的面密度和后面板中心点最大变形的无量纲量为目标函数,使用NSGA-Ⅱ遗传算法对结构进行了多目标优化,得到对应的Pareto前沿。结果表明,随着冲击因子的增大,蜂窝夹层板整体变形显著增大,蜂窝芯体始终是主要的吸能构件,但其吸能占比逐渐降低;随着前后面板厚度比或芯体相对密度的增加,蜂窝夹层结构的最大变形呈现先降低后升高的趋势,同时呈现不同的变形模式,芯体相对密度对结构变形的影响更为显著;对蜂窝夹层结构开展多目标优化可有效降低结构的面密度及最大变形,优化结果可为蜂窝夹层结构的设计选型提供参考。     

一种组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构毁伤的数值模拟及试验研究

为了研究组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构的毁伤机理,基于LS-DYNA软件的任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合算法,对水下组合药型罩聚能装药战斗部侵彻体的形成以及穿靶过程开展研究,采用数值模拟等比例模型对水下组合药型罩聚能装药战斗部对靶板毁伤进行试验验证。研究结果表明,在偏心亚半球缺罩罩顶设计偏心亚半球形罩能够在侵彻体前端形成细长的杆式射流,可以增加整个侵彻体长度和头部侵彻体速度。在穿水和靶板过程中,利用头部杆式射流形成空腔帮助后续侵彻体低阻随进。对靶板毁伤过程的分析发现,与战斗部直接连接的第1层靶板将会受到侵彻体的高速冲击作用和爆炸波沿水介质传播过来的强冲击波联合作用,而随着水层厚度的增加,沿水中传播的爆炸冲击波强度会被迅速衰减,爆炸冲击波对后续靶板的作用变得不明显,主要为侵彻体的冲击作用。最后利用设计的组合药型罩结构开展了试验验证,对比分析了每层靶板的穿孔尺寸,试验结果与数值计算结果符合较好,最大误差小于15%。     

复合材料夹层结构在舰艇碰撞防护中的研究进展

为了提高舰艇的碰撞防护能力,已发展了各种舰艇碰撞防护方法。传统的碰撞防护手段会使舰艇重量大幅增加,影响舰艇总体性能。复合材料夹层结构的出现给舰艇碰撞防护结构设计提供了另外一条途径,成为近期国内外相关研究的热点。本文以舰艇碰撞防护为背景,从复合材料夹层结构的低速冲击实验方法、变形损伤机理、冲击吸能影响因素、分析研究方法等几方面进行回顾、总结和归纳,并对今后的研究方向进行展望。     

水下舷侧多层防护隔舱接触爆炸毁伤载荷特性分析

为探讨水下多层防护隔舱结构设计,以典型三舱式结构为对象,利用Dytran软件分析了水下接触爆炸下舷侧多层防护隔舱中膨胀空舱内的毁伤载荷特性,得到了载荷的简化模型,并拟合出膨胀舱压力载荷脉动平稳阶段准静态气压值的计算公式。结果表明,膨胀空舱内的毁伤载荷特性在时间尺度上可分为气团膨胀扩散阶段和脉动平稳两个阶段;在空间分布上,主要分为正反射区和马赫反射区,正反射区作用载荷由初始瞬态脉冲载荷和后续逐渐衰减的准静态气压载荷叠加而成,马赫反射区作用载荷则以准静态气压为主。     

NONLINEAR BUCKLING BEHAVIOR OF DAMAGED COMPOSITE SANDWICH PLATES CONSIDERING THE EFFECT OF TEMPERATURE-DEPENDENT THERMAL AND MECHANICAL PROPERTIES

On the basis of the first-order shear deformation plate theory and the zig-zag deformation assumption, an incremental finite element formulation for nonlinear buckling analysis of the composite sandwich plate is deduced and the temperature-dependent thermal and mechanical properties of composite is considered. A finite element method for thermal or thermo-mechanical coupling nonlinear buckling analysis of the composite sandwich plate with an interfacial crack damage between face and core is also developed. Numerical results and discussions concerning some typical examples show that the effects of the variation of the thermal and mechanical properties with temperature, external compressive loading, size of the damage zone and ply angle of the faces on the thermal buckling behavior are significant. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 59975013).     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

Response and Damage Tolerance of Composite Sandwich Structures under Low Velocity Impact

The deformation and failure response of composite sandwich beams and panels under low velocity impact was reviewed and discussed. Sandwich facesheet materials discussed are unidirectional and woven carbon/epoxy, and woven glass/vinylester composite laminates; sandwich core materials investigated include four types of closed cell PVC foams of various densities, and balsa wood. Sandwich beams were tested in an instrumented drop tower system under various energy levels, where load and strain histories and failure modes were recorded for the various types of beams. Peak loads predicted by spring-mass and energy balance models were in satisfactory agreement with experimental measurements. Failure patterns depend strongly on the impact energy levels and core properties. Failure modes observed include core indentation/cracking, facesheet buckling, delamination within the facesheet, and debonding between the facesheet and core. In the case of sandwich panels, it was shown that static and impact loads of the same magnitude produce very similar far-field deformations. The induced damage is localized and is lower for impact loading than for an equivalent static loading. The load history, predicted by a model based on the sinusoidal shape of the impact load pulse, was in agreement with experimental results. A finite element model was implemented to capture the full response of the panel indentation. The investigation of post impact behavior of sandwich structures shows that, although impact damage may not be readily visible, its effects on the residual mechanical properties of the structure can be quite detrimental.