爆炸与冲击载荷下结构和材料动态响应研究的新进展

对激波与高应变率现象的基础问题及应用国际学术会议 (EXPLOMET 2 0 0 0 )和第 2 0届国际理论与应用力学大会 (ICTAM 2 0 0 0 )上有关爆炸冲击载荷下结构和材料动态响应的研究论文进行了回顾和综合分析。分别从应力波、结构的高应变率响应和材料的高应变率响应三个方面就其新进展和新动向作了述评。     

撞击载荷下泡沫铝夹层板的动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支方形夹层板和等质量实体板的动力响应,分别应用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移历史,给出了夹层板的变形与失效模式,研究了子弹冲量、面板厚度、泡沫芯层厚度及芯层密度对夹层板抗撞击性能的影响。结果表明,后面板中心点挠度最大,周边最小,整体变形为穹形,且伴有花瓣形的变形。参数研究表明,通过增加面板厚度或芯层厚度均能有效控制后面板的挠度,改善夹层板的能量吸收能力,结构响应对子弹冲量和芯层密度比较敏感。实验结果对多孔金属夹层结构的优化设计具有一定的参考价值。 更多还原     

爆炸载荷作用下地下拱形结构动态分析

应用有限元方法分析了爆炸载荷作用下地下拱形结构与土介质的动力相互作用问题。结构与介质均假定为弹塑性,并用Ｍｉｓｅｓ屈服准则描述,且考虑其几何非线性的影响。使用了人为阻尼边界,并使计算模型的几何尺寸满足限制性条件,从而大大提高了计算精度。还对几种解进行了比较,对影响结构应力场的因素也进行了讨论。     

爆炸载荷作用下地下圆形结构动态分析

应用有限元方法分析了在爆炸载荷作用下地下圆形结构与土介质的动力相互作用问题。结构与土介质均假定为弹塑性，并用Ｍｉｓｅｓ屈服准则描述，而且考虑其几何非线性的影响。文中使用了人为阻尼边界和模型几何尺寸限制条件，从而大大提高了计算精度。文中还对几种解进行了比较和讨论     

爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板动力响应研究

采用自行设计的冲击摆实验系统对铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应进行了系统实验研究,给出了面板和铝蜂窝不同区域的不同变形模态,得到了不同炸药当量对铝蜂窝夹芯板动态响应的影响规律,证实了铝蜂窝夹芯板产生较大塑性变形时,比一般的结构具有更好的能量吸收特性.并利用LS-DYNA对其动力响应进行了数值仿真,考察了炸药起爆、接触界面及上表面接触力对夹芯板变形影响的全过程,得到了板中心的最终变形和芯层的变形模式,与实验结果吻合较好.     

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。     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

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。     

爆炸载荷下中空夹层玻璃的动力响应影响因素

利用LS-DYNA有限元软件,基于多物质ALE算法,模拟中空夹层玻璃在爆炸载荷下的动力学响应,通过变化PVB夹层属性和中空气体层厚度分析了其改变对玻璃板板心最大挠度的影响。结果表明:(1)随气体层厚度的增加,中空钢化夹层玻璃上层玻璃板挠度减小而下层玻璃板挠度增加; (2)一定气体层厚度下,随夹层杨氏模量的增加,上、下玻璃板的挠度减小。     

爆炸载荷下飞机典型加筋结构毁伤特性

为了探讨爆炸载荷下飞机典型加筋结构的响应规律,开展了爆炸实验,获得了飞机典型结构表面的反射超压历程,加筋结构的应变、位移等结构响应数据。并结合实验结果建立了高置信度的有限元模型,研究了所选结构的变形分布规律和塑性毁伤特性。结果表明,对于本文中选取的飞机加筋结构,塑性变形除了会开始于常见的加强筋中点外,还会开始于加强筋与加强筋联结处、加强筋与外框联结处。这主要是受加筋板的双向拉伸变形和应力集中的影响。进一步总结了随冲击波正压时间增长,能够引发加筋结构塑性变形的有效冲量和反射超压峰值阈值。研究结果对飞机气动外形、抗爆能力设计具有重要意义。     

爆炸载荷特征参数对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响

采用含有三角脉冲载荷和准静压载荷的爆炸载荷加载,利用单自由度模型对无限长圆柱壳体（即等效平面应变圆环）的弹性动态响应进行了力学分析,获得了径向位移响应解析解及准静压阶段弹性响应振幅的解析解。基于所得解析解,通过控制变量法分析了载荷压力及载荷分界点时刻（即三角脉冲载荷与准静压载荷作用的分界点时刻）对径向位移最大值、准静压阶段弹性响应振幅的影响规律,更加深入地研究了爆炸载荷对结构响应的影响。本文主要从准静压幅值与三角脉冲峰值的比值以及载荷分界点时刻两个主要特征参数入手,结合结构的呼吸振动频率来研究爆炸载荷对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响。在研究中发现存在临界时刻:当载荷分界点时刻早于临界时刻时,径向位移最大值出现在准静压阶段;当载荷分界点时刻晚于临界时刻时,获得了便于直观判断径向位移达到最大值时所处载荷阶段的分区图。基于前述解析解的分析,还获得了不同影响因素导致的振幅变化的单调性分区图,便于判别载荷压力的变化所致的准静压阶段振幅的增减趋势。通过研究获得的爆炸压力载荷对结构响应的影响规律,可为爆炸容器设计以及结构防护基础研究提供参考。     

爆炸载荷下仿贝壳结构的动态响应

贝壳珍珠层是一种具有高强度和高韧性的天然材料,这种优异的性能主要来源于多尺度、多层级的“砖泥”结构。本文受贝壳特殊结构的启发,构建了仿贝壳砖泥结构的有限元模型,并进行了爆炸实验。通过实验发现:在爆炸冲量为0.047 N·s时,试件发生灾难性破坏,使得中心处发生掉落,且伴随着试件夹持端的剪切破坏,与数值模拟结果具有良好的一致性。在实验基础上,对仿贝壳砖泥结构在爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。研究发现,在爆炸载荷下仿贝壳砖泥结构会产生五种不同的破坏模式,包括:Ⅰ,结构整体无损伤;Ⅱ,结构前表面无明显破坏,后表面发生破坏;Ⅲ,结构发生掉落型贯穿破坏,夹持端无剪切破坏;Ⅳ,结构发生小块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏;Ⅴ,结构发生大块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏。并且给出了不同破坏模式的临界阈值,单层砖泥结构的破坏阈值为0.019 N·s,五层砖泥结构的破坏阈值为0.047 N·s,当冲量超过破坏阈值时,试件发生灾难性破坏。研究分析了堆叠层数对仿生结构的力学响应,在同一冲量下,随着层数的增加,结构的破坏模式发生改变,由贯穿型破坏逐渐变为仅发生一定塑性变形。随着层数增加,结构的损伤阈值增加。最后提出仿贝壳砖泥结构的增韧机理主要有裂纹偏转和微裂纹。     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

阻尼夹层筋板结构有限元动力分析

在小变形线弹性理论基础上，导出了粘弹性阻尼夹层筋板壳结构的有限元动力方程，构造了壳单元、阻尼夹层壳单元和开口薄壁梁单元。采用这些单元可以很好地模拟具有不连续阻尼夹层处理的筋板壳结构。数值分析采用［３］中提出的两次渐近法。通过一块阻尼加筋板的特征分析和振动测量，证实了所建立的有限元两次渐近法的良好精度和广泛的工程适用性。     

横向爆炸载荷下开孔板的动应力集中因子

基于ANSYS 5.7/LS-DYNA程序,对3 m3 m0.25 m四边固支和简支、中心具有0.3 m0.3 m方孔的开孔板和无孔板对应点在两种下三角爆炸载荷作用下的应力响应进行了分析;由开孔板和无孔板边对应点的主应力时程曲线,对提出的能量密度时间分布函数的绝对值平方进行变上限积分,按其比值确定动应力集中因子,该方法简单易行。     

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。     

圆柱形爆炸容器的内壁爆炸载荷

爆炸容器内壁所受爆炸载荷的确定是容器动态响应特征研究、容器结构设计及安全评估的基础。对自行研制的组合式圆柱形爆炸容器开展了系列内爆加载试验,测量了容器内壁几个典型位置所受爆炸载荷,并利用ANSYS/LS-DYNA软件对容器内爆载荷的形成和传播全过程进行了数值模拟。通过对试验结果进行分析,获得了容器内壁所受爆炸载荷的特征及其分布规律,并拟合出容器圆柱形壳体部分所受载荷首脉冲的峰值压力、正压作用时间和比冲量经验计算公式、容器内部准静态压力经验计算公式。通过对数值模拟结果进行分析,阐明了容器内壁所受爆炸载荷特征和分布规律的形成机理。研究结果表明,椭球端盖内壁产生的马赫反射波在端盖极点汇聚,使得极点所受载荷峰值压力及单次脉冲比冲量峰值总是所有测点中最大的,峰值压力最高可达圆柱壳所受最大压力的2.79倍,应予以足够重视。     

爆炸容器的研究及应用概况

综述了爆炸容器的最新研究成果，介绍了爆炸容器在国防，科研和工业领域的应用实例。     

求解矩形夹层板在集中载荷下的稳定问题

在考虑了横向切应力和横向正应力对夹层板稳定影响的情况下,给出了矩形夹层板结构屈曲失稳的控制方程、基本解以及边界条件。应用功的互等定理求解了在均布载荷作用下的矩形夹层板的屈曲失稳问题。