舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围,设计了大尺度舱段模型,并开展了舱室内爆毁伤试验,试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式,分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理,据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明：(1)舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤,形成多种破坏模式;(2)舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元;(3)建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏,理论计算结果与试验结果吻合较好。     

大型舰船在水下接触爆炸下的毁伤与防护研究综述

大型舰船受到水中兵器的巨大威胁,尤其是在水下接触爆炸情况下,船体结构将产生严重的局部毁伤,给舰船的战斗力乃至生命力带来严峻挑战。本文以大型舰船水下防护结构为研究对象,简要概述了各国海军大型舰船水下防护结构形式的发展历程,分析了水下接触爆炸下的毁伤载荷以及对舷侧多舱防护结构的毁伤机理,总结了基于具体结构和不同毁伤元的防护措施;并针对目前的研究现状,提出了有待进一步研究的问题。以期为舰船的水下防护设计提供参考,从而提高我国大型舰船的结构抗毁伤能力

     

结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.      

防雷舱结构在聚能装药水下爆炸作用下的毁伤研究

通过实验以及数值模拟,开展了防雷舱结构在聚能装药水下爆炸作用下的毁伤研究,探讨冲击波在多介质结构中的传播规律及其对结构的毁伤机理。结果表明：相同爆炸当量条件下,爆破型装药仅对空舱产生破坏,防雷舱的多介质复合结构对冲击波具有较强的衰减作用,聚能型装药形成的侵彻体可造成液舱前板及后板的穿孔,孔径约为装药直径的1/3~1/2。加宽液舱以及加厚液舱后板可以增强防雷舱的抗爆能力。

     

不同加筋结构在水中接触爆炸下的破损规律

采用LS-DYNA对不同加筋强度和不同加筋位置的筋板结构的水中接触爆炸进行了数值模拟,定义描述不同加筋强度、位置的强度因子和距离因子,建立不同强度因子的6种加筋模型和不同距离因子的3种加筋模型。通过对水中接触爆炸下典型加筋结构破损过程分析和不同模型纵、横破口长度和破口面积的对比,得到了加筋板在水中接触爆炸下强度因子、距离因子对破口形状和大小的影响规律。结果表明:增大纵横方向强度因子能有效抑制破口面积,增大横向强度因子对破口无明显影响;药量一定情况下,距离因子与破口面积成正比,破口形状与距离、强度因子相关。     

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。

     

基于EEMD和SVR的多自由度结构状态趋势预测

由于工程结构的复杂性和引起结构损伤原因的不确定性,结构早期微弱和潜在的损伤难以识别和预测。为此提出了基于聚类经验模式分解(EEMD)和支持向量机回归(SVR)的结构健康状态趋势预测方法。首先对多自由度结构渐进损伤的加速度振动信号进行聚类经验模式分解(EEMD);再进行希尔伯特变换(HT)计算瞬时频率;然后用回归支持向量机对反映结构健康状态的瞬时频率进行趋势预测。详细分析了各种参数对回归和预测精度的影响,提出了这些参数的选用方法和一般原则。研究表明:该方法具有训练样本少的特点;在采用二阶多项式核函数、回归步长m=3~5、误差惩罚因子C=100、敏感因子ε=0.01时,可以准确地和高精度地预测结构状态趋势,预测精度达到0.24781%。     

基于ICM方法的多工况位移约束下板壳结构拓扑优化设计

基于ICM方法,建立了多种载荷工况下受位移约束极小化结构重量的拓扑优化近似显式模型,采用精确对偶映射下的序列二次规划算法进行求解,得到了结构的最优拓扑.数值算例表明:ICM方法也可以很好地应用于多工况下板壳结构拓扑优化设计,且收敛快,稳定性好;边界条件和位移约束值都会影响结构的最优拓扑;多工况最优传力路径不是各个单工况最优传力路径的简单叠加.     

基于磁流变阻尼器的多单体组合隔震结构模糊控制研究

提出了一种新的组合结构振动控制体系——多单体组合隔震结构,建立了力学模型及运动方程。基于瞬时最优控制算法,将控制力表达成阻尼力的形式,用磁流变阻尼器充当控制器,运用模糊控制方法对其进行控制。通过计算机仿真分析,并运用LQR控制与之进行对比。研究结果表明,这种组合隔震结构体系的控制效果明显,各结构的地震响应都有明显降低。采用模糊控制不需要建立精确的计算模型,并能达到与LQR控制相接近的控制效果。用磁流变阻尼器充当控制器减少了能量输入,在结构2与结构3之间安装弹簧-阻尼器使控制更容易实现。     

面外压缩载荷下多层夹芯板的理论分析与数值研究

采用理论分析与数值模拟相结合的方法对多层梯度夹芯板在面外压缩载荷作用下的变形规律与能量吸收性能进行了研究。基于超折叠单元理论,建立了单层、双层及三层梯形夹芯板平均压缩力(MCF)的理论分析模型。在此基础上,建立了多层梯形夹芯板的有限元模型,研究了面板厚度、芯层厚度及芯层底角对三层梯形夹芯板力学性能的影响。研究结果表明：理论预测与数值模拟结果吻合较好;三层梯形夹芯板中面板厚度对结构比吸能(SEA)的影响较小,芯层的厚度和底角影响较大。面板厚度由0.5 mm增加为1.0 mm,比吸能从10.93 J/g增加为10.98 J/g,而面板厚度变为1.5 mm时,比吸能减小为7.54 J/g。随着芯层厚度和底角的增加结构的比吸能增加,当芯层厚度由0.5 mm增加到1.5 mm时,比吸能变为原来的4.69倍;芯层底角为63°时结构的比吸能是底角为30°的4.29倍。     

高耸筒形结构爆破拆除的数值模拟

采用共节点分离式钢筋混凝土模型,通过比较分析塔体缺口中间有切缝与无切缝设计2种方案,对典型高耸筒形结构冷却塔爆破拆除过程进行了三维数值模拟。对混凝土和钢筋单元的受力过程进行分析,共节点分离式模型可以体现混凝土和钢筋材料的力学性能差异;采取切缝设计可减小结构倒塌过程中的下坐与后坐倾向,促使塔体后部严重扭曲变形,使塔身解体比较完全,缩短整体倒塌时间,减小爆堆范围。     

不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟

针对切缝药包定向爆破的特点,考虑岩石介质非均匀性的基础上,把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用的过程,基于损伤力学理论建立岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下切缝药包爆破的裂纹演化规律进行数值模拟,分析不同地应力条件对切缝药包爆破效果的影响。模拟结果表明:采用切缝药包爆破时,裂纹主要萌生于切缝周边,沿切缝方向扩展,切缝对定向裂纹的控制作用明显;当考虑地应力作用,且最大地应力方向与切缝方向垂直时,不利于定向裂纹的扩展;最大地应力方向与切缝方向平行时,有利于定向裂纹的扩展。裂纹的扩展方向受控于切缝角度和最大地应力方向这2个条件,裂纹扩展规模则受到地应力的限制。     

基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟

爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节,数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段。利用连续-非连续单元方法(continuum-discontinuum element method,CDEM)对露天矿的三维台阶爆破过程进行了模拟,通过朗道爆炸模型实现了爆炸作用力的精确计算,通过弹性-损伤-断裂本构实现了岩体损伤破裂过程的描述,通过半弹簧-目标面及半棱-目标棱的联合接触算法实现了破碎岩块碰撞、飞散及堆积过程的高效模拟。开展了小尺度单自由面爆破过程的数值模拟,计算给出的块度分布曲线、爆破漏斗体积等参数与文献中模型实验的结果基本一致,证明了CDEM及本文所述各类模型在模拟爆炸破岩方面的精确性。以鞍千矿南采区的露天铁矿爆破开采为研究对象,建立了3排21炮孔的三维台阶爆破概化模型,模拟了从炸药起爆、岩体损伤破裂到最后爆堆形成的全过程;计算结果表明,除后缘拉裂槽外,数值计算给出的爆堆形态、顶部鼓起高度等与现场的测试结果基本一致,证明了利用CDEM开展三维露天台阶爆破全过程模拟的可行性。     

基于小波变换模极大的爆破震动信号奇异谱分析

系统论述了基于小波变换模极大(WTMM)的多分形奇异谱计算方法。利用此方法对某一典型的岩石爆破震动信号进行分析,给出了分段函数Z(q,a)、尺度指数(q)以及奇异谱f()的分布曲线,说明了信号的多分形特征,认为信号的突变主要集中在1的奇异指数上,而信号的奇异指数也主要集中在0.28～0.72之间;并提出了对于岩石爆破震动信号几乎是处处奇异的重要结论。     

基于小波分析的建(构)筑物爆破振动安全评估

基于现场实测爆破振动数据,采用小波分析技术对爆破振动信号的能量特征进行分析,得到了信号不同频带上的能量分布,根据受控结构体对爆破振动动态响应特征,探索建立了能考虑爆破振动的强度、频率和持续时间以及受控建(构)筑物本身的动态响应特性(固有频率和阻尼比)等因素的综合安全判据响应能量判据,并用工程实例验证了该判据的可行性和可靠性。响应能量判据能准确地描述爆破振动对受控建(构)筑物的影响程度,较现行的速度-频率安全判据,更能全面地反映爆破振动对建(构)筑物危害的本质。     

高台阶抛掷爆破速度规律的数值模拟

为了获得高台阶抛掷爆破作用下岩石的抛掷速度变化规律,结合现场实验,采用理论分析、高速摄影技术、数值计算方法开展研究。研究结果表明,炮孔内炸药起爆后,坡面岩石抛掷初速度达到最大值的时间在93~105 ms之间,最大抛掷初速度在18~28 m/s之间;坡面岩石的最大抛掷初速度在延炮孔内传爆方向呈增长、稳定、下降的趋势;岩石抛掷运动过程的最后阶段呈自由落体运动,个别岩块的运动速度存在增减现象,主要是由于岩体破碎后岩块间存在的相互碰撞作用;高速摄影实验结果验证了数值计算结果的正确性、RHT材料本构模型及参数在高台阶抛掷爆破数值计算过程中的可用性。

     

基于CEEMDAN-小波包分析的隧道爆破信号去噪方法

针对隧道爆破施工中采集到的实测振动信号,引入一种基于总体平均经验模态分解方法（CEEMDAN分解）联合小波包分析的降噪方法。首先,通过CEEMDAN分解得到多个本征模态分量,利用相关系数筛选出包含噪声的模态分量,并通过模态分量的频谱图及方差贡献率进行校核。然后,利用小波包阈值降噪方法对含有噪声的模态分量进行处理。最后,将未经处理的模态分量与去噪完成的分量重构得到最终纯净的爆破振动信号。同时,通过小波包能量谱分析验证此降噪方法的可行性。本文引入的方法兼具CEEMDAN分解及小波包分析的优点,与现有方法相比,去噪效果较好,可以应用于类似隧道爆破信号的去噪处理中。     

基于二维质点振动模型的半球谐振陀螺谐振子进动分析

半球谐振陀螺是基于固体波的进动效应进行角速度检测的一种全固态陀螺。为分析半球谐振子中固体波的进动效应,基于虚功原理,建立了理想条件下半球谐振陀螺谐振子中固体波进动的动力学模型。针对进动波的动力学模型过于复杂、难于分析的缺陷,提出采用相似系统的分析方法,将该动力学模型等效为二维空间质点的简谐振动模型;采用快变量与慢变量分离的方法,对等效模型进行了参数分析,通过与实际的半球谐振陀螺信号处理系统采集的李沙育图形进行对比,验证了等效简谐振动模型的有效性和正确性。     

基于量纲分析的泡沫铝板吸能研究

基于落锤冲击试验,以含有5个变量的泡沫铝板受冲击的能量吸收规律为研究对象,运用量纲分析法描述试验系统中各参数之间的内在联系.以落锤冲击试验为基础进行仿真试验设计,利用Abaqus软件进行仿真试验并求得相应的仿真数据,最后得到泡沫铝板受冲击后的吸能量与参数之间的方程式,检验结果显示方程式对能量吸收值具有较好的预测性.     

基于小波变换的爆破地震信号能量分析法的应用研究

根据爆破地震信号具有持时短、突变快等特点,结合工程爆破地震监测资料,利用小波包良好的时频局部化性质对爆破地震信号的能量分布特征进行了分析,研究了爆破地震信号的能量在传播过程中的变化规律,得到了爆破地震信号不同频带上的能量分布。根据爆破地震信号不同频带的特征频率与受控建筑物自振频率之间的关系,确定爆破地震对建筑物的影响。并用工程实例说明了该方法比用单一强度因子作为爆破地震的安全判据更加有效。