侧向爆炸荷载下金属圆柱壳动力屈曲模态的实验研究

对金属圆柱壳在其中心部位经受75g柱状TNT炸药侧向爆炸冲击时的动力屈曲进行了实验研究,系统分析了3种壁厚的金属圆柱壳在不同爆炸距离下受侧向爆炸冲击的变形历程、最终变形模式和能量分配方式。得出了金属圆柱壳受侧向爆炸载荷时的4种典型屈曲模式及其相应的屈曲参数指标值,为金属柱壳结构爆炸破坏分级及结构抗爆设计提供了实验依据。     

压实系数对内填砂卵石薄壁方钢管柱在冲击载荷下力学性能的影响分析

利用落锤冲击装置完成了不同压实系数下内填砂卵石薄壁方钢管柱侧向冲击试验,试验中记录了冲击力时程曲线,并获得了试件的破坏形态以及残余变形量。基于剩余承载力损伤评估准则,定义损伤度来判定冲击荷载下内填砂卵石薄壁方钢管柱损伤破坏程度,分析压实系数与柱损伤度的关系。试验结果表明:试件在侧向冲击荷载作用下,主要以局部破坏为主,并伴有一定量的整体弯曲变形;除了试件塑性变形中产生的塑性铰能消耗部分冲击能量外,内填砂卵石也能耗散一部分冲击能量,且压实越紧密,能量消耗越多,该组合柱表现出了较好的抗冲击性能;在一定压实系数范围内,损伤度随着压实系数增大出现先增大后减小的趋势,且砂卵石离散程度越小,损伤度的变化速率就越大。     

冲击荷载作用下单层网壳结构动力稳定性研究

针对冲击荷载不同于地震作用,而常规动力稳定性判定准则不适用问题,阐述求解冲击问题的基本理论及冲击荷载取值;据冲击荷载特性提出适合冲击碰撞问题的单层网壳结构动力稳定性判定准则;选K6型单层网壳结构模型,利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行结构冲击作用下动力稳定性分析,通过大量算例,分析其在不同冲击物质量比及速度作用下全过程动力响应,结合动力响应模式获得冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域,并从矢跨比、跨度、杆件截面三方面对结构进行参数分析。结果表明,基于网壳动力响应模式与冲击能量相结合方法对单层网壳进行动力稳定性判定合理;结构刚度越小,冲击作用下动力稳定性越差;加大主肋利于提高结构动力稳定性。     

一般边界条件下受轴向冲击圆柱壳的动力特性计算分析

在受轴向冲击圆柱壳的非冲击端引入轴向、周向、径向和径向旋转4个方向边界弹簧模拟一般边界条件。根据Love薄壳理论得到圆柱壳变形过程中的应力应变,并采用一种改进的Fourier级数方法表示圆柱壳沿坐标轴方向的位移。将应力应变以及位移代入圆柱壳的能量表达式,采用基于Hamilton方程的一阶变分法对能量表达式进行推导和变换,得到一般边界条件下受轴向冲击圆柱壳的自然频率以及动力屈曲临界载荷的判别式。计算分析了一般边界条件对受轴向冲击圆柱壳的自然频率和屈曲临界载荷的影响,以及不同边界条件圆柱壳屈曲模态的类型特点。结果表明：一般边界条件下自然频率随着冲击载荷增大而降低;随着轴向波数的增加圆柱壳自然频率及屈曲临界载荷增大,随着周向波数的增加屈曲临界载荷也增大;轴向、周向、径向和径向旋转各个方向边界刚度对圆柱壳自然频率和屈曲临界载荷的影响都是刚度系数越小,自然频率越低而临界载荷越大;圆柱壳受轴向冲击,边界条件的改变会影响屈曲模态。     

混凝土圆柱体试件在低速冲击下动力效应的研究

为研究混凝土圆柱体试件在冲击荷载作用下的动力效应,利用落锤冲击试验机,对混凝土圆柱体试件在应变率100~101/s范围内进行轴向冲击试验,并采用混凝土连续面盖帽模型（CSCM）对试验过程进行数值模拟。试验中测量不同冲击速度及冲击边界下的锤头冲击力、试件轴向应变时程曲线,获取了试件破坏形态及破坏过程的高速影像,比较分析了不同冲击速度及边界条件下,试件应力、应变峰值,应变率及动力增强系数（DIF）的变化规律。结果表明：随冲击速度的增加,试件的应力、应变峰值,应变率及动力增强系数都呈增加的趋势,冲击力作用时间则减小。混凝土平均强度与冲击速度呈抛物线关系,应变率则与冲击速度呈线性关系。模拟结果表明,CSCM混凝土本构模型在低速冲击范围内,有很好的计算精度,模拟破坏形态与试验结果吻合良好。     

确定轴向冲击下薄壁圆柱壳第二临界速度的新方法

研究薄壁圆柱壳的动态屈曲模式，有助于构造具有高吸能率的抗冲击结构。根据轴向冲击下的薄壁圆柱壳存在使其屈曲模式由轴对称转换为非轴对称的第二临界速度，且当冲击速度大于第二临界速度时薄壁圆柱壳的屈曲模式先呈现轴对称形式，然后随着冲击响应时间逐渐由轴对称形式转化为非轴对称形式这一理论，基于有限元仿真，比较撞击系统动能的时间历程和屈曲变形的时间历程，提出了用以确定第二临界速度的能量迭代法。应用此方法设计薄壁圆柱壳的动力屈曲结构可有效地减少试验次数，降低实验成本。该方法的可行性和正确性利用落锤实验得到了验证。     

冲击载荷作用下金属圆柱壳能量吸收研究

对Singace叠缩模型进行了修正,选用Johnson-Cook本构方程,研究冲击载荷的应变强化效应、应变率强化效应和温度效应下圆柱壳的吸能情况,利用分步叠缩的方法计算得到金属圆柱壳在冲击载荷作用下所吸收的能量值、温度的增加值和瞬时载荷-位移曲线,分析了圆柱壳的半径和厚度以及叠缩速度和能量吸收之间的关系     

基于Taylor实验及理论分析的泡沫铝动态冲击特性研究

泡沫铝是一种优异的结构材料,有着广泛的应用前景,研究其冲击动力学性能具有重要的理论意义及工程应用价值。Taylor冲击实验主要利用圆柱弹体撞击刚性墙来获取弹体材料的动态响应数据,是一种重要的动态实验手段,在实体金属领域较为成熟。由于泡沫铝自身的可压缩性,经典Taylor理论无法适用,在一定假设基础上基于实验数据建立了针对泡沫铝动态冲击响应的Taylor分析模型,并验证了模型的有效性。实验结果表明：Taylor冲击后,泡沫铝子弹变形段平均密度随撞击速度的增加而增加,且当撞击速度大于110m/s时,其增长趋于平缓;泡沫铝子弹剩余长度随撞击速度的增加而减小,且近似呈线性关系。     

弹载加速度记录仪在冲击环境下的失效研究

在弹体侵彻过程中,首先分析高g值冲击对弹载加速度记录仪的影响,得出应力波作用下加载到弹体内记录仪的加速度值,并研究了加速度记录仪壳体、缓冲材料及电路板的动态结构响应,进而提出可能出现的失效模式：壳体结构的失效、缓冲材料缓冲性能的不足、芯片与PCB板相对运动导致芯片的裂纹。针对各失效模式,利用ANSYS/LS-DYNA对记录仪各防护单元进行了数值模拟仿真,得出各防护单元失效的临界冲击加速度值: 电路板失效的临界冲击加速度为1.93×104g,当加载冲击加速度为1.63×105g时,壳体发生屈曲;增大冲击加速度至5.63×106g时,缓冲材料失效。经过实弹侵彻试验,得出记录仪在1.5×105g的冲击加速度下失效。该实验结果对后续弹体实际侵彻弹载记录仪的设计及优化提供数据支撑。     

充液及内空圆柱壳在爆炸荷载下动力屈曲特性研究

采用实验与数值模拟相结合方法,对充液及内空圆柱壳在爆炸载荷下动力屈曲响应特性进行对比研究。将壁厚δ=2.0 mm、外径Φ=100 mm钢圆柱壳（内空及充水）置于75gTNT药柱、200gTNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,获得不同工况下圆柱壳变形破坏模式。利用动力有限元程序LS-DYNA及Lagrangian-Eulerian流固耦合方法进行数值计算,分析壳壁屈曲变形过程及壳壁关键点速度、水介质内压力等动态参数。计算结果与实验结果一致性较好。研究表明,由于内充水介质的近似不可压缩性,承受冲击荷载时内压增大,因而参与对外界爆炸冲击载荷抗力作用,圆柱壳抗爆能力显著提高。     

含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴压承载特性分析

为探究穿透裂缝对复合材料缠绕圆柱壳承载能力及失效模式的影响,首先开展不同壁厚含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴向压缩试验。对于A系列厚壁圆柱壳,裂缝导致承载能力下降53.96%,失效模式由局部屈曲转化为裂缝扩展、脆性断裂;而B系列薄壁圆柱壳均发生局部屈曲,裂缝使承载能力下降12.59%。其次,采用有限元软件ABAQUS 6.14,基于非线性RIKS算法,建立轴压作用下含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载能力计算模型,通过引入Hashin失效准则及损伤演化判据,预测结构渐进破坏模式及极限荷载。数值结果与试验数据吻合良好,最大误差为7.01%,验证了数值算法的可靠性。在此基础上,探讨裂缝方向、缠绕角度对含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载的影响,可知:对于±55°螺旋铺层复合材料圆柱壳,随裂缝角度α增加,极限承载能力先升高再降低,当α=45°时,具备最大承载能力;对于含开缝角α=15°、45°、55°缠绕圆柱壳,随缠绕角θ增加,其承载能力呈先上升后下降趋势。且开缝角越小,缠绕角度对极限荷载的影响越大,当缠绕角θ=30°时,达到最大承载能力。     

钢箱梁爆炸冲击局部破坏的数值模拟

运用LS-DYNA非线性有限元软件,采用ALE多物质流-固耦合算法,研究了汽车炸弹（TNT当量100-500kg）桥面爆炸冲击作用下钢箱梁的局部破坏。结果表明,钢箱梁局部破坏模式有两种：（1）桥面板和底板均破口;（2）桥面板破口,底板产生局部塑性大变形。隔板的主要破坏模式为弯曲塑性大变形和破口。破坏参数随炸药当量的增加呈非线性增加。箱体内冲击波对底板、隔板的冲击作用相对较小,顶板破片的冲击作用是底板和隔板产生局部塑性大变形和破口的主要原因。     

复合材料波纹夹层圆柱壳设计及轴压性能

结构轻量化是航空航天发展的永恒主题, 波纹夹层圆柱壳作为常见的轻质结构形式, 在航空航天领域具有很大的发展空间。采用模具热压法, 制备出纵向和环向碳纤维复合材料波纹夹层圆柱壳, 其中芯子整体成型, 面板分瓣制备。采用经典板壳屈曲理论, 分析纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴压力学性能, 得到了欧拉屈曲、整体屈曲、局部屈曲和面板压溃4种失效模式下的极限载荷理论公式。绘制出结构的失效机制图, 直观显示出了失效模式与试件尺寸之间的关系。通过对纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴向压缩试验, 获得了结构的载荷-位移曲线及局部屈曲和面板压溃2种失效模式。结果表明:纵向波纹夹层圆柱壳的轴向承载能力及载荷/质量效率优于环向波纹夹层圆柱壳, 在一定范围内增加圆柱壳面板的厚度、减小圆柱壳的高度可提高结构的载荷/质量效率。      

基于改进弧长法的层压复合壳后屈曲反应分析

研究了层压复合壳在横向均匀外压作用下的后屈曲反应。应用全拉格朗日公式描述和9结点退化三维壳单元。提出了一种渐进破坏的模式,并且引入改进的弧长法用于非线性有限元分析。重点研究了不同铺设顺序及方向的层压复合壳后屈曲变形形态和破坏过程。数值计算结果的精度和稳定性得以证实。     

含铝炸药爆炸作用下的水中圆柱壳动态响应数值研究？

为了研究圆柱壳在含铝炸药水下爆炸载荷作用下的响应规律,利用非线性动力学软件AUTODYN计算了3种不同配方含铝炸药的远场冲击波特性,并将计算值与文献实验值进行对比,计算误差能够稳定在5％以内,之后结合ABAQUS程序模拟了含铝炸药冲击载荷作用下水中圆柱壳的动态响应。在30 kg药量下分析比对了圆柱壳体加速度、速度及有效塑性应变的变化规律,随后确定了各炸药致使圆柱壳结构失稳的临界药量,并以PBXW-115为例研究了临界药量作用下的圆柱壳破坏模式。结果表明,AUTODYN与ABAQUS程序的联用,能够有效地模拟圆柱壳在含铝炸药远场冲击波作用下的动态响应;含铝炸药致使圆柱壳单元达到屈曲失效所需药量普遍低于理想炸药RDX。     

低速冲击下RC梁的动态响应和破坏机理研究

考虑材料非线性和应变率相关性等因素的影响,运用LS_DYNA非线性有限元软件对RC梁横向低速冲击试验进行了数值模拟,从动态损伤扩展、冲击能量转化等方面研究了RC梁的冲击响应过程和破坏机理。结果表明:RC梁的冲击响应过程可分为局部响应、整体响应和回弹变形三个阶段;RC梁的损伤主要发生在局部响应阶段,梁体变形主要发生在整体响应阶段;局部响应阶段的冲击力完全由梁体惯性力平衡,整体响应阶段的变形模式和截面弯矩分布与刚塑性模型基本相同;受拉钢筋变形耗能是RC梁最主要的冲击耗能机制。     

Perforation of FRP laminates under impact by flat-nosed projectiles

A theoretical study is performed herein on the perforation of fibre-reinforced plastic laminates subjected to impact by flat-nosed projectiles in a wide range of velocities. Ballistic impact on FRP laminates is a very complex problem and it can be generally classified into two categories, i.e. global deformation with local rupture and wave-dominated local failure. Simple analytical models for both global deformation failure as well as wave-dominated local failure are first given, and a shear failure criterion is employed to predict the perforation of FRP laminates which fail in global deformation mode. By combining the wave-dominated local failure model and the concept of Von Karman’s critical impact velocity, a condition for the transition of the above mentioned two failure modes is obtained. It is shown that the model predictions are in good agreement with available experimental observations in terms of ballistic limits and critical conditions for the transition of failure modes.     

复合材料圆柱壳的轴压屈曲失效试验

为了研究高径比大于1的复合材料圆柱壳的轴压屈曲性能及其失效模式,对2组单向纤维圆柱壳和3组外侧环裹环向纤维圆柱壳进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,利用有限元模型分析了单向纤维圆柱壳两种屈曲形式的破坏机制,对比分析了两种铺层试件的轴压性能。结果表明:单向纤维复合材料圆柱壳出现先纵向劈裂后板壳屈曲和先柱壳屈曲后纵向劈裂的两种破坏模式;外侧环向纤维可改善圆柱壳的轴压性能,屈曲发展有一定的阶段性并表现出延性特征,破坏形式和承载力均较为稳定。