抗爆型聚脲涂层性能及其防护钢筋混凝土板接触爆炸与断裂机制研究

本文借助动态热机械实验,研究Qtech T26抗爆型聚脲（简称为T26聚脲）的动态热机械性能;采用10 kg 三硝基甲苯（trinitrotoluene,TNT）接触爆炸试验,研究T26聚脲防护钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的防护性能;基于Williams-Landel-Ferry方程拟合T26聚脲的损耗模量、储能模量和损耗因子主曲线,并采用扫描电子显微镜对涂层防护钢筋混凝土板迎爆面和背爆面涂层的典型区域进行微观断口形貌分析,探讨其断裂机制。结果表明：T26聚脲受频率影响明显,在热机械性能层面印证了T26聚脲的应变率敏感性;在外界荷载作用频率大于等于1000 Hz时,T26聚脲的损耗因子保持在0.24以上,吸能效率高;喷涂10 mm T26聚脲涂层的钢筋混凝土板在10 kg TNT接触爆炸破坏下,背爆面涂层完整,无任何破片飞出;迎爆面T26聚脲与混凝土未脱离,T26聚脲与混凝土界面之间在表面处理之后附着力较好,在爆炸产生的拉伸波作用下,涂层与混凝土间仍有良好的附着性。T26聚脲在爆炸荷载作用下的断裂机制表现为高温力学性能失效机制、高温与冲击荷载耦合断裂机制、高速荷载脆性断裂机制和拉伸断裂机制;背爆面最大变形区域为纵向变形区域外侧的圆环区,背爆面中心区域在防护过程中承受高应变率荷载,出现少量脆性破坏。T26聚脲实现了接触爆炸零破片的防护效果,这一效果对实际工程中结构爆炸防破片具有极高的应用价值。     

抗爆型聚脲涂层性能及其防护钢筋混凝土板接触爆炸与断裂机制研究

本文借助动态热机械实验，研究Qtech T26抗爆型聚脲（T26聚脲）的动态热机械性能；采用10kg TNT接触爆炸试验，研究T26聚脲防护钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的防护性能；基于Williams-Landel-Ferry方程拟合T26聚脲的损耗模量、储能模量和损耗因子主曲线，并采用扫描电子显微镜对涂层防护钢筋混凝土板迎爆面和背爆面涂层的典型区域进行微观断口形貌分析，探讨其断裂机制。结果表明：T26聚脲受荷载频率影响明显，在外界荷载作用频率大于等于1000Hz时，T26聚脲的损耗因子保持在0.24以上，吸能效率高；喷涂10mm T26聚脲涂层的钢筋混凝土板在10kg TNT接触爆炸破坏下，背爆面涂层完整，无任何破片飞出；T26聚脲在爆炸荷载作用下的断裂机制表现为高温力学性能失效机制、高温与冲击荷载耦合断裂机制、高速荷载脆性断裂机制和拉伸断裂机制；背爆面最大变形区域为纵向变形区域外侧的圆环区，背爆面中心区域在防护过程中承受爆炸荷载作用，出现少量脆性破坏。Qtech T26聚脲实现了大当量接触爆炸零破片的防护效果，这一效果对实际工程中结构爆炸防破片具有极高的应用价值。     

大型水面舰艇防雷舱结构防护机理数值仿真

为研究大型水面舰艇防雷舱结构的防护机理,运用MSC.Dytran,建立多材料和多耦合面的流固耦合模型,模拟了典型防雷舱结构在水下接触爆炸作用下的变形与破坏,并与试验结果进行对比,验证该方法的正确性.在综合分析防雷舱结构破坏的基本过程、外板对冲击波的响应、第1层空舱和液舱防护机理的基础上,分析了水下接触爆炸时冲击波荷载和气泡膨胀荷载分别对防雷舱结构的作用机理,研究了防雷舱结构对水下接触爆炸的防护机理.结果表明:外板是防护冲击波的主要载体,高速度破片的防护主要依赖防护液舱,而气泡膨胀荷载的防护则需要第1层空舱的舱壁结构整体承担.     

超高速撞击网状防护结构仿真模型的建立与验证

为了系统研究网状防护结构的超高速撞击特性,在现有实验研究成果的基础上,应用数值仿真手段对网状防护结构在超高速冲击载荷下的防护性能进行定量研究.应用SPH法离散2种网状几何模型,采用ls-dyna有限元软件对弹丸超高速撞击单层、多层网状防护结构进行了数值模拟,并与相应实验数据比对.结果验证了网状防护结构仿真模型的有效性和准确性;研究表明2种几何模型的仿真结果不存在明显差别;同时随着撞击点的不同,碎片云的形态及能量分布变化较大.     

冲击荷载下大型LNG储罐混凝土外罐的数值模拟

为获得大型全容式LNG储罐混凝土外罐在冲击荷载作用下的动力响应及其规律,本文基于LNG储罐实际工程,以ANSYS/LS-DYNA有限元软件为分析平台,建立了LNG储罐混凝土外罐在冲击荷载作用下的精细化有限元数值模型。以"战斧"巡航导弹为冲击物,分析了储罐结构的内力、变形及其规律,并总结了冲击荷载作用下结构的失效模式。结果表明:冲击荷载下,本文的数值模拟方法及其适用性通过混凝土靶板冲击试验结果得到验证;罐壁处预应力钢筋的布置可以增强其抗冲击能力;LNG储罐混凝土外罐冲击破坏分为局部凹陷、混凝土表面剥落和击穿破坏三种类型;冲击荷载下储罐穹顶与外罐壁、外罐壁与底板连接处为薄弱位置,为储罐结构抗冲击防御设计提供了依据。     

单轴荷载作用下混凝土强度代表体尺寸定量研究

为从细观层次研究混凝土宏观力学性能,提出了混凝土强度代表体定义,建立了基于统计特征的混凝土强度代表体尺寸确定方法.采用三维随机缺陷界面弹簧元模型,给出了确定单轴加载下的混凝土强度代表体尺寸的数值方法.分析了不同数值样本取值对混凝土单轴受拉及单轴抗压强度离散性的影响规律,以及尺寸试件变化对混凝土拉伸及受压强度仿真结果稳定性的影响规律.研究结果表明,在单轴拉伸荷载和单轴压缩荷载作用下,混凝土强度代表体尺寸分别为最大骨料粒径的5.0倍和6.5倍,与基于细观结构统计特征确定的混凝土几何代表体尺寸进行对比,证明了所提方法的合理性.     

FRP混凝土板的非线性分析研究

由于钢筋的抗腐蚀性能较差,在自然环境或使用环境较恶劣的条件下,钢筋混凝土结构常因为钢筋的锈蚀而导致结构的强度失效和破坏。随着技术的发展,生产发明了抗腐蚀性能非常好的FRP筋,且用FRP筋作为混凝土结构加强筋的应用和研究,越来越引起土木工程界和学术界的重视。本研究构造一个无剪力自锁的四边形层叠板单元,以进行中厚度FRP混凝土板的非线性分析研究。Timoshenko梁函数用来构造单元的弯曲形函数。单元模型中考虑FRP筋的脆断行为,混凝土材料的非线性行为包括拉伸、压缩、开裂和拉伸强化等行为及结构几何非线性行为。运用该四边形层叠板单元,对典型的FRP混凝土板进行了非线性分析研究。将数值分析结果和实际实验室试验结果进行了比较,以验证该非线性分析的有效和正确性。     

均匀冲击荷载作用下重力坝的损伤分析

对于重力坝,远程水下爆炸、大体积山体滑坡等引起的水下冲击波作用可近似视为均匀冲击荷载作用,均匀冲击荷载作用下混凝土重力坝损伤特性较静荷载作用下要复杂得多.本文以非线性显式动力分析程序Abaqus/Explicint为平台,考虑冲击荷载作用下混凝土的高应变率效应,通过建立混凝土重力坝均匀冲击三维模型,对不同冲击荷载下的大坝动态响应进行全性能数值仿真模拟,探讨混凝土重力坝在不同冲击荷载下的损伤.试验结果表明:冲击荷载下大坝损伤模式不仅与大坝自身的动力特性有关,还与冲击能量的大小有关;坝体损伤形式表现为拉伸损伤和压缩损伤,以拉伸损伤为主.     

基于增材制造的仿生防护结构力学及回复特性分析

运用结构仿生学设计原理,建立了两种具有记忆恢复特性的智能仿生防护结构,利用选择性激光熔融增材制造技术制备了仿生结构模型,通过数值模拟和试验测试方法分别对其进行了力学特性分析和变形回复特性测试。结果表明:对比试验力-位移曲线及其变形模式,仿真计算结果较为准确地模拟了仿生防护结构模型样件在静压过程中的变形特性及承载特性;仿生防护结构的压缩量可达15%,其压缩强度为81.4 MPa;卸载后在加热工况下其变形回复率达到99.04%。该研究实现了利用增材制造方法对于压力载荷下仿生防护结构的制备及其回复变形的功能的验证,为开发新型智能仿生防护结构提供了理论依据。     

高温环境下钛合金点阵结构热力耦合性能与失效机理研究

设计并采用3D打印技术制备了单级Kagome、单级金字塔和多级金字塔3类点阵结构单胞试件,开展常温(25℃)和高温(350℃)环境下的面外压缩试验测试和数值仿真分析,阐明了胞元数目、结构形式与结构层级3个设计参数对点阵结构面外承载能力的影响规律,进而揭示了点阵结构的热力耦合性能和损伤失效机理。研究结果表明,Kagome点阵承载能力随胞元数目增加呈线性递增关系,验证了采用单胞元代替多胞元开展相关研究的合理性。进一步分析表明,3种点阵结构失效模式均为内部芯子屈曲导致结构整体失效,同时结构层级对点阵力学性能影响最为显著。由于加入二级芯子,多级金字塔点阵单胞具有更大的换热表面积和承载能力：在同等质量下,内部芯子换热表面积相对于单级点阵单胞增加131.9%,在25℃和350℃下的极限载荷相对单级点阵单胞分别增加18.4%和23.0%。同时,由于增大换热表面积,多级点阵相对Kagome和单级点阵的承载能力受高温影响更小。     

剪切破坏的配筋砌块剪力墙失效判定准则

为建立基于受力状态的剪切破坏配筋砌体剪力墙的失效判定准则,以低周往复荷载作用下发生剪切破坏的290 mm厚配筋砌块剪力墙试验数据为基础,推导结构受力状态与外荷载之间的关系并给出相应的计算公式,通过分析构件在不同受力阶段的破坏机理,引入构件基于受力状态承载能力包络线的概念及相关计算方法.结合承载能力包络线与结构受力状态-荷载关系曲线,建立构件基于受力状态的失效判定准则,从而确定其开裂、失效和极限荷载.与试验的对比分析表明,本文建立的准则能够准确预测剪切破坏配筋砌块剪力墙的开裂、失效和极限荷载.该准则为结构分析和墙体失效荷载的确定提供了一种全新的途径,并拓展了试验数据的应用途径.     

高超声速环境D6AC钢结构多物理场耦合模拟

为探究热防护材料在高超声速环境下的服役行为,采用风洞试验和数值模拟方法研究了D6AC钢结构在多物理场耦合作用下的失效问题.基于高超声速气动力学、结构力学基本理论,建立高超声速D6AC钢结构的多物理场耦合理论模型,利用Navier-Stokes方程模拟得到其在不同飞行环境下的气动加热和结构响应,并对数值模拟的结果进行风洞试验验证.结果表明,风洞试验结果与数值模拟结果相吻合.气动热是导致D6AC钢结构破坏的主要因素,在三组来流条件下钢结构均发生了烧蚀现象,结构烧蚀开始时间取决于来流总温的大小.     

钢铝板材压-胶复合连接性能

为提高钢铝混合轻量化车身结构中钢和铝异种材料的连接性能,对钢铝板材的压-胶复合连接技术进行仿真与实验研究.以A5052铝合金板和Q235钢板为被连接件,环氧树脂为胶粘剂,采用内聚力模型模拟胶层的失效行为,建立压-胶复合连接的剪切和剥离仿真模型.在实验验证仿真模型有效性的基础上,基于响应面近似模型对连接工艺参数进行多目标优化,得到关于剪切强度和剥离强度的Pareto前沿解集以及各参数的优化组合.结果表明:优化解集中的多个工艺方案均能保证连接点剪切强度在9 400 N以上,而剥离强度均在700 N以上.实验证明钢铝板材压-胶复合连接强度比无胶单独的压力连接提高一倍以上,且可以达到同条件下钢板焊接拉伸强度的80%左右.     

加氢裂化REAC的仿真失效分析

通过对典型工况下工艺过程仿真分析、传热计算并结合CFD数值模拟,分析了热高分空冷器的失效形式与管束失效部位,并运用远场涡流检测技术验证结论的可靠性。结果表明:热高分空冷管束的失效主要由高腐蚀性介质下的流体冲蚀造成;热高分空冷系统中液态油相的黏度较低,可以降低溶液的腐蚀性和管壁所受的剪应力;典型工况下距空冷器入口5.8m处溶液的腐蚀性强、管壁受到的剪应力大,是容易出现局部冲蚀减薄的危险区域。     

加氢裂化REAC的仿真失效分析

通过对典型工况下工艺过程仿真分析、传热计算并结合CFD数值模拟,分析了热高分空冷器的失效形式与管束失效部位,并运用远场涡流检测技术验证结论的可靠性。结果表明：热高分空冷管束的失效主要由高腐蚀性介质下的流体冲蚀造成;热高分空冷系统中液态油相的黏度较低,可以降低溶液的腐蚀性和管壁所受的剪应力;典型工况下距空冷器入口5.8m处溶液的腐蚀性强、管壁受到的剪应力大,是容易出现局部冲蚀减薄的危险区域。     

爆炸荷载作用下多层道面体系动力响应的三维数值模拟

为解决现场爆炸试验成本较高且无法系统研究各层材料对多层道面结构抗爆性能影响的问题,采用LSDYNA软件对爆炸荷载作用下多层道面体系的动态响应进行了三维数值模拟.采用混凝土损伤材料模型模拟多层道面体系中混凝土类材料的动力特性.通过室内动力和静力实验,对材料模型的主要参数进行验证和确定,包括界面特性和各层材料的动力增长因数.根据多层道面体系的现场爆炸试验结果,通过比较其破坏形式、炸坑直径、加速度以及压力值对该数值模型进行了校核和验证.研究结果表明:提出的考虑界面性能和动力增长因数的三维数值模型能够较准确地模拟多层道面体系在爆炸荷载下的真实特性,且验证后的模型可进一步应用于研究不同因素对新型多层道面体系在不同爆炸荷载作用下抗爆性能的影响.     

基于NiTi合金的仿生防护结构自恢复特性

借鉴猫科动物脚掌肉垫具有负泊松比结构的缓冲吸能特性,运用结构仿生学原理设计了仿生防护自恢复结构。利用NiTi形状记忆合金超弹性特性和负泊松比结构优异的力学性能,建立了简化的仿生防护自恢复模型,利用LS-DYNA对该模型进行了动态压缩特性和恢复特性模拟分析。同时,利用NiTi形状记忆合金材料制备仿生结构样件,并进行了动态压缩试验测试。结果表明:仿生结构样件在1200 N压力范围内,可实现受压变形后自激恢复的特性;NiTi合金仿生防护结构在压缩载荷的作用下具有优异的变形吸能和自恢复回弹特性;仿真分析结果与试验结果较为符合,较准确地模拟了样件在动态压过程中的变形特性及承载特性。本文研究成果实现了压力载荷作用下仿生防护结构的自动回弹恢复功能,对提高防护装甲的抗冲击、自恢复特性提供了参考。     

实体单元焊点模型在前纵梁碰撞仿真中的应用

为了提高碰撞仿真中汽车前纵梁焊点的模拟精度,应用LS-DYNA软件,建立了壳单元模拟母材、单个实体单元模拟焊核和热影响区的焊点模型。母材材料特性及焊点失效参数分别通过板材拉伸试验及焊点杯形拉伸试验获得。采用数值KSⅡ试验对该焊点模型在母材网格不同偏置情况下的内力进行了研究。基于经验证的纵梁有限元模型对前纵梁碰撞进行了仿...     

玻璃幕墙结构力学性能试验分析与数值模拟

结合工程实例对玻璃幕墙结构进行了风压变形性能试验研究,建立了风荷载作用下幕墙结构的整体有限元模型,并进行了数值模拟计算。通过对试验与有限元模拟结果的分析比较可以看出,该整体有限元模型主要受力杆件面法线方向最大挠度值的数值模拟结果与实验基本吻合,并在规范规定的容许值范围内。但试验结果在立柱下端节点处呈现明显的非线性变化,数值模拟结果与试验结果差别较大。本文根据弯矩一曲率（M-θ）关系,采用弹性杆来模拟立柱两端梁柱节点处的半刚性状态。数值结果表明,这种半刚性模型比较符合实际情况,计算值与试验值吻合较好,为幕墙结构力学分析提供了一种新的建模方法。     

玻璃幕墙结构力学性能试验分析与数值模拟

结合工程实例对玻璃幕墙结构进行了风压变形性能试验研究,建立了风荷载作用下幕墙结构的整体有限元模型,并进行了数值模拟计算。通过对试验与有限元模拟结果的分析比较可以看出,该整体有限元模型主要受力杆件面法线方向最大挠度值的数值模拟结果与实验基本吻合,并在规范规定的容许值范围内。但试验结果在立柱下端节点处呈现明显的非线性变化,数值模拟结果与试验结果差别较大。本文根据弯矩—曲率(M—θ)关系,采用弹性杆来模拟立柱两端梁柱节点处的半刚性状态。数值结果表明,这种半刚性模型比较符合实际情况,计算值与试验值吻合较好,为幕墙结构力学分析提供了一种新的建模方法。