近场爆炸时混凝土桥墩的动力响应分析

为研究爆炸荷载作用时混凝土桥墩的动力响应,基于爆炸基本理论,开展近爆作用下混凝土桥墩的数值模拟与破坏模式研究,并通过方柱墩与圆柱墩对比、墩柱配筋方式与爆心位置变化等分析墩柱底部的水平位移和水平速度时程变化,进而研究墩柱的抗爆性能与破坏形态。研究结果表明:同等条件下圆形墩柱的抗爆能力要优于方形墩柱;爆炸荷载作用下墩柱纵向主筋的配置可改变墩柱的破坏形态,且墩柱底部的抗剪能力主要靠纵向主筋提供,箍筋的抗爆作用有限;近场爆炸时地基对墩柱底部的约束作用明显,进行墩柱抗爆设计时,可以结合基于性能的抗震理论实现墩柱底部的塑性铰设计。     

超高韧性水泥基复合材料功能梯度板接触爆炸数值模拟

超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)具有优异的韧性和吸能效果,采用UHTCC和UHPC材料制成的功能梯度板具有优越的抵抗爆炸冲击性能。为了更好地研究UHTCC材料在爆炸荷载下的损伤规律,设计出性能优良的防护结构,该文利用LS-DYNA软件对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。研究结果表明,UHTCC功能梯度板可以有效减少爆炸荷载下的开坑、震塌以及靶体损伤,同时吸收更多的爆炸冲击波,从而达到优良的抗爆效果。配置拉结筋并合理设置能量吸收层厚度能有效减少靶体损伤。     

钢筋混凝土中爆炸破坏效应数值模拟分析

超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)具有优异的韧性和吸能效果,采用UHTCC和UHPC材料制成的功能梯度板具有优越的抵抗爆炸冲击性能。为了更好地研究UHTCC材料在爆炸荷载下的损伤规律,设计出性能优良的防护结构,该文利用LS-DYNA软件对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。研究结果表明,UHTCC功能梯度板可以有效减少爆炸荷载下的开坑、震塌以及靶体损伤,同时吸收更多的爆炸冲击波,从而达到优良的抗爆效果。配置拉结筋并合理设置能量吸收层厚度能有效减少靶体损伤。     

爆炸冲击作用下加筋板结构变形研究

为了预报加筋板结构在爆炸冲击载荷作用下的变形程度，将加筋板的变形分为整体变形和局部变形，借助数值计算拟合了两者能量分配关系，进而提出了爆炸冲击作用下加筋板结构变形的理论计算方法，并与实验结果进行比较，结果吻合较好。     

爆炸作用下高强钢绞线网片-聚合物砂浆加固钢筋混凝土板的数值模拟

为了探究高强钢绞线-聚合物砂浆加固技术对钢筋混凝土板的抗爆性能的影响,应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对其进行了在爆炸荷载作用下的数值模拟。在验证有限元模型合理性的基础上,对比分析了爆炸荷载作用下砂浆层厚度、砂浆强度和钢绞线直径等不同加固参数对钢筋混凝土板的破坏形态与板底位移的影响。结果表明:采用高强钢绞线-聚合物砂浆加固后钢筋混凝土板的抗爆性能显著提高;在砂浆加固层厚度、砂浆强度、钢绞线直径3种加固影响参数中,砂浆加固层厚度对钢筋混凝土板的加固效果影响显著,而砂浆强度和钢绞线直径对板的加固效果不明显。如果运用该技术提高钢筋混凝土板的抗爆性能,优先考虑增大加固层厚度。     

爆炸荷载作用下FRP管-混凝土-钢管组合柱动态响应的数值模拟研究

针对FRP(纤维增强复合材料)管-混凝土-钢管组合柱的抗爆性能,采用非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA进行数值模拟研究。分析了组合柱在爆炸荷载作用下的破坏形态、不同比例距离以及不同厚径比情况下的动态响应。结果表明:在爆炸荷载作用下,组合柱损伤程度明显降低;随着比例距离逐渐增大,FRP材料组合柱的中部水平位移峰值显著降低;随着厚径比增大,组合柱刚度逐渐增强,组合柱中部水平位移峰值也显著降低。因此,该类组合柱具有优越的抗爆性能。可为该类型组合柱的抗爆设计以及进一步研究提供参考。     

包覆泡沫铝钢梁动态位移的计算及影响因素

为考察运用FSI(流固耦合效应)能否考虑包覆泡沫铝对钢梁在爆炸荷载作用下最大动位移的影响及分析包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移的影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的动态位移变化情况。在验证理论及数值模拟结果可靠的基础上,对比理论结果与数值模拟计算结果的优缺点,并运用数值模拟分析影响包覆泡沫铝衰减钢梁在爆炸荷载作用下动位移的因素。结果表明:FSI可以考虑包覆材料对爆炸冲击波的衰减作用,但不能反映材料本身变化的影响(如材料厚度、屈服强度等);在计算包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移时,泡沫铝的厚度、屈服强度均具有最优解;增加刚性面板会放大包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的最大动位移。     

包覆泡沫铝钢梁动态位移的计算及影响因素

为考察运用FSI(流固耦合效应)能否考虑包覆泡沫铝对钢梁在爆炸荷载作用下最大动位移的影响及分析包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移的影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的动态位移变化情况.在验证理论及数值模拟结果可靠的基础上,对比理论结果与数值模拟计算结果的优缺点,并运用数值模拟分...     

水下爆炸载荷作用下加筋板变形及开裂试验研究

为了解加筋板结构在水下爆炸载荷作用下的变形模式,以及为数值仿真计算提供材料的开裂判据,通过试验研究,给出了加筋板的两种不同塑性变形模式.通过测量试验后加筋板裂纹的减薄率,利用体积等效原理确定了Q235钢在加筋板边界拉伸撕裂破坏模式中的开裂极限应变值,为结构在爆炸冲击作用下破损的数值仿真奠定了基础.     

金属加筋板局部爆炸冲击荷载研究

运用非线性动力有限元软件LS-DYNA对近距离局部爆炸冲击金属加筋板进行了三维数值模拟，并主要分析了加筋板的局部爆炸冲击荷载。首先基于文献试验，验证了数值模拟技术的合理性；进而分析了爆炸冲击荷载的主要影响因素，结果表明：爆炸冲击荷载随加筋板等效刚度的增加而增大，而加筋形式和板的开裂对冲量荷载的影响不大，可以忽略。最后依据数值模拟结果，提出了金属加筋板的近距离局部爆炸冲量荷载模型。     

非热压罐工艺模具对复合材料加筋壁板固化变形影响的有限元分析

通过真空袋成型工艺,利用CYCOM 5320-1材料体系制备了碳纤维/树脂基复合材料T型加筋壁板,并应用激光跟踪仪测量了其固化变形量。针对考虑模具影响和不考虑模具影响两种情况,利用有限元方法模拟了该加筋壁板固化过程。结果表明：数值模拟固化变形趋势和实验结果趋势相同,在宽度方向上吻合较好。考虑模具因素比未考虑模具因素的模拟结果更接近真实变形值,这是由于复合材料在达到树脂凝胶点之前,模具受热挤压模腔,导致构件产生永久性变形造成的。     

复合材料带筋壁板预成型体压缩性与渗透性对树脂流动的影响

以航空碳纤维增强树脂基复合材料典型结构件带筋壁板为研究对象,通过对U3160单向织物的组织结构进行分析,根据纤维束的受压变形状态对其压缩响应进行理论建模,然后以纤维束压缩模型为基础,预测了U3160单向织物按0°/45°/90°/-45°铺层时预成型体在压缩应力作用下厚度变化的响应行为。建立了压缩应力作用下纤维预成型体的渗透率解析模型:在织物压缩模型的基础上,建立了纤维束等效渗透率模型;根据张量理论,分别建立了0°、±45°和90°铺层织物等效渗透率模型;运用渗透介质串并联关系,建立了带筋壁板各特征区域渗透率综合表征模型。基于PAM-RTM流动模拟软件,进行分区渗透率定义,在充模过程中对树脂在带筋壁板预成型体中的流动行为进行模拟,优化工艺参数,确定出最终充模方案,并制作带筋壁板实验缩比件进行成型实验,验证了充模方案的合理性。研究结果为制件的成功制作提供理论依据,从而指导生产实践。      

复合材料帽型加筋壁板的失效机制分析与改进设计

为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力,针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验,研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程,然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型,详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上,提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案,并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明,包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力,分析结果与试验值吻合良好,且预测的破坏模式也与试验结果一致。     

带口盖加筋复合材料壁板剪切性能

采用试验和有限元方法研究了带口盖加筋复合材料壁板的剪切性能。在带口盖加筋复合材料壁板有限元模型的基础上, 去掉口盖, 对不带口盖的大开口加筋复合材料壁板进行了有限元模拟分析, 以此研究口盖对带口盖加筋复合材料壁板的影响。试验和数值计算结果表明: 当达到屈曲载荷时, 带口盖加筋复合材料壁板各个区域同步发生屈曲, 最终破坏位置位于加强筋条以外的复合材料壁板区域; 去掉口盖后, 结构的刚度以及承载能力降低, 结构的应力集中点以及损伤起始位置均发生变化, 破坏时失稳形式无明显变化, 均为局部失稳。      

玻璃纤维-碳纤维混杂增强PCBT复合材料层合板的制备及低速冲击性能

采用环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)预浸料,利用真空袋辅助热压工艺制备了玻璃纤维机织布-碳纤维机织布/聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(GF-CF/PCBT)混杂复合材料层合板。利用双悬臂梁(DCB)和三点端部开口弯曲(3ENF)试验对连续纤维增强PCBT复合材料层合板的层间强度做出评估。同时,利用低速冲击试验结合Abaqus/Explicit有限元仿真重点考察了混杂纤维增强PCBT复合材料层合板的低速冲击性能。试验结果表明:尽管CF/PCBT复合材料层合板具有优异的层间性能,当冲击能量为114.3J时,由于CF自身的脆性,CF/PCBT复合材料层合板被完全穿透,而GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板只在表面形成凹痕。与纯CF增强PCBT复合材料层合板相比,铺层形式为[CF/GF/CF]25的GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板的抗冲击损伤能力提高2倍。仿真得到的云图显示,冲击引起的应力在CF中的分布区域要明显大于在GF中的分布区域。     

Post Buckling Progressive Failure Analysis of Composite Laminated Stiffened Panels

The present work deals with the numerical prediction of the post buckling progressive and final failure response of stiffened composite panels based on structural nonlinear finite element methods. For this purpose, a progressive failure model (PFM) is developed and applied to predict the behaviour of an experimentally tested blade-stiffened panel found in the literature. Failure initiation and propagation is calculated, owing to the accumulation of the intralaminar failure modes induced in fibre reinforced composite materials. Hashin failure criteria have been employed in order to address the fiber and matrix failure modes in compression and tension. On the other hand, the Tsai-Wu failure criterion has been utilized for addressing shear failure. Failure detection is followed with the introduction of corresponding material degradation rules depending on the individual failure mechanisms. Failure initiation and failure propagation as well as the post buckling ultimate attained load have been numerically evaluated. Final failure behaviour of the simulated stiffened panel is due to sudden global failure, as concluded from comparisons between numerical and experimental results being in good agreement.     

Compressive Behavior of 3D Woven Composite Stiffened Panels: Experimental and Numerical Study

The structural behavior and damage propagation of 3D woven composite stiffened panels with different woven patterns under axial-compression are here investigated. The panel is 2.5D interlock woven composites (2.5DIWC), while the straight-stiffeners are 3D woven orthogonal composites (3DWOC). They are coupled together with the Z-fibers from the stiffener passing straight thought the thickness of the panel. A “T-shape” model, in which the fiber bundle structure and resin matrix are drawn out to simulate the real situation of the connection area, is established to predict elastic constants and strength of the connection region. Based on Hashin failure criterion, a progressive damage model is carried out to simulate the compressive behavior of the stiffened panel. The 3D woven composite stiffened panels are manufactured using RTM process and then tested. A good agreement between experimental results and numerical predicted values for the compressive failure load is obtained. From initial damage to final collapse, the panel and stiffeners will not separate each other in the connection region. The main failure mode of 3D woven composite stiffened panels is compressive failure of fiber near the loading end corner.     

侧边边界条件对复合材料加筋板轴压载荷下屈曲和后屈曲性能的影响

为研究侧边边界条件对复合材料加筋板压缩稳定性能的影响,首先采用有限元软件对压缩载荷作用下的复合材料加筋板进行建模数值计算,得到加筋板在侧边简支和自由2种边界条件下的屈曲载荷和形式,然后采用工程计算方法对加筋板轴压承载能力进行了估算,参考计算结果,分别对侧边有支持和侧边自由2组加筋板进行轴向压缩试验,分析侧边边界条件对试验件的屈曲形式、屈曲载荷以及后屈曲破坏过程的影响。试验结果表明：侧边支持条件会影响加筋板的屈曲形式和破坏形式。对于侧边有支持的试验件,屈曲后整体变形较小,筋条的压缩断裂是主要的破坏形式;而侧边自由的试验件屈曲后会逐渐出现整体弯曲变形,变形引起的筋条脱粘和弯曲断裂则是主要的破坏形式,且筋条脱粘会显著降低结构的承载能力。有限元计算结果与试验结果较吻合,验证了有限元模型的合理性。采用工程计算方法对侧边有支持的加筋板承载能力进行估算具有较好的精度。     

高精度碳纤维增强树脂复合材料夹层天线面板热变形影响参数仿真与实验

为满足亚毫米波、太赫兹波段等高频天线反射面的应用需求,采用附加树脂修型技术制得1米级、面形精度优于10 μm均方差(RMS)的碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料天线面板。主要开展了针对高精度CFRP复合材料面板在极端低温环境下的热变形机制研究。根据基础材料性能测试数据,建立面板的有限元仿真模型,预测大温差工况下多结构参数面板的热变形残差,分析了影响面板热变形特性的主要因素。比较了铝蜂窝和碳管阵列夹芯两种面板结构热变形特性的差异。结果表明,碳管夹芯结构面板具备更高的比刚度和热稳定性。通过仿真结构优化给出了面板的结构设计参数,并重新试制了原型面板。采用基于高精度数字摄影测量的实验方法,对铝蜂窝和碳管阵列两种夹芯结构原型面板在低温环境下的热变形误差进行了测量,通过分析实验与仿真结果的误差来源,讨论了有限元预测方法的可行性,给出了针对高精度CFRP复合材料面板设计及工艺方法的指导意见。      

Interlaminar fracture properties of weft-knitted/woven fabric interply hybrid composite materials

An experimental study has been undertaken to characterize the delamination behavior and tensile properties of interply hybrid laminated composites reinforced by interlock weft-knitted and woven glass fiber preform fabrics. The hybrid composites, comprising the alternate layers of interlock and uniweave fabrics, were compared to interlock knitted (only) and uniweave (only) composites with respect to delamination and tensile performances. Mode-I double cantilever beam and mode-II end-notched flexure tests were carried out to assess the interlaminar fracture toughness using aluminum-strip stiffened specimens. The mode-I and mode-II interlaminar fracture toughness values, G _IC and G _IIC, for the hybrid composite were about three and two times higher than that for the uniweave composite, respectively. The tensile strength and modulus of the hybrid composite were 315 MPa and 12.8 GPa in the wale direction, respectively, demonstrating that the strength and modulus were found to be slightly lower than those of the uniweave composite, and significantly improved in comparison with the interlock knitted composites.