典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究EI北大核心CSCD

设计满足鸟撞适航条款要求的飞机薄壁结构,必须进行典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究。对某飞机机头上壁板薄壁结构进行了鸟撞试验,并采用光滑粒子流体动力学-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM),基于商用显式有限元分析软件PAM-CRASH,建立了鸟撞上壁板薄壁结构数值计算模型。计算结果表明,上壁板结构损伤模式主要包括蒙皮撕裂和铆钉断裂,计算结果与试验结果良好的一致性验证了该数值计算模型及方法的合理性。在此基础上,建立了鸟撞典型薄壁结构数值计算模型,研究了鸟弹不同撞击角度和速度下典型薄壁结构蒙皮极限厚度值,结果表明,随着撞击速度的增大,蒙皮极限厚度的变化对撞击角度十分敏感。拟合了典型薄壁结构蒙皮极限厚度与鸟弹撞击角度和速度之间的数学关系,为飞机薄壁结构抗鸟撞设计提供技术支撑。     

冲击载荷作用下框架结构的非线性动力响应

基于大变形动力控制方程并应用有限差分离散求解.对冲击载荷作用下框架结构的非线性动力响应进行了初步研究.通过对响应过程中轴力、弯矩、变形以及塑性耗能分布规律的细致分析,探讨了框架结构的非线性响应模式和变形机制.研究表明,冲击载荷作用下,撞击点处"驻定塑性铰"是动力响应过程的主要变形机制,而框架柱"塑性铰"或"塑性区"是响应过程的又一主要模式,且此变形模式的表现形式会随初始动能的差异而发生变化.为验证本文理论计算的准确性,数值计算结果与已有文献的实验数据进行了比较,两者吻合很好.     

单根立柱失效条件下框架结构楼房动力响应特征研究

高层框架结构楼房不同部位单根立柱失效条件下楼房的变形能力、加速度响应和荷载传递等动力响应特征是本研究的重点。首先,依据《混凝土结构设计规范》(GB50010),采用PKPM设计软件建立了一个4×6跨的8层钢筋混凝土框架结构模型;其次,基于构件拆除法,应用有限元软件SAP2000非线性动力分析方法计算了一楼中心柱、长边中柱、短边中柱、角柱等不同部位单根立柱失效条件下框架结构的动力响应特征。研究结果表明:四种立柱失效条件下,其塑性转角均小于6°,结构不会发生倒塌,中心立柱失效时结构稳定性最差,发生连续倒塌的概率相对最大,短边中柱和长边中柱次之,角柱概率最小;中心柱失效条件下楼房荷载对剩余结构的动力冲击作用影响最为显著,其负向最大值加速度大约是短边中柱和长边中柱的2倍,可达3 g左右;不同部位立柱失效后,荷载将重新分布,其轴力由紧邻的柱承担,而上方梁的受力形式也从受弯转变为受拉,发生悬链线效应,在中心柱失效工况下,相邻的各柱轴力增加了近20%。     

连续侧向冲击作用下钢筋混凝土管动力响应试验研究

为了揭示钢筋混凝土管在连续侧向冲击荷载作用下的破坏机理,完成了6个钢筋混凝土管的横向冲击测试,考虑了不同落锤高度、冲击次数以及简支、固支两种约束形式对钢筋混凝土管侧向冲击动力响应的影响。提出了冲击力和跨中变形的预测公式并采用试验数据进行了拟合,得到了不同冲击速度、冲击次数对管道冲击力峰值和跨中位移的变化规律。采用吸能系数来量化评价管道承受侧向撞击时的吸能能力。结果表明,固支约束管道变形破坏显著好于简支约束试件,承受多次侧向撞击后,吸能系数增大,抗冲击变形能力明显下降。     

侧向冲击载荷作用下钢管混凝土梁动力响应的实验和理论研究

该文中对套箍系数分别为1、1.15和1.9的两端简支钢管混凝土梁在侧向冲击载荷作用下的动力响应进行了实验和理论研究。动载试验在DHR-9401落锤式冲击实验机上进行,实验中得到了试件破坏模态和冲击力时程曲线等特征量。进而基于实验研究结果,并考虑撞击时局部变形的影响,建立了局部变形和整体变形的关系,推导出钢管混凝土梁在低速冲击下整体变形的计算公式,其结果与实验结果较为吻合,并为临界破坏冲击能的计算提供了方法。     

模拟流体冲击致结构破坏问题的SPH-PD耦合方法

流体冲击致结构破坏在自然灾害、海岸及近海工程中广泛存在,是典型的流固耦合问题。基于网格的方法在捕捉流体自由表面、模拟结构开裂破坏的过程中存在固有的困难。针对此类问题,发展了一种基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)和近场动力学(peridynamics, PD)耦合求解冲击破坏问题的数值方法。采用动态边界条件的思想,利用SPH和PD在数值计算过程上的相似性,通过设置恰当的光滑长度,自动识别流固界面并进行数据交换,高效实现了耦合计算过程。该方法一定程度上规避了无网格法在施加本质边界条件上的困难,综合了SPH在处理自由表面流、PD在处理材料断裂失效上的优势,可以实现一定规模复杂流固耦合问题的模拟。最后,采用提出的SPH-PD耦合方法,模拟了溃坝冲击下游弹性挡板问题,成功捕捉到结构经历大变形直至断裂失效的行为。     

地下隧道内爆炸冲击下地表多层建筑的动力响应研究

该文对带有筏板基础和地下室的多层框架及框剪建筑物在遭受邻近地下隧道内爆炸冲击作用下的动力响应进行了分析研究。采用ABAQUS软件建立了考虑地基土和混凝土等材料非线性的隧道-土体-多层建筑耦合体系的三维数值模型,经与LS-DYNA模型结果的比较分析验证了该文所建体系模型的正确性和有效性。通过大量的算例分析,对隧道内爆炸冲...     

模拟流体冲击致结构破坏问题的SPH-PD耦合方法EI北大核心CSCD

流体冲击致结构破坏在自然灾害、海岸及近海工程中广泛存在,是典型的流固耦合问题。基于网格的方法在捕捉流体自由表面、模拟结构开裂破坏的过程中存在固有的困难。针对此类问题,发展了一种基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)和近场动力学(peridynamics,PD)耦合求解冲击破坏问题的数值方法。采用动态边界条件的思想,利用SPH和PD在数值计算过程上的相似性,通过设置恰当的光滑长度,自动识别流固界面并进行数据交换,高效实现了耦合计算过程。该方法一定程度上规避了无网格法在施加本质边界条件上的困难,综合了SPH在处理自由表面流、PD在处理材料断裂失效上的优势,可以实现一定规模复杂流固耦合问题的模拟。最后,采用提出的SPH-PD耦合方法,模拟了溃坝冲击下游弹性挡板问题,成功捕捉到结构经历大变形直至断裂失效的行为。     

爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应和影响因素研究

运用数值模拟的方法建立爆炸冲击作用下的钢筋混凝土连续梁桥模型,通过改变爆炸作用点位置、爆炸作用比例距离等因素,研究连续梁桥在爆炸冲击荷载作用下的动力响应和敏感性影响因素。结果表明:连续梁桥中跨跨中是其桥面抗爆性能最为薄弱的位置,在抗爆设防中应着重考虑;当装药量相同时,桥梁的破坏程度与比例距离成反比关系;连续箱型桥梁内部爆炸时,对桥梁造成的破坏最为严重,同等条件下下方爆炸时,桥梁破坏程度最小。本研究为桥梁抗爆设计及损伤评估提供理论依据。     

隧道爆破作用下邻近高层框架结构动力响应研究

为分析隧道爆破振动作用下高层框架结构的动力响应特征,确保城市地铁隧道开挖过程中邻近建筑的安全稳定,依托武汉地铁8号线洪山站-小洪山站区间大断面隧道爆破开挖工程,采用动力有限元软件建立三维数值模型,结合现场振动监测数据验证计算模型及其方法的可靠性;通过框架结构爆破动力响应数值模拟计算,得出了框架结构峰值振速和最大主应力峰值随高程变化的分布特征,以及楼层高度改变时高程放大系数的变化规律。研究结果表明：高层框架结构垂向振速沿层高方向呈先减小后增大的变化规律,一层、高层均存在放大效应;高程放大系数随总层高的增加逐渐减小;建筑侧下方未形成空洞时隧道爆破对结构的影响最大,爆心距最小的柱上最大主应力峰值最大。     

落锤冲击作用下钢筋混凝土短梁响应及破坏试验研究

钢筋混凝土短梁是建构筑物的关键承力构件,为研究其在冲击荷载作用下的动力响应及破坏机制,结合应变式传感器、高速摄影、数字图像技术(DIC)等测量手段,开展了不同冲击体质量、冲击速度和冲击能量下的落锤冲击试验。结果表明：(1)冲击荷载作用下钢筋混凝土短梁破坏形式表现为拱形震坍裂缝和整体弯曲变形,与浅梁破坏形式有明显差异;(2)钢筋混凝土短梁跨中轴向应变由拉应变转为压应变,随着冲击能量增加(18 061 J≤E≤49 831 J),跨中轴向峰值拉应变、残余压应变均先增大后减小,钢筋混凝土短梁依次处于弹塑性挠曲变形、冲剪破坏模式阶段;(3)冲击荷载作用下钢筋混凝土短梁的裂缝萌生和扩展过程并不是单向的,裂缝多次多向扩展形成裂缝带,进而形成塑性铰,导致短梁整体破坏;(4)梁体变形程度主要取决于冲击速度而非冲击能量,具体表现相同冲击能量(30 000 J)下,随着冲击速度增加(5.53 m/s≤v≤7.13 m/s),梁体跨中峰值挠度和残余挠度相应增大(26.81 mm≤w_p≤29.85 mm; 17.12 mm≤w_r≤21.66 mm)。研究成果可为钢筋...     

光学玻璃材料动态冲击试验与鸟撞研究

针对多光谱硫化锌(zinc sulfide,ZnS)光学玻璃材料用于飞行器时的鸟撞问题进行了研究.对多光谱硫化锌玻璃进行了中高应变率下的压缩试验获得其材料属性.鸟体采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法建模,引入Gruneisen状态方程定义鸟体本构模型.对...     

伞形张拉膜结构在冰雹冲击作用下的动力响应研究

以工程中常用的伞形张拉膜结构为研究对象,研究其在冰雹冲击作用下的动力响应问题.设计制作各种试验装置,通过对伞形膜结构的冰雹冲击试验,得到了冰雹冲击伞形膜结构不同测点的位移、速度以及边索的张拉松弛率.通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟冰雹对伞形膜结构的冲击,并与试验数据对比分析,验证试验的可靠性与准确性.结果表...     

水下爆炸荷载作用下结构动力响应及损伤破坏

为了研究水下爆炸荷载作用下重力式沉箱码头的动力响应及其损伤评估,基于Coupled Lagrangian Eulerian算法,通过AUTODYN建立了一维自由场冲击波、气泡脉动数值模型,验证了数值计算的合理性;将突堤式沉箱码头数值计算结果与试验数据进行对比分析,验证了数值分析模型的可靠性;建立了典型重力式沉箱码头在爆炸荷载作用下的三维数值模型,并分析了不同炸药当量、混凝土强度、配筋率等条件下,重力式沉箱码头的动力响应及损伤破坏。结果表明：随着装药量的增大,峰值位移逐渐增大,且增大的幅度与速度有所提高;结构配筋率主要影响重力式沉箱码头的抗剪性能,在水下爆炸荷载作用下,提高结构配筋率、混凝土强度能够优化整体结构的抗爆性能。研究成果可以为我国重力式沉箱码头结构在水下爆炸荷载作用下抗爆设计及防护措施提供参考。     

弹性支承曲线梁在移动荷载作用下动力响应研究

为探究弹性类支座对桥梁结构振动机理的影响及进一步发展曲线梁的车致振动理论,提出一种将弹性支承曲线梁振动形式考虑为弯曲变形和刚体位移组合的方法,建立简化计算模型,利用Garlekin 法和积分变换法推导移动荷载作用下弹性支承曲线梁的动力响应解析解,并验证本文方法的正确性。通过数值算例分析弹性支承曲线梁在移动荷载作用下的振动机理,以及支座刚度、曲率半径等相关参数对弹性支承曲线梁动力响应的影响规律。研究表明：曲线梁的支座约束情况发生变化会对桥梁结构的动力特性和动力响应造成差异明显的非线性影响,其支座竖向刚度越小,桥梁动力响应越大,不可直接将其简化为刚性支承梁;小半径弹性支承曲线梁与直线梁相比,其曲率半径对桥梁动力响应的放大效应十分显著,同样不可忽略。     

考虑地应力影响的深埋圆形管道在爆破P波作用下的动力响应

爆破等动力扰动散射产生动应力集中是导致地下结构发生失稳破坏的重要因素。基于波函数展开法建立了平面P波入射下深埋管道的理论模型,引入傅里叶变换和Duhamel积分方法求解了深埋圆形输水管道周围的瞬态响应,分析了波长对瞬态响应的影响。考虑到地应力是深部结构失稳不可忽略的因素,而含初始应力的动力学方程无法有效解耦,因此借助LS-DYNA有限元软件建立数值模型,分析了初始应力作用下深埋管道的动力响应机制。研究结果表明：短波入射产生的压应力集中更大,长波入射导致的拉应力集中更大,沿入射方向极易出现拉应力集中。在初始应力的作用下,侧压系数越大,对动态应力集中响应的抑制作用愈发明显;另外,处于初始应力状态下的管道及周围岩体在受到动态冲击时,应力状态会发生较为剧烈的波动。这些研究现象揭示了地下管道的动态响应机制以及地应力环境产生的影响,对深部地下结构的抗震优化设计具有借鉴和指导意义。     

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。     

汽车荷载作用下梁桥的动力冲击效应研究

基于D＇Alembert原理，导出了两轴汽车模型的运动方程：考虑车辆与桥梁的位移协调条件及桥面不平整度，建立移动汽车荷载作用下车辆与桥梁整体系统的运动方程，并且给出了详细的公式，采用Wilson-θ求解，编制了计算程序。对简支梁桥在移动汽车荷载作用下的动力冲击效应进行了计算分析与现场试验研究，获得了有价值的结果。     

爆炸载荷作用下双向加筋方板的大挠度塑性动力响应

从分别列出加筋板面板以及加强筋的运动方程出发,分析了爆炸载荷作用下双向加筋固支方板的大挠度塑性动力响应。分析表明:取决于加强筋的相对刚度以及爆炸载荷峰值的大小,加筋板的运动将呈现3种不同的模式。该文限于讨论加筋板的总体变形模式,具体讨论了十字加筋以及双十字加筋固支方板在忽略弯矩影响下的薄膜解法。理论结果与已有的试验结果在多数情况下符合良好,表明该文提出的简化理论分析方法能对爆炸载荷下双向加筋方板的永久变形做出较为合理的预报。     

钢管混凝土梁在侧向冲击荷载作用下动力响应的试验研究和数值模拟

为研究不同轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能的影响,该文对已有的冲击试验进行了验证。在验证模型基础上建立了不同轴压比的钢管混凝土柱在侧向冲击作用下的动力有限元模型,计算得到连续变化轴压比下钢管混凝土的抗冲击性能参数。结果表明：轴压比对钢管混凝土的侧向抗冲击性能有显著影响。在轴压比小于0.7时,轴力对钢管混凝土构件侧向抗冲击能力有提高作用,当轴压比大于0.7时,轴力对钢管混凝土侧向抗冲击能力有削弱作用。