多层钢筒结构在内部强爆炸作用下变形行为的数值模拟

多层防护结构常用于需要抵抗爆炸冲击的场合,如何快速准确地预测其在内部强爆炸作用下的响应行为是当前急需解决的问题. 针对Q345钢制成的多层防护结构,基于有限元软件LS-DYNA,分别采用CONWEP算法和流固耦合算法进行了3种装药量爆炸下的模拟分析,并与实验结果进行对比,验证了数值模拟的有效性. 结果表明,当装药比例距离大于0.152 m/kg^1/3时,采用CONWEP算法施加爆炸载荷,可简单可靠地预测多层防护结构受爆炸冲击的响应行为. 采用多层结构后,内部各层通过塑性变形吸收了作用于结构上约90%的能量.     

聚脲涂覆三维负泊松比点阵结构的静态力学性能研究

本文针对四面内凹金字塔型负泊松比点阵结构在有无聚脲涂覆两种情况下的静态力学性能进行了试验研究.采用增材制造方法制作了不同阵列型式的试验模型,实施了点阵模型的准静态压缩试验和点阵夹层结构的三点弯曲和四点弯曲试验.试验结果表明,点阵结构在压缩载荷作用下呈现明显的负泊松比效应.涂覆聚脲后点阵结构的力学性能有明显提升,压缩平台应力约为0.6–1.0 MPa;对于多胞结构,总吸能、单位体积变形能和比吸能显著高于未涂覆聚脲模型1–2个数量级;最大吸能效率和压缩利用率大于未涂覆聚脲模型,最高分别可达40.59%和55.15%.由于未涂覆聚脲点阵结构会发生早期材料脆断,其单位体积变形能、比吸能、最大吸能效率和压缩利用率会随单元数量的增加而减小.涂覆聚脲点阵结构的吸能特性受聚脲涂层的厚度影响较大.在弯曲载荷作用下,未涂覆聚脲点阵夹层结构易出现芯层局部压溃现象,靠近压头部位的芯层最易发生破坏,且芯层破坏程度逐层降低;上面板最终呈现折线型变形,下面板呈现弧形变形模式.涂覆聚脲点阵夹层结构的上面板早期呈现"U"型变形模式,且芯层失效范围大幅减小,下面板变形较无聚脲涂覆点阵夹层结构增大19.61%–42.03%.研究结果可为设计轻质化和高效吸能的舰艇防护结构提供借鉴.     

聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究

研究了聚脲弹性体涂覆钢板、涂覆纤维复合材料板抗破片侵彻性能以及涂层与底材层间作用机制.通过弹道试验加载3.3 g立方体破片撞击聚脲涂覆钢板、FRC板结构,获得无涂覆、迎弹面涂覆和背弹面涂覆3种涂覆类型结构的弹道极限,得到了不同涂覆方式下结构抗侵彻性能差异以及变形与失效特征.结果表明,聚脲弹性体涂层对涂覆结构抗破片侵彻性能的影响作用与涂覆底材自身的吸能机制相关;钢板吸能形式为局部变形与剪切冲塞,涂层对钢板耗能作用影响小,且能够有效提高结构抗侵性能,迎弹面涂覆效果优于背弹面;FRC板吸能形式主要为背部纤维的拉伸断裂与层间分离,背弹面涂层抑制纤维板吸能作用,大幅降低涂覆结构抗侵效率.      

撞击作用下泡沫铝填充结构吸能特征

泡沫铝是由金属铝制成,由于铝具有较低的强度,导致泡沫铝本身的承载能力和吸能特性受到局限.典型的抗振吸能结构是泡沫铝填充结构或夹芯结构.采用实验和数值模拟方法分析了泡沫铝填充结构在冲击作用下的变形特征与吸能特性.研究表明,填充结构中钢制圆柱壳在整个冲击吸能过程中占主要地位,它与泡沫的相互作用使得变形过程中的能量吸收和初始失稳载荷随冲击速度的提高而增加;当钢制圆柱壳的壁厚增加时,峰值塌陷载荷和总的吸能也提高.在100 kg范围内,冲击质量对初始峰值塌陷载荷的影响不大.由于钢壳是主要的承载和吸能部件,要想提高泡沫铝填充结构的吸能特性,需要合理地设计泡沫密度与钢壳厚度,充分利用它们之间的相互作用关系.     

聚脲涂覆钢板结构抗爆性能试验研究

研究聚脲不同涂覆方式下单钢板与箱体结构的抗爆性能.进行了15.7 kg/m2相同面密度条件下2.0,1.5与1.2 mm三种厚度钢板的无涂覆、迎爆面涂覆结构抗40 g TNT外爆载荷试验,相同钢板厚度条件下1.5 mm与1.2 mm两种厚度钢板的无涂覆、迎爆面涂覆与背爆面涂覆结构抗60 g TNT外爆载荷试验,以及3.0 mm厚钢板所组成箱体的无涂覆、迎爆面涂覆与背爆面涂覆结构抗140 g TNT内爆载荷试验,通过对比不同涂覆结构的变形与破坏行为,分析聚脲涂层对结构抗爆性能的影响.结果表明,等面密度时迎爆面涂覆聚脲不能提高钢板的抗爆性能,等钢板厚度时涂覆聚脲能够有效提高钢板与箱体结构分别在外爆与内爆载荷下的抗爆性能,且背爆面涂覆时效果优于迎爆面涂覆.      

低硬度聚脲/钢板复合结构抗高速破片侵彻机理试验

针对低硬度聚脲/钢板复合结构的抗破片高速侵彻机理问题,通过弹道试验,分析了复合结构靶板的侵彻破坏模式和抗弹性能,并与相同面密度的纯钢板进行了比较.从应力波的角度进一步探讨了复合结构靶板的抗弹机理,以及前聚脲层对后钢板层的影响机制.结果表明,破片高速侵彻下,前聚脲层主要呈现剪切冲塞的破坏模式;而后钢板层的侵彻破坏模式则由无前聚脲层时的剪切冲塞,逐渐转变为花瓣开裂.相同面密度情形下,虽然复合结构靶板的整体抗弹性能不如纯钢板,但由于前聚脲层的影响,后钢板层的抗弹效率会得到大幅提升;随前聚脲层/后钢板层面密度比值增大,复合结构靶板整体抗弹性能不是一直降低,而是先降低后提高,且后钢板层是主要耗能构件.     

爆炸载荷作用下玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫夹层结构抗冲击性能实验研究

为分析玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫组成的单夹层方板、双夹层方板以及单夹层方板单面喷涂聚脲结构在爆炸载荷作用下的动力响应及抗爆性能,进行了等面密度的3种结构靶板的爆炸冲击波毁伤效应试验,获得了3种结构靶板在爆炸载荷作用下的破坏模式,并比较了3种结构的抗冲击性能.研究发现,靶板的面板破坏模式以固支边界断裂裂纹、四角弯折裂纹和应力集中处剪切裂纹为主,芯层形成了明显的压溃区、裂纹聚集区、脱粘破坏和拉伸裂纹破坏.等面密度设计的双夹层方板和迎爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度和残余变形比单夹层结构更大;背爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度比单夹层结构更大,但背爆面板残余变形明显减小.      

钢筋混凝土中爆炸破坏效应数值模拟分析

根据钢筋混凝土介质在内部爆炸载荷作用下毁伤破坏特性,利用LS-DYNA程序流固耦合算法,使用能够反映拉伸破坏的Tayler-Chen-Kuszmanul(TCK)和反映压缩破坏的Holmqust-Johnson-Cook(HJC)材料模型,通过建立分离式钢筋混凝土有限元模型,进行了钢筋混凝土在内部爆炸载荷作用下毁伤破坏效应的数值计算分析. 数值模拟能够很好地模拟钢筋混凝土内部爆炸时中心爆炸空腔压缩面和自由面的拉伸层裂破坏及漏斗坑形成过程,且与试验结果和理论计算吻合较好. 同时,由于钢筋的增强和止裂作用,钢筋混凝土中爆炸漏斗坑成阶梯型,且其破坏范围远小于混凝土介质.     

爆炸载荷下层级蜂窝铝夹芯板的动力响应分析

通过在正六边形蜂窝结构的节点上增加次级六边形蜂窝结构,形成一种层级蜂窝芯层结构,利用LS-DYNA有限元软件分析了层级蜂窝铝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应和吸能特性,研究了载荷与芯层构型对结构变形和能量吸收的影响,并与传统蜂窝铝夹芯板进行了对比.结果表明:在所研究的范围内,当载荷较小时,传统蜂窝铝夹芯板的后面板挠度较小;当载荷较大时,多层级蜂窝铝夹芯板的后面板挠度较小,抗冲击能力较好,并且这种优势随着载荷的增加愈加明显;改变芯层层级参数对结构后面板挠度的影响较小,但对芯层比吸能有较大的影响,当层级参数为0.1时,芯层比吸能最高.     

薄壁结构吸能预测的多元非线性回归分析

为了研究试验参数对薄壁金属结构吸能特性的影响规律,预测和分析这一类型的薄壁结构吸能特性,针对轴向冲击载荷作用下薄壁结构动态响应的非线性特性,以数值模拟为基础,建立了结构吸能特性参数与试验参数之间的多元二次非线性回归模型,编制了Gauss-Newton迭代算法程序对该非线性回归模型参数进行求解.以方形薄壁结构为例,得到了比吸能E_s,有效撞击力AE和有效撞击行程SE分别与试验参数之间的非线性拟合数学方程,最后使用该二次非线性回归模型对这一类型的方形薄壁结构在轴向冲击载荷作用下的吸能特性进行预测.结果表明:方形薄壁结构各项吸能特性参数的回归值与试验值的相对误差控制在±6.0%以内,比吸能E_s、有效撞击力AE和有效撞击行程SE的相对预测误差平均值分别为0.683%、4.604%和3.392%,说明该模型预测精度比较理想.     

近爆冲击波和破片复合作用下混凝土空心砌块墙防护技术研究

为探究在不同冲击波和破片复合荷载作用下混凝土空心砌块填充墙的损伤特征和防护技术,通过ANSYS/LS-DYNA软件建立了混凝土空心砌块填充墙各部件、破片和炸药的模型,得到了比例距离、破片尺寸、起爆点对墙体的位移响应的影响以及在聚脲弹性体与钢丝网共同加固条件下墙体所能承受的极限炸药质量和较为经济的防护厚度.结果表明:通过与试验对比验证,本文的研究方法是可靠的;在近爆冲击波和破片复合作用的条件下,比例距离不能作为判定墙体受损严重程度的依据;同等质量下,减小破片尺寸使墙体破坏加重;改变起爆点对墙体破坏程度的影响微弱;在增加防护后,墙体抗爆性能明显加强,采用5 mm聚脲弹性体和钢丝网加固的墙体在炸药距离1.2 m时的能够抵抗的等效TNT炸药质量在8.296kg和11.376 kg之间;当炸药距离为1.2 m,等效TNT炸药质量为2.456 8 kg时,较为经济的防护手段是聚脲弹性体厚度和钢丝网钢丝直径均为3 mm.本文成果可为混凝土空心砌块填充墙抗爆性能及其防爆技术的研究提供重要参考.     

一种新型钢—混凝土组合结构的抗爆性能

为了提高防护结构的抗爆炸性能,提出了压型钢板一方钢管钢筋混凝土组合结构.运用ANSYS大型有限元软件,对这种新型的防护结构和普通钢筋混凝土结构在相同爆炸荷载下的响应进行了数值模拟和对比分析.研究结果表明:这种新型的防护结构能够降低结构变形,防止底部混凝土过早开裂,同时具有较高的强度储备,是一种比较理想的抗爆炸防护结构.     

铝蜂窝夹芯结构抗爆性能仿真分析与优化

利用CONWEP计算模型对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了有限元分析，以背板最大变形和夹芯层比吸能作为抗爆性能指标，根据不同基体材料的组合结构建立了铝蜂窝夹芯结构的基准模型.基于基准模型，定量研究了铝蜂窝夹芯结构各部分结构参数和蜂窝胞元类型对其抗爆性能的影响规律.结果表明面板材料采用Al2024T351，背板材料采用RHA的组合结构具有良好的抗爆性能；相比于背板厚度变化，面板厚度的变化对铝蜂窝夹芯结构抗爆性能指标的影响更显著.应用构建代理模型的方法对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了多目标优化设计，使铝蜂窝夹芯结构的抗爆炸冲击波性能得到了明显改善，这对抗爆结构的工程设计有一定指导意义.     

爆炸波与破片联合作用下砌块墙的损伤和防护

基于ANSYS/LS-DYNA软件建立了混凝土空心砌块填充墙、破片和炸药的模型,并对其在由爆炸驱动的破片和由爆炸产生的冲击波作用下的损伤进行了数值模拟.分析了单独冲击波作用、单独破片作用及二者复合作用下混凝土空心砌块填充墙位移响应的差异,探究了不同砌块强度、空心砌块壁肋比、砂浆强度和钢丝网网格密度对混凝土空心砌块填充墙的位移响应的影响.给出了聚脲弹性体、聚脲弹性体与钢丝网联合加固二者加固效果的比较.结果表明:通过与试验对比验证,建模方式是可靠的;在破片和冲击波复合作用下,混凝土空心砌块填充墙的位移比二者线性叠加的位移更大;提高砌块强度等级、提高空心砌块的壁肋比对墙体抗爆有利;改变砂浆强度对墙体抗爆的影响微弱;加密钢丝网网格可显著提高其防护效果.     

爆炸冲击作用下钢筋混凝土板的动态响应研究

为研究爆炸载荷下钢筋混凝土板的动态响应,基于量纲分析得到了球形装药质量、爆心距和钢筋混凝土靶板挠度之间的无量纲关系.利用有限元软件AUTODYN建立空气-炸药-钢筋混凝土板的三维数值模型,考虑炸药、空气和靶板之间的流固耦合相互作用,模拟结果和实验结果基本吻合.改变固支条件为四边固支,控制单一变量,分别得到装药质量和爆心距对靶板挠度的影响规律.结果表明,保持爆心距一定,当比例距离大于0.6 m/kg^1/3的情况下,即不考虑近场爆炸和接触爆炸,钢筋混凝土板中心挠度随装药质量增加近似呈线性递增趋势;而当改变爆心距时,挠度随爆心距的增加近似呈指数递减趋势.     

钢-混凝土叠合板组合梁抗震性能的试验研究

为研究钢—混凝土叠合板组合梁在低周反复荷载作用下的变形和耗能性能,完成了６根钢—混凝土叠合板组合梁在低周反复荷载作用下的试验。对试验结果进行了讨论和分析。试验研究结果表明,钢—混凝土叠合板组合梁具有良好的整体性能及抗震性能,文中给出了组合梁的变形延性指标、刚度折减系数等计算公式,结果对于钢—混凝土叠合板组合梁的抗震设计具有较好的参考价值。