应变率敏感性对船体结构碰撞性能的影响

采用Cowper-Symonds本构关系,运用非线性动态响应分析程序MSC/DYTRAN对某集装箱船双层舷侧结构的碰撞进行了系列计算,研究了材料应变率敏感性对船体结构碰撞性能的影响.结果表明,在2m/s以上的碰撞速度下,应变率敏感性使船用钢材的屈服应力提高了近50%,而内壳破裂时双层舷侧结构的吸能几乎提高1倍,但碰撞中构件的损伤模式和失效次序却没有改变.因此,在将屈服应力适当增加后,仍可将准静态方法用于船舶碰撞分析.     

撞击速度对载货油船舷侧碰撞损伤的影响分析

为探究撞击速度对载货双壳油船舷侧结构碰撞损伤的影响,运用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立载货油船碰撞数值模型,在此基础上通过对碰撞过程中产生的碰撞力、结构吸能、舱内液货动能以及撞深变化等参数进行对比分析,阐述撞击速度对载货状态下双壳油船碰撞损伤的影响。研究结果表明,在双壳油船碰撞性能的研究过程中,撞击速度对载货双壳油船舷侧损伤具有重要影响作用。     

列车车体铝合金动态力学性能及其对吸能的影响

为了研究车用5083H111铝合金材料的动态力学性能及其对结构吸能的影响,分别对该材料进行动态冲击拉伸和动态冲击压缩试验,获得不同应变率下的材料本构关系。以车辆防爬吸能结构为载体,采用3种材料模型,对比分析该铝合金材料的动态力学性能对车体吸能结构吸能容量的影响。研究结果表明:5083H111铝合金材料在低应变率情况下存在应变率软化效应,在中低应变率范围内存在应变率软化再强化特性;在高应变率情况下,这种材料表现出明显的应变率强化效应;列车碰撞的应变率数量级范围为0~2,属于中低应变率范围;对于5083H111铝合金制成的车体吸能结构,考虑应变率效应的结构的实际吸能量要比不考虑应变率效应的相同结构的吸能量小。     

浮动核电站双层舷侧结构与球鼻艏碰撞计算分析

浮动核电站在运行过程中的安全性是其设计阶段需要着重考虑的问题,这其中就包括舷侧结构在发生船舶碰撞时的耐撞性能。参考20 000 t浮动核电站的结构形式,介绍了利用LS-DYNA对传统双层舷侧结构与刚性球鼻艏发生的微能碰撞所进行的有限元分析。参考舷侧结构简化模型的有关计算公式,提出了一种舷侧结构组合模型用于简化解析法的计算。通过计算得到了舷侧结构变形能随撞击深度变化的关系曲线,并将其与有限元分析所得结果进行了比较,得到了较好的拟合,验证了该方法的合理性及其实际应用价值。     

高强钢闭口帽形结构准静态轴向压溃实验

为了研究成形历史对车身部件冲击变形行为的影响,以点焊连接闭口帽形结构为例,比较了2种高强钢材料--HSLA340和DP590不同成形条件下准静态轴向压溃过程的变形模式和吸能特性.实验结果表明：冲压成形过程导致的结构局部材料强化和几何弱化现象严重影响了帽形结构压缩过程中的屈曲变形模式,使其吸能能力低于折弯构件;大压边力冲压成形构件压溃过程中出现局部板材撕裂现象,该现象与应变历史及应力状态相关;因其独特的低屈强比硬化特性,不同成形条件下的DP590构件变形吸能特性始终优于HSLA340构件.     

考虑材料失效准则的吸能装置失效行为与碰撞特性

在对广义增量应力状态相关损伤模型(GISSMO)失效准则5个基本特性分析的基础上,以DP800为基础材料,从应变场分布、失效单元应力三轴度和应力-应变关系3个方面验证GISSMO失效准则在仿真过程中预测各向同性韧性材料失效的准确性;在此基础上,以挤压式与压溃式2种机车车辆常用吸能装置为研究对象,对比不考虑失效、考虑V-M应变失效准则,考虑GISSMO失效准则条件下,2种吸能装置的失效行为与碰撞特性。研究结果表明:GISSMO失效准则在描述各向同性韧性材料失效行为方面具有较大的优势;吸能装置在轴向碰撞过程中的应力三轴度处于不断变化中,采用考虑应力三轴度的GISSMO失效准则使得仿真结果更准确;针对压溃式吸能装置,在材料断裂应变较小时,采用GISSMO失效准则的仿真计算中结构压溃过程会出现大面积撕裂等失效行为,降低结构的碰撞力和吸能量,在此类吸能装置设计的材料选择中应选择断裂应变较大的材料。     

一种基于等效安全度的结构设计方法

针对船舶碰撞造成的船体结构安全性问题,基于SOLAS规范中关于等效安全度的概念,提出一种结构设计方法．应用非线性动力分析法计算船舶遭遇碰撞破损时的结构极限吸能,以某多功能运输船为算例,通过对其舷侧结构的重新布置设计,选取2种船艏型式和8种撞击位置,比较其结构极限吸能能力．研究结果表明：该设计方案在满足SLOAS规范中破舱稳性要求的基础上,提供了更大的货舱装载能力和使用的灵活性,可以作为此类船型设计的参考．     

初速度对被撞船舷侧结构影响

采用ANSYS/LS-DYNA建立了两船发生侧向对中垂直碰撞的非线性有限元模型,模型中考虑了材料非线性、几何非线性等因素;并以所建立的非线性有限元模型为基础,对被撞船舷侧结构碰撞性能进行了仿真研究,得到了碰撞力和能量随碰撞船位移变化的关系曲线,重点研究了碰撞船初速度的影响.数值仿真结果表明,不同的碰撞船初速度会导致被撞船舷侧结构产生不同形式的变形和不同程度的损伤.同时,通过仿真计算得到了某一确定碰撞情景下被撞船舷侧内、外壳破裂的临界速度,可以为海事部门制定海上限速避碰规则提供依据.     

SPS夹层板双壳舷侧结构耐撞性研究

根据《钢夹层板材料船舶结构建造指南》对某双壳油轮舷侧内外壳进行SPS夹层板改装设计,应用非线性数值仿真方法,分析层合板建模法和三维实体单元在处理夹层板碰撞问题方面的差异.仿真结果表明,层合板建模法可以满足一般工程问题对精度的要求,是一种适宜在微型机上处理SPS夹层板碰撞问题的有效方法.采用层合板建模法,对比分析传统舷侧结构和SPS夹层板舷侧结构的耐撞性,验证了SPS夹层板结构可以提高碰撞力和能量吸收能力,耐撞性指标很大,是一种良好的耐撞结构.     

材料应变率效应对2类吸能结构碰撞性能的影响

轨道车辆吸能结构变形时伴随着明显的应变率效应,为了研究材料应变率效应对碰撞仿真结果的影响,以应变率敏感材料Q235为研究对象,首先,通过实验数据对比和理论解对比2种方法,证明考虑应变率效应的Q235材料模型的可靠性;然后,研究材料应变率效应对挤压式和压溃式圆锥管吸能结构碰撞载荷与吸能、变形模式等耐撞性能的影响;在此基础上,提出2种受材料应变率效应的影响不明显、变形有序可控的诱导式吸能结构。研究结果表明:对于不同结构,材料应变率效应影响因子不同,考虑材料应变率强化效应的挤压式吸能结构碰撞力放大因子比压溃式圆锥管结构的大;对于不同结构,材料应变率效应影响因子随速度变化的幅度不同,挤压式吸能结构的应变率效应放大因子随速度变化幅度比压溃式的小;材料应变率效应对第二类吸能结构的变形模式影响显著,应变率强化效应减少了应变率较大的变形,增加或促进了应变率较小的变形;诱导式吸能结构的变形模式受材料应变率效应的影响不明显,变形有序可控,在工程设计中可考虑采用诱导结构,以减少材料应变率效应对结构变形模式的影响。     

冲击载荷下金属薄壁圆柱壳动态响应特性研究

为探讨薄壁结构金属件在冲击载荷作用下的变形模态、受力特征等动态力学响应特性,对3种材料的薄壁圆柱壳体进行了不同速度的落锤冲击实验,获得了相同冲击条件下不同材料圆柱壳体的变形模态、吸能方式和轴向缩短率,以及冲击速度和径厚比对圆柱壳体吸能和轴向缩短率的影响规律. 研究结果表明:薄壁圆柱壳的轴向缩短率随着冲击速度增加而增加,由于应变率效应吸能能力也随着冲击速度增加而增加;薄壁圆柱壳体的轴向缩短率随着径厚比的增加而增加;动态冲击条件下的平均后屈曲载荷远大于准静态条件下的理论载荷,除了与圆筒直径、厚度以及材料特性相关外,还与冲击速度相关;通过非轴对称屈曲折皱变形来抗冲击A6060铝合金适合用于薄壁结构件.      

泡沫填充圆管的轴向压缩能量吸收特性

建立了泡沫填充圆管在准静态轴向压缩载荷作用下的吸能特性分析模型,分析了材料参数、几何参数对其比吸能(单位质量吸收的能量)的影响,并对其结构参数进行了优化。研究结果表明:泡沫填充圆管具有很好的吸能能力;泡沫材料的相对密度对比吸能有显著的影响,相对密度取适当值可使比吸能最大。另外,提高构成泡沫的实体材料的强度可有效地提高比吸能。     

等离子体射流环境下对天线罩透波性能影响的研究

在电弧风洞射流动态环境下，对376天线罩材料平板模型的透波性能进行了实验研究。材料在等离子体射流作用前后介电性能和化学结构变化的测量和实验研究表明，等离子体射流作用后，某些材料的物理特性和化学结构表现出了不同的变化，影响了电磁波在其中的传输。同时实验结果还表明，SiO2类材料在本文等离子体条件下透波性能基本不变，而树脂硅胶类材料则表现出显著的吸波现象。该实验结果对天线材料的选取具有实际应用价值。     

3D打印TPMS多孔材料力学性能数值仿真

基于三周期极小化曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)理论,设计了不同相对体积占比的螺旋二十四面体单胞模型以及拓扑模型,并通过有限元仿真软件计算了不同冲击速度下结构的力学响应,对其应力分布、力-位移曲线、承载能力、吸能效率等方面进行了分析和探讨。数值模拟结果表明,TPMS拓扑结构多孔模型具有优秀的吸能性能,相对体积和冲击速率的提升均会导致结构吸能总量及效率的升高;并且在相同条件下,多胞体的吸能效率较单胞有所提升。同时该结构在受到冲击载荷时应力分布均匀,不易产生应力集中现象;其承载能力随着相对体积分数的增加有明显的提升;结构表现出一定的应变率敏感性,高应变率下结构的坍塌力和平台力有显著提高。研究结果为多孔材料工程产品优化设计提供了相关依据。     

铝合金/碳纤维超混杂薄壁吸能结构的制备及性能研究

纤维/金属超混杂复合管在提高整体结构碰撞吸能性能的同时又具有显著的轻量化效果,在吸能结构材料应用领域具有良好的应用前景和优势.通过热压成形与螺栓连接相结合的方法制备铝合金/碳纤维超混杂薄壁吸能结构,讨论不同尺寸的双耳端结构、螺栓连接位置与数目在轴向压溃下对薄壁吸能结构失效行为及吸能性能的影响.试验结果表明:双耳端尺寸与螺栓位置影响结构的层间结合性能,双耳长度为12、18 mm时容易造成应力集中,从而影响结构在轴向压溃下的失效形式与吸能特性;螺栓连接数目影响结构的强度与层间结合性能,5螺栓连接的薄壁吸能结构拥有最优吸能性能与失效形式.     

泡沫填充圆管的动态轴向压缩吸能特性

为开发可用于汽车安全设计和航天器回收等领域的新型碰撞吸能结构,在泡沫填充圆管受准静态轴向压缩吸能特性分析模型的基础上,建立了轴向压缩条件下的动态吸能特性分析模型。分析结果表明,加载速率对泡沫填充圆管的吸能能力有较大影响,吸能能力随加载速率的增大而提高。该文还采用LS-DYNA软件对泡沫填充圆管的轴向压缩吸能过程进行了数值模拟,并与理论分析结果进行了对比。结果表明,二者具有较好的一致性。     

Li原子修饰一维六角硼烯链团簇的结构及储氢性能研究

采用密度泛函理论(DFT)方法研究Li原子修饰一维六角硼烯链团簇的结构及其储氢性能。结果表明,氢分子能在Li原子修饰一维六角硼烯链团簇表面吸附,每个Li原子周围可以有效吸附两个H2,几何结构和电子性质的稳定性及合适的吸氢条件表明Li原子修饰一维六角硼烯链团簇材料在常温常压条件下可以作为有效储氢媒介。     

油船舷侧局部结构冗余度研究

为研究油船舷侧局部结构的破坏机理,建立冗余度评估方法,预报油船舷侧局部结构失效后的安全性。基于冗余技术的并行原理,在三舱段分析模型的基础上,进行油船舷侧局部结构失效路径判断,并基于后屈曲理论和非线性有限元方法,应用储备冗余度因子作为结构冗余度的表达形式,对油船舷侧局部结构冗余度进行研究。结果表明：初步得到油船舷侧局部结构的失效路径符合实际,其中舷侧横框架失效,会随即引起舷侧结构整体失效,需要引起关注;目标船的舷侧局部结构冗余度计算结果不满足要求,与本文失效路径判断结果一致。     

组合式铝蜂窝低速冲击响应特性实验研究

以组合式铝蜂窝为研究对象,通过改进SHPB系统,利用激光光通量位移计和PVDF压电薄膜测试技术,得到了铝蜂窝结构大应变低速压缩应力应变曲线;结合高速摄影分析了组合式铝蜂窝结构在低速撞击条件下的变形响应方式和吸能特性过程.结果表明,组合式蜂窝结构动态吸能可分为蜂窝嵌入过程和结构共同压溃两个阶段,对于厚度相同的两级组合式铝蜂窝结构这两个阶段的转换变形应变约为0.5,嵌入阶段所吸收的能量占总吸能比约为25%;组合蜂窝结构的吸能效率曲线存在两个相当的峰值,约为40%.与准静态结果对比,动态加载条件下,组合式蜂窝结构吸能效果更好.      

考虑空化效应的水下爆炸舰船结构响应研究

建立某舰船典型舱段结构模型,采用声固耦合法分析舰船结构在水下爆炸作用下的动力响应特性,分析了二次加载及空化区域随时间的变化情况.当考虑空化效应时,分别给出药包在不同深度和不同舷侧角度爆炸情况下,舱段结构典型位置的加速度和速度响应量的时间历程曲线,总结了舱段典型位置各响应量峰值的变化规律.结果表明:空化区域溃灭产生的二次加载作用会对结构响应产生较大影响,在二次加载作用下结构振动更剧烈,载荷作用时间更长;相比于舱段底部,随着爆深的增加,甲板和舷侧的响应受二次加载的影响较小;当爆点沿舷侧不同角度分布时,对于舱底和甲板结构,型深方向的响应峰值均为最大.