金屬夾芯板是一類具有較高比剛度和比強度的復(fù)合結(jié)構(gòu),通常由前后面板和中間芯層材料組合而成。在爆炸載荷下,夾芯板能夠通過面板變形和芯層漸進(jìn)壓縮吸收載荷作用在結(jié)構(gòu)上的能量。面板和芯層材料參數(shù)的高度可調(diào)節(jié)性,使夾芯結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)不同的服役環(huán)境,因此在軍事和民用工程中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在高速機車、航空航天器和軍事防護(hù)工程中。隨著該類結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展,近年來在海洋工程中也開始得到應(yīng)用。在這種新的服役環(huán)境下,系統(tǒng)的研究水背夾芯板在水下爆炸加載下的動態(tài)力學(xué)行為、變形失效模式和沖擊波衰減機理對于夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有十分重要的意義。首先設(shè)計并制作能夠?qū)崿F(xiàn)水下爆炸加載和結(jié)構(gòu)水背工況的沖擊擺實驗裝置。為了實現(xiàn)夾芯結(jié)構(gòu)背部與水完全接觸,擺錘中部為一密封艙。通過改變密封艙內(nèi)流體介質(zhì)的種類(空氣或水),實現(xiàn)結(jié)構(gòu)背部不同工況的實驗要求。利用有限水域水下爆炸加載裝置實現(xiàn)室內(nèi)條件下的水下爆炸加載實驗。通過一系列的實驗設(shè)計對該裝置在結(jié)構(gòu)迎爆面上加載壓力的分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。實驗結(jié)果表明,該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)條件下的近場水下爆炸加載實驗,并得到較好的重復(fù)性。蜂窩鋁夾芯板抗爆炸荷載的變形能力和沖擊波衰減性能力由結(jié)構(gòu)的整體配置決定。通過設(shè)計實驗,系統(tǒng)的研究了夾芯板設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)最終撓度變形和次生沖擊波強度的影響規(guī)律。使用輪廓掃描裝置,對變形后前后面板和芯層的上下表面進(jìn)行測量。蜂窩鋁芯層壓縮率在徑向的分布規(guī)律和芯層的體積壓縮率(體積應(yīng)變)通過對掃描結(jié)果的進(jìn)一步計算得到。實際應(yīng)用中,結(jié)構(gòu)后側(cè)往往為被保護(hù)目標(biāo),因此結(jié)構(gòu)對水下爆炸沖擊波動衰減能力不可忽略。結(jié)構(gòu)后側(cè)一定距離處的沖擊波壓力時程曲線通過壓力傳感器進(jìn)行測量,用于衡量夾芯結(jié)構(gòu)對水下爆炸沖擊波的衰減能力。次生沖擊波在時間尺度上分為三部分,其中第一部分為透射沖擊波,其強度為衡量結(jié)構(gòu)沖擊波衰減性能的主要參數(shù),第二部分為透射波到達(dá)結(jié)構(gòu)后側(cè)有限水艙壁面后產(chǎn)生的反射波在背部水域軸線的匯聚。結(jié)果顯示透射沖擊波強度與芯層密度成正比,與面板厚度和芯層厚度成反比。相比芯層厚度,芯層密度和面板厚度對透射波強度的影響更明顯。也就是說使用厚面板和低密度芯層能夠大幅降低透射波的強度。夾芯結(jié)構(gòu)背板的最終塑性變形較小,因此前面板的最終變形、芯層的壓縮率分布特征和體積應(yīng)變是衡量水背夾芯板抗水下爆炸變形能力的主要參數(shù)。對于相同芯層高度的夾芯板,當(dāng)面板較薄時,結(jié)構(gòu)前面板的最終變形在一定的環(huán)形區(qū)域內(nèi)會呈現(xiàn)出與加載方向相反的塑性變形(凸起變形),因此其表現(xiàn)為復(fù)雜的混合變形模式。此外,在這種配置下,芯層變形表現(xiàn)出三種特征:Ⅰ、中心一定范圍內(nèi)表現(xiàn)為整體密實化;Ⅱ、在靠近固支邊界區(qū)域出現(xiàn)剪切失效,Ⅲ、芯層體積應(yīng)變較大。通過使用較厚的面板或屈服強度較大的芯層,能夠簡化前面板的變形模式,而對于芯層,這種改變能夠降低壓實區(qū)域的面積或中心點的壓縮率。因此通過提高芯層的屈服強度和面板的厚度能夠在降低芯層的體積應(yīng)變和前面板中心點的撓度,但改變范圍有限。當(dāng)芯層中心區(qū)域表現(xiàn)為部分壓縮時,前面板中心點的撓度隨面板厚度和芯層密度增加而降低:當(dāng)芯層中心區(qū)域為完全壓實時,對于面板厚度較薄和芯層密度較低的夾芯板,由于凸起變形的存在,其前面板中心點表現(xiàn)出較小的撓度。芯層厚度是另一關(guān)鍵設(shè)計參數(shù),在夾芯結(jié)構(gòu)具有相同面板時,提高芯層的高度能夠大幅降低芯層在中心點的壓縮率和芯層整體的體積應(yīng)變,同時前面板的撓度變形也會有所增加。但當(dāng)芯層達(dá)到一定厚度,芯層中心區(qū)域為部分壓縮,同時前面板撓度達(dá)到該加載強度下的最大值。對于一個設(shè)計優(yōu)秀的結(jié)構(gòu),動態(tài)荷載能量能夠通過結(jié)構(gòu)自身的塑性變形進(jìn)行耗散,這種塑性變形包括面板的撓度變形和芯層的漸進(jìn)壓縮變形,結(jié)構(gòu)整體在保證芯層完全密實化前能夠耗散全部荷載能量并將透射沖擊波強度降低至可接受范圍內(nèi)。通過對比實驗研究了水下爆炸加載下夾芯結(jié)構(gòu)的變形破壞模式。水下爆炸加載下,空背固支夾芯結(jié)構(gòu)的背板表現(xiàn)出整體大撓度變形,前面板表現(xiàn)出相同趨勢的球冠狀變形模式。水背固支夾芯結(jié)構(gòu)背板的撓度變形較小,相較于前面板和空背夾芯結(jié)構(gòu)的背板,其最終的塑性變形可以忽略。芯層變形為整體壓實失效時,前面板的最大撓度變形與結(jié)構(gòu)芯層厚度相近。對于空背結(jié)構(gòu),隨著水下爆炸強度的增加,空背夾芯結(jié)構(gòu)的前后面板撓度都會增加,但背板在固支邊界附近表現(xiàn)為剪切破壞。同樣變化條件下,蜂窩鋁芯層的壓縮程度在中心區(qū)域有所增加,但在固支邊界處的增加更為明顯。而受水的約束,水背固支板在水下爆炸強度增加時,背板撓度無明顯變化,且無破壞出現(xiàn)。芯層中心區(qū)域壓縮率和芯層整體的體積應(yīng)變與載荷強度成正比,并且體積應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的上限。由此可知,水下爆炸加載下,背部介質(zhì)的種類會影響結(jié)構(gòu)的毀傷機理�？毡辰Y(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為大撓度變形,并隨爆炸加載強度增加而產(chǎn)生剪切破壞。而水背結(jié)構(gòu),由于水的支撐作用,整體為前面板撓度變形和芯層在中心區(qū)域的壓縮為主。這種變形失效機理既能充分利用芯層來吸收載荷能量,也可以提高結(jié)構(gòu)抗破壞能力�；谖闹械膶嶒灲Y(jié)果,利用LS-DYNA對水背夾芯結(jié)構(gòu)在水下爆炸加載下的動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。對比數(shù)值模擬和實驗中結(jié)構(gòu)的最終變形和結(jié)構(gòu)后側(cè)沖擊波壓力時程曲線,有限元模型取得了較好的模擬結(jié)果�；诳毡辰Y(jié)構(gòu)在爆炸加載下的動態(tài)響應(yīng)模型,初步建立的水背結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)模型。在水背工況下夾芯結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型共分為三個階段;Ⅰ、與空背工況相同為入射沖擊波與前面板的相互作用,前面板被加速并向后壓縮芯層結(jié)構(gòu),除此之外,結(jié)構(gòu)后側(cè)產(chǎn)生一定強度的透射波;Ⅱ、芯層壓縮,在此階段,夾芯結(jié)構(gòu)前面板向后運動壓縮芯層材料,蜂窩鋁在面外方向漸進(jìn)壓縮,使前面板減速,由于結(jié)構(gòu)后側(cè)水的存在,在一定時間內(nèi)背板為準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài);Ⅲ、結(jié)構(gòu)整體與結(jié)構(gòu)后側(cè)水域的相互作用,在結(jié)構(gòu)運動的作用下,與結(jié)構(gòu)后側(cè)接觸的水被壓縮和流動,并產(chǎn)生一定強度的擾動。利用LS-DYNA對具有相同面密度的不同參數(shù)配置的夾芯板進(jìn)行數(shù)值模擬,研究其變形過程中的能量耗散規(guī)律。模擬結(jié)果顯示水背結(jié)構(gòu)在能量耗散過程中主要依靠前面板變形和芯層的壓縮。并進(jìn)一步提出優(yōu)化升級方案,驗證模擬結(jié)果顯示優(yōu)化設(shè)計方案中使用低密度芯層和較厚的前面板能夠提高夾芯結(jié)構(gòu)整體抗爆炸變形能力和沖擊波衰減能力,并在本文中的模擬爆炸強度下仍保持一定的冗余強度,即結(jié)構(gòu)能夠承受更大強度的水下爆炸載荷。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB301
【部分圖文】：

?（１２）??圖１．２蜂窩鋁結(jié)構(gòu)［１０］??典型蜂窩結(jié)構(gòu)的單個胞元如圖１．２所示，由圖可知蜂窩鋁所有胞元壁面的法??線共面，因此該類結(jié)構(gòu)可以分為面內(nèi)（Ｉｎ－ｐｌａｎｅ）和面外（〇ｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ）。這種各??向異性的構(gòu)型決定其力學(xué)性能在不同方向上也不同，在準(zhǔn)靜態(tài)或動態(tài)載荷作用下，??３??

Ｐｒ＝＾Ｌａ?（１２）??圖１．２蜂窩鋁結(jié)構(gòu)［１０］??典型蜂窩結(jié)構(gòu)的單個胞元如圖１．２所示，由圖可知蜂窩鋁所有胞元壁面的法??線共面，因此該類結(jié)構(gòu)可以分為面內(nèi)（Ｉｎ－ｐｌａｎｅ）和面外（〇ｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ）。這種各??向異性的構(gòu)型決定其力學(xué)性能在不同方向上也不同，在準(zhǔn)靜態(tài)或動態(tài)載荷作用下，??３??

第１章緒論???表１．１不同加載方向下的彈性模量（Ｅｌａｓｔｉｃ?ｍｏｄｕｌｕｓ）和屈服應(yīng)力（Ｙｉｅｌｄ?ｓｔｒｅｓｓ）?［２］??￣Ｓ．?ｎｏ．?Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ?Ｅｌａｓｔｉｃ?ｍｏｄｕｌｕｓ?（ＭＰａ）?Ｙｉｅｌｄ?ｓｔｒｅｓｓ?（ＭＰａ）??１?Ｗ?０．３５?±?０．００４?０．０２８?±?０．００４??２?Ｌ?０．６５?±０．１?０．０４?±０．００４??３?Ｔ?１００?士?２?２．４５?士?０．０５??對蜂窩鋁面內(nèi)不同應(yīng)變率下的加載實驗證明，隨應(yīng)變率上升，面內(nèi)加載下的??窩鋁會表現(xiàn)出不同的變形失效機理，準(zhǔn)靜態(tài)面內(nèi)加載下蜂窩鋁在彈性段結(jié)束后，??性屈服首先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)整體最弱的位置，并隨應(yīng)變增加屈服位置增加，并以此??強度最低的位置出現(xiàn)屈服，并最終壓實。在動態(tài)面內(nèi)加載下，蜂窩鋁會呈現(xiàn)逐??潰現(xiàn)象。??）面外加載??（ａ）?（ｂ）??
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳珠鳳;;水下安全引爆劑[J];航海;1987年06期

2 辛春亮;王新泉;涂建;王偉;葉志萍;;遠(yuǎn)場水下爆炸作用下平板的沖擊響應(yīng)仿真[J];彈箭與制導(dǎo)學(xué)報;2017年02期

3 馬曉蕾;趙紅光;;水下爆炸試驗工程系統(tǒng)研究[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報;2012年32期

4 ;ANSYS AUTODYN在水下爆炸模擬中的應(yīng)用[J];CAD/CAM與制造業(yè)信息化;2005年07期

5 王明貴;賈志飛;;水下爆炸測量設(shè)備可靠性設(shè)計[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報;2012年16期

6 韓亞莉 ,趙保瑚;水下爆炸中鋁圓柱殼的載荷分析[J];魚雷技術(shù);2001年02期

7 鄭監(jiān);盧芳云;李翔宇;;金屬板在水下爆炸加載下的動態(tài)響應(yīng)研究進(jìn)展[J];中國測試;2018年10期

8 金輝;高浩鵬;彭玉祥;管啟亮;;兵器近場水下爆炸對目標(biāo)的毀傷特性研究[J];兵工學(xué)報;2015年S1期

9 鄒祖軍;周江濤;;一種標(biāo)校水下爆炸壓力傳感器的實驗方法[J];傳感器世界;2010年06期

10 羅松林,葉序雙,顧文彬,劉文華,陽天海,張鵬祥;水下爆炸研究現(xiàn)狀[J];工程爆破;1999年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 任麗杰;近場水下爆炸加載下水背固支多孔金屬加芯板動力響應(yīng)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 賈憲振;基于通用程序的水下爆炸及其對結(jié)構(gòu)作用的數(shù)值模擬研究[D];南京理工大學(xué);2008年

3 于福臨;實船非接觸水下爆炸試驗測試及響應(yīng)特性研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

4 張文鵬;水下爆炸與波浪載荷作用下船體結(jié)構(gòu)動力計算研究[D];大連理工大學(xué);2013年

5 王振宇;水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)分析[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

6 楊文山;水下接觸爆炸艦船局部毀傷及防護(hù)機理[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

7 肖巍;基于雙漸近法的水下爆炸流固耦合效應(yīng)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2014年

8 張弩;球形氣泡載荷作用下船體結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)研究[D];大連理工大學(xué);2012年

9 肖鋒;艦艇抗沖防護(hù)覆蓋層水下抗爆機理及實驗研究[D];上海交通大學(xué);2014年

10 陸路;混凝土重力壩在水下沖擊波作用下的損傷及防護(hù)決策研究[D];大連理工大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李雙;水下爆炸對板殼結(jié)構(gòu)破壞機理研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2004年

2 李洪濤;基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃卤▔毫b測系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)[D];中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2002年

3 譚皓洋;基于CEL方法的艦船近場水下爆炸全過程數(shù)值模擬研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2017年

4 李蓉艷;水下爆炸信號特征分析方法研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2001年

5 羅寅;艦船沖擊環(huán)境分形特性研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

6 姬秀濱;小水線面雙體船水下爆炸沖擊環(huán)境特性分析[D];哈爾濱工程大學(xué);2014年

7 逄春京;水下爆炸氣泡動過程的數(shù)值模擬研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

8 呂錦鋒;高速侵徹體與水下爆炸波對艦舷結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用研究[D];南京理工大學(xué);2005年

9 寇曉楓;空氣夾層結(jié)構(gòu)的水下爆炸防護(hù)效果研究[D];武漢大學(xué);2017年

10 張愛國;大型艦船水下爆炸結(jié)構(gòu)安全性研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

本文編號：2844627