本文關(guān)鍵詞： 抗爆容器 動力響應(yīng) 鋁合金內(nèi)襯 復(fù)合材料 分層失效 抗爆性能 數(shù)值模擬 內(nèi)聚力 纏繞方式　出處：《浙江大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：抗爆容器是一種特殊容器,能夠限制內(nèi)部易爆物質(zhì)如炸藥等發(fā)生爆炸產(chǎn)生的沖擊波等爆炸產(chǎn)物的作用范圍,從而為容器周圍的人員和設(shè)備等提供有效的近距離保護,因此被廣泛應(yīng)用于軍事國防、科學(xué)研究、爆炸加工以及公共安全等領(lǐng)域。近年來恐怖襲擊等安全問題屢有發(fā)生,人們對公共安全的重視程度越來越高,質(zhì)量輕、可移動式的抗爆容器需求量日益增加。復(fù)合材料由于其具備比強度高、耐腐蝕、可設(shè)計性強等優(yōu)點是制造這類抗爆容器的首選材料,因此對復(fù)合材料抗爆容器動力響應(yīng)的研究具有十分重要的意義。本文在國家自然科學(xué)基金課題“基于細觀力學(xué)的復(fù)合材料抗爆容器動力響應(yīng)機理研究”(項目編號51275455)的支持下,開展了樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料抗爆容器動力響應(yīng)的研究。主要研究內(nèi)容以及結(jié)論如下：(1)研制了三種不同纏繞方式的鋁合金內(nèi)襯環(huán)氧樹脂玻璃纖維增強復(fù)合材料抗爆容器,并對其進行了爆炸加載試驗研究,試驗過程中設(shè)計了新的炸藥固定裝置。根據(jù)試驗結(jié)果從宏觀和微觀兩方面系統(tǒng)分析了含內(nèi)襯復(fù)合材料抗爆容器在不同炸藥當量爆炸作用下的失效模式,并分析其失效機理及影響因素。結(jié)果表明：抗爆容器在內(nèi)部爆炸載荷作用下會出現(xiàn)多種失效形式并存的現(xiàn)象,其中分層失效在當量較低的時候也會出現(xiàn),發(fā)生貫穿裂紋時纖維斷裂屬于脆性斷裂而鋁合金內(nèi)襯為韌性斷裂。此外復(fù)合材料抗爆容器失效形式與復(fù)合材料層纏繞方式有關(guān),當全環(huán)向纏繞時會出現(xiàn)特殊的軸向分層失效導(dǎo)致復(fù)合材料層形成環(huán)向貫穿裂紋。對應(yīng)變數(shù)據(jù)分析表明復(fù)合材料抗爆容器爆心截面處并未發(fā)生應(yīng)變增長現(xiàn)象,但封頭與筒體連接處發(fā)生了應(yīng)變增長現(xiàn)象。此外確定了本文中三種復(fù)合材料抗爆容器的抗爆性能(出現(xiàn)貫穿裂紋時炸藥與容器質(zhì)量比)范圍依次為1.67%～2.65%、1.99%～2.65%、3.14%～3.67%,均高于單層金屬抗爆容器的抗爆性能。(2)建立了含內(nèi)襯復(fù)合材料抗爆容器內(nèi)部爆炸加載作用下系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)值計算模型。該模型基于多物質(zhì)拉格朗日歐拉方法建立,通過使用固連失效接觸方法并引入內(nèi)聚力失效準則成功實現(xiàn)了對復(fù)合材料層間分層失效的模擬,數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果符合良好。利用數(shù)值方法對鋁合金內(nèi)襯在內(nèi)部爆炸載荷作用下的動力響應(yīng)、復(fù)合材料層內(nèi)分層失效機理及其行為演化以及等質(zhì)量下的復(fù)合材料抗爆容器與單層金屬抗爆容器動力響應(yīng)不同進行了深入分析。結(jié)果表明：(a)鋁合金內(nèi)襯在內(nèi)部爆炸加載作用下爆心截面處發(fā)生軸向貫穿裂紋的位置具有一定的隨機性,極端炸藥當量下,裂紋除了沿軸向擴展外也會沿環(huán)向擴展,最終導(dǎo)致內(nèi)襯完全斷裂；(b)相同質(zhì)量的復(fù)合材料抗爆容器相比于單層金屬抗爆容器具備更好的抵抗變形能力,且系統(tǒng)響應(yīng)衰減速度更快；(c)復(fù)合材料層之間的動力響應(yīng)不一致包括振幅差以及相位差是分層失效發(fā)生的主要原因,而內(nèi)部的分層失效在爆炸載荷作用下會不斷擴展,也會引起周邊區(qū)域產(chǎn)生新的分層失效,最終分層失效擴展過程中會相互融合變成更大面積的分層失效。(3)研究了金屬內(nèi)襯對復(fù)合材料抗爆容器動力響應(yīng)的影響。研究從有無內(nèi)襯、內(nèi)襯厚度以及內(nèi)襯材料三個方面展開,結(jié)果表明：(a)金屬內(nèi)襯的加入使爆炸產(chǎn)生的能量能較快地施加在不同軸向位置的復(fù)合材料殼體上且系統(tǒng)響應(yīng)衰減速度更快,此外金屬內(nèi)襯能夠通過塑性變形吸收一定的爆炸能量,進而提高系統(tǒng)的抗爆能力；(b)隨著金屬內(nèi)襯厚度的增加,系統(tǒng)抵抗變形能力越強,而抗爆性能不一定增加；(c)當金屬內(nèi)襯部分質(zhì)量占整個容器比重很小時,同等厚度下內(nèi)襯材料剛度系數(shù)越大容器抗爆性能越好。(4)研究了纏繞方式對復(fù)合材料抗爆容器動力響應(yīng)的影響。對于全螺旋纏繞復(fù)合材料抗爆殼體,隨著螺旋角(與軸向夾角)增大復(fù)合材料層環(huán)向承載能力變大而軸向承載能力減弱,殼體抵抗變形的能力增強,系統(tǒng)響應(yīng)衰減速度越快,發(fā)生應(yīng)變增長的概率也越低；確定了單次使用復(fù)合材料抗爆容器復(fù)合材料層的最優(yōu)纏繞方式為采用螺旋與環(huán)向交替纏繞,且螺旋纏繞角度應(yīng)在40°左右。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ053.2;TB33

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本文編號：1534375