水下爆炸沖擊載荷等效加載實驗設(shè)備的研制結(jié)題摘要

新材料與結(jié)構(gòu)在艦船和潛艇水下防護上的廣泛應(yīng)用，使得它們在水下爆炸沖擊載荷作用下的動力學(xué)響應(yīng)研究引起高度的重視，但實驗研究方法主要依賴于水下實爆和水池實驗，十分不便。因此，如何在實驗室中實現(xiàn)模擬水下爆炸沖擊波環(huán)境極為有必要。 基于彈性波理論與數(shù)值仿真技術(shù)，對撞擊產(chǎn)生等效水下爆炸沖擊波的原理進(jìn)行了研究，驗證了裝置的可行性。研制出了一臺等效沖擊加載實驗裝置，它由一級輕氣炮、水靶艙、方艙、壓力采集以及飛片測速系統(tǒng)等組成。通過試驗校核了沖擊波壓力時程，發(fā)現(xiàn)撞擊速度與活塞厚度分別決定沖擊波的壓力峰值與脈寬?；跀?shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法，搭建了三維動態(tài)DIC測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高速相機、鹵素?zé)簟?shù)據(jù)采集工作站以及同步觸發(fā)裝置組成，實現(xiàn)了對靶板響應(yīng)過程的拍攝，可得到干表面的離面位移場的形成與演化過程。 對鋁靶板沖擊的加載實驗與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在鋁板響應(yīng)前期，位移場是由外向內(nèi)呈現(xiàn)“環(huán)形”過渡演化的，邊界存在彎曲現(xiàn)象；當(dāng)達(dá)到最大變形后出現(xiàn)微小的“回彈”。在無邊界剪裂的情況下，鋁板的最大離面位移與無量綱沖量成線性關(guān)系。對蜂窩鋁板的沖擊實驗表明，增加芯層厚度明顯增強了蜂窩鋁板的抗沖擊能力。芯層在受載前期被壓垮壓實，靶板中心產(chǎn)生大面積變形區(qū)，之后蜂窩鋁的變形過程與鋁板一致，即最大變形由外向中心過渡。蜂窩鋁板主要毀傷模式有：芯層壓潰整體大變形伴隨濕表面褶皺、干表面邊界剪裂破壞、濕表面芯層壓痕以及整體翹曲。纖維板的沖擊實驗表明，CFRP與GFRP均呈現(xiàn)脆性破壞特性，在受載初期呈現(xiàn)一定的線彈性。CFRP易產(chǎn)生裂紋撕裂，且斷口粗糙，存在分層、纖維拔出等現(xiàn)象，脆性特征顯著。GFRP受載后的離面位移場會不斷振蕩，且材料內(nèi)部出現(xiàn)層裂區(qū)域，載荷越大層裂區(qū)域也越大，同時伴隨基體開裂與纖維界面脫粘。預(yù)制裂紋在靶板破壞過程中起到的關(guān)鍵作用，“十”字預(yù)制刻槽的銅板主要有中心局部頸縮、中心鏤空和十字形撕裂的破壞模式。泡沫鋁板主要有兩種破壞模式，即小載荷時約束邊界處發(fā)生邊界剪裂，強載荷下中心區(qū)域易發(fā)生斷裂毀傷且約束邊界處發(fā)生邊界剪裂，中心斷裂會產(chǎn)生三條裂紋。 本項目的研究表明，等效沖擊加載實驗設(shè)備的研制能夠在一定程度上替代水下爆炸沖擊響應(yīng)實驗，使材料與結(jié)構(gòu)的水下爆炸沖擊響應(yīng)研究更加方便、安全，也更具可控性，將有力地促進(jìn)水下爆炸沖擊下材料與結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)研究，相關(guān)工作具有科學(xué)意義與應(yīng)用價值。 2100433B

隨著各種材料與結(jié)構(gòu)在艦船和潛艇水下防護上的廣泛應(yīng)用，這些材料和結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊載荷作用下的動力學(xué)響應(yīng)研究已引起高度的重視。目前，實驗研究方法主要依賴于水下實爆和水池實驗，較為不便。因此，如何在實驗室中實現(xiàn)模擬水下爆炸沖擊波環(huán)境，已成為迫切的研究需求。本項目通過理論、數(shù)值模擬及實驗的方法，研制實驗室內(nèi)專用設(shè)備，在不使用炸藥的情況下，利用液氮驅(qū)動高速彈丸，撞擊充水靶倉獲取等效水下爆炸沖擊波載荷的方法，建立撞擊等效水下爆炸沖擊響應(yīng)實驗設(shè)備。研究不同材料與典結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊載荷作用下的失效模式與吸能變形特性，并結(jié)合水下爆炸實驗與數(shù)值仿真技術(shù)驗證等效加載實驗設(shè)備的有效性。沖擊加載實驗設(shè)備的建立能夠在一定程度上替代水下爆炸沖擊響應(yīng)實驗，使材料與結(jié)構(gòu)的水下爆炸沖擊響應(yīng)研究更加方便、安全，也更具可控性，這將有力地促進(jìn)水下爆炸沖擊下材料與結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)研究，相關(guān)工作具有科學(xué)意義與應(yīng)用價值。

為驗證ANSYS是否將載荷步一與載荷步二的力進(jìn)行疊加計算的，先分別加載對其進(jìn)行驗證分析。對比驗證步驟：

對比1：載荷為10000N，施加于圓柱端面，并查看結(jié)果；

對比2：載荷為10000N力，施加與梁的頂部，并查看結(jié)果；

對比3：將載荷為別為10000N，分別分為載荷步一施加于圓柱端面，載荷步二施加與梁的頂部，并查看結(jié)果。

等效均布載荷，在結(jié)構(gòu)上所得的載荷效應(yīng)能與實際的載荷效應(yīng)保持一致的均布載荷。結(jié)構(gòu)設(shè)計時,樓面上不連續(xù)分布的實際載荷,一般采用均布載荷代替。

《巖土中的沖擊爆炸效應(yīng)》全面介紹了國內(nèi)外以及作者團隊在巖土沖擊爆炸動力學(xué)領(lǐng)域試驗研究和理論研究的最新成果。這些研究以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)；緊密聯(lián)系巖土介質(zhì)的物理力學(xué)特性和幾何邊界；既考慮巖土介質(zhì)的均勻、固相特點，又考慮了巖土介質(zhì)的非均勻、非連續(xù)和多相多組分的特點；適度研究了沖擊爆炸能量在巖土介質(zhì)中的時空轉(zhuǎn)化及其尺度效應(yīng)。通過《巖土中的沖擊爆炸效應(yīng)（精裝）》可以確定巖土中爆炸時和誘生爆炸波時以及彈體在巖土中侵徹時介質(zhì)和彈體的運動參數(shù)和力學(xué)參數(shù)。