爆炸冲击波作用下板架结构响应研究综述.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:王琰()男硕士研究生:.通信作者:蒋海燕()女博士研究员:.:./.爆炸冲击波作用下板架结构响应研究综述王 琰蒋海燕韩 璐苏健军杨 峰(西安近代化学研究所 西安)摘要:板架结构是飞机和水面舰艇主要的组成单元研究其在爆炸冲击波作用下的变形和破坏对目标结构的防护设计具有重要意义 国内外学者对板架结构在冲击波载荷作用下的变形与破坏进行了大量研究形成了诸多成果本文中从理论分析、实验研究和数值模拟 个方面总结了爆炸冲击波载荷作用下板架结构响应领域的研究现状并对未来研究方向提出一些建议为相关结构的抗爆设计以及战时毁伤评估提
2、供参考关键词:爆炸载荷板架结构动力响应研究综述本文引用格式:王琰蒋海燕韩璐等.爆炸冲击波作用下板架结构响应研究综述.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言板架结构是由一系列金属板材和骨架所组成的与平板相比其具有更大的抗弯能力和更轻的质量现已成为船舶、钢梁和飞机机翼等常用的结构件 随着现代军事技术的不断发展防空和反舰导弹等武器打击精度不断提升对飞机和舰艇战时的生存造成了极大威胁 而板架结构作为飞机与水面舰船的基本组成单元研究其在爆炸冲击载荷下的响应与破坏对于结构的抗爆设计和战时目标的毁伤评估具有非常重要的现实意义板架结构属于典型的薄壁结构由于骨架
3、的加强作用板的抗爆性能增加但可能会降低板的损伤容限比如破坏首先会发生在加强筋位置产生局部撕裂进一步造成构件毁伤 为使飞机和舰船类目标能有效的抵抗爆炸冲击波作用提高战时生存能力必须考虑板架结构在爆炸冲击波作用下的破坏行为 因此本文中调研了国内外相关文献研究成果针对爆炸冲击波载荷对板架结构的主要毁伤过程从理论分析、实验研究和数值模拟 个方面论述了国内外研究现状提出了目前亟需解决的关键问题为深入研究板架结构在爆炸冲击波作用下的毁伤机理对飞机舰船等目标战时的毁伤评估与防护设计提供参考 板架结构的动力响应理论研究由于爆炸载荷的复杂性目前理论研究集中于求解板架的弹塑性响应主要采用的理论方法有解析法、能量法
4、、等效单自由度()法和半经验半理论法.解析法解析法分析的主要过程是从板的动力学方程出发通过初始条件和边界条件来求得方程的封闭解黄震球等从板的运动方程出发根据加强筋的相对刚度和爆炸载荷峰值的大小提出了加筋板 种可能的变形模态如图 所示图 加筋板 种变形模式示意图.针对加筋刚度较弱时发生的变形模式刘敬喜等基于加筋板的运动方程发现在大变形条件下弯矩和剪力带来的影响很小此时可以考虑忽略弯矩项提出了一种对加筋板挠度变形预测的薄膜解法 刘尧进一步将薄膜解法应用到了十字加筋方板的情况 矩形板相比较于方板由于模型的不对称性在求解运动方程时需要考虑铰线位置参数和转角参数张升等将薄膜解法推广到十字和双十字加筋矩形
5、板的变形计算当中 等基于简化梁模型采用内切多边形线性化的屈服曲线来简化计算并讨论了脉冲强度、脉冲持续时间、板厚、加强筋间距和材料性能对加筋板位移响应的影响总的来看现有关于解析法的研究多用于处理均布载荷下板的弹塑性响应问题未能分析涉及结构的破坏以及局部荷载下板的响应 此外解析法对于加筋板的变形求解仅限于变形模式对于变形模式和的求解还未见诸报道.能量法能量法相比于解析法不需要考虑复杂的中间过程而只关心运动的最终状态只需给出问题的初值就可得到与模型近似度相适应的解求解过程更简单方便由于加筋形式和刚度的不同将会影响到面板的运动模态因此现有的研究大多针对某一具体加筋形式的加筋板展开 对于单向加筋板吴有生
6、等针对加筋不强的情况利用能量法推导了非接触爆炸下加筋板的中心位移近似计算公式发现塑性变形与爆距的倒数近似满足正比关系 牟金磊等根据加筋刚度不同导致的 种变形模态将第 种变形模式分解为整体变形和局部变形的叠加基于能量原理给出了 种变形模式塑性变形统一形式的工程预测公式对于双向形式的复杂加筋板唐文勇等假设加筋板动力响应的变形模式与静力极限相同导出了指数形式爆炸载荷下加筋板的最大残余变形公式能量法忽略了中间的响应过程简化了问题的求解如果只关心结构最终的变形与破坏情况能量法相比于解析法具有巨大的优势但如果研究结构的具体响应过程能量法就显得无能为力 此外在运用能量法求解板架结构的响应时通常需要实验或数值
7、仿真来确定结构的运动模态才能建立正确的数学模型和能量方程.在爆炸载荷作用下的结构工程分析当中一种常用的方法是将问题近似为 系统该方法具有计算模型简单、概念清晰等特点在计算中仅需输入有限的数据即可求解相比于传统经验公式适用性更强 相关理论也被船级社规范作为分析爆炸冲击载荷下舰船板架结构的变形手段之一 法由 和 提出该模型基本的物理量是等效质量、等效刚度、等效荷载和等效屈服抗力等(图)吴迪等基于等效单自由度理论进行了近距空爆载荷加载圆板的响应分析 等进一步建立了矩形板在爆炸载荷下的非线性 模型计算了具有不同边界条件下的板的挠度、弯曲应力和膜应力 对于加筋板情况赵辰水等建立了单根加筋板的等效单自由度
8、系统模型求解了系统承受均布三角形载荷下无量纲运动方程的解并绘制了系统动态响应图谱 等考虑了材料应变率的影响并引入一种理想的固有阻力函数改进了简化理论可方便地评估爆炸载荷对结构的损伤图 等效单自由度系统.()为等效荷载为的等效质量为等效刚度兵 器 装 备 工 程 学 报:/./目前来看现有关于等效单自由度法的理论研究尚不能对结构承受非均布加载的情况进行分析计算也不能解决结构发生剪切破坏的问题因此 方法还有待完善.半理论半经验方法爆炸冲击响应过程作用机理复杂影响因素较多经验模型通过量纲分析并结合实验测试结果可给出一些毁伤参量计算的半理论半经验公式用来预测结构的残余变形和破口大小许多学者对结构在冲击
9、载荷下的动力响应进行了量纲分析研究 如 损伤数 响应数 由于冲击波载荷峰值高作用时间短作用效果与载荷冲量密切相关 等提出了基于冲量的损伤数用于梁和板的动力响应分析 改进了 损伤数给出了圆板与矩形板中点挠厚比与无量纲数之间的关系 等 考虑了爆距的影响引入了参数 来修正 提出的无量纲数需要指出的是在自由场爆炸中冲量可以很容易通过经验公式来确定 然而在封闭爆炸场景中由于多次反射冲击波和长时间准静态压力很难确定施加在板上的有效冲量 因此 等 基于固支方板的无量纲化控制方程推导出了不包含输入冲量的平板响应无量纲数并结合实验数据进行了挠度与无量纲数之间的函数拟合:对于空爆情况:()().()对于内爆情况:
10、()().()其中:为爆炸当量 为材料刚度为材料密度为屈服强度 为爆距 为板长 为板厚 为变形挠度 为爆炸总能量需要注意的是是基于板的小挠度假设仅考虑了变形过程中的弯矩和剪力忽略了中面膜力的影响因此在板发生大变形时是否适用还有待验证 等 进一步提出了评估方形薄板在内爆炸载荷作用下发生塑性大变形时的无量纲损伤数该无量纲损伤数考虑了舱室体积、炸药能量、结构几何尺寸及屈服强度等因素目前关于板架结构冲击响应的量纲分析研究开展工作较多给出了众多的无量纲数(表)用以分析和识别板的损伤模式但需要指出的是量纲分析仅能给出独立的无量纲数之间的一般关系每个无量纲数的相对重要性和之间的关系必须通过分析、实验和数值模
11、拟等手段来确定表 板架结构冲击响应无量纲数总结 文献年份无量纲数应用描述 评估结构动态响应未考虑结构尺寸 评估结构动态响应包含了冲量圆板:()方板:()预测平板变形未考虑爆距()评估梁动态响应考虑了结构尺寸 分析结构动力弯曲考虑了梁横向剪切效应 圆板:()()()()()矩形板:()()()()()预测平板变形挠度考虑了爆距、板的尺寸王 琰等:爆炸冲击波作用下板架结构响应研究综述续表(表)文献年份无量纲数应用描述 空爆:()内爆:预测平板变形适用于小变形预测加筋板在内爆下的变形()预测内爆下板的变形适用于大变形 预测内爆下板的破坏模式预测内爆下多舱室的毁伤情况()判别近距爆炸下 型加筋板的损伤
12、 预测内爆下加筋舱室的损伤 ()预测静、动爆条件下舱室结构的破坏 板架结构的动力响应实验研究由于爆炸载荷冲击板架的过程涉及瞬态冲击、塑性大变形导致的几何非线性和物理非线性等复杂问题因此其研究方法更加突出实验研究通过实验来了解毁伤过程和机理从而指导并建立理论模型和方法 根据施加载荷的不同本节将从均布、局部、内部爆炸 个方面来介绍板架响应.均布爆炸荷载下的响应对于平板的研究和 等在进行冲击载荷下固支圆板和方板的破坏实验中观察到板的 种变形模式(图)当载荷比较小时板表现为较大的塑性变形(型破坏模式)中点位移随着载荷的增加而增大 随着载荷的增大平板边界发生颈缩(模式或 破坏模式取决于颈缩的范围)当载荷
13、达到某个临界阈值时板边界发生局部撕裂(型破坏模式)随着冲击载荷的进一步增大板的边界边缘出现拉伸撕裂 当冲击载荷大于边界完全撕裂的阈值时板的中点位移随冲击载荷的增大而减小破坏模式趋向于边界剪切失效(型破坏模式)对于加筋板的研究 等开展了 种不同加筋形式的加筋板在均布载荷下的破坏实验发现加筋板相较于无加筋板筋的加强作用可以有效的提高板的抗弯刚度减小板的塑性变形但筋的限制作用也容易使板沿着边界发生撕裂 等设计了一个可以产生平面波的实验装置研究了加筋板在平面冲击波作用下的动态响应图 均布载荷下圆板的失效模式.此外在加筋板加工过程中往往需要将加强筋焊接到面板上 为了研究焊缝数量对板响应的影响 等采用弹道
14、摆对无、单和双焊缝板进行了 次均匀加载实验(图)发现双焊缝板在长边固支边界处产生了较大的塑性变形和较小的减薄现象表明焊缝在提高板的变形抗力的同兵 器 装 备 工 程 学 报:/./时也有降低板损伤容限的趋势图 不同焊缝数量板的变形截面图.局部爆炸荷载下的响应局部爆炸载荷作用下板架结构可能出现局部塑性大变形、颈缩、冲碟以及花瓣开裂等破坏模式与药量、爆距、边界条件以及板厚等息息相关对于平板的情况 等在进行局部加载方板的实验中观察到了与均布载荷作用下不同的损伤模式:模式(中心区域塑性大变形并出现颈缩现象)模式(中心区域出现部分撕裂)模式(边界部分撕裂中部出现破裂)等 进一步考虑了板厚和板长宽比对板响
15、应的影响(图)发现矩形板的损伤模式与圆形板类似 之后又研究了爆距对固支圆板动态响应的影响随着爆距的减小板中部会逐渐出现花瓣开裂产生大的破口 为了对破口直径做出预测韩璐开展了近距爆炸下矩形板的破坏实验给出了板的破裂判据和最大破口直径计算公式 随着爆距的逐渐增大平板会表现出一种弹性回弹现象(即残余变形小于峰值瞬态变形)为此 等开展了一系列固支钢板局部冲击加载实验给出了弹性回弹大小与爆距之间的定量关系图 近距爆炸下平板的破坏形貌.加筋板由于加强筋对板的限制作用会表现出与平板不同的变形行为 等开展了 种加筋形式方板在局部爆炸载荷下的响应实验与平板不同的是由于加强筋的紧固作用板会首先沿着加强筋产生撕裂
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