水下爆炸沖擊載荷等效加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制

新材料與結(jié)構(gòu)在艦船和潛艇水下防護(hù)上的廣泛應(yīng)用，使得它們?cè)谒卤_擊載荷作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究引起高度的重視，但實(shí)驗(yàn)研究方法主要依賴于水下實(shí)爆和水池實(shí)驗(yàn)，十分不便。因此，如何在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)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(duì)撞擊產(chǎn)生等效水下爆炸沖擊波的原理進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了裝置的可行性。研制出了一臺(tái)等效沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置，它由一級(jí)輕氣炮、水靶艙、方艙、壓力采集以及飛片測(cè)速系統(tǒng)等組成。通過(guò)試驗(yàn)校核了沖擊波壓力時(shí)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(dòng)態(tài)DIC測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高速相機(jī)、鹵素?zé)?、?shù)據(jù)采集工作站以及同步觸發(fā)裝置組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶板響應(yīng)過(guò)程的拍攝，可得到干表面的離面位移場(chǎng)的形成與演化過(guò)程。 對(duì)鋁靶板沖擊的加載實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在鋁板響應(yīng)前期，位移場(chǎng)是由外向內(nèi)呈現(xiàn)“環(huán)形”過(guò)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(wú)邊界剪裂的情況下，鋁板的最大離面位移與無(wú)量綱沖量成線性關(guān)系。對(duì)蜂窩鋁板的沖擊實(shí)驗(yàn)表明，增加芯層厚度明顯增強(qiáng)了蜂窩鋁板的抗沖擊能力。芯層在受載前期被壓垮壓實(shí)，靶板中心產(chǎn)生大面積變形區(qū)，之后蜂窩鋁的變形過(guò)程與鋁板一致，即最大變形由外向中心過(guò)渡。蜂窩鋁板主要?dú)Ｊ接校盒緦訅簼⒄w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(shí)驗(yàn)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(chǎng)會(huì)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(shí)伴隨基體開(kāi)裂與纖維界面脫粘。預(yù)制裂紋在靶板破壞過(guò)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(shí)約束邊界處發(fā)生邊界剪裂，強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生三條裂紋。 本項(xiàng)目的研究表明，等效沖擊加載實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(dòng)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(jià)值。 2100433B

隨著各種材料與結(jié)構(gòu)在艦船和潛艇水下防護(hù)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究已引起高度的重視。目前，實(shí)驗(yàn)研究方法主要依賴于水下實(shí)爆和水池實(shí)驗(yàn)，較為不便。因此，如何在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)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(xiàng)目通過(guò)理論、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的方法，研制實(shí)驗(yàn)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(dòng)高速?gòu)椡?，撞擊充水靶倉(cāng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真技術(shù)驗(yàn)證等效加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備的有效性。沖擊加載實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(dòng)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(jià)值。

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

對(duì)比1：載荷為10000N，施加于圓柱端面，并查看結(jié)果；

對(duì)比2：載荷為10000N力，施加與梁的頂部，并查看結(jié)果；

對(duì)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(shí)際的載荷效應(yīng)保持一致的均布載荷。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),樓面上不連續(xù)分布的實(shí)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(guó)內(nèi)外以及作者團(tuán)隊(duì)在巖土沖擊爆炸動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域試驗(yàn)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(diǎn)，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(diǎn)；適度研究了沖擊爆炸能量在巖土介質(zhì)中的時(shí)空轉(zhuǎn)化及其尺度效應(yīng)。通過(guò)《巖土中的沖擊爆炸效應(yīng)（精裝）》可以確定巖土中爆炸時(shí)和誘生爆炸波時(shí)以及彈體在巖土中侵徹時(shí)介質(zhì)和彈體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)。