舱室复合材料结构的抗爆性能数值仿真

[目的]随着现代舰船技术的不断发展,以及对船体自身抵抗反舰武器打击能力的要求不断提高,复合材料广泛应用于舰船防护结构中。为探究舱室内爆过程中凯夫拉材料防护结构的抗爆性能,[方法]在建立含多层甲板的实船舱段有限元模型的基础上,在两甲板之间建立舱室结构模型,并在其围壁内铺设凯夫拉材料装甲防护结构,计算舱室内爆过程中凯夫拉材料装甲防护结构的动态响应及毁伤。为正确模拟凯夫拉材料各向异性材料的属性特征,采用实体单元建立装甲防护层,对围壁上单元节点与凯夫拉材料单元节点采用tie约束,以保证节点共同运动。[结果]结果显示,未采用防护材料的舱壁在爆炸冲击载荷下发生了完全撕裂破坏,而采用了防护材料的舱壁只在冲击波正对位置发生了局部撕裂破坏。[结论]通过对比分析舱内不同起爆位置、在有/无凯夫拉材料装甲防护结构条件下的舱室毁伤特征,可为舱室的抗爆防护设计起到一定的支撑作用。     

Ballistic performance of ultra-high molecular weight polyethylene laminates against fragment-simulating projectiles北大核心CSCD

[目的]旨在探究破片侵彻作用下高强聚乙烯(UHMWPE)纤维增强层合板的毁伤响应过程、失效模式转变和能量吸收特性。[方法]采用有限元软件ANSYS/AUTODYN,建立UHMWPE层合板抗破片侵彻数值模型,分析UHMWPE层合板的失效模式转变和能量吸收特性。[结果]破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程大致可以分为剪切冲塞阶段和拉伸变形阶段。破片入射速度和靶板厚度会直接影响靶板的能量吸收特性。靶板厚度越大,剪切冲塞模式占比越大。在靶板厚度不变的情况下,随着破片侵彻速度的提高,剪切冲塞模式占比越来越大,最终趋于稳定。在破片弹道极限速度以上初始小范围内,靶板吸能随破片入射速度增大有所减小,随后破片速度继续增加会扩大靶板剪切冲塞破坏范围,导致靶板整体吸能量增加。[结论]基于所建立的数值模型能够较好地模拟破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程,可以为UHMWPE材料在弹道防护领域的应用提供参考。     

复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素

基于二维Hashin失效准则,在充分考虑低速冲击下层合板纤维和基体拉压失效等损伤模式下,计及材料退化并引入损伤因子,运用ABAQUS软件建立复合材料层合板低速冲击有限元模型。运用该模型深入研究层合板低速冲击问题,考察其动态响应和损伤演化过程,数值结果和实验值吻合良好,验证模型的合理性和准确性。在此基础上,通过对层合板进行各冲击工况的数值模拟,详细讨论冲击能量、铺层形式等参数对层合板低速冲击动态响应和损伤特性的影响规律。     

舰船水下非接触爆炸响应的数值模拟

通过数值模拟研究舰船结构水下非接触爆炸载荷下的响应,以有限元方法建立有限水域中的整船结构的有限元模型,并应用声固耦合算法模拟整船的水下爆炸响应,得到结构的冲击加速度响应和冲击响应谱、瞬态应力／应变分布以及结构易于损坏的部位。     

穿甲弹侵彻靶板数值模拟研究

基于Johnson-cook材料屈服模型描述材料本构关系,引入材料失效参数与单元删除技术,运用ABAQUS建立穿甲弹侵彻目标靶板的三维数值模型,研究探讨穿甲弹对靶板结构的毁伤机理及弹体碰撞冲击作用下靶板结构的损伤模式和动响应特性。分析结果表明：单元失效删除技术适用于处理侵彻冲击等大变形问题,穿甲弹侵彻靶板是典型的冲塞破坏,数值模拟的弹体剩余速度与参考文献结果吻合较好,充分验证了文中所建立的数值模型在预测侵彻过程中的动力响应及损伤的合理准确性。该研究方法与结论可为进一步研究物体碰撞时的侵彻和材料失效问题提供依据,也为穿甲弹结构优化设计及舰船结构装甲防护设计提供参考。     

高强聚乙烯/负泊松比复合结构抗侵彻性能快速预报研究

本文旨在利用代理模型技术实现高强聚乙烯-负泊松比效应复合结构抗侵彻性能的快速预报,首先对高强聚乙烯层合板抗弹片侵彻数值仿真方法进行验证,建立可靠的高强聚乙烯-负泊松比效应复合结构抗侵彻数值仿真模型,并构建了其弹道极限快速预报的代理模型;分析了不同的代理模型方法和采样方式对代理模型精度的影响规律。结果表明,相较多项式响应面和径向基函数代理模型,Kriging代理模型的预报精度最高,最大相对误差为18.1%,归一化均方根误差为8.8%,相关系数为0.85;正交设计试验方法较拉丁超立方采样方式更适合复合结构弹道极限速度预报,本文为侵彻载荷下结构动态响应快速预报研究提供了参考。     

不同载荷形式下复合材料层合板渐进失效行为研究

近年来复合材料在船舶与海洋工程领域得到快速发展。船舶在服役周期内受载复杂,主要承载板材除受典型的面内拉压外载外,免不了遭受横向波浪载荷作用。研究复合材料层合板在不同载荷形式下结构的响应特征与损伤演化特性,有助于先进复合材料的性能评估及优化设计。本文采用三维实体单元及内聚力单元建立复合材料层合板模型进行计算分析,考察拉压载荷下层合板的极限承载能力与渐进失效过程,研究在横向载荷下层合板结构强度,对比分析其层内及层间损伤模式的差异性。     

连续玄武岩纤维增强复合材料船体水下爆炸响应的数值仿真

运用有限元程序MSC.Dytran数值计算水下爆炸载荷作用下连续玄武岩纤维复合材料船体舱段结构的响应,采用层合板模型模拟纤维复合材料,选取一般耦合算法计算流体与结构的耦合效应,并将计算结果与E玻璃纤维复合材料船体仿真结果进行比较,分析2种材料船体结构压力时历曲线、破坏起始位置及破坏形式,得出结论:玄武岩纤维复合材料和E玻璃纤维复合材料船体底板在爆炸载荷的作用下起始破坏形式不同,玄武岩纤维的压缩强度和拉伸强度之比较高,在实际设计制造中更有优势。在船舶建造中可以使用连续玄武岩纤维复合材料替代玻璃纤维复合材料。     

相似理论在水下爆炸冲击波载荷中的应用

以相似理论为基础,采用数值仿真试验的方法,探讨舰船结构遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的动响应相似性问题。以某型舰原型作为基准模型,根据实际工程需要对舰船进行缩比仿真试验。原型有限元模型与缩比试验有限元模型数值结果表明:通过试验模型可以准确预测原型结构遭受水下爆炸冲击波时的动响应特性,将几何相似律应用到水下爆炸冲击波载荷相似性研究中是可行的。     

基于物质点法的弹体侵彻靶板破甲特性数值模拟

[目的]针对有限元法处理弹体侵彻船用钢板时因网格畸变而无法准确模拟破口破坏形态及其形成的动态过程的问题,[方法]采用基于物质点法(Material Point Method,MPM)构建弹体侵彻舰船板壳结构的数值仿真模型,模拟弹体在侵彻过程中的破甲特性。将在不同初速度下侵彻5和10 mm厚靶板后的破口及塑性变形模拟结果与实验结果进行对比,以验证所提方法的有效性。[结果]结果表明:物质点法的模拟结果与实验结果吻合较好;弹体侵彻靶板的破口以及塑性变形区基本保持不变,且破口略大于弹体直径;弹体对靶板的破坏属于冲塞形式的穿甲破坏;半球形弹体以低、中、高的速度侵彻舰船外壳的靶板破坏形式属于冲塞破坏模式,速度大小对靶板的破口影响不大,而对靶板破口处隆起的高度影响较大。[结论]所提数值方法可为研究导弹侵彻舰船板壳提供新的有效途径,计算结果可为舰船结构的防护设计提供参考依据。     

斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析

[目的]为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响,对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。[方法]通过建立有限元模型,开展层合板冲击后的压缩仿真分析,采用Fortran语言编写用户自定义材料子程序（VUMAT）,实现改进的Hashin失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict中的应用;从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比,验证所建立数值模型的有效性。[结果]结果显示,冲击损伤会降低层合板的压缩强度,无损层合板的压缩失效模式为端部破坏,冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏;冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低,但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系;层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关,压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前,层合板的损伤几乎没有发生拓展,一旦压缩载荷达到阈值,损伤将沿宽度方向迅速拓展,最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。[结论]所做研究可为斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的抗冲击性能评估提供参考。     

含层间分层损伤复合材料层合板的动力响应研究

本文研究了含层间分层损伤复合材料层合板分层模型、阻尼和动力响应特征。在分层区上下子板间构造一种特定的界面连接单元,以防止分层处子板间的脱离或嵌入现象。为确定合理的有限元分析中的阻尼矩阵形式,文中进行了多种计算方式的比较,并做了T300/QY8911层合板梁的激振试验,依据耗散能等效,提出对阻尼矩阵构造的改良方法,使系统有限元动力响应分析中,既包含较多模态参数对结构响应的作用,又避免阻尼矩阵的满阵形式以利于有限元分析的计算机实施。利用时域直接积分法对稳态激励下的响应特征进行了研究,通过对界面连接单元刚度对动力特性影响的计算,给出分层受损复合材料层合板的动力响应特征,为含层间分层抽伤层合板动力分析提供了一个有效方法,同时,数值模拟结果对进一步理解层间分层损伤层合板的动态特性也存在一定的参考价值。     

钛合金导流罩结构抗冲击计算

导流罩结构作为舰艇结构重要的首部结构形式,其在水下爆炸载荷作用下的抗冲击性能不容忽视。为研究导流罩结构的抗冲击性能,以某船钛合金导流罩结构为研究对象,应用大型有限元计算软件ABAQUS,建立有限元模型,采用声固耦合法进行水下爆炸数值仿真计算。通过模拟导流罩结构在船上的安装边界条件,设定水下非接触爆炸冲击工况,计算得到了导流罩结构在爆炸冲击载荷作用下的等效塑性应变、位移、加速度等动态响应,并给出了基阵安装位置的频率特性和冲击环境。研究表明,导流罩底部外板为导流罩结构的危险区域,导流罩基阵安装位置处的响应以中低频段为主。     

舰船复合材料防护结构的选择与优化

为选择与优化舰船复合材料防护结构,根据陶瓷材料的密度小、强度大、硬度高、抗冲击性能良好等特征,建立以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料结构模型,研究复合材料层合板在爆炸冲击载荷下的抗冲击性能,陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。在此基础上,考虑复合材料层合板在防护结构中的位置,讨论不同结构参数对防护结构爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,当复合材料层合板设置在空舱外板时,舰船的抗爆炸冲击性能相对较优。     

舰船复合材料防护结构的选择与优化

为选择与优化舰船复合材料防护结构,根据陶瓷材料的密度小、强度大、硬度高、抗冲击性能良好等特征,建立以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料结构模型,研究复合材料层合板在爆炸冲击载荷下的抗冲击性能,陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。在此基础上,考虑复合材料层合板在防护结构中的位置,讨论不同结构参数对防护结构爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,当复合材料层合板设置在空舱外板时,舰船的抗爆炸冲击性能相对较优。     

水下远场爆炸下船舶结构响应计算有限元建模方式影响分析

利用有限元软件ABAQUS,针对船舶结构和设备采用不同建模方式,建立4种水下远场爆炸载荷作用下全船结构冲击响应计算的有限元模型,对比分析船体结构局部与总体冲击响应。结果表明:船舶骨材结构与设备的建模方式对结构局部冲击响应如加速度、应力等影响很大,而对结构的总体响应如剖面弯矩等刚性安装设备采用质量点均摊的方式处理以减小建模的工作量。对于大型的弹性安装设备,需采用质量点和弹簧单元仔细建模。     

边界尺寸对爆炸冲击载荷作用下薄板响应影响仿真研究

舰船舱室在遭遇反舰武器攻击时会受到高强度冲击波载荷对舷侧板的毁伤作用。对不同边界尺寸下的薄板在爆炸冲击载荷作用下的挠度变化的时间历程响应进行理论分析和数值模拟。根据板的弹塑性变形理论,通过能量法建立修正后的薄板在爆炸冲击载荷作用过程中的动态响应方程,并通过数值模拟建模仿真计算与理论计算值及试验值对比,验证在不同边界尺寸下该理论计算方法有较好的可靠性及精确度。     

高速破片侵彻下高分子聚乙烯层合板的弹道极限估算方法

为了得到弹道冲击下高分子聚乙烯（UHMWPE）层合板的弹道极限估算方法,提出四阶段吸能模型,分析3.3 g立方体破片高速侵彻不同厚度UHMWPE层合板的吸能过程,并在此基础上提出UHMWPE层合板在高速侵彻作用下弹道极限的估算方法,分析不同板厚UHMWPE层合板在弹道极限下不同吸能方式吸收能量的比例。结果表明：在弹道极限情况下,复合材料层合板的主要吸能方式为剪切破坏吸能、压缩破坏吸能、层合板的结构运动吸能和纤维拉伸变形吸能,且剪切破坏吸能、压缩破坏吸能和结构运动吸能在总吸能中的比例是随板厚的增加而增大,纤维拉伸变形吸能的比例则是随板厚的增加而减小;在高速侵彻作用下,UHMWPE弹道极限的估算方法与试验结果吻合良好。     

爆炸载荷下复合材料层合板的抗冲击性能

研究复合材料层合板在爆炸载荷冲击下的抗冲击性能,并且讨论不同铝合金含量以及不同铺层类型的层合板试件。建立一种新型零厚度粘结层单元模型,可以准确地预测复合材料层间分层扩展。采用Johnson-Cook准则模拟铝板的损伤,Hashin准则模拟碳纤维的损伤,运用有限元软件Abaqus进行模型的仿真计算,并通过试验对比验证该模型计算的有效性。最后得出结论:在适当范围内,提高铝合金含量的比例,或者采用比较少的铺层数,可以很有效地减小爆炸载荷冲击引起的板件变形,减轻金属材料和纤维材料的损伤程度。但它们有负面效果,即会使板件吸能的能力降低。     

多次水下爆炸作用下钢板动态响应数值模拟

[目的]为了提升多次水下爆炸载荷作用下舰船结构的抗爆性能,给出一种模拟多次水下爆炸的数值方法。[方法]通过试验与数值仿真相结合的方法研究多次水下爆炸载荷作用下直径为600 mm、厚为5 mm的背空固支45#钢板的动态响应,得到钢板的塑性变形历程并分析其塑性变形规律。[结果]结果表明:背空固支45#钢板在多次水下爆炸载荷作用下的塑性变形形貌呈类球冠形,变形模式以弯曲变形和双向拉伸变形为主。药量与爆距一定时,钢板中心挠度增量随着水下爆炸加载次数的增加而逐渐减小,且第二次爆炸加载后挠度增量为首次爆炸加载后挠度的1/3。总药量不变时,与多次均匀水下爆炸加载结果相比,单次水下爆炸加载后钢板的挠度与厚度减薄率均偏大,中心挠度最大相差20.25%。[结论]试验与仿真结果具有较好的一致性,研究结果可为舰船防护设计提供参考。