CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应

采用有限元软件ABAQUS建立了碳纤维增强聚合物（CFRP）-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击作用下的有限元模型。模型的计算结果与试验结果吻合良好,能够较好地模拟CFRP-混凝土-钢管在侧向撞击下的力学特性。利用该模型,对试件在冲击荷载作用下的动力响应全过程进行分析,采用正交分析法研究了冲击高度、空心率等7种因素对试件冲击力峰值、冲击力平台值和跨中残余挠度的影响。结果表明:冲击高度（冲击能量）是影响冲击力峰值的主要因素;空心率是影响冲击力平台值的主要因素,并且当空心率在0.3~0.7之间时,试件的抗撞击性能随着空心率的提高而逐渐增强;冲击后结构的跨中残余挠度由冲击高度、空心率、CFRP层数、CFRP方向等因素共同影响。     

纤维复合材料包裹钢管冲击功响应分析

对冲击功曲线在三个发展阶段的特征进行探讨,研究了结构的抗冲击性能评价指标并对侧向冲击作用下玻璃纤维复合材料(GFRP)包裹钢管的动力响应与抗冲击性能进行了分析。结果表明:冲击功曲线在各个阶段呈现不同特征,平台阶段冲击功的增加值占总冲击功的比重最大,显著影响全程的冲击功发展。抗冲击性能评价指标主要包括吸能、冲击力平台值及耗能系数。GFRP厚度的增加提高了试件的强度及整体刚度,使试件在更小的位移内所吸收的能量增加,改善了抗冲击性能;不同冲击能量下冲击力平台值与耗能系数稳定。速度峰值随GFRP厚度的增加而提高,而试件的最大位移与应变减小;由于在冲击过程中存在能量损耗,试件的吸能值小于落锤初始动能。     

冲击荷载下内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱的动力响应

以一种内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱为研究对象，在自主研发的无导轨式大型落锤试验机上，完成了3种不同边界条件、2种不同冲击高度以及2种不同轴压比的侧向冲击实验。研究了不同冲击高度、边界条件和轴压比下试件的破坏形态、冲击力时程曲线和跨中位移时程曲线，并选取一根普通空心钢筋混凝土试件与同条件的内衬钢管空心钢筋混凝土试件进行了对比。结果表明:用内衬钢管替代内置钢筋笼使得构件的抗冲击性能明显优于相应的普通空心钢筋混凝土构件，且在轴压比不超过0.3的范围内，轴压比的改变对冲击结束后本内衬八边形钢管空心钢筋混凝土试件的残余挠度影响不大。     

不同宽厚比H形截面钢梁抗冲击性能

基于经实验校核的非线性有限元模型,对受横向冲击作用的H形钢梁进行了有限元分析。设计不同宽厚比组配的H形钢梁,分析H形钢梁跨中受横向冲击的动态响应和应力发展过程,并研究宽厚比对H形钢梁抗冲击性能的影响,重点讨论了腹板厚度、翼缘厚度对冲击力平台值和峰值以及耗能的影响。分析结果表明,两端铰接H形钢梁在跨中受冲击载荷作用下的变形模式主要为弯曲变形。相同冲击能量下,冲击力平台值主要受翼缘厚度的影响,冲击力峰值主要受腹板厚度的影响。翼缘厚度对钢梁抗冲击性能的影响要大于腹板厚度。本研究可为不同宽厚比H形钢梁的抗冲击设计提供依据和参考。     

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱抗冲击性能研究与机理分析

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱（FRP-concrete-steel double skin tubular columns）目前已在桥梁墩柱中得到应用,抗冲击性能是其推广应用的重要指标。为此,基于前期试验,采用ABAQUS软件建立了考虑轴力与侧向冲击耦合影响的有限元模型。首先,分析了轴力-冲击联合作用下该类构件的抗冲击机理;其次,重点研究了FRP厚度和缠绕角度、轴压比、冲击速度、空心率、内钢管径厚比与材料强度对抗冲击性能的影响;最后,给出了轴力-冲击耦合作用下构件动力放大系数的计算公式。结果表明,混凝土的塑性变形是构件抗冲击的主要耗能机制;轴力对构件抗冲击性能有明显影响,当轴压比大于0.7时,轴力对抗冲击性能有削弱作用;内钢管径厚比对构件抗冲击性能影响较小;建议的计算公式可较好地预测该类构件的抗冲击承载力。     

反分析法在结构冲击动力响应实验中的应用

为了解决由于测量条件限制而产生的接触力难于测量的问题,利用近年发展起来的反分析法,并结合计算机模拟技术,给出了一种解决结构受到强冲击载荷时测量冲击力的通用方法。并将该方法应用到对压力管道耐撞性侧向冲击实验中冲击力的校核,给出了该冲击系统的传递函数h(t)。在实验测量值的基础上,得出了较为精确的冲击力时程曲线,从而验证了该方法的实用性。     

基于动力放大系数与等效单自由度体系的圆中空夹层钢管混凝土抗撞设计方法

中空夹层钢管混凝土（concrete-filled double-skin steel tubular,CFDST）构件作为超高输电塔、海上平台等重要结构的承重构件,其抗撞性能是设计阶段需考虑的关键问题。因此,在前期试验研究的基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了200个圆CFDST柱力学模型,并进行了轴力与撞击耦合作用下的抗撞机理分析,研究了在0~0.7轴压比下不同名义含钢率、空心率、截面直径、材料强度对构件抗撞性能的影响规律;基于动力放大系数和等效单自由度方法提出了构件抗撞承载力计算公式,并预测了撞击作用下构件的跨中动力响应。结果表明:在0~0.7轴压比下,名义含钢率、外径、外钢管强度、撞击速度与撞击质量对构件跨中挠度峰值和撞击力平台值影响显著,空心率与混凝土强度影响较小;提出的简化计算方法能较好地预测圆CFDST构件的抗撞承载力和跨中位移响应。     

碳纤维增强铝合金板的抗冲击性能

采用ABAQUS/Explicit有限元分析软件对碳纤维增强铝合金层合板(CARAL)受低速冲击进行 数值模拟,研究其在承载过程中的动力响应及损伤。首先通过具体算例与文献中的结果相比较,验证了方法 的有效性;其次从试件的脱层和吸能等抗冲击角度对CARAL 进行分析,并与传统的纯碳/环氧树脂胶片 (CFRP)进行抗冲击对比分析,结果表明,CARAL具有较好的抗冲击性能。     

双壳船内外壳结构耐撞性试验与仿真研究

结合船舶加筋板结构缩尺模型的耐撞性试验和有限元仿真分析,研究了双壳船舷侧内、外壳结构的碰撞损伤特性,并在此基础上对舷侧内、外壳结构的碰撞损伤性能进行了分析比较.结果表明:虽然双壳船舷侧内、外壳结构在耐碰撞能力方面的差异不是很大,但在渐进破坏过程及其总体破坏模式方面却存在一些明显的区别.而加强筋的侧向挤压变形对加筋板总体碰撞损伤性能并不会产生很明显的影响.影响船体舷侧结构耐撞性能的主要内力要素是加强筋截面内的轴力以及船壳板中面内的膜力.为了提高加筋板结构的耐碰撞能力,就要尽可能地减小结构的局部弯曲变形,较好的设计方案是增加外壳板厚度和减小加强筋尺寸.     

多种三明治结构抗冲击作用下动态性能的比较研究

借助有限元软件ABAQUS,从数值模拟角度分析了单层不锈钢板、管状交叉三明治结构、方孔蜂窝三明治结构、波纹三明治结构作为油罐车封头在冲击载荷作用下的动态性能。在保证各结构面密度相同的情况下,考察了冲击载荷作用下四种结构的变形机理及能量吸收性能,其中各结构中心点最大位移量为重要参数。经过分析后发现,方孔蜂窝三明治结构具有最好的抗冲击性能,管状交叉三明治结构略差,但好于其他两种结构。此外,本文结合实际工程应用背景,进一步考察了结构制备缺陷对结构抗冲击性能影响。引入缺陷后,方孔蜂窝三明治结构的抗冲击性能下降,弱于管状交叉三明治结构,可见方孔蜂窝三明治结构对制备缺陷更为敏感。由此得出,在理想模型前提下,方孔蜂窝三明治结构在四种结构中具有最好的抗冲击性能;而在实际的工程应用中,管状交叉三明治结构因其对缺陷的不敏感性及优良的抗冲击性能成为最优的三明治结构构型选择。     

Crashworthiness design of density-graded cellular metals

Crashworthiness of cellular metals with a linear density gradient was analyzed by using cell-based finite element models and shock models. Mechanisms of energy absorption and deformation of graded cellular metals were explored by shock wave propagation analysis. Results show that a positive density gradient is a good choice for protecting the impacting object because it can meet the crashworthiness requirements of high energy absorption, stable impact resistance and low peak stress.     

仿虾螯结构薄壁管设计及耐撞性分析

为提高薄壁管的耐撞性能，以虾螯为生物原型，通过结构仿生原理设计了仿虾螯结构多晶胞薄壁管。以晶胞数（2～6）和冲击角度（0°、10°、20°、30°）为试验因素，利用有限元法分析了仿虾螯结构多晶胞薄壁管在不同冲击角度下的耐撞性能，通过落锤试验验证了仿真结果的可靠性。结果表明:2晶胞仿生管在轴向和斜向载荷下的耐撞性最优。同工况条件下，减少晶胞数可降低仿生管峰值载荷。斜向冲击载荷下，仿生管保持稳定叠缩变形模式的时间随晶胞数的增加而缩短，其耐撞性能随晶胞数的增加而降低。虾螯结构特征与普通圆管的结合有效提高了仿虾螯结构多晶胞薄壁管的耐撞性能。     

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量，引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感，不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应，较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料，基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法，以维持冲击物受载恒定为目标，运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型，并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明，反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的，所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。     

Non-linear strain rate dependent micro-mechanical composite material model for finite element impact and crashworthiness simulation

The present study aims at implementation of a strain rate dependent, non-linear, micro-mechanics material model for laminated, unidirectional polymer matrix composites into the explicit finite element code LSDYNA. The objective is to develop an accurate and simple micro-mechanical, rate dependent material model, which is computationally efficient. Within the model a representative volume cell is assumed. The stress-strain relation including rate dependent effects for the micro-model is derived for both shell elements and solid elements. Micro-failure criterion is presented for each material constituent and failure mode. The implemented model can deal with problems such as impact, crashworthiness, and failure analysis under quasi-static loads. The developed material model has a wide range of applications such as jet engine jackets, armor plates, and structural crashworthiness simulation. The deformation response of two representative composite materials with varying fiber orientation is presented using the described technique. The predicted results compare favorably to experimental values.     

鹿角骨单位仿生薄壁管斜向冲击耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性，基于鹿角骨单位结构特征，结合结构仿生学原理设计出内径相同、外径等梯度逐层递减的仿生薄壁管。采用有限元法对75种仿生薄壁管结构进行10°、20°、30°等3种斜向冲击角度的吸能特性模拟；通过多项式回归元模型和多目标粒子群优化算法进行优化，以Pareto前沿最优原则得到各目标最优化的配置方案；采用最小距离选择法进行优化分析，得到各配置方案的最优结构设计参数。结果表明:仅考虑单一冲击角度时，在10°、20°、30°冲击角度下的仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6，最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.84 mm-0.38 mm、2.89 mm-0.29 mm、2.91 mm-0.34 mm；综合考虑多种冲击角度权重因数不同配置方案时，仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6，最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.95 mm-0.28 mm、2.92 mm-0.30 mm、2.85 mm-0.33 mm。     

仿生多胞薄壁管耐撞性分析及优化

为提高薄壁管结构耐撞性，以雀尾螳螂虾螯为仿生原型，结合仿生学设计方法，设计一种含正弦胞元的多胞薄壁管结构。以初始峰值载荷、比吸能和碰撞力效率为耐撞性指标，通过有限元数值模拟分析了不同碰撞角度（0o、10o、20o和30o）条件下，仿生胞元数对薄壁管耐撞性的影响，通过多目标的复杂比例评估法获取仿生薄壁管的最优胞元数。基于不同碰撞角度权重因子组合，设置了4种单一角度工况和3种多角度工况，采用多目标粒子群优化方法获取了不同工况下薄壁管结构最优胞元高宽比和壁厚。复杂比例评估结果表明，胞元数为4的薄壁管为最优晶胞数仿生薄壁管。优化结果表明，单一角度工况下，最优结构参数高宽比的范围为0.88～1.50，壁厚的范围为0.36～0.60 mm，碰撞角度为0o和10o的最优高宽比明显小于碰撞角度为20o和30o的；多角度工况下，最优高宽比范围为1.01～1.10，壁厚范围为0.49～0.57 mm。     

Fluid-structure impact analysis with a mixed method of arbitrary Lagrangian-Eulerian BE and FE

A mixed method of arbitrary Lagrangian-Eulerian boundary element and finite element method (ALE-BE-FE method) is proposed for solving fluid-structure impact problems, in which the effect of structural deformation due to hydrodynamic pressure is taken into account. In addition, this method also enables us to analyze the influence of nonlinear free surface conditions on the impact response. Two numerical examples of an impacting cylinder and an impacting wedge into an initially calm water treated as 2-D problems are presented. It shows that the proposed method is effective to obtain a fluid-structure impact solution.This project is financially supported by the National Education Foundation of China.     

基于细观建模的电子束预控弹体破裂机理数值研究

为研究电子束预控弹体的破裂机理。提出了基于电子束预控弹体细观几何特性的参数化建模方法,建立了含基体、熔融区、过渡区和空腔区弹体的三维有限元模型,采用LS-DYNA软件对典型弹体的爆炸驱动和破裂过程进行了数值模拟分析。结果表明:电子束预控弹体破裂过程可分为:弹体膨胀后的空腔区在环向拉应力作用下产生拉伸断裂、过渡区产生裂纹扩展和拉伸断裂以及空腔区底部基体在两侧拉应力和底部压应力作用下产生与弹体内壁法线呈45°的剪切破坏3个阶段。数值模拟结果与回收的破片截面形状和破坏模式吻合较好。研究结果对电子束预控弹体破片成型控制具有参考价值。     

缩径焊接空心球压弯下节点刚度研究

以缩径焊接空心球节点为研究对象,运用正交设计法设计了9个试件,试验研究了压弯受力状态下节点的名义抗弯刚度。利用ABAQUS软件建立缩径焊接空心球节点分析模型,采用线性强化应力-应变关系,考虑几何和材料非线性的影响,对压弯受力状态下的缩径焊接空心球节点的抗弯刚度进行了有限元分析,绘制了节点弯矩-转角曲线,得到了节点名义抗弯刚度,验证了有限元模拟的准确性。进而参数化分析了不同因素对节点抗弯刚度的影响。以虚功原理为基础,推导了压弯作用下缩径焊接空心球节点抗弯刚度简化计算公式。结果表明:在本文研究范围内,节点的破坏模式为球凹陷破坏;锥管小径端直径与球径比d/D对节点抗弯刚度的影响最大,球壁厚与球径比t/D的影响次之,锥管长度L的影响最小;本文提出的缩径焊接空心球节点刚度简化计算公式具有一定的精度。