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钢质夹层板上层建筑结构防护性能优化及抗爆试验研究

钢质夹层板上层建筑结构防护性能优化及抗爆试验研究

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作者：柯力江苏科技大学

学位级别：硕士

水面舰船作为各国在海洋领域捍卫主权和对敌作战的主要军事力量,需要应对来自空中打击和水下武器袭击的威胁。因此,对舰船结构防护性能的要求不断提高,开展新式防护结构的设计应用已成为提升舰船生命力和结构安全性的重要途径。而国内... 详细信息

水面舰船作为各国在海洋领域捍卫主权和对敌作战的主要军事力量,需要应对来自空中打击和水下武器袭击的威胁。因此,对舰船结构防护性能的要求不断提高,开展新式防护结构的设计应用已成为提升舰船生命力和结构安全性的重要途径。而国内在钢质夹层板舰船结构方面的研究还处于预研阶段,离实船应用还有一定的距离。要成功实现实船设计应用,必须开展全面系统的研究工作,充分掌握夹层板结构的力学性能、功能特点和防护性能,突破加工建造技术瓶颈等瓶颈问题,这对提高我国舰船结构设计水平、舰船生命力、战斗力具有重要意义。本文依托海装预研项目,以上层建筑为研究对象,对钢质夹层板结构在远场爆炸载荷作用下的防护性能进行优化。基于机器学习方法开发参数化优化算法程序,确定夹层板优化结构尺寸参数,并应用到上层建筑局部结构中;利用优化后的结构开展夹层板空中核爆模型试验研究,分析夹层板结构的动态响应特点,验证仿真分析技术;考虑材料塑性力学行为,分析钢质夹层板结构在远场爆炸平面冲击波作用下的塑性动力响应,建立结构变形的解析预报方法,并确定其适用范围;系统讨论主要爆炸参数和结构参数对夹层板结构抗爆性能的影响规律。具体内容包括:(1)介绍了空中爆炸冲击波的基本理论和冲击波的反射现象,给出了空中爆炸冲击波的计算方法,并梳理了冲击载荷作用下刚塑性材料结构响应的基本理论,为后续研究工作提供了基础。(2)以上层建筑为研究对象,确定了相关替代设计原则和方法,形成了钢质夹层板上层建筑局部结构替代设计方案;明确了优化目标,开发了基于机器学习的结构优化程序,对钢质夹层板结构进行优化计算,确定了较优的夹层板结构尺寸组合。(3)开展了空中远场爆炸模型试验设计,明确了试验目的,介绍了爆炸试验系统,基于优化确定的尺寸参数,充分考虑芯层高度、连接结构的影响,加工制备了钢质夹层板结构模型,在此基础上,设计了加工约束结构并确定了试验方案,为后续爆炸试验提供了技术支撑。(4)开展了空中远场爆炸模型试验,获得了不同强度平面冲击载荷作用下结构的整体损伤变形情况以及关键测点的加速度和动态应变,讨论了芯层高度、连接结构对夹层板防护性能的影响。平面冲击波作用下,夹层板芯层在边界区域变形量较大,在中心区域变量较小。(5)基于爆炸试验压力波数据拟合得到了平面冲击波经验公式,以此为基础,开展了爆炸试验数值仿真分析,与试验结果比较验证了仿真分析技术。分析了钢质夹层板结构在平面冲击波作用下的变形特点,推导得到了结构变形的解析预报方法及其适用范围,并系统讨论了结构损伤变形机理和参数影响规律。

关键词：上层建筑钢质夹层板防护性能结构优化设计远场爆炸平面冲击波爆炸试验

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典型载荷模式下舰船钢质夹层板结构响应理论预报方法研究

典型载荷模式下舰船钢质夹层板结构响应理论预报方法研究

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作者：李遥江苏科技大学

学位级别：硕士

随着船舶与海工装备的发展,其对结构安全性、功能性和轻量化的要求日益提高。相比于传统的船舶加筋结构,钢质夹层板结构具有比强度高、焊接变形小、防护性能优、设计性强等优点,受到船舶行业的青睐。各国海军、船级社、科研院所陆续开... 详细信息

随着船舶与海工装备的发展,其对结构安全性、功能性和轻量化的要求日益提高。相比于传统的船舶加筋结构,钢质夹层板结构具有比强度高、焊接变形小、防护性能优、设计性强等优点,受到船舶行业的青睐。各国海军、船级社、科研院所陆续开展了夹层板各方面的研究工作。钢质夹层板优越的力学性能得益于其特殊的结构,因此,研究钢质夹层板在典型载荷模式下的受力特征、变形模式以及基于实际变形的理论预报方法对于推动夹层板在舰船上的大规模应用以及提升舰船的设计水平具有重要的意义。本文以船用U型钢质夹层板为研究对象,分析钢质夹层板应用于舰船时的主要承载形式,确定本文主要研究的钢质夹层板典型载荷类型(准静态冲压载荷、碰撞载荷、弯曲载荷)。通过设计开展典型载荷下钢质夹层板的模型试验以及相应的数值计算,分析确定U型夹层板在典型载荷作用下结构变形过程和变形特征,进而提出了钢质夹层板结构在各典型载荷下的变形模式,并建立理论分析模型,开展典型载荷模式下舰船钢质夹层板结构响应理论预报方法研究,形成相关解析预报公式。主要研究内容如下:(1)梳理确定了简化解析计算方法的基本原理、分析思路和求解方法流程;归纳了钢质夹层板在舰船上的应用区域时的主要承载形式;讨论了典型载荷模式下船体局部构件常见的损伤变形模式及基于变形模式的理论分析方法。(2)设计开展U型钢质夹层板的准静态冲压试验以及相应的数值仿真分析,得到其在准静态冲压载荷作用下的结构变形过程和载荷-位移曲线,确定其主要变形模式和损伤变形机理,建立刚塑性力学模型,推导得到相应的理论预报公式,并与试验和仿真结果对比进行完善理论预报方法。(3)设计开展U型钢质夹层板模型的落锤碰撞试验以及对应的数值仿真分析,研究U型夹层板结构在碰撞载荷作用下的结构受力特点和损伤变形机理,并讨论碰撞动态效应的影响,进而得到变形模式,建立相应的刚塑性力学模型,推导得到碰撞力的解析计算公式,并与试验和仿真结果对比验证解析计算方法和公式的正确性。(4)设计开展钢质夹层板及其面内连接结构模型的三点弯曲试验以及相应的数值仿真计算,分析得到钢质夹层板面内连接结构在弯曲载荷作用下的受力、损伤变形的特点,基于刚塑性力学模型,推导出结构变形抗力的理论计算方法和公式,最后以试验和仿真结果为依据对其进行验证完善。

关键词：舰船结构钢质夹层板结构响应模型试验损伤变形理论预报

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