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原文传递冲击载荷下钢质栅格夹层板结构的动力学行为及失效机理研究

论文题名：	冲击载荷下钢质栅格夹层板结构的动力学行为及失效机理研究
关键词：	舰船工程;钢质栅格夹层板结构;动力学行为;失效机理;冲击载荷
摘要：	舰船结构冲击动力学是当前船舶与海洋工程结构设计研究领域持久关注的主题之一，特别是新型轻质舰船结构在砰击及爆炸载荷下的多物理场耦合非线性动力学行为及失效机理研究是其中很具挑战性的课题。开展舰船结构多物理场耦合冲击动力学响应行为研究，获得其基本力学行为特征及失效机理，可以指导改善结构在复杂载荷环境作用下的动态特性，避免舰船结构产生严重失效破坏，确保其能安全可靠工作，具有重要的理论意义与实用价值。　　本文研究内容为国家自然科学基金项目“流-固冲击下超轻金属夹层结构非线性力学行为及失效机理研究”（项目编号：51079058）以及华中科技大学博士论文创新基金项目“典型舰船结构冲击动力学行为及失效机理研究”（项目编号：0109140921）主要组成部分。本文主要研究工作包括：　　(1)以金字塔点阵夹层平板为对象，对其在不同入水速度下的流-固耦合动力学行为进行数值和理论计算分析(水弹性效应不显著情形)。建立了气-液-固三相数值模型，通过计算获得砰击压力与结构砰击变形特征，发现了轻质金字塔点阵夹层平板结构存在的“局部气垫”现象。提出一种将砰击变形位移场分解为总体和局部变形，然后叠加的计算模型。　　(2)以金字塔点阵夹层平板为对象，对其在不同入水速度下的流-固耦合动力学行为进行数值和理论计算分析(水弹性效应较显著情形)。获得了砰击压力时域、空间分布特征，分析了入水过程中流场变化。基于一阶剪切变形理论，采用能量变分原理，推导了金字塔点阵夹层板入水流-固耦合运动控制方程，采用振型叠加法求解。该方法能够对结构变形给出有效预测。　　(3)以包含初始缺陷轻质金字塔点阵夹层平板结构为对象，对其在不同入水速度下力学行为进行数值和理论计算分析。提出包含随机丢失初始缺陷和集中丢失缺陷形式的金字塔点阵夹层平板结构的自由振动计算方法。采用3D数值模拟分析了包含初始缺陷轻质金字塔点阵夹层平板结构入水基本特征。运用叠加模型，提出一种工程计算方法估算缺陷点阵夹层平板结构入水变形响应值。　　(4)点阵夹层板入水的非线性动力学理论分析方法研究。用一阶剪切变形理论，考虑结构变形的几何非线性，运用能量变分原理推导了点阵夹层板入水的非线性动力学运动控制方程，采用微分求积法(Differential Quadrature Method)求解无量纲控制方程，获得了结构砰击变形特征，并与数值模拟分析结果进行对比分析，两者吻合良好，该方法能对金字塔点阵夹层板入水非线性变形给出有效预测。　　(5)激光焊接轻质波纹夹层板结构的入水行为实验与数值模拟研究。通过实验与数值仿真方法，得到了波纹夹层结构入水砰击典型物理量特征，发现了不同于传统船体结构的压力分布特征与变形特点，甄别了高速入水条件下激光焊接轻质波纹夹层板结构不同失效模式，揭示了冲击加载时这类结构的动力响应特征及其失效机理。　　(6)以轻质波纹夹层板结构为研究对象，对近距离非接触爆炸作用下冲击波、气泡脉动载荷以及气泡溃破射流对轻质波纹夹层板结构的毁伤机理进行了计算分析，分析讨论了气泡膨胀脉动冲击及气泡溃破高速射流对结构造成的破坏机理，探讨了药包位置变化对结构变形特征与毁伤模式的影响。　　本文研究工作揭示了金字塔点阵夹层平板结构和波纹夹层板结构在砰击和爆炸载荷下的动力学响应特征和失效机理，为该类结构在实船上的应用奠定了技术基础。
作者：	汪浩
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	程远胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文