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原文传递夹芯结构的大变形和抗水下爆炸冲击研究

论文题名：	夹芯结构的大变形和抗水下爆炸冲击研究
关键词：	舰船;夹芯结构;爆炸冲击;屈服强度;面板厚度
摘要：	舰船结构的抗水下爆炸冲击问题是各国海军的研究重点。金属夹芯结构以其优良的抗冲击性能引发关注。本文以夹芯结构为研究对象，研究了水下爆炸冲击波与夹芯结构的相互作用机制，并开发了抗水下爆炸冲击的夹芯结构设计方案，为工程应用提供参考。　　本文基于扩展高阶夹芯结构理论和小变形假设，建立了夹芯结构的弹塑性静力学模型。芯子的材料行为假定为双线性行为，即剪应力、纵向和横向正应力和应变的关系均为双线性关系。根据芯子中可能存在的应力状态，分别求得了不同应力状态下的应变能，进而推导了运动控制方程并求解。通过三点弯仿真和试验，对本文理论模型进行了验证。　　其次，本文基于扩展高阶夹芯结构理论和大位移中转角假设，提出了考虑几何和材料非线性的夹芯结构动态响应理论模型。面板和芯子的材料行为假定为双线性行为。面板为各向同性，芯子为正交各向异性。采用非线性的Green-Lagrange应变描述位移和应变的关系。对面板和芯子中应力状态进行分类讨论，推导得到了夹芯结构的应变能，进一步由最小势能原理推导得到了非线性运动控制方程，并采用数值方法求解。根据所提出的非线性动态EHSAPT模型，讨论了爆炸载荷下具有简支边界的夹芯结构的弹塑性瞬态响应问题。当芯子材料的双线性比减小时，其最大位移、剪应力和正应力等逐渐减少，时间周期变长。因此，当夹芯结构进入塑性变形时，材料的应变硬化行为对结构的动态力学响应存在显著影响。同有限元结果的对比表明，本文提出的非线性夹芯结构动态响应的理论模型，可以准确预报夹芯结构的非线性力学行为。　　再者，本文基于扩展高阶夹芯结构理论和大变形假设，建立了夹芯结构的静态和动态响应理论模型。面板和芯子是正交各向异性的，材料行为服从线弹性变形假设。采用完全的Lagrange描述，结合虚功原理，给出了大变形下夹芯结构刚度的显式表达式，推导得到了大变形下夹芯结构的静态和动态控制方程，分别通过Newton-Raphson迭代法和Newmark-beta法求解得到夹芯结构的静力学和动力学响应。传统的有限元仿真验证了本文大变形静动态EHSAPT模型的准确性。　　然后，本文建立了夹芯结构在水下爆炸冲击波作用下的力学响应理论模型和流固耦合模型。通过载荷分析，将流场中冲击波作用下夹芯结构动态响应问题，转化为在真空中具有一定结构阻尼的夹芯结构在入射波和反射波共同作用下的动力学问题。通过仅考虑顶部面板和芯子的纵向位移，得到了简化的夹芯结构在水下冲击波作用下的运动控制方程组，求解该方程组得到顶部面板和芯子的位移、速度，并进一步求得了传递至顶部和芯子的冲量。为便于工程应用，通过忽略芯子刚度得到了进一步简化的传递冲量表达式。同文献及有限元结果比较表明，本文提出的两个传递冲量表达式提供了更准确的结果。本文的理论分析表明，影响流固耦合的关键因素包括：冲击波的幅值和衰减周期；流体密度、流体中声速；夹芯结构顶部面板质量、芯子的密度。传递的最大冲量和芯子的屈服强度、芯子的应变硬化无关。为提高夹芯结构的抗水下爆炸冲击能力，应选用相对密度较低的芯子。　　最后，本文对用于舰船舷侧的具有抗水下冲击的金属夹芯结构进行了优化设计。在考虑应变率效应基础上，针对芯子的层数、厚度、相对密度、屈服强度，以及面板的厚度等参数给出系统性设计指导，使得所设计的金属夹芯结构在充分吸收水下爆炸冲击波的基础上，实现传递至船体的压力最小。经有限元仿真验证，所设计的金属夹芯结构延缓了水下爆炸对船体的冲击，减小了冲击强度，起到了保护船体结构的作用，具有良好的抗水下爆炸冲击特性。
作者：	魏光涛
专业：	工程力学
导师：	吴林志
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021