聲測管徑向動力屈曲塑性行為研究
徑向沖擊波作用下聲測管的動力壓扁問題對抗爆性能研究具有重要意義。國內外專家學者對此進行了深入細致的研究,得出許多有價值的成果。本文分析了目前所取得的研究成果,描述了各塑性變形模態和求解模型,并對下一步研究工作進行了展望。
1.引言
研究聲測管在沖擊載荷下的結構響應,是為了系統、準確地描述出聲測管在沖擊載荷下的變形行為,確定采用聲測管構造的吸能結構對爆炸沖擊載荷的影響和削弱程度、對爆炸能量的吸收率等。研究發現徑向受壓聲測管具有比耗能高,大變形承載力穩定,變形行程長,且取材方便,易于更換等特點,對軍事防護工程的抗暴與抗沖擊設計有重要意義。
徑向沖擊下聲測管的塑性變形過程涉及強沖擊、大變形、非線性、瞬態效應等問題,理論分析難度較大。但該課題工程意義重大,因此國內外專家學者們進行了深入而細致的研究,得出許多有價值的成果。
2.動力屈曲塑性行為研究
2.1基于準靜態大變形模式的單自由度系統
在考慮了應變強化的因素下,對放置在剛性平板間的圓環受落錘沖擊的動力響應作了粘塑性大變形分析。采用了準靜態大變形模式即四塑性鉸機構,把問題簡化為只有一個自由度的系統,初始變形率由碰撞型拉格朗日方程確定。采用線性強化材料本構關系,選取了不變的有效塑性鉸長度。得到圓環變形撓度計算式。對動載下圓環變形的整個過程進行了計算。計算過程發現,在運動初期應變率效應起主要作用,在運動后期應變強化使圓環承載能力提高。計算結果與實驗相比在一定程度上吻合較好。但若考慮有效塑性鉸長度在運動過程的變化,可使結果更加逼近實驗曲線。
2.2單自由度彈―塑性模型
研究了沖擊波作用下聲測管的壓扁程度和經聲測管傳遞到底座上的應力波形。將沖擊波作用下的聲測管吸能裝置等效為單自由度彈―塑性模型。在考慮了應變率效應后,假定在高速變形情況下聲測管的位移―荷載曲線形狀與靜力下的相同,對抗力函數采用了以分段線性函數代替實際非線性函數的“三折線”模型,并將變形速度對抗力的影響計入在聲測管靜屈服荷載的動力提高系數之中,同時給出了這一提高系數的經驗公式,且對沖擊波下幾種不同尺寸的聲測管、質量塊進行了計算,其結果與實測值吻合較好。
2.3四塑性鉸模態解
利用激波管模擬產生沖擊波進行了兩剛性平板間單個聲測管動力壓扁的實驗研究,確立了采用四塑性鉸模型建立聲測管動力壓扁變形運動場。根據聲測管的變形模態和假設,由虛速度原理建立了聲測管動力壓扁模態解方程,并且進行了實例計算,結果表明理論值與試驗值吻合較好。
多層聲測管具有更長的變形行程,承載力隨變形的變化比單層聲測管更平緩,但聲測管的響應與結構的慣性和動態性能密切相關,響應過程中還可能存在變形傳播不均勻現象。因此,沖擊條件下的力學行為要復雜得多。
從單排多層聲測管的沖擊試驗入手,發現沒有明顯的變形傳播不均勻現象,并確立四塑性鉸變形模式。采用與文獻[3]相同的處理過程,建立了模態解方程。通過對六種聲測管和前板組合的實例計算,得出結論:調整聲測管的軟硬、層數和系統慣性,可以控制管系的變形和傳遞的荷載大小。
3.結論及展望
(1)四塑性鉸變形機構是針對單排聲測管徑向動力壓扁問題提出的。雖然它符合實驗現象,基于這一變形模態的單自由度系統和模態解也得到了令人滿意的理論結果,但在工程實際中的吸能裝置往往需要設置多排聲測管。由于邊界條件的不同,以上模型不能應用于多排聲測管的結構中,使四塑性鉸模型的應用受到限制。
(2)對聲測管徑向動力壓扁過程精確的數值模擬極為困難,但模態近似解給問題的解決提供了一條有效的路徑,通過理論值與實驗值的對比,證明了運用模態解方法解決這一問題是可行的。
(3)通過對聲測管在徑向沖擊荷載下動力壓扁問題的研究可發現,聲測管在動荷載作用下具有一系列不同于靜力的材料特性,其主要差別在于動態本構關系必須計及應變率效應。
