半球殼在靜載作用下的光彈實驗研究與彈體沖擊的動力響應(yīng)分析.pdf

1、殼體結(jié)構(gòu)由于具有自重輕、跨度大、省材料、承載力高等特點，廣泛應(yīng)用于航空、航海、機械、化工、建筑等工程領(lǐng)域中，同時在運載工具和壓力容器等方面也有很好的發(fā)揮。如此廣泛的應(yīng)用使其所受外載作用的形式也多樣化，同時薄殼在外載作用下表現(xiàn)出豐富多彩的變形模式及較低的屈曲載荷，吸引了大量的學(xué)者對其進(jìn)行研究并提出了不同的理論模型及近似分析結(jié)果。近年來結(jié)構(gòu)的耐撞性研究成為熱點，球殼成為泡沫及薄殼列陣結(jié)構(gòu)的分析基元，因此對于球殼受不同載荷作用下的變形機制和應(yīng)

2、力分布的研究是十分重要的。
　　 本文進(jìn)行了半球殼受靜、動載作用下的實驗研究與數(shù)值仿真分析，并利用光彈方法測試了半球殼在靜載作用下的應(yīng)力分布，為進(jìn)一步的能量模態(tài)分析和殼體下凹多邊形變形轉(zhuǎn)換提供直觀的物理圖像及應(yīng)力分布色帶圖。同時采用鏡面反射的近似方法與數(shù)值仿真對殼體的變形進(jìn)行了分析，討論了加載方式和殼體的幾何尺寸對殼體變形的影響。具體內(nèi)容如下:
　　 通過光彈性法，對不同加載方式和不同幾何尺寸的殼體進(jìn)行實驗研究。根據(jù)不銹

3、鋼球殼的種類、徑厚比和加載方式將實驗分為三組，分別比較了同一加載方式下不同幾何尺寸的和不同加載的同一幾何尺寸的殼體。實驗中，對每個球殼制作相同尺寸的涂層，并使它隨著殼體的變形而變形。光彈性實驗對于應(yīng)力的分布具有很好的直觀性。由光彈給出的彩色條帶觀察發(fā)現(xiàn)了球殼變形可以分為三個階段，即頂點的軸對稱扁平化，鏡面反射式頂部下凹，下凹的多邊形化。實驗比較發(fā)現(xiàn):徑厚比小的不銹鋼半球殼其承載能力大。光彈的彩色條紋在球殼下凹變形形成時，集中在其下凹邊邊

4、緣即球殼頂部棱區(qū)。這一區(qū)域非常窄，大致在3mm左右，說明在該處產(chǎn)生了較大的變形。為鏡面反射分析的簡化提供了實驗依據(jù)。
　　 應(yīng)用有限元軟件ABAQUS建立了計算模型，通過模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的比較，驗證了數(shù)值模擬的合理性?；隍炞C后的計算模型，對多種不同工況下的半球殼進(jìn)行模擬，分析并討論了加載和殼體的幾何尺寸對殼體變形的影響，給出了殼體變形發(fā)展的三個階段:1）接觸點區(qū)域的局部變平;2)向內(nèi)的軸對稱凹陷;3）非軸對稱多邊形邊數(shù)的形成

5、。這一結(jié)果與實驗觀察相一致。有限元給出的應(yīng)力云圖顯示的變化規(guī)律與光彈性的變化是一致的，均給出下凹凸緣處變形較大且尺度較?。?mm左右）。
　　 對子彈撞擊不銹鋼半球殼的壓潰機制進(jìn)行實驗研究和數(shù)值模擬。實驗中采用空氣動力槍對不同子彈尺寸，沖擊速度等情況的半球殼進(jìn)行加載，結(jié)果顯示:在低速下，子彈長徑比是影響子彈在沖擊載荷作用下最終變形邊數(shù)的因素之一，而與子彈的初始能量無關(guān)，最后又通過數(shù)值模擬與實驗結(jié)果進(jìn)行相互驗證。
　　 由

6、實驗和數(shù)值模擬得出:
　　 (1)殼體徑厚比越小的其承載能力越強，抗壓性也越好;同時殼體徑厚比和加載方式都將影響著殼體的最終變形:在板加載方式下，徑厚比不同的殼體在相同的壓縮位移中，變形形狀不同，其最終變形一個為軸對稱圓形，一個為五邊形;同時，當(dāng)殼體厚度t=0.7mm時，不同的加載方式對球殼最終變形也有一定程度的影響:在板加載中，殼體變形為五邊形，在平頭加載中，變形邊數(shù)則為三角形;而當(dāng)殼體徑厚比較小時只出現(xiàn)軸對稱的變形形式。

7、r>　　 (2)在光彈實驗中，色帶條紋首先出現(xiàn)在加載點區(qū)域，然后隨著殼體變形的加大而由開始的殼頂中心處沿著徑向方向漸漸的向外擴(kuò)散，擴(kuò)展的方式以環(huán)形的形式一圈圈的遍布在殼面上，最后主要分布在殼體變形的棱區(qū)處。這一區(qū)域非常窄，大致在3mm左右，說明在該處產(chǎn)生了較大的變形。為鏡面反射分析的簡化提供了實驗依據(jù)。
　　 (3)子彈沖擊實驗研究和數(shù)值模擬分析可知:子彈的長徑比是影響殼體最終變形邊數(shù)的因素之一。在相同沖擊速度下，子彈長徑比越