結(jié)構(gòu)物入水沖擊響應(yīng)的試驗研究及應(yīng)用.pdf

1、結(jié)構(gòu)物入水沖擊問題是一個復(fù)雜的流固耦合問題。在沖擊入水過程中，結(jié)構(gòu)和流體會相互作用，尤其是在結(jié)構(gòu)物入水的初期階段，會產(chǎn)生比較大的入水沖擊載荷，造成結(jié)構(gòu)變形或者破壞。對于飛機水上迫降和飛船返回艙水上回收等問題，入水過程中表面不同部位會受到不同程度的沖擊，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部人員的安全，因此入水問題的研究在航空航天和軍事領(lǐng)域具有重要的意義。
　　通過自行設(shè)計試驗加載系統(tǒng)和購置試驗測量系統(tǒng)，對鋁材楔形體和弧形體，abs（樹脂塑料）楔形

2、體的入水沖擊試驗進(jìn)行了研究。采用滑輪、滑架、滑軌和繩索等實現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)物多工況的自由下落入水沖擊試驗。采用可變長度擺桿、擺動軸、吊環(huán)和脫鉤裝置實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)物多工況的帶有水平速度的入水沖擊試驗。采用高速攝影拍攝了結(jié)構(gòu)物入水沖擊過程中的濺水情況。采用加速度傳感器采集了結(jié)構(gòu)物在沖擊方向上的加速度響應(yīng)的變化。采用PVDF（聚偏氟乙烯）壓電傳感器采集了結(jié)構(gòu)物入水表面的壓力分布值。
　　通過對空腔鋁材楔形體和實心木材楔形體垂直入水試驗數(shù)據(jù)分析

3、中，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)入水沖擊的“密閉空腔效應(yīng)”，并對空腔填充后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行試驗，驗證了空腔效應(yīng)的存在。其中密閉空腔對剛性弧形體加速度的影響比剛性楔形體加速度更嚴(yán)重，空腔使弧形體加速度最大值增大了1.8倍，使楔形體的加速度最大值增大了1倍，而密閉空腔對彈性體的加速度幾乎沒有影響。分析其原因為剛性結(jié)構(gòu)入水沖擊后，應(yīng)力波引起空腔內(nèi)空氣振動，使結(jié)構(gòu)整體振動增強。而彈性體入水沖擊后會發(fā)生形變，應(yīng)力波不能有效的引起空腔內(nèi)的空氣發(fā)生振動。最后通過數(shù)值仿真

4、驗證了空腔內(nèi)空氣對結(jié)構(gòu)加速度的影響。
　　試驗加速度測量方面：基于濾波規(guī)則，對不同結(jié)構(gòu)入水沖擊的加速度試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，發(fā)現(xiàn)剛性弧形體和剛性楔形體的濾波頻率為210Hz，說明結(jié)構(gòu)形狀對濾波頻率幾乎沒有影響；abs楔形體的濾波頻率為80Hz，說明結(jié)構(gòu)剛度對濾波頻率影響明顯。在加速度誤差小于5％的前提下，得到適用于剛性結(jié)構(gòu)入水沖擊加速度的濾波范圍為160Hz-260Hz，彈性體為40Hz-200Hz。采用SAE濾波器濾波后的加速

5、度值與數(shù)值仿真值比較一致。
　　試驗壓力測量方面：采用靜力機、Hopkinson桿和落錘試驗機分別對PVDF壓電傳感器進(jìn)行了靜動態(tài)標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)PVDF傳感器標(biāo)定值受靜動態(tài)的影響較大。靜態(tài)情況下標(biāo)定值為1kN/V。霍普金森桿沖擊速度為5m/s時，動態(tài)標(biāo)定值為4kN/V。落錘試驗沖擊速度為2m/s時，動態(tài)標(biāo)定值為3.72kN/V。針對試驗工況，選取了合理的標(biāo)定數(shù)值3.72kN/V，對鋁材楔形體和弧形體剛性結(jié)構(gòu)入水沖擊的壓力響應(yīng)進(jìn)行了研究

6、。在對彈性體入水沖擊壓力響應(yīng)的試驗研究中發(fā)現(xiàn)了PVDF的彎曲效應(yīng)。首先在結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘貼傳感器測量了由于彎曲效應(yīng)引起的壓力值，然后通過試驗確定了PVDF內(nèi)彎和外彎的比值關(guān)系，最后對比高速攝影確定傳感器沖擊時刻，在耦合壓力值去除彎曲效應(yīng)引起的壓力值，得到結(jié)構(gòu)真實的入水沖擊壓力值。
　　垂直入水試驗中，考察了不同形狀（楔形體和弧形體），不同剛度（剛體和彈性體），不同速度（1.5m/s，2.1m/s和2.4m/s），不同質(zhì)量（4kg，5kg

7、和6.5kg）的結(jié)構(gòu)物入水沖擊的加速度和壓力響應(yīng)情況，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和討論。水平入水試驗中，考察了不同形狀（楔形體和弧形體），不同水平速度（2m/s~5m/s），不同垂直速度（2m/s~4m/s）和不同入水角度（5°，10°，15°，20°，25°和30°）入水沖擊的加速度響應(yīng)。運用LS-DYNA軟件對試驗結(jié)構(gòu)物不同工況下的入水過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，對結(jié)構(gòu)物入水過程的加速度和壓力響應(yīng)作了分析。
　　以楔形體入水沖擊為模型，采用

8、數(shù)值仿真方式驗證了流動相似準(zhǔn)則中模型和實物各個物理量之間的縮比關(guān)系的適用性。根據(jù)本試驗?zāi)Ｐ偷难芯抗r，當(dāng)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變小于0.00186（約為材料屈服應(yīng)變的53%）時，流動相似準(zhǔn)則還是適用的。基于相似準(zhǔn)則，將試驗?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)推廣到了實際飛機水上迫降的沖擊響應(yīng)中，得到迫降時飛機結(jié)構(gòu)的過載和不同位置的沖擊壓力情況。另外，采用數(shù)值仿真對飛船返回艙水上回收的過程進(jìn)行了模擬，分析了不同入水姿態(tài)對返回艙入水沖擊響應(yīng)的影響。
　　本文發(fā)現(xiàn)的“密閉空