半球壳在静载作用下的光弹实验研究与弹体冲击的动力响应分析

摘要

壳体结构由于具有自重轻、跨度大、省材料、承载力高等特点，广泛应用于航空、航海、机械、化工、建筑等工程领域中，同时在运载工具和压力容器等方面也有很好的发挥。如此广泛的应用使其所受外载作用的形式也多样化，同时薄壳在外载作用下表现出丰富多彩的变形模式及较低的屈曲载荷，吸引了大量的学者对其进行研究并提出了不同的理论模型及近似分析结果。近年来结构的耐撞性研究成为热点，球壳成为泡沫及薄壳列阵结构的分析基元，因此对于球壳受不同载荷作用下的变形机制和应力分布的研究是十分重要的。
　　 本文进行了半球壳受静、动载作用下的实验研究与数值仿真分析，并利用光弹方法测试了半球壳在静载作用下的应力分布，为进一步的能量模态分析和壳体下凹多边形变形转换提供直观的物理图像及应力分布色带图。同时采用镜面反射的近似方法与数值仿真对壳体的变形进行了分析，讨论了加载方式和壳体的几何尺寸对壳体变形的影响。具体内容如下:
　　 通过光弹性法，对不同加载方式和不同几何尺寸的壳体进行实验研究。根据不锈钢球壳的种类、径厚比和加载方式将实验分为三组，分别比较了同一加载方式下不同几何尺寸的和不同加载的同一几何尺寸的壳体。实验中，对每个球壳制作相同尺寸的涂层，并使它随着壳体的变形而变形。光弹性实验对于应力的分布具有很好的直观性。由光弹给出的彩色条带观察发现了球壳变形可以分为三个阶段，即顶点的轴对称扁平化，镜面反射式顶部下凹，下凹的多边形化。实验比较发现:径厚比小的不锈钢半球壳其承载能力大。光弹的彩色条纹在球壳下凹变形形成时，集中在其下凹边边缘即球壳顶部棱区。这一区域非常窄，大致在3mm左右，说明在该处产生了较大的变形。为镜面反射分析的简化提供了实验依据。
　　 应用有限元软件ABAQUS建立了计算模型，通过模拟结果和实验结果的比较，验证了数值模拟的合理性。基于验证后的计算模型，对多种不同工况下的半球壳进行模拟，分析并讨论了加载和壳体的几何尺寸对壳体变形的影响，给出了壳体变形发展的三个阶段:1）接触点区域的局部变平;2)向内的轴对称凹陷;3）非轴对称多边形边数的形成。这一结果与实验观察相一致。有限元给出的应力云图显示的变化规律与光弹性的变化是一致的，均给出下凹凸缘处变形较大且尺度较小（3mm左右）。
　　 对子弹撞击不锈钢半球壳的压溃机制进行实验研究和数值模拟。实验中采用空气动力枪对不同子弹尺寸，冲击速度等情况的半球壳进行加载，结果显示:在低速下，子弹长径比是影响子弹在冲击载荷作用下最终变形边数的因素之一，而与子弹的初始能量无关，最后又通过数值模拟与实验结果进行相互验证。
　　 由实验和数值模拟得出:
　　 (1)壳体径厚比越小的其承载能力越强，抗压性也越好;同时壳体径厚比和加载方式都将影响着壳体的最终变形:在板加载方式下，径厚比不同的壳体在相同的压缩位移中，变形形状不同，其最终变形一个为轴对称圆形，一个为五边形;同时，当壳体厚度t=0.7mm时，不同的加载方式对球壳最终变形也有一定程度的影响:在板加载中，壳体变形为五边形，在平头加载中，变形边数则为三角形;而当壳体径厚比较小时只出现轴对称的变形形式。
　　 (2)在光弹实验中，色带条纹首先出现在加载点区域，然后随着壳体变形的加大而由开始的壳顶中心处沿着径向方向渐渐的向外扩散，扩展的方式以环形的形式一圈圈的遍布在壳面上，最后主要分布在壳体变形的棱区处。这一区域非常窄，大致在3mm左右，说明在该处产生了较大的变形。为镜面反射分析的简化提供了实验依据。
　　 (3)子弹冲击实验研究和数值模拟分析可知:子弹的长径比是影响壳体最终变形边数的因素之一。在相同冲击速度下，子弹长径比越大的，冲击之后壳体产生的边数要少于长径比小的球壳。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 研究进展

1．2．1 壳体在不同径厚比下的压缩变形模式

1．2．2 能量法在壳体变形中的研究

1．2．3 复合材料对壳体的影响

1．2．4 内充液体对壳体变形的影响

1．2．5 不同约束和加载下对壳体的影响

1．2．6 旋转组合壳下对壳体的研究

1．2．7 爆炸荷载对壳体的影响

1．2．8 壳体失稳的实验研究

1．2．9 光弹性技术测试应力方法的研究

1．3 本文主要研究内容

第二章 静载荷下壳体结构的全域应力分析

2．1 概述

2．2 实验原理

2．3 材料性能测定

2．4 实验装置和仪器

第三章 静载荷下不同壳结构实验结果分析

3．1 平头加载下，不同几何参数半球壳实验结果与分析

3．1．1 壳体厚度t=1．2mm，半径R=50mm的半球壳

3．1．2 壳体厚度t=0．7mm，半径R=50mm的半球壳

3．1．3 壳体厚度t=1．5mm，半径R=60mm的半球壳

3．2 平头加载下，不同几何参数整球壳实验结果与分析

3．2．1 壳体厚度t=0．8mm，半径R=47．5mm的整球壳

3．2．2 壳体厚度t=0．8mm，半径R=55mm的整球壳

3．3 相同几何参数，不同加载方式下的半球壳实验结果与分析

3．3．1 不同加载方式下壳体厚度t=1．2mm，半径R=50mm的实验结果

3．3．2 不同加载方式下壳体厚度t=0．7mm，半径R=50mm的实验结果

3．4 理论分析

3．5 本章结论

第四章 不锈钢壳体结构在静态荷载下的数值模拟

4．1 不锈钢壳体有限元模型

4．2 不锈钢半球壳体结构的模拟分析

4．2．1 平头加载下，不同几何尺寸的半球壳体

4．2．2 板加载下，不同几何尺寸的半球壳体

4．2．3 球头加载下的，不同几何尺寸的半球壳体

4．2．4 相同几何尺寸，不同加载方式下的不锈钢半球壳体

4．2．5 平头加载下，相同几何尺寸整球壳与半球壳之间的比较

4．3 本章结论

第五章 子弹冲击载荷作用下半球壳体的动力响应分析

5．1 概述

5．2 子弹实验

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验结果与讨论

5．3 数值模拟

5．4 本章结论

第六章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文