多种材料复合圆柱构件在爆炸/冲击下的吸能及破坏机理

This project is based on the research of blast or impact resisting of long-span space structures. Combining with the knowledge of materials engineering, energy absorbing and failure mechanism of mutil-material composite pipes under impact loads will be studied systematicly. The main research contians: (1) Study the composition of the new mutil-material composite pipes. Choose the high strength firbers and fill-in materials to produce the members with highly carrying capacity and good engery absorbing. (2) Investigate the stability of the new composite members and propose the reasonable design methods. (3) Through the impact tests, obtain the failure modes of the member in the axial and lateral directions. By the numerical simulation of the whole processes, obtain the laws of engery transfering during the impact actions and study the failure mechanisms. (4) Study the advantage of new mutil-material composite pipes and testing the inhibition on the structural responses and progressive collapse. The protect theories of this new members could be formed and used in design of blast and impact resisting. Aiming on the practical application, all the conclusions from this project would be the sufficient supports of the blast and impact resisting theories for improtant structures.

本项目在圆钢管及大跨空间结构抗爆/抗冲击研究的基础上，与材料工程学结合，对多种材料复合圆柱构件在冲击荷载下的吸能及破坏机理开展系统的研究。课题研究内容主要包括：（1）研究构件的制备工艺，在薄壁圆钢管的基础上，选择高效的纤维复合材料与内部填充材料，形成承载力高，吸能能力好的复合构件；（2）研究构件的稳定性，提出合理的构件设计方法；（3）通过构件冲击试验，考察构件在轴向、侧向冲击荷载下的破坏模式；通过数值分析，建立该类构件的高效建模理论，并定量获得构件在冲击荷载下的能量转化规律，分析其失效机理；（4）研究构件在大跨钢结构及空间网格结构中的应用；考察构件对结构振动幅值及结构连续倒塌的抑制作用，提出基于该类构件的结构抗爆防护理论。本项目以实用化为研究目标，所取得的成果将为重大工程的抗爆防护提供有力支持。

本项目针对多种材料复合圆柱构件的稳定承载力、吸能及破坏机理开展了较为系统的研究，在构件的成型工艺、材料本构、构件稳定性、冲击荷载下的吸能及破坏机理、性能预测公式等方面开展工作，为该类构件的工程应用提供理论支持。通过本项目的研究，取得的主要理论成果有：.（1）加工制备了多种纤维增强薄壁圆钢管构件、内部填充复合圆钢管构件。标定了Q235B钢材动态本构模型参数，提出了针对三种常用动态本构模型的应用建议；基于复合材料力学、Hahsin准则、Puck准则、改进的Hahsin准则及考虑应变断裂能的损伤演化法则，提出了能够考虑FRP材料失效及损伤演化的本构模型。.（2）研究了多种材料复合圆柱构件的稳定性能，获得了试件长细比、钢管径厚比、纤维缠绕角度、发泡材料类型等参数对其轴压性能的影响；.（3）开展了系统的冲击试验与数值仿真，研究了多种复合圆柱构件的抗冲击性能，获得了试件长细比、钢管径厚比、纤维缠绕角度、冲击速度、冲击物形状等参数对试件抗冲击性能的影响；.（4）提出了多种材料复合圆柱构件性能的预测公式，为多种材料复合圆柱构件应用于实际工程提供理论参考；提出了一种可应用于大跨空间结构，具有轻质、较好滞回性能的新型GFRP-钢复合防屈曲支撑。.项目成果在国内外学术刊物及学术会议上发表18篇论文（含3篇已录用），其中SCI收录7篇、EI收录6篇；获授权发明专利1项；培养博士研究生5名，硕士研究生9名。取得的研究成果可为多种材料复合圆柱构件的设计方法、工程抗爆防护应用提供理论支撑。