极端载荷条件下多层充液防护结构的力学行为及优化设计

针对矿下灾变时临时防护结构研究中轻质、强韧、抗冲击、耐爆炸作用以及防热等多功能及结构一体化设计的要求，采用以实验研究和数值仿真为主并与理论分析相结合的研究方法，研究多层层间充液薄壳防护结构的抗冲击、防爆等力学行为以及该类结构的振动与阻尼特性。分析夹层中充液后的多层薄壳结构的冲击损伤、变形吸能机理及流固耦合效应对薄壳夹层结构的准静态、动态力学行为的影响,并获得壳内液体压力瞬变规律及外载作用区流场变化对薄壳变形的影响。发展兼具隔热、隔震、防爆性能和抗冲击性能的多层层间充液的复合结构，探索此类复合结构的多参数、多目标优化设计的方法，进行结构验证试验来完善设计，形成关于矿下灾变防护结构的轻质、隔热和抗冲击、防爆的一体化的设计方案，为地下采矿的防护安全提供设计理论基础和技术储备。

采用实验、数值仿真和理论分析相结合的研究方法对多层充液薄壳结构的准静态和冲击作用下的动力响应进行了研究，分析了夹层充液对于结构变形及其能量吸收方面的作用。通过实验及仿真分析得到了壳内液体压力的变化及其对于壳变形的影响，并对于这种复合壳体的组合优化进行了分析。通过准静态压缩实验观察在不同加载方式下球壳变形模式随压缩深度的变化，半球壳出现了轴对称和非轴对称变形形式。准静态压缩过程可分为加载点附近局部压平、轴对称凹陷以及形成非对称多边形三个阶段；压平向凹陷转变时，平头加载的接触力-位移曲线产生突跳现象，但半球头与平板加载时未出现，且凹陷之后，半球头加载下接触力的增加速率减小，而平板加载下接触力的增加速率几乎保持不变；壳的径厚比越大后期的变形程度越复杂；径厚比越小，由压平到凹陷转变时的临界荷载越大，球壳承载力越大。双层充液球壳在受到载荷冲击时，由于液体作用使外壳受到的局部冲击转化成面载荷均匀加载在内壳上，使之具有更大的承载能力。比较内空和充液结构发现：内空半球壳在冲击作用下产生镜面反射式的下凹变形，冲击结束后没有明显回弹，壳体横截面没有发生扩展；而对于内充液体的壳体，由于内部液体的作用其反射下凹边缘有了较大的过渡区，在“棱区”边缘伴有向外扩展，如果冲击能量足够，冲头会对镜面反射下凹边缘区产生熨平作用，冲击结束后有明显的回弹。采用SEA和CFE方法进行了几种构型的能量吸收分析，单层内空壳体具有较好的吸能能力，但会使壳体产生较大的顶点位移，极大的压缩了壳内的有效防护空间。双层充液半球壳可以在产生不大的变形情况下吸收较大的冲击能量，并在内壳形成一定的防护空间，而单层充液壳体其吸能及变形情况与双层壳的外壳基本一致。在能量吸收方面单层内空半球壳、单层充液半球壳和双层充液半球壳相差无几，但是单层内空半球壳顶点位移比单层充液半球壳和双层充液半球壳大；单层充液半球壳和双层充液半球壳的能量吸收值相近，外层壳的顶点位移基本相等但是双层充液半球壳吸能效果较好、内层壳顶点位移微小所以双层充液半球壳既具有更好的抗冲击能力又可以提供安全的内部空间，是一种可靠的防护结构。课题组还对杆、板及壳的屈曲、混沌行为以及结构在地震等极端动载作用下的结构进行了分析研究，为极端载荷下结构的分析设计提供了研究基础。