爆炸载荷下加筋板动态响应相似畸变规律研究

Dynamic response of a structure under blast or impact loadings is a very complex nonlinear problem. Dynamic tests are usually conducted on small-scale models to determine the response characteristics of a geometrically similar full-size system as these systems might be too expensive or complex to be studied experimentally. The similarity of the model and prototype is the basic principle of the model design, and it is directly related to the accuracy of predicted response of full-scale structures. When a scaled structure is used to predict the response of a full-size structure, the geometric dimensions of the model should relate to the corresponding dimensions by a single scaling factor. However, in practice of model experiments, the determination of this scaling factor and similarity principle becomes very difficult and complex because of the strain rate effect of material and geometrical distortion between prototype and scaled model. Therefore, combined with dimensional analysis and structural dynamic loaded experiments, the distorted similarity law of dynamic response of structures will be studied, and the influence factors and immanent mechanism of similarity will be presented. This project mainly includes: (1) the choice principle of basic dimensions will be determined in dynamic response of structures; (2) a method which takes strain rate effect and geometrical distortions into account will be proposed. A theoretical analysis and experimental validation of coupling effect of distorted similarity will also be presented; (3) scaled model tests of stiffened plates will be carried out under inner explosion. The expected research findings will benefit the design of model experiments and the prediction of the response of full-size structures economically and reasonably.

爆炸冲击载荷下结构的动态响应具有高度的非线性，由于缩比模型试验具有试验成本低、便于深入研究响应规律和损伤机理的特点而成为结构爆炸冲击响应研究领域内常用且有效的手段。缩比模型试验的主要目的在于通过模型的试验结果预报实际结构的响应和损伤特性，模型和实型之间的相似准则是指导试验模型设计和预报实际结构响应的基石。在模型试验中，由于材料应变率效应和结构模型几何畸变的存在，这一缩比准则的确定就变得复杂而困难。为此，本项目将结合量纲分析和结构动态响应模型试验，研究爆炸冲击载荷下结构响应相似畸变规律，揭示其中的影响因素和控制机理，探索合理可靠的缩比模型相似准则。主要研究内容有:(1)结构动态响应分析基本量纲组选取的原则和方法；（2）结构动态响应相似畸变规律和准则，畸变耦合效应的理论分析和验证；（3）舱内爆炸载荷下加筋板结构响应的缩比试验。研究成果能为爆炸试验模型设计和相似预报提供依据和参考。

爆炸冲击载荷下结构的动态响应具有高度的非线性，由于缩比模型试验具有试验成本低、便于深入研究结构响应和损伤机理的特点而成为结构爆炸冲击响应研究领域内常用且有效的手段。缩比模型试验的主要目的在于通过模型结构的试验结构预报实际结构的响应和损伤特性，模型和实型之间的相似缩比规律和准则是指导试验模型设计和预报实际结构响应的基石。在模型试验中，由于材料应变率效应和几何畸变的存在，这一缩比规律和准则确定就变得复杂而困难。为此，本项目将结合量纲分析和结构动态响应模型试验，研究爆炸冲击载荷下结构响应相似畸变规律，揭示其中的影响因素和控制机理，探索可合理可靠地缩比模型相似准则。主要研究内容有:. (1) 从量纲分析出发，探讨了应变率效应对结构动态响应相似关系的影响，通过修正外载荷建立模型与实型间的相似规律；分析了冲击波载荷比冲量和结构材料应变率间的相互影响关系，并以比冲量作为修正量提出了适用于爆载作用下相似结构的不完全相似准则。. (2) 在前人研究工作的基础上整理、拟合了药量、爆距和比冲量之间关系的表达式，提出了模型药量的修正方法，从而使模型实验更为方便可控；并通过算例进行方法验证，证明了该相似修正法在爆载下结构响应相似问题中的适用性。. (3) 开展了几何畸变模型动态响应相似问题的研究；采用经典卡勒汀结构比较了目前畸变模型预报中两种常用预报方法——“有限元系数预测法”和“指数修正法”——的优缺点，并结合结构动载响应的实验要求和两种方法各自的特点，选择了“指数修正法”作为本研究畸变模型问题中的预报方法；并在此基础上提出了一种指数n值的快速求解法，解决了该方法在实际应用中存在的不足。. (4) 分析了爆炸载荷下加筋构件板厚、加筋截面型式共同畸变时的响应相似问题。在保证畸变前后加筋截面抗弯模量相同或相近的前提下，提出了以加筋截面积为畸变量来进行外载荷修正的方法；并结合空爆和舱室内爆两类算例进行了验证，揭示了爆炸载荷下加筋板动态响应的相似畸变规律。. 研究成果能为爆炸模型试验设计和相似预报提供依据和参考。