爆炸冲击作用下金属板壳结构的动力学响应实验研究

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1、北京理工大学博士学位论文摘要爆炸冲击作用下材料和结构的动态响应过程非常复杂，对爆炸冲击瞬态加载过程的位移、应变和速度等参量进行测量对于研究材料/结构的动态力学行为及变形破坏机理具有重要的意义。常规的应变计和VISAR等测量方法只能够得到单点的应变或速度信息，不能进行全场测量。数字图像相关方法（DigitalImageCorrelation,DIC）作为一种新兴的光学测量技术，能够在较为复杂的实验环境中，对待测样品表面的位移进行非接触、全场测量。本文针对空气冲击波和水中冲击波作用下金属薄板的动态响应以及爆炸容器壳

2、体在内爆炸作用下的动态响应等典型问题进行实验研究，采用三维数字图像相关方法对冲击波作用下板壳结构的动态响应进行全场测量，分析其变形、损伤和破坏机理。基于3DDIC方法原理和高速摄影技术，搭建了高速3DDIC测量系统。分析了DIC方法测量误差的来源，设计了标定误差实验和相机自发热实验，讨论了标定方式（包括标定板的尺寸、标定图像的数目和标定板的姿态）以及相机自身发热对DIC测量相关误差的影响，提出了较为合理的标定图像数目和标定板尺寸选择方式以及相机预热措施。通过对初始计算得到的位移场进行高斯权重的平滑后处理，有效地

3、降低噪声水平及其对测量误差的影响。为了防止爆炸产生的气体产物和瞬时强光对DIC测量的影响，设计了封闭的爆炸加载装置，用于研究紫铜、黄铜和钛合金等金属薄板在爆炸空气冲击波作用下的动态变形和损伤破坏行为。通过对比数值仿真结果，验证DIC测量结果的有效性和准确性。设计泄压实验，研究了封闭爆炸中内部冲击波反射和准静态压力对薄板变形的作用机理，通过模态分析对薄板弹塑性结束以后的阻尼振动频率特征进行了研究。使用量纲分析，推导了适用于封闭爆炸加载条件下不完全夹持薄圆板的冲击响应经验公式。采用流固耦合等效水下冲击加载装置（FS

4、I，Fluid–StructureInteraction）进行水中冲击波加载，结合高速3DDIC方法作为位移和变形测量手段，研究了铝合金和纯铜薄板结构在水下冲击波加载条件下动态响应和失效模式，考察了预制裂纹对薄板结构毁伤形式的影响。对薄板的水下冲击变形过程进行数值仿真，与实验结果符合良好。基于DIC测量得到的靶板位移场、速度场和应变场结果，分析了靶板在均布冲击载荷作用下的动态变形规律。通过量纲分析，研究了实验条件参数对薄板水下冲击响应的I北京理工大学博士学位论文影响，验证了Rajendran挠厚比经验公式，并重

5、新推导了适用于水下冲击加载条件下不完全夹持薄圆板的冲击响应经验公式。从实验测量和有限元数值模拟两个方面，对单层和双层结构的椭圆封头圆柱形压力容器在内爆炸作用下的动态响应进行了研究。采用高速3DDIC测量了爆炸容器表面不同部位的微小弹性变形位移场和应变场信息，进行了频谱分析得到频谱分布曲线，通过有限元仿真模拟对比分析，得到了两种结构的压力容器的主要振型，讨论了爆炸载荷对容器的振动形式和响应频率的影响。关键词：平板结构；爆炸容器；3DDIC方法；空气爆炸；水下爆炸；冲击响应；变形与损伤；振动响应；量纲分析II北京理

6、工大学博士学位论文AbstractThedynamicresponsesofthestructuresubjectedtoblastloadingareverycomplex.Themeasurentsofthedisplacement,strainandvelocityoftheobjectduringtheimpactloadingprocess,areimportantforthestudyonthedynamicmechanicalbehavior,deformationandfailuremechan

7、ismofthestructureormaterials.Conventionalmeasurementtechniques,suchasstraingauges,VISARorDISAR,canonlyprovidelimitedmotionordeformationinformationforasinglepointorafewpointsatthesametime.Digitalimagecorrelation(DIChasbeenconsideredasoneofthemostpopularandimp

8、ortantopticaltechniquesforfull-fieldmotion,deformationandshapemeasurementsinexperimentalmechanics.Inthisstudy,aseriesofexperimentalstudiesareperformedforivestigatingthedynamicresponsesofmetallicp