冲击载荷下金属圆管列的实验和数值计算研究

• 作 者: 王帅
• 机 构: 北京大学
• 出 处: 北京大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 金属圆管列系统 冲击载荷 缩比模型 靶体 穿甲 数值计算

当前，提高结构的耐撞性并最大限度地保障人员安全，已经成为冲击动力学研究和应用的重要方向。在诸多的能量吸收装置中，金属圆管具有成本低廉、取材方便、吸能效率高等优势，已经得到了部分实际应用。然而，由于问题的复杂性，以往研究多集中于准静态情况，冲击载荷作用下金属圆管列的相关研究尚不充分。本文采用实验和计算相结合的方法，对冲击载荷作用下金属圆管列的动力学行为和能量吸收特性进行了系统的研究，研究工作主要集中在以下几个方面：　　
第一，建立了落锤装置和无线加速度传感器系统组成的冲击试验平台，对铝管列系统进行了相应的实验研究，将实验结果与计算结果进行对比，保证了数值计算工作的正确性和可靠性。　　
第二，利用有限元软件LS-DYNA，对单层及多层铝管列系统进行大量的数值研究，讨论了铝管个数、外径、壁厚、撞击初速度等因素对铝管列系统吸能特性的影响，无论是单层铝管列系统，还是多层铝管列系统，在载荷允许的条件下，均可通过减小铝管外径或增加铝管壁厚提高其吸能能力；铝管列系统存在一临界压缩量，当压缩量超过该临界值后，载荷将陡然增加；正方形排列的多层铝管列系统的临界压缩量约为65％，并且不受外界条件影响，六边形排列的多层铝管列系统的临界压缩量不受铝管层数、撞击速度影响，仅与铝管壁厚、铝管外径有关。　　
第三，依据现有的研究结果，将多层金属圆管列系统的应用范围拓展到抗穿甲结构和新型舰船结构的设计领域；以三层正方形排列圆管列构成的钢管列缩比模型的抗穿甲能力明显优于双层钢板靶体，两种圆管吸能舰船结构的抗冲击性能比典型舰船结构有显著改善。