爆炸载荷下加筋方板的变形和撕裂外文翻译资料

 2022-07-28 14:12:13

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爆炸载荷下加筋方板的变形和撕裂

G. N. NURICK，M. D. OLSON，J. R. FAGNAN，and A. LEVIN

Department of Mechanical Engineering University of Cape Town, Rondelbosch 7700, South Africa and Department of Civil Engineering, University of British Columbia, Vancouver, BC, Canada V6T, 1Z4

（1993年8月3日收到; 1994年7月15日修订）

摘要：提出了全内置加筋方板进行爆炸压力加载的实验和数值模拟结果。随载荷强度增加应变率敏感的板表现出模式I（塑性大变形）和模式II（拉伸撕裂）失效。数值分析采用有限元法，其中包括非线性几何和材料的影响，以及应变速率敏感性的影响。模式I很好地预测了最大挠度和变形形状。模式II失效的开始是由一个最大应变准则预测的，但有限的模式II数据是不够来构造的。

  1. 简介

报告了对受到爆炸载荷的加筋方板变形和失效的实验和数值研究的初步结果。实心钢材加工的板状试样提供了一个整体加工的中心不同深度的矩形加强筋和均匀厚度的薄板。这些试样加载足以产生较大的永久变形和板的初始撕裂的特定脉冲范围内的爆炸载荷。并用有限元分析法进行了变形与破坏的数值分析。

爆炸荷载下加筋板的文献是很少的，在这方面的最近的贡献涉及全面测试，例如由Slater和Houlston所报告的[1，2]。作者不知道在这方面任何其他发表过的工作。虽然Nurick等人[3-5]的以前实验工作涉及夹在重物之间的各向同性圆形和矩形板，目前的工作涉及到对整体加工板的一系列计划实验的第一个。

Menkes和Opat[6]是第一个报告在不同破坏模式下，用全固支梁加载爆炸载荷。他们报告了随着脉冲的增加，三种完全不同的损伤（失效）模式被观察到，模式I（塑性大变形）和模式II撕裂（拉伸破坏）在支撑处的外纤维，模式III支座横向剪切破坏。这些相同的破坏模式被发现一般也适用于板。然而，在方板的情况下，发现模式II失效发生在两侧的中间，然后随着脉冲的增加，朝着角落推移[5]。

预测由于撕裂或断裂失效的课题是目前所收到的很多的研究工作[7-10]。各种准则正在被探究，如断裂应变，等效塑性工作和损伤模型。然而，还没有普遍的答案是可用的。在目前的工作中采用一种相对简单的断裂应变准则来预测模式II。在工作的具体目标是尽可能保持简单和经济的分析模型，以便它可以用于工程设计的在线分析。

  1. 实验

本实验不同于先前所报告的实验[3-5]，这里的板完全内置，而以前的板被夹在夹块之间。在这里使用的一个全内置板其板块和支持边界是完整的。

12mm热轧钢板由火焰切割成200times;200mm试样。每个板的一面是地面上1mm为来加工过程提供一个平整的表面。数控铣床是用来铣一个89x89mm断面并留出1.6-mm厚的板3mm矩形加强筋。仅在一面上进行加工，因此边界的内在性质是不对称的。板被6mm直径的刀具切割，导致所有圆角半径都是3mm。对9,5,4和2毫米不同深度加强筋的切割以及无筋板。图1显示了一个典型板的绘制。加工后，将板在650℃的温度下释放3小时，并在烘箱中冷却。

每块板仔细测量了24个等间隔板的厚度尺寸和进行了4个等间距加强筋的宽度和深度尺寸的测量。表1显示了几个板的尺寸和标准偏差，而所有的板的平均值见表2。测量的变化主要是由于铣刀的刀具磨损。除试样23109223，板厚度的变化是在0.1mm的平均厚度之内。其他要关注的尺寸变化幅度足够大的试样分别为30099202和05109206（较小加强筋的宽度），01109211和01109212（较小加强筋的深度），和29109227和29109228（较大加强筋的宽度）。

图1 加筋板结构图

表1 标准偏差板测量实例

板的编号

板厚（mm）

加强筋宽度（mm）

加强筋深度（mm）

平均值

标准偏差

平均值

标准偏差

平均值

标准偏差

30099201

1.56

0.034

2.93

0.042

9.04

0.053

30099205

1.51

0.013

2.99

0.019

9.01

0.005

23109208

1.55

0.023

2.89

0.041

4.87

0.023

05109220

1.6

0.009

2.92

0.01

4.94

0.021

23109226

1.62

0.007

3.1 1

0.026

3.95

0.013

29109227

1.65

0.034

3.24

0.01

3.94

0.017

30109235

1.57

0.013

3.03

0.005

2.08

0

30109238

1.61

0.029

3.04

0.01

1.95

0.006

31109243

1.53

0.015

——

——

——

——

31109244

1.54

0.012

——

——

——

——

在从板切割下来的标准试样上进行单轴拉伸试验。三组拉伸试验是必须进行的，因为板是在三个单独的批次中进行应力消除。使用Cowper-Symonds方程（1）对有限应变速率下的试验数据确定静态屈服应力。表3给出了材料的性能。

用于爆炸实验的实验过程和Nurick等人的描述是相似的[3-5]，其中涉及了冲击摆的使用。试样板被夹在冲击摆的一端。炸药是放在一个12mm厚的两同心方形环里聚苯乙烯板上，这样被两垂直炸药条互相连接称为交叉引线。爆炸物很短的尾部包含着雷管然后和交叉引线的中心相连。在所有的测试中尾部的炸药质量和交叉引线是不变的。通过仅增加环状炸药的质量来增加施加到板的平面一侧的冲量。

钟摆，试验台和反平衡质量的总质量为146公斤，摆锤的初始摆动范围从21毫米到55毫米。用游标卡尺测量每个试样变形中点挠度，中心线挠度曲线使用机械靠模滚子从动件进行描绘。

  1. 分析

3.1有限元法

一个叫做NAPSSE（基于超单元的板结构非线性分析）的相对较新的计算机程序已经开发出来并用于爆炸荷载作用下板结构的设计分析[11]。位移场纳入这些超单元分析以及多项式函数表示，所以只有少数单元需要提供设计水平精度。板（梁）理论使用的是薄板（梁）理论，不包括剪切变形的影响（基尔霍夫理论）。几何非线性和材料非线性的模型，分别由von Karman大挠度理论，和von Mises屈服准则及其关联流动法则与双线性应变硬化定律。有限元方程是利用高斯积分的虚功原理得到的，在每个面内方向上使用五个积分点，四个穿过板厚度（梁深度）。时间积分是用Newton Raphson迭代法和Newmark-beta;法在每一个时间步长内进行的。

表2 板的尺寸和测试数据

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A.标称9毫米厚的加强筋

　

　

　

　

　

　

测试编号

平均板厚(mm)

平均加强筋宽度(mm)

平均加强筋深度(mm)

加强筋面积(mm2 )

冲量Ns)

中点挠度(mm)

挠度板厚比

30099201

1.56

2.93

9.04

26.49

9.74

7.80

5.01

30099202

1.50

2.74

9.10

24.93

8.35

7.06

4.71

30099203

1.53

3.03

9.02

27.33

8.97

7.37

4.82

30099204

1.51

2.97

9.01

26.76

9.67

7.78

5.15

30099205

1.51

2.99

9.01

26.94

12.00

8.84

5.85

平均值

1.52

2.93

9.04

26.49

　

　

　

B.标称5毫米厚的加强筋

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