
兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 705-719.doi: 10.12382/bgxb.2022.0726
汪海洋1, 龙仁荣1,*(
), 张庆明1, 刘博文1, 廖晨1,2
收稿日期:2022-08-18
上线日期:2022-11-20
通讯作者:
基金资助:
WANG Haiyang1, LONG Renrong1,*(
), ZHANG Qingming1, LIU Bowen1, LIAO Chen1,2
Received:2022-08-18
Online:2022-11-20
摘要:
为探究凸型加筋锥柱壳在静水压与深水爆炸载荷联合作用下的动态响应,在塑性弦线模型基础上考虑静水压载荷、锥角因素,将问题简化为求解拥有初边界值的波动方程,利用特征值展开将肋间板壳径向位移表示为无穷级数的形式,并对每个特征值计算相应的卸载时间,以此显示冲击波载荷的衰减特性。使用有限元程序Abaqus对半锥角为20°的凸型加筋锥柱壳开展最大深度500m、最大冲击因子0.79kg0.5/m的水下爆炸数值模拟研究,对邻近结合处的柱段、锥段肋间板壳的理论模型计算结果进行验证对比和讨论。研究结果表明:与不计静水压相比,静水压使得肋间板壳刚度减小——最大位移出现时刻延滞,最终径向位移随水深而增大;在不同冲击因子下,理论模型与数值模拟最终径向位移误差最大为21.7%(锥段),最小为2.0%(柱段);由于锥角的存在,肋间板壳位移不再关于中心点对称分布,中心点最终位移较柱段减小40%以上。
中图分类号:
汪海洋, 龙仁荣, 张庆明, 刘博文, 廖晨. 基于塑性弦线法的深水爆炸下加筋锥柱壳变形模型[J]. 兵工学报, 2024, 45(3): 705-719.
WANG Haiyang, LONG Renrong, ZHANG Qingming, LIU Bowen, LIAO Chen. Deformation Model of Ring-stiffened Conical-cylindrical Shell under Deep-underwater Explosion Based on Plastic String Method[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(3): 705-719.
| 参数 | 意义 |
|---|---|
| = | 轴向坐标 |
| = | 时间 |
| =w· | 肋间板壳瞬时径向位移 |
| γ= | 波传播时间与爆炸载荷持续时间比 |
| ζ= | T型筋与弦线刚度比 |
| η= | T型筋与弦线质量比 |
| = | 载荷与抗力比 |
表1 波动方程参数
Table 1 Wave equation parameters
| 参数 | 意义 |
|---|---|
| = | 轴向坐标 |
| = | 时间 |
| =w· | 肋间板壳瞬时径向位移 |
| γ= | 波传播时间与爆炸载荷持续时间比 |
| ζ= | T型筋与弦线刚度比 |
| η= | T型筋与弦线质量比 |
| = | 载荷与抗力比 |
| ρ/ (kg·m-3) | E/ GPa | μ | A/ MPa | B/ MPa | n | C | ν |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7850 | 210 | 0.28 | 375 | 630 | 0.52 | 0.032 | 1.03 |
表2 Q345的J-C模型参数
Table 2 Parameters of J-C model of Q345
| ρ/ (kg·m-3) | E/ GPa | μ | A/ MPa | B/ MPa | n | C | ν |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7850 | 210 | 0.28 | 375 | 630 | 0.52 | 0.032 | 1.03 |
| 变形 | 实验结果 | 仿真结果 | 误差/% |
|---|---|---|---|
| 结合处向外隆起变形/mm | 4 | 3.55 | -11.3 |
| 柱段靠近结合处一跨 向内凹陷变形/mm | 6 | 5.02 | -16.3 |
表3 实验和数值仿真结果对比汇总
Table 3 Comparison between experimental and simulated results
| 变形 | 实验结果 | 仿真结果 | 误差/% |
|---|---|---|---|
| 结合处向外隆起变形/mm | 4 | 3.55 | -11.3 |
| 柱段靠近结合处一跨 向内凹陷变形/mm | 6 | 5.02 | -16.3 |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| = | 0 |
| = | |
| =w· | |
| γ= | 2.70 |
| ζ= | 18.06 |
| η= | 3.16 |
| = | 184.17 |
表4 柱段板壳波动方程参数
Table 4 Parameters of wave equation of cylinder section
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| = | 0 |
| = | |
| =w· | |
| γ= | 2.70 |
| ζ= | 18.06 |
| η= | 3.16 |
| = | 184.17 |
| 序列 | 数值 | 序列 | 数值 |
|---|---|---|---|
| λ0 | 0 | λ10 | 29.86 |
| λ1 | 1.89 | λ11 | 33.00 |
| λ2 | 4.84 | λ12 | 36.14 |
| λ3 | 7.93 | λ13 | 39.28 |
| λ4 | 11.05 | λ14 | 42.42 |
| λ5 | 14.18 | λ15 | 45.56 |
| λ6 | 17.31 | λ16 | 48.70 |
| λ7 | 20.45 | λ17 | 51.84 |
| λ8 | 23.58 | λ18 | 54.98 |
| λ9 | 26.72 | λ19 | 58.13 |
表5 柱段板壳波动方程特征值
Table 5 Eigenvalues of wave equation in cylinder section
| 序列 | 数值 | 序列 | 数值 |
|---|---|---|---|
| λ0 | 0 | λ10 | 29.86 |
| λ1 | 1.89 | λ11 | 33.00 |
| λ2 | 4.84 | λ12 | 36.14 |
| λ3 | 7.93 | λ13 | 39.28 |
| λ4 | 11.05 | λ14 | 42.42 |
| λ5 | 14.18 | λ15 | 45.56 |
| λ6 | 17.31 | λ16 | 48.70 |
| λ7 | 20.45 | λ17 | 51.84 |
| λ8 | 23.58 | λ18 | 54.98 |
| λ9 | 26.72 | λ19 | 58.13 |
| 序列 | 数值 | 序列 | 数值 |
|---|---|---|---|
| 66.30 | 0.081 | ||
| 0.87 | 0.075 | ||
| 0.48 | 0.070 | ||
| 0.21 | 0.065 | ||
| 0.16 | 0.061 | ||
| 0.14 | 0.058 | ||
| 0.12 | 0.055 | ||
| 0.11 | 0.052 | ||
| 0.097 | 0.049 | ||
| 0.088 | 0.047 |
表6 特征值对应卸载时间(柱)
Table 6 The unloading time corresponding to the eigenvalue (cylinder)
| 序列 | 数值 | 序列 | 数值 |
|---|---|---|---|
| 66.30 | 0.081 | ||
| 0.87 | 0.075 | ||
| 0.48 | 0.070 | ||
| 0.21 | 0.065 | ||
| 0.16 | 0.061 | ||
| 0.14 | 0.058 | ||
| 0.12 | 0.055 | ||
| 0.11 | 0.052 | ||
| 0.097 | 0.049 | ||
| 0.088 | 0.047 |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| = | 0 |
| = | |
| =w· | |
| γ= | 2.87 |
| ζ= | 18.06 |
| η= | 2.97 |
| = | 156.73 |
表7 锥段板壳波动方程参数
Table 7 Parameters of wave equation of cone section
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| = | 0 |
| = | |
| =w· | |
| γ= | 2.87 |
| ζ= | 18.06 |
| η= | 2.97 |
| = | 156.73 |
| 序列 | 数值 | 序列 | 数值 |
|---|---|---|---|
| λ0 | 0 | λ10 | 29.86 |
| λ1 | 1.97 | λ11 | 33.00 |
| λ2 | 4.85 | λ12 | 36.14 |
| λ3 | 7.94 | λ13 | 39.29 |
| λ4 | 11.06 | λ14 | 42.43 |
| λ5 | 14.18 | λ15 | 45.57 |
| λ6 | 17.32 | λ16 | 48.71 |
| λ7 | 20.45 | λ17 | 51.85 |
| λ8 | 23.59 | λ18 | 54.99 |
| λ9 | 26.73 | λ19 | 58.13 |
表8 锥段板壳波动方程特征值
Table 8 Eigenvalues of wave equation of cone section
| 序列 | 数值 | 序列 | 数值 |
|---|---|---|---|
| λ0 | 0 | λ10 | 29.86 |
| λ1 | 1.97 | λ11 | 33.00 |
| λ2 | 4.85 | λ12 | 36.14 |
| λ3 | 7.94 | λ13 | 39.29 |
| λ4 | 11.06 | λ14 | 42.43 |
| λ5 | 14.18 | λ15 | 45.57 |
| λ6 | 17.32 | λ16 | 48.71 |
| λ7 | 20.45 | λ17 | 51.85 |
| λ8 | 23.59 | λ18 | 54.99 |
| λ9 | 26.73 | λ19 | 58.13 |
| 序列 | 数值 | 序列 | 数值 |
|---|---|---|---|
| 63.22 | 0.081 | ||
| 0.87 | 0.075 | ||
| 0.32 | 0.070 | ||
| 0.20 | 0.065 | ||
| 0.16 | 0.061 | ||
| 0.14 | 0.058 | ||
| 0.12 | 0.055 | ||
| 0.11 | 0.052 | ||
| 0.10 | 0.050 | ||
| 0.088 | 0.047 |
表9 特征值对应卸载时间(锥)
Table 9 The unloading time corresponding to the eigenvalue (cone)
| 序列 | 数值 | 序列 | 数值 |
|---|---|---|---|
| 63.22 | 0.081 | ||
| 0.87 | 0.075 | ||
| 0.32 | 0.070 | ||
| 0.20 | 0.065 | ||
| 0.16 | 0.061 | ||
| 0.14 | 0.058 | ||
| 0.12 | 0.055 | ||
| 0.11 | 0.052 | ||
| 0.10 | 0.050 | ||
| 0.088 | 0.047 |
图16 不同冲击环境下锥段板壳中心点最终位移较柱段减小量
Fig.16 The reduction of the final displacements of the center point of the conical plate shell compared with that of the column under different impact environments
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徐秉业. 结构塑性极限分析[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1985.
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