轴向冲击下圆柱壳的屈曲及后屈曲

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圆柱壳结构因其受力性能优良,被广泛应用于航空、建筑等工业领域中。此结构在实用中常处于瞬时载荷作用的动力环境,其动态屈曲及失效问题一直是薄壁结构动力性能研究领域的重点内容。从应用的角度,确定柱壳在轴向冲击下的压溃载荷具有直接的实用价值;而柱壳的冲击压溃从力学的角度看则属于结构的弹塑性屈曲及后屈曲问题,同时它也涉及结构的惯性效应及材料的应变率效应。有关柱壳在准静态下的屈曲及后屈曲,国内外学者开展过大量的研究工作并得到诸多结论,但由于问题的复杂性,仍有许多问题有待解决;相比而言,有关柱壳在高速冲击下的屈曲及后屈曲的研究则显得不够充分,部分已有的研究结论也缺少足够的实验结果支持,甚至不同研究者所得的结论也不一致。因此有必要进一步对轴向冲击下圆柱壳的屈曲及后屈曲行为开展全面、深入的研究分析。  基于轴向冲击下圆柱壳屈曲的研究现状,本文通过实验和有限元仿真开展了铝合金及铜合金圆柱壳在轴向冲击载荷作用下的压溃行为的研究。研究中利用 MTS和大直径霍普金森杆进行轴向加压下圆柱壳静、动态屈曲实验,通过对霍普金森杆的改进、合理设计及引入应力波反演技术,实现了近似恒速加载条件下较长时间的冲击压溃实验。同时,采用高速摄影结合数字图像相关(DIC)方法对柱壳压溃过程中的变形及速度场进行了分析。实验研究的同时也采用了有限元仿真方法,在仿真模型获得实验结果验证的前提下,进一步研究了圆柱壳轴向压溃过程中屈曲与后屈曲的发生、发展及屈曲几何形态的变化过程。通过实验研究分析发现,横向惯性效应明显影响柱壳的冲击压溃力。结合实验与仿真结果,研究归纳了壳体尺寸、冲击速度对轴向冲击下圆柱壳屈曲行为的影响,在此基础上,利用量纲分析及近似解耦处理,给出了率无关材料(铝合金)柱壳轴向冲击压溃力经验公式。研究也发现,如果考虑薄圆柱壳变形速度的非均匀性,高速变形区的屈曲形态均倾向于对称模式,而低速变形区则倾向于非对称屈曲模式。为评价材料应变率效应对圆柱壳屈曲模式及载荷的影响,利用微型霍普金森压杆测试了黄铜及紫铜材料的率相关特性,结合冲击压溃实验结果,对率相关材料圆柱壳的屈曲模式和压溃载荷进行了初步分析。
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