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水下爆炸作用下复合材料圆柱壳结构失效模式分析

杨坤 张玮 李营 何纤纤

杨坤, 张玮, 李营, 等. 水下爆炸作用下复合材料圆柱壳结构失效模式分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(2): 55–63 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02835
引用本文: 杨坤, 张玮, 李营, 等. 水下爆炸作用下复合材料圆柱壳结构失效模式分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(2): 55–63 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02835
YANG K, ZHANG W, LI Y, et al. Failure mode analysis of composite cylindrical shell structure under underwater explosion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(2): 55–63 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02835
Citation: YANG K, ZHANG W, LI Y, et al. Failure mode analysis of composite cylindrical shell structure under underwater explosion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(2): 55–63 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02835

水下爆炸作用下复合材料圆柱壳结构失效模式分析

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02835
详细信息
    作者简介:

    杨坤,男,1986年生,博士,工程师

    李营,男,1988年生,博士,教授。研究方向:舰艇爆炸毁伤与防护。E-mail:bitliying@bit.edu.cn

    通信作者:

    李营

  • 中图分类号: U661.4;U668.5

Failure mode analysis of composite cylindrical shell structure under underwater explosion

知识共享许可协议
水下爆炸作用下复合材料圆柱壳结构失效模式分析杨坤,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  为提高无人水下航行器(UUV)、自主式水下航行器(AUV)、空气瓶等外壳防护结构的抗爆抗冲击能力,对水下爆炸和高静水压力载荷下碳纤维增强复合材料(CFRP)圆柱壳的结构响应及其失效模式进行研究。  方法  利用ABAQUS软件和耦合欧拉−拉格朗日法(CEL)方法构建在静水压力和冲击载荷共同作用下CFRP圆柱壳内爆的计算模型,通过与实验结果对比来验证数值模拟方法的有效性,并在此基础上获得CFRP圆柱壳内爆的失效模式和参数化影响。  结果  研究发现,CFRP圆柱壳水下内爆可分为3个阶段:屈曲阶段、壁面接触阶段、失效扩展阶段;减小圆柱壳长径比能提高结构的抗冲击能力,且影响CFRP圆柱壳的失效模式;随着纤维层数的增加,壳结构的静水承载能力和抗冲击能力增长速率增加;增加冲击块速度,壳的壁面界接触和失效扩展越显著,发生的基体断裂更多,且裂纹在圆柱壳长度方向上有明显增大趋势。  结论  所做研究可为水下航行器等结构设计工作提供数据指导,推动复合材料在上述领域中的应用。
  • 图  整体计算模型

    Figure  1.  Volume type global computing model

    图  测点及压力传感器位置[11]

    Figure  2.  Positions of measuring point and pressure sensor [11]

    图  金属圆管实验[11]与数值模拟结果对比

    Figure  3.  Comparison of experiment[11] and numerical simulation results of metal tube

    图  实验[11]和数值模拟的压力信号对比

    Figure  4.  Comparison of pressure signals between experiment [11] and numerical simulation

    图  长径比为5的CFRP圆柱壳模型网格收敛性

    Figure  5.  Mesh convergence of CFRP cylindrical shell model with a length-to-diameter ratio of 5

    图  CFRP圆柱壳跨中测点的动压(PCO=1.5 MPa)

    Figure  6.  Dynamic pressure of the measuring points in the span of CFRP cylindrical shell(PCO=1.5 MPa)

    图  CFRP圆柱壳位移云图

    Figure  7.  Deformation contours of CFRP cylindrical shell

    图  静水内爆压力−时间曲线对比

    Figure  8.  Comparison of hydrostatic implosion pressure versus time curves

    图  圆柱壳应力云图

    Figure  9.  Stress contours of cylindrical shell

    图  10  长径比为5和8的圆柱壳动压变化

    Figure  10.  Dynamic pressure of cylindrical shells with length-to-diameter ratios of 5 and 8

    图  11  纤维层数对内爆的影响

    Figure  11.  Effect of fiber layers on implosion

    图  12  冲击块速度对圆柱壳变形模式的影响

    Figure  12.  Influence of impactor velocity on deformation mode of cylindrical shell

    图  13  冲击块速度对动压的影响

    Figure  13.  Influence of impactor velocity on dynamic pressure

    表  水介质材料参数

    Table  1.  Water material parameters

    参数数值
    密度$/({\rm{g} }\cdot {\rm{c}\rm{m} }^{-3})$1
    $ C_{0}/(\rm{m}\rm{m}\cdot {\rm{s}}^{-1}) $1 480 000
    $ S $0
    $ {{\varGamma }}_{0} $0
    $ \mu /(\rm{P}\rm{a}\cdot \rm{s}) $1.0×10−3
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    表  空气介质材料参数

    Table  2.  Air material parameters

    参数数值
    密度$/(\mathrm{g}\cdot {\mathrm{c}\mathrm{m} }^{-3})$$ 1.293\times {10}^{-3} $
    气体常数287 000 000
    环境压力/MPa0.101 3
    $ \mu /(\mathrm{P}\mathrm{a}\cdot \mathrm{s}) $$ 8.25\times {10}^{-5} $
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    表  CFRP板的本构模型参数[15]

    Table  3.  Constitutive model parameters of CFRP plate[15]

    参数数值
    密度$/(\mathrm{g}\cdot {\mathrm{c}\mathrm{m} }^{-3})$4
    杨氏模量E1$ / $GPa42.7
    杨氏模量E2$ / $GPa42.7
    剪切模量$ / $GPa4.4
    泊松比${\nu }_{1}$0.05
    泊松比${\nu }_{2}$0.05
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    表  圆柱壳纤维层数的参数设置

    Table  4.  Parameter setting with different fiber layers of cylindrical shell

    纤维层数长度L/mm直径D/mm厚度/mm临界静水压力PCO/MPa冲击块速度v0/(m·s−1)
    429236.51.001.510
    329236.50.751.210
    229236.50.501.010
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-05
  • 修回日期:  2022-07-07
  • 网络出版日期:  2023-04-14
  • 刊出日期:  2023-04-28

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