受弹体冲击管道的动力响应及破裂失效研究

论文摘要

工业管道用于国民生产的各个方面,受冲击管道的破裂失效研究对压力管道的设计和防护有重要意义。运用冲击动力学原理,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件结合自主开发的APDL语言,对不同弹体冲击下直管和弯管的动力响应和破裂失效进行研究。主要工作及结论如下：（1）对受撞击管道的大变形和破坏进行了综述。从圆管的撞击损伤、正向穿透破坏、斜向穿透破坏、穿透破坏模式及内充介质和压力对圆管破坏等方面介绍了前人研究成果及存在不足,确定了论文的入手点、研究内容和技术路线。（2）利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了受弹体冲击管道的有限元模型,并验证模型正确性。结果发现弹体冲击区域和网格密度对模拟精度有较大影响。（3）以外径Do=114mm直管和Do=45mm弯管受不同弹体冲击破坏为例,分析了管道的穿透破坏模式和破坏过程。结果发现：弹头直径Dm=9mm半球头和90°锥头弹体穿透壁厚t=1.5mm直管,为花瓣型破坏；Dm≥27mm半球头、90°锥头和Dm≥9mm平头弹体穿透t≥1.5mm直管分别为拉伸型、撕裂型和冲塞型破坏。Dm=5mm半球头弹体穿透曲径比R／Do=2弯管为花瓣型破坏；Dm≥15mm半球头和Dm≥5mm平头、90°锥头弹体穿透弯管分别为拉伸型、冲塞型和撕裂型破坏。（4）研究薄、厚直管外部在半球头、平头和锥头弹体侧向冲击下变形和破裂失效特性,以及临界破裂动能Er与Do、Dm、弹体长度与弹体直径比lm／Dm（弹体质量）及半锥角Ψ关系。发现在Er冲击下,薄管变形明显大于厚管；厚管破裂时间要小于薄管；Er随Do增大而减小,随lm／Dm增大而增大。半球头和平头弹体冲击下,Er随Dm增大而增大,对90°锥头弹体,Er随Dm和Ψ的增大先增大后减小。（5）研究薄、厚弯管内部在半球头、平头和锥头弹体冲击下变形和破裂失效特性,以及Do、t／Do、Dm／t、lm／Dm、Ψ和R／Do对Er影响。发现在Er冲击下,薄管变形略大于厚管,薄管变形随R／Do增大而增大；厚管破裂时间要小于薄管；Er与Do无关,随t／Do和R／Do增大而增大。半球头弹体冲击下,Er随Dm／t和lm／Dm增大而增大；平头弹体冲击下,Er随Dm／t增大而增大,随lm／Dm增大呈稳定性变化；锥头弹体冲击下,Er随lm／Dm增大而增大,随Dm／t和Ψ的增大先增大后减小,给出了Er和Ψ拟合公式。在Dm／t和lm／Dm均变化情况下,弹体质量m起主导作用。并给出了半球头、平头和90°锥头Er与Dm／t和lm／Dm拟合公式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 内空圆管撞击破坏研究进展
• 1.1.1 圆管撞击损伤
• 1.1.2 圆管的正向穿透破坏
• 1.1.3 圆管的斜向穿透破坏
• 1.2 圆管穿透破坏模式
• 1.3 内充介质及压力对管道动力响应和穿透能的影响
• 1.4 前人研究总结及存在不足
• 1.5 本课题研究内容及技术路线
• 1.5.1 本课题研究内容
• 1.5.2 本课题技术路线
• 2 有限元模型的建立与验证
• 2.1 ANSYS/LS-DYNA软件简介
• 2.1.1 发展概况
• 2.1.2 ANSYS/LS-DYNA总体特点
• 2.1.3 程序构成和用户界面
• 2.2 显式积分简介
• 2.3 弹体和管道模型的建立
• 2.3.1 单元和材料模型选择
• 2.3.2 接触类型选择及失效准则定义
• 2.3.3 弹体和管道模型
• 2.4 模型的验证
• 2.4.1 半球头和平头弹体不同角度侧向冲击直管的模型验证
• 2.4.2 锥头弹体不同角度侧向冲击直管的模型验证
• 2.5 小结
• 3 弹体冲击管道的穿透破坏模式分析
• 3.1 受外部侧向冲击直管的穿透破坏模式
• 3.1.1 花瓣型穿透破坏模式
• 3.1.2 拉伸型穿透破坏模式
• 3.1.3 撕裂型穿透破坏模式
• 3.1.4 冲塞型穿透破坏模式
• 3.2 内部受横向冲击弯管的穿透破坏模式
• 3.2.1 花瓣型穿透破坏模式
• 3.2.2 拉伸型穿透破坏模式
• 3.2.3 冲塞型穿透破坏模式
• 3.2.4 撕裂型穿透破坏模式
• 3.3 小结
• 4 外部受弹体侧向冲击直管的破坏失效研究
• 4.1 外部受弹体侧向冲击直管的损伤变形
• 4.2 外部受弹体侧向冲击薄、厚管的破裂特性
• 4.3 半球头弹体冲击下直管破裂失效影响因素分析
• 4.3.1 直管外径对临界破裂动能影响
• 4.3.2 弹体直径对临界破裂动能影响
• 4.3.3 弹体质量对临界破裂动能影响
• 4.4 平头弹体冲击下直管破裂失效影响因素分析
• 4.4.1 直管外径对临界破裂动能影响
• 4.4.2 弹体直径对临界破裂动能影响
• 4.4.3 弹体质量对临界破裂动能影响
• 4.5 90°锥头弹体冲击下直管破裂失效影响因素分析
• 4.5.1 直管外径对临界破裂动能影响
• 4.5.2 弹体质量对临界破裂动能影响
• 4.5.3 弹体直径对临界破裂动能影响
• 4.5.4 半锥角对临界破裂动能影响
• 4.6 小结
• 5 内部受弹体横向冲击弯管的破坏失效研究
• 5.1 内部受弹体横向冲击弯管的损伤变形
• o=2时薄、厚管的损伤变形比较'>5.1.1 R/D_o=2时薄、厚管的损伤变形比较
• o=2和R/Do=5对薄管的损伤变形影响'>5.1.2 不同曲径比R/D_o=2和R/Do=5对薄管的损伤变形影响
• 5.2 内部受弹体横向冲击薄、厚弯管的破裂特性
• 5.3 半球头弹体冲击下弯管破裂失效影响因素分析
• 5.3.1 弯管外径对临界破裂动能影响
• 5.3.2 弯管壁厚对临界破裂动能影响
• 5.3.3 弹体直径对临界破裂动能影响
• 5.3.4 弹体质量对临界破裂动能影响
• 5.3.5 冲击角度对临界破裂动能影响
• 5.3.6 不同弹头直径和弹体质量对临界破裂动能影响
• 5.4 平头弹体冲击下弯管破裂失效影响因素分析
• 5.4.1 弯管外径对临界破裂动能影响
• 5.4.2 弯管壁厚对临界破裂动能影响
• 5.4.3 弹体直径对临界破裂动能影响
• 5.4.4 弹体质量对临界破裂动能影响
• 5.4.5 冲击角度对临界破裂动能影响
• 5.4.6 不同弹头直径和弹体质量对临界破裂动能影响
• 5.5 锥头弹体冲击下弯管破裂失效影响因素分析
• 5.5.1 弯管外径对临界破裂动能影响
• 5.5.2 弯管壁厚对临界破裂动能影响
• 5.5.3 弹体直径对临界破裂动能影响
• 5.5.4 弹体质量对临界破裂动能影响
• 5.5.5 冲击角度对临界破裂动能影响
• 5.5.6 不同弹头直径和弹体质量对临界破裂动能影响
• 5.5.7 半锥角Ψ对临界破裂动能影响
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢