船体板在强动载荷下的饱和冲量研究

In general, the intensive dynamic loading （such as explosive loading） imposed on the ship plates is represented only by the maximum load and total impulse of the loading pulse. However, our research on saturated impulse shows that the total impulse design based on the loading pulse is inaccurate. Only the part of the impulse which is no more than the value of saturated impulse has an influence on the permanent deformation. Hence, the prediction of the large deformation of ship plates is more reasonable and accurate when taking account of the effect of the saturated impulse. In this project, the rigid-plastic and elastoplastic methods are developed to study the mechanism of the dynamic behaviour of plates used in marine and ocean structures under intensive dynamic loading. The saturated impulse phenomenon and some important features in the response are investigated and discussed. Then, the dynamic deformation experiments of scaled plates in blast and slamming impact will be performed to validate the results of calculated deformations. Finally, the design formulae for ship plates subjected to intensive loading will be developed. This project will not only meets the urgent demand of naval ships and marine engineering structure design, but also provides valuable information for better understanding of large plastic deformation problems.

通常船体板可能承受的强动载荷（如爆炸载荷）只以最大载荷和爆炸脉冲的总冲量来表征。但是我们对“饱和冲量”的研究表明，基于爆炸脉冲的总冲量的设计是不准确的，总冲量中其实只有达到饱和前的那一部分冲量对最终的大变形有影响，由此在各种情形下确定“饱和冲量”，预测船板大变形就更合理，更准确。本课题通过发展船体板（包括海洋结构中广泛应用的大型板件）在强动载荷下的大变形动力响应问题的刚塑性分析方法、弹塑性数值方法，探讨船体板在强动载荷下的变形机理，研究船体板在强动载荷下的饱和冲量机理和变形过程中的一些特征现象，再通过开展缩比板在爆炸和砰击载荷下的动态变形实验对板的变形计算值进行验证，最终提出能用于工程应用的在强动载荷下船体板设计的相关公式。本项目的开展无论是对于满足军船和船海工程设计的急迫需求，还是对深化塑性大变形基础力学问题的科学认识都有重要的意义和价值。

船舶和海洋结构遭遇强动载荷（例如爆炸、波浪砰击等）时，经常会遇到船体结构的大变形塑性动力响应问题，可能造成严重的后果。在对船体结构响应的学术研究和工程设计中，通常会将爆炸或砰击载荷简化为脉冲载荷。目前，相关研究和设计方法基本上只以最大载荷和脉冲的总冲量来表征船体结构承受的脉冲载荷，但是我们对“饱和冲量”的研究表明，基于脉冲的总冲量的设计是不准确的，总冲量中其实只有达到饱和前的那一部分冲量对最终的大变形有影响。.本项目以刚塑性理论方法为主，弹塑性数值方法和实验方法为辅对遭受脉冲载荷作用下船体结构的饱和冲量进行了系统的研究，考虑了包括尺度效应、材料屈服强度、应变率敏感性和应变强化、结构尺寸和边界条件等对船体结构饱和冲量的影响，并结合饱和冲量研究将膜力因子法应用到了梁和板的塑性动力响应求解中，厘清了瞬态响应阶段和屈服准则的选取对饱和冲量的影响。同时，开展了强动载荷作用的船体板的动态大变形缩比实验，绘制了基于饱和冲量现象的P-I图，并将饱和冲量分析方法应用到了舱室内爆中。此外，还针对不同形状的压力脉冲载荷作用下结构的饱和冲量进行了探讨，在Youngdahl的基于半经验公式的脉冲载荷等效方法基础上给出了解析解，提出了新的饱和等效方法。.在本项目的资助下，研究团队已发表期刊论文17篇，其中SCI检索15篇，Google Scholar引用次数超过60次，国内外会议论文以及特邀报告10余篇，以及4项已授权的国家发明专利，同时还承办了3次国内外学术会议。本项目的研究成果填补了船体结构在强动载荷下饱和冲量现象研究的空白，厘清了饱和冲量现象的力学机理。通过对饱和冲量现象及饱和等效方法的研究，可以更准确地给出结构塑性动力响应的结果，预测结构变形终止时间与载荷之间的关系，减少反复的复杂非线性数值计算，从而更有效地进行船体结构抗冲击设计。因此，研究船体板在强动载荷作用下的饱和冲量对于船舶和海洋结构的抗爆、抗冲击设计有重要工程意义，同时具有重要的学术意义。