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铜合金圆柱壳在轴向冲击载荷作用下塑性动力屈曲的实验研究及数值仿真

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基于薄壁金属圆柱壳构型特殊，使其成为轻型基础结构元件，被广泛地应用于土木、化工、机械、航天航空、核工程等诸多民用和国防的重要工业领域中。多年以来，不同材料的薄壁金属圆柱壳在不同类型的冲击载荷作用下的屈曲行为引起了许多学者的兴趣，已成为在固体力学研究中十分活跃的一部分；轴向冲击载荷作用下结构柱壳的动力失稳与静力失稳的特征有着明显的不同，这是因为轴向冲击载荷引起应力波效应和结构本身的惯性效应。N.Jones等人通过对圆柱壳轴向冲击的实验研究，提出动力渐进屈曲和塑性动力屈曲。一般认为，冲击速度较低时(vo<5 m/s)薄壁金属圆柱壳出现动力渐进屈曲；而冲击速度较高时，将会出现塑性动力屈曲和动力渐进屈曲，这说明冲击速度对壳体出现何种形式的屈曲是有影响的，此外，壳体的材料特性和几何尺寸也能影响它的屈曲形式。到目前为止，仍未能确定在何种条件下产生动力渐进屈曲或者塑性动力屈曲，因此，进一步研究薄壁金属柱壳的轴向冲击载荷下的塑性动力屈曲问题显得格外重要。
　　 本文通过低速下轴向冲击实验和数值模拟，分析研究应变率不敏感的铜合金圆柱壳在轴向冲击载荷下的动力屈曲问题，所做的主要工作和得到的主要结论如下：
　　 1.利用DHR-9401落锤式冲击加载试验机，对相同厚度、相同半径但不同长度的铜柱壳在一系列较低的速度下进行了轴向冲击实验，观察到大部分铜柱壳表面出现了期望的波纹。通过使用高速摄像机的拍摄，更加直观的反映每个试件的屈曲的过程。借助5115型力传感器，记录圆柱壳冲击端和底端的反力，并得到了冲击力时程曲线，冲击时间在2 ms左右，冲击力的平均值约30-60 kN。
　　 2.运用大型有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA建模并分别对相应实验工况下的铜柱壳进行了数值模拟，得到铜柱壳两端的反力。结果表明，数值模拟与实验结果有较好的一致性，在只有局部屈曲的情况下，壳体呈现塑性状态，壳体在出现弹性卸载后，在塑性变形的基础上发生弹性振动，直到静止。当冲击速度为2.57 m/s，壳长度为168 mm时，圆柱壳整体失稳，壳体两端处于塑性状态。

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