CN111981913B - 集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶及等效实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了集装箱侧壁冲击波毁伤等效靶及等效实验方法。所公开的等效靶是基于集装箱结构的几何参数、材料参数以及结构基频，设计的圆形板等效靶。所公开的等效实验方式是基于本发明的等效靶，通过冲击动力学仿真的方法建立原型集装箱侧壁与组合等效靶的变形映射关系，之后根据等效靶的冲击波毁伤变形采用两者的映射关系确定原侧壁的变形。本发明基于集装箱侧壁的基频设计出具有相似变形的冲击波毁伤组合等效靶，该等效靶结构简单，使用方便，降低了试验成本。

Description

集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶及等效实验方法

技术领域

本发明属于爆炸毁伤试验领域，具体涉及一种集装箱侧壁结构的冲击波毁伤组合等效靶设计方法。

背景技术

集装箱是爆炸毁伤效应试验中常见的一种靶标，考虑到集装箱侧壁结构的受力面积大，通常将侧壁正对爆心，用于表征大型弹药爆炸远场的面载荷毁伤效应。作为一种弹药威力评价的靶标，试验中需要靶标具备稳定的变形性能，便于对比不同弹药之间的毁伤能力。但目前靶场试验中布设的集装箱靶标主要以报废集装箱为主，靶标的原始状态参差不齐，爆炸后毁伤效应的稳定性较差，多数破坏模式无法复现；而全新的集装箱靶标虽然能满足稳定性的需求，但试验成本高，无法支撑大量试验；且考虑到集装箱结构的几何尺寸大，若采用等尺寸的方法设计集装箱侧壁结构，由于侧壁与集装箱其他结构相互耦合连接，其边界约束方式难以真实模拟，导致设计的等效靶无法有效模拟集装箱侧壁的毁伤特征。

现有技术“爆炸冲击波对方舱等效靶毁伤效应研究”公开了一种方舱结构的等效靶设计方法，通过等刚度方法将原型方舱壁板的厚度进行等效，设计了等尺寸的方舱靶标，但未提出考虑边界的单一构件靶标设计方法，且设计的等尺寸靶标显著提高了试验的成本。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷或不足，本发明一方面提供了一种集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶。

为此，本发明提供的集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶包括第一圆形板和第一圆形板，所述第一圆形板或/和第二圆形板选自以下一种圆形板：

所述圆形板的材料与集装箱侧壁的材料相同，或者圆形板材料的静态屈服强度为集装箱侧壁材料屈服强度的90％-110％；

所述圆形板的厚度h小于集装箱侧壁的厚度；

所述圆形板的半径R根据公式c确定；

式c中：ω_e取集装箱侧壁的基频，E为圆形板材料的弹性模量，ρ为圆形板材料的密度，μ为圆形板材料的泊松比。

可选的，所述第一圆形板和第二圆形板的选材及尺寸相同。

可选的，所述第一圆形板的材料选用铝合金或钢材，所述第二圆形版的材料选用铝合金或钢材。

可选的，等效靶结构的厚度从国家标准中对应材料薄板的厚度中选取。

可选的所述集装箱侧壁的基频通过振动模态试验或模态仿真分析获取。

进一步，还包括第一周边固支架和第二周边固支架，所述第一周边固支架用于固定支撑第一圆形板，且该第一圆形板的圆心与集装箱侧壁的几何中心重合；第二周边固支架用于固定支撑第二圆形板，该第二圆形板的圆心与集装箱侧壁水平方向任一端部侧边的中点重合。

进一步，所述集装箱侧壁是集装箱上具有长边的侧壁。

另一方面，本发明提供了一种集装箱侧壁冲击波毁伤等效实验方法。为此，本发明所提供的方法包括：

(1)采用有限元方法对集装箱侧壁和上等效靶进行冲击变形仿真分析，建立不同冲击波压力载荷作用下，集装箱侧壁的残余挠度变形y₀与权利要求6所述等效靶的残余挠度变形y_e的关联模型；

(2)采用上述等效靶进行冲击波毁伤实验，爆心正对第一圆形板的圆心，获取等效靶在不同冲击波压力载荷作用下的残余挠度变形；所述爆心正对第一圆形板的圆心是指爆心位于第一圆形板的经过其圆心的轴线上；

(3)利用步骤确定的关联模型，根据步骤得到的残余挠度变形获取拟等效集装箱侧壁在在不同冲击波压力载荷作用下的残余挠度变形。

进一步，所述步骤(1)包括：

步骤(1.1)选取拟等效集装箱侧壁，测量集装箱侧壁参数和材料参数，确定集装箱侧壁的边界约束条件，建立集装箱侧壁的有限元仿真模型；

步骤(1.2)采用基频通过振动模态试验或模态仿真分析获取集装箱侧壁的基频ω₀；

步骤(1.3)开展集装箱侧壁的冲击变形仿真分析，爆心正对集装箱侧壁几何中心，获取不同冲击波压力载荷作用下集装箱侧壁几何中心的残余挠度变形y₀，通过拟合的方法建立集装箱侧壁的压力载荷冲量I与残余挠度变形残余挠度变形y₀之间的数学模型；

步骤(1.4)基于等效靶的半径R、厚度h和材料参数，结合第一圆形板、第二圆形版的相对位置，建立有限元模型，爆心正对第一圆形板的圆心，开展冲击变形仿真分析，获取不同冲击波压力载荷作用下第一圆形板的残余挠度变形y_e1和第二圆形板的残余挠度变形y_e2；通过拟合的方法建立集装箱侧壁等效靶的压力载荷冲量I与综合残余挠度变形y_e之间的数学模型，其中y_e＝(2y_e1+y_e2)/3；

步骤(1.5)以冲击波压力载荷冲量I为等效关系中间量，基于集装箱侧壁的I与残余挠度变形y₀模型和等效靶的I与残余挠度变形y_e模型，建立侧壁与等效靶的变形y₀-y_e关联模型。

可选的，所述冲击波压力载荷的范围由集装箱侧壁和等效靶的毁伤阈值决定。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明的集装箱侧壁冲击波毁伤等效靶，等效靶为圆形薄板结构，结构简单，加工工艺可控，成本低廉，且设计过程考虑了集装箱结构的真实边界约束情况，具体通过基频相等来近似表征结构的边界特性，不仅提高了等效靶的变形等效性和稳定性，同时还降低了试验成本和实施难度。

(2)本发明的等效实验基于设计的等效靶，通过有限元仿真分析获取集装箱侧壁与组合等效靶的变形关系，可显著提高侧壁结构等效靶设计的效率。

附图说明

图1是集装箱结构示意图；

图2是组合等效靶结构仿真炸点位置示意图。

具体实施方式

除非有特殊说明，本文中的术语、参数指标根据本领域常规认识理解或采用本领域常规方法获取。

本发明所述圆形板的厚度h从国家标准中对应材料薄板的厚度中选取，且小于集装箱侧壁的厚度；其中所述的国家标准为相应材料板材的行业标准，相关行业标准中规定了板材的多个标准厚度。为方便选材，本发明提出在遵循本发明目的的前提下，可在相应标准中选择合适标准厚度作为圆形板的厚度。

本发明所述集装箱侧壁的基频可通过振动模态试验或模态仿真分析(示例，有限元仿真中的模态分析模块进行仿真分析)获取。

本发明所述的周边固支架是用于实现圆形板周边的固定及整个圆形板的支撑，其结构示例如论文“基于量纲分析的爆炸冲击波效应靶模型分析与实验研究”(李丽萍等，振动与冲击，2016.35(6))或论文“爆炸冲击薄板测量法的理论模型及应用”(沈飞等，应用力学学报，2015.32(6))中公开的结构。

本发明的等效实验中作用于集装箱侧壁和等效靶的冲击波压力载荷相同，所述冲击波压力载荷范围主要是根据相应结构进入塑性屈服阶段和完全破坏时对应的冲击波载荷大小(即集装箱侧壁的毁伤阈值和等效靶的毁伤阈值)确定，其中集装箱侧壁的毁伤阈值和等效靶的毁伤阈值可采用现有方法计算确定。

根据实际集装箱冲击波毁伤试验，本发明中所述的集装箱侧壁一般选择完整集装箱中最长边的那个面，在爆炸试验中，一般选取集装箱边长最大的那个面正对爆心，用于评估弹药的威力。

下面结合具体实例对本发明设计方法的可行性进行分析。

实施例1：

如图1所示，某标准集装箱结构的几何外形为长方体，尺寸为6.0m×2.6m×2.4m，主要几何参数包括侧壁(1)、前后端壁为2mm厚的波形钢板，顶板为1.5mm厚的波形钢板；立柱(160mm×160mm)和顶部梁(100mm×150mm)为4.5mm厚的矩形截面空心钢；底部侧梁为6mm厚的[型截面钢(60mm×160mm)，底部横梁为4.5mm厚的[型截面钢(45mm×120mm)，钢材质为Q235，弹性模量为210MPa、泊松比为0.3、材料密度为7850kg/m³，屈服强度为235MPa；

拟等效的侧壁为L(6.0m)×a(2.6m)的波形钢板；

建立该集装箱结构的有限元模型，并通过仿真计算得到侧壁(1)结构的基频为7.278Hz；

等效靶(3)结构的材料选用Q235，结合国家标准(标准号：GB709-88)中Q235钢板的厚度范围以及壁板结构的厚度，等效靶(3-1,3-2)圆形板的厚度h拟选为0.5mm；

依据本发明的方案，集装箱侧壁1结构的基频为7.278Hz，等效靶结构选用Q235钢，弹性模量E₀为210Gpa，厚度为0.5mm，密度ρ₀为7800kg/m³，泊松比为0.3；通过式式(c)计算得到组合等效靶中圆形薄板的半径为833.4mm，图2给出了等效靶(3-1,3-2)结构示意图，第一圆形板(3-1)和第二圆形板(3-2)以及爆心的相对位置示意图。

实施例2：

基于上述参数建立等效靶的有限元模型；

通过LS-DYNA对侧壁和组合等效靶结构分别进行冲击变形仿真分析，结合侧壁结构的易损性和周边固支圆形薄板结构的变形特点，设定作用于薄板结构表面的冲击波压力反射载荷冲量的范围为1MPa.ms^-1～3.5MPa.ms^-1，仿真时爆炸冲击波载荷通过LOAD_BLAST_ENHANCED关键字进行设定，仿真完成后分别记录侧壁和组合等效靶结构表面的冲量载荷I和残余变形(y₀、y_e1和y_e2)，组合等效靶的残余挠度变形按式y_e＝(2y_e1+y_e2)/3进行处理得到。对侧壁结构的变形与冲击波压力数据进行拟合，得到变形与压力的关系

y₀＝29.57I+30.69(1MPa.ms^-1≤I≤3.5MPa.ms^-1) (b)

对组合等效靶的综合变形与冲击波压力进行拟合，得到变形与压力的关系

y_e＝2.646I+3.458(1MPa.ms^-1≤I≤3.5MPa.ms^-1) (c)

对式(d)和式(e)进行整理，消去压力I，得到相同冲量加载时集装箱侧壁与组合等效靶结构残余变形的关系为

y₀＝11.175y_e-7.954(6cm＜y_e＜12.95cm) (d)

基于式(f)的变形转换关系，通过在爆炸威力场中布设组合等效靶结构，由组合等效靶结构的变形获取等载荷条件下集装箱侧壁结构的残余变形，从而实现侧壁结构的变形等效。

为了验证上述等效实验方法的可行性，在上述有限元模型的基础上，分别对集装箱侧壁1和等效靶结构进行仿真分析，将200kg当量的球形TNT炸药放置于集装箱侧壁1的中垂线上爆心正对侧壁几何中心且炸药放置位点2距离侧壁几何中心18m基于有限元仿真计算得到集装箱侧壁1的残余挠度变形y₀为82.68cm；

将等效靶中第一圆形板(3-1)放置于集装箱侧壁1的几何中心，第二圆形板(3-2)放置于集装箱侧壁1的侧边中心线位置，炸药当量为200kg当量TNT，爆心正对第一圆形板圆心且炸药放置位点2距离第一圆形板圆心18m，基于有限元仿真计算得到第一圆形板(3-1)的残余挠度变形y_e1为7.822cm；第二圆形板(3-2)的残余挠度变形y_e2为7.577cm，按式y_e＝(2y_e1+y_e2)/3计算得到等效靶的残余挠度变形y_e为7.74cm，将等效靶的残余挠度变形y_e代入式(f)得到等效集装箱侧壁的残余挠度变形为78.54cm，与集装箱侧壁(1)仿真结果的误差仅为5.0％。

可见，本发明提出的基于基频相等的集装箱侧壁冲击波毁伤组合等效靶设计方法具有可行性，且等效结构的几何尺寸相比原型结构明显缩减，周边固支边界的施加方式简单，等效靶标具备批量生产的条件，可明显降低试验的成本，提高靶标变形的稳定性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.集装箱侧壁冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于，方法包括：

集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶包括第一圆形板和第二圆形板，所述第一圆形板和第二圆形板选自以下一种圆形板：

所述圆形板的材料与集装箱侧壁的材料相同，或者圆形板材料的静态屈服强度为集装箱侧壁材料屈服强度的90％-110％；

所述圆形板的厚度h小于集装箱侧壁的厚度；

所述圆形板的半径R根据公式c确定；

式c中：ω_e取集装箱侧壁的基频，E为圆形板材料的弹性模量，ρ为圆形板材料的密度，μ为圆形板材料的泊松比；

所述第一圆形板和第二圆形板的选材及尺寸相同；

所述集装箱侧壁冲击波毁伤等效靶还包括第一周边固支架和第二周边固支架，所述第一周边固支架用于固定支撑第一圆形板，且该第一圆形板的圆心与集装箱侧壁的几何中心重合；第二周边固支架用于固定支撑第二圆形板，该第二圆形板的圆心与集装箱侧壁水平方向其中一端部侧边的中点重合；所述集装箱侧壁是集装箱上具有长边的侧壁；

(1)采用有限元方法对拟等效集装箱侧壁和集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶进行冲击变形仿真分析，建立不同冲击波压力载荷作用下，拟等效集装箱侧壁的残余挠度变形y₀与集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶的残余挠度变形y_e的关联模型；

(2)采用集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶进行冲击波毁伤实验，爆心正对第一圆形板的圆心，获取集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶在不同冲击波压力载荷作用下的残余挠度变形；

(3)利用步骤(1)确定的关联模型和步骤(2)得到的残余挠度变形获取拟等效集装箱侧壁在在不同冲击波压力载荷作用下的残余挠度变形；

所述步骤(1)包括：

步骤(1.1)选取拟等效集装箱侧壁，测量拟等效集装箱侧壁参数和材料参数，确定拟等效集装箱侧壁的边界约束条件，建立拟等效集装箱侧壁的有限元仿真模型；

步骤(1.2)采用基频通过振动模态试验或模态仿真分析获取拟等效集装箱侧壁的基频ω₀；

步骤(1.3)开展拟等效集装箱侧壁的冲击变形仿真分析，爆心正对拟等效集装箱侧壁几何中心，获取不同冲击波压力载荷作用下拟等效集装箱侧壁的残余挠度变形y₀，通过拟合的方法建立拟等效集装箱侧壁的压力载荷冲量I与拟等效集装箱侧壁的残余挠度变形y₀之间的数学模型；

步骤(1.4)基于集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶的半径R、厚度h和材料参数，结合第一圆形板、第二圆形版的相对位置，建立有限元模型，爆心正对第一圆形板的圆心，开展冲击变形仿真分析，获取不同冲击波压力载荷作用下第一圆形板的残余挠度变形y_e1和第二圆形板的残余挠度变形y_e2；通过拟合的方法建立集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶的压力载荷冲量I与集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶的残余挠度变形y_e之间的数学模型，其中y_e＝(2y_e1+y_e2)/3；

步骤(1.5)以冲击波压力载荷冲量I为等效关系中间量，基于拟等效集装箱侧壁的压力载荷冲量I与拟等效集装箱侧壁的残余挠度变形y₀模型和集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶的压力载荷冲量I与集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶的残余挠度变形y_e模型，建立拟等效集装箱侧壁的残余挠度变形y₀与集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶的残余挠度变形y_e的关联模型。

2.根据权利要求1所述的集装箱侧壁冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于：所述冲击波压力载荷的范围由拟等效集装箱侧壁和集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶的毁伤阈值决定。

3.根据权利要求1所述的集装箱侧壁冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于：所述第一圆形板的材料选用铝合金或钢材，所述第二圆形版的材料选用铝合金或钢材。

4.根据权利要求1所述的集装箱侧壁冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于：集装箱侧壁的冲击波毁伤等效靶结构的厚度从国家标准中对应材料薄板的厚度中选取。

5.根据权利要求1所述的集装箱侧壁冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于：所述拟等效集装箱侧壁的基频通过振动模态试验或模态仿真分析获取。

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