法兰连接结构在强动载作用下的冲击和振动响应研究

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在硬目标侵彻过程中,引信内的加速度计根据过载信号决定起爆时间,是弹体的“大脑”。引信采用法兰连接的方式安装在弹尾。这种连接结构操作简便且易于拆卸,常见于大型的工业结构,如飞行器、运输管道等。由于连接件内部的复杂界面以及阻尼特性,在强动载作用下,结构会产生振动与冲击耦合的非线性响应。这种非线性响应,导致引信内的信号混叠,影响信号处理的精度,加重获取真实过载的难度。冲击波跨过法兰连接结构的机理尚不清楚,因而,本文中核心的科学问题是法兰结构在强动载作用下的非线性响应规律。  本文针对法兰连接结构在强动载作用下的响应,提出了连接结构在冲击载荷作用下的动力学响应模型,利用实验与数值结合的方法,给出了冲击载荷作用下法兰响应的时域及频域特征,研究了冲击载荷与法兰结构振动响应之间的非线性传递关系,探讨了剪切增稠材料对法兰连接结构的振动抑制特性。主要工作及研究进展包括以下几个方面:  1.发展了基于霍普金森压杆的法兰连接结构冲击实验方法。改造现有的霍普金森压杆实验平台,采用不同长度的子弹加载,获得法兰连接结构在冲击载荷作用下的响应。结合量纲分析的结果,确定数值模拟以及模型实验中的核心参量,法兰盘的波形畸变情况T*以及法兰盘受脉冲作用产生的应变ε*;  2.建立了法兰连接结构的数值模型,并根据模型实验结果,验证了数值模型的有效性。采用模型化方法,替代传统模型中的螺纹啮合部位,复现连接结构的非线性响应特征,实现高效的工程计算。利用模型实验的数据,确定模型化方法中的阻尼系数的特征;  3.提出了法兰连接结构在强动载下作用的动力学响应模型,描述了冲击载荷激励起的连接件的受迫振动、结构振动以及波动效应,并且讨论了非线性的受迫振动(波形畸变程度)与激励源频率的关系,详尽阐述了不同加载工况下响应区的时长、振幅以及能量衰减;  4.探讨了剪切增稠材料对法兰连接结构的振动抑制特性。在模型实验的实验方案基础上,在连接结构中填充剪切增稠液,证实剪切增稠液能够有效抑制法兰连接结构的高频振动。采用不同的激励源频率加载,获得剪切增稠液的振动抑制规律。通过对比填充剪切增稠材料和不同固化时间的环氧树脂材料的连接结构的响应,确定了剪切增稠液的振动抑制优势,有望成为工业灌封材料。  本文针对法兰连接结构的非线性特征,建立了法兰连接结构的实体网格数值模型,利用霍普金森压杆实验平台开展模型实验,验证了数值模型的有效性。在波谱单元法分析的基础上,提出了在强动载作用下,法兰连接结构的动力学响应理论,确定了其包含的受迫振动、结构振动以及波动效应的物理过程。根据不同频率的激励源加载条件,获得连接结构的响应随激励源频率变化的规律,研究了非线性的受迫振动的与激励源的关系,探讨了响应区的时长、振幅、结构主频以及能量衰减的规律以及物理本质。针对法兰连接结构中的波动效应,提出了采用剪切增稠液作为振动抑制材料的防护方案。基于模型实验,在连接件中填充剪切增稠液以及环氧树脂,对比分析强动载作用下的法兰盘的响应,证实了剪切增稠液的振动抑制能力。采用不同的加载脉宽,获取剪切增稠液在不同激励源下的振动抑制规律。对比分析填充剪切增稠液和不同固化时间的环氧树脂的响应,确定了剪切增稠液的普适性,抗冲击性能作用甚微,抑制高频振动效果明显,可以替代环氧树脂作为工业灌封材料。本文提出的连接结构的非线性响应机理,可以预测冲击波跨过法兰连接结构的波形变化规律,或者根据响应信号反演真实的加载信号,解决激励源与响应之间的对应关系,给服役于冲击环境下的法兰连接结构提供设计理论依据。
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