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系統識別號 U0026-0812200915301355
論文名稱(中文) 金屬平板與玻璃纖維強化塑膠平板承受暫態氣體震波負載之實驗與數值分析研究
論文名稱(英文) Experimental and Numerical Studies of the Dynamic Response for the Metallic and GFRP Composite Plate Due to Supersonic Shock Wave Loading
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Aeronautics & Astronautics
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生(中文) 段明廷
研究生(英文) Ming-Ting Duan
學號 p4696417
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 161頁
口試委員 口試委員-尤芳忞
指導教授-鄭泗滄
口試委員-蕭樂群
中文關鍵字 MSC.Dytran  複合材料平板  金屬平板  震波管  震波  LS-Dyna 
英文關鍵字 MSC.Dytran  LS-Dyna  shock wave  composite plate  metallic plate  shock tube 
學科別分類
中文摘要 本文使用商用有限元素軟體MSC.Dytran和LS-Dyna來建構震波管與金屬平板和複合材料平板的有限元素模型,再將震波的初始條件、相關的材料性質等參數輸入,進而模擬震波衝擊金屬平板和複合材料平板的動態行為。並利用成功大學航太所震波實驗室的震波管以及結構實驗室的訊號處理器、示波器、應變規和高速攝影機等等儀器來進行實驗,量測金屬平板和複合材料平板之位移以及應變。將模擬的數值與實驗的數據做比對與驗證,驗證主要分成三大部份:1.震波驗證;2.震波馬赫數1.3~2.4衝擊金屬平板的應變值驗證和預測;3.震波馬赫數1.3~1.6衝擊複合材料平板之位移量與應變值驗證,最後再將驗證的結果作討論。在震波驗證方面,利用理論與商用有限元素軟體模擬比對驗證。透過驗證可以得知震波的物理現象,其模擬的結果與實驗、理論值都非常的相似。在震波馬赫數1.3~1.6衝擊金屬平板方面,實驗與模擬的結果趨勢上也都大致相同,近一步比對驗證,利用LS-Dyna模擬的結果比Dytran模擬的結果更為接近,利用MSC.Dytran和LS-Dyna預測震波馬赫數1.8~2.4衝擊金屬平板,也可以得到相似的結果。在震波馬赫數1.3 ~ 1.6衝擊複合材料平板的位移驗證,利用高速攝影機所量測到的實驗結果與LS-Dyna模擬的結果大致相同;而震波馬赫數1.3 ~ 1.6衝擊複合材料平板的應變驗證方面,比較實驗與模擬的第一個應變峰值,其結果也非常的接近。
英文摘要 This study deals with numerical 3D simulation, through the code MSC.Dytran and LS-Dyna of the effects caused by shock wave generated by shock tube on clamped-free-clamped-free rectangular plates made of metal and composites. Then we input the initial condition of high and low pressure section, material property of air and target plates to simulate the dynamic response of metallic and composite plate due to shock wave loading. For experiment, shock tube, signal conditioning amplifier, oscilloscope, strain gauge, and high speed camera are used to measure the displacement and strain of metallic and composite plate. The main output results of the simulations are presented and compared with the experiments preformed at the shock tube laboratory and structure laboratory, Institute of Aeronautics and Astronautics, National Cheng Kung University, Tianan, Taiwan. The verification apart from three parts:1. The shock wave. 2. The strain of metallic flat plate due to shock wave loading for Mach number 1.3 ~ 2.4. 3. The displacement and strain for composite plate due to shock wave loading for Mach number 1.3~1.6. For the verification of shock wave, the physical phenomena, incident pressure strength, shock wave velocity, and incident density ratio follow that the numerical simulations are in a good agreement with the experiments and analytical solution. The verification for 1 mm thickness copper plate due to shock wave loading for Mach number 1.3~1.6, the numerical simulations for y-strain are in a good agreement with the experiments. Further, the numerical result using LS-Dyna is more accurate than the numerical result using Dytran. The prediction for 1 mm thickness copper plate due to shock wave loading for Mach number 1.8~2.4, the Dytran simulations are in a good argreement with the LS-Dyna simulationa. The verification for glass fabric reinforced plate due to shock wave loading for Mach number 1.3~1.6, the numerical simulations for displacement and strain are in a good agreement with the experiments.
論文目次 目錄
簽名頁 III
全文中文摘要 IV
全文英文摘要 VI
誌謝 VIII
目錄 X
表目錄 XV
圖目錄 XVII
第一章 緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 文獻回顧 2
1-2-1 震波的行程與實驗應用 2
1-2-2 有限元素軟體模擬 3
1-2-3 震波衝擊複合材料板 3
1-3 研究方法 4
1-4 論文架構 5
第二章 理論分析 7
2-1 震波理論之統禦方程式(Governing Equations) 7
2-2 Rankine-Hugoniot Relations 10
2-3 座標轉換定理 12
2-4 震波管基本理論 12
2-4-1 震波簡介 12
2-4-2 震波的反射與繞射 14
2-4-3 震波管的理論 15
2-5 複合材料板的組成 18
2-5-1 古典疊層板理論 18
2-5-2 平面玻纖板的模型 21
2-6 數值分析方法 25
2-6-1 Dytran的顯示績分法 25
2-6-2 LS-Dyna的顯示績分法 26
第三章 數值模擬分析方法 35
3-1 前言 35
3-2 Hypermesh介紹 36
3-3 MSC.Dytran介紹 37
3-4 LS-Dyna介紹 38
3-5 MSC.Dytran設定震波管 39
3-5-1 衝擊板與震波管模型的建立 39
3-5-2 衝擊板與震波管的材料設定 40
3-5-3 震波的初始條件 41
3-5-4 流固耦合(FSI)設定 42
3-6 LS-Dyna設定震波管 43
3-6-1 衝擊板與震波管模型的建立 43
3-6-2 衝擊板與震波管的材料設定 43
3-6-3 震波的初始條件 45
3-6-4 流固耦合(FSI)設定 45
3-7 收斂性測試 47
3-7-1 前言 47
3-7-2 空氣網格的收斂性測試 47
3-7-3 衝擊板網格的收斂性測試 48
3-7-4 網格的收斂性測試檢測結果 48
第四章 實驗設備、方法與步驟 65
4-1 實驗設備 65
4-1-1 震波管 65
4-1-2 測試模具 66
4-1-3 數據擷取系統 66
4-2 實驗方法 68
4-2-1 紅銅平板製作 68
4-2-2 玻璃纖維強化塑膠平板製作 68
4-2-3 震波管 69
4-3 實驗步驟 69
第五章 震波衝擊金屬平板和玻璃纖維強化塑膠平板之模擬結果與實驗驗證 82
5-1 前言 82
5-2 震波理論驗證 82
5-2-1 震波物理現象 82
5-2-2 震波強度驗證 83
5-2-3 震波速度驗證 85
5-2-4 震波密度驗證 86
5-2-5 結論 87
5-3 震波衝擊金屬平板驗證 88
5-3-1 前言 88
5-3-2 震波馬赫數1.3到1.6衝擊紅銅平板驗證 88
5-3-3 震波馬赫數1.8、2.0、2.2和2.4衝擊紅銅平板驗證 90
5-3-4 結論 91
5-4 震波衝擊玻璃纖維強化塑膠平板驗證 92
5-4-1 前言 92
5-4-2 震波衝擊玻璃纖維強化塑膠平板位移驗證 92
5-4-3 震波衝擊玻璃纖維強化塑膠平板應變驗證 94
5-4-4 結論 96
5-5 結果與討論 97
第六章 結論與未來展望 146
6-1 結論 146
6-2 未來展望 147
附錄A 148
附錄B 155
參考文獻 159
自述 161
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論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2014-08-13起公開。
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