一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法

水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。     

水下冲击波载荷作用下气背固支圆板动态毁伤实验

为了研究水下近爆载荷作用下舰艇水下结构的动态变形及失效毁伤模式,利用水下爆炸冲击波等效加载装置结合高速摄影技术,对两种厚度的气背固支5A06铝合金圆板进行了水下冲击波加载实验。得到了气背固支圆板塑性大变形、中心拉伸撕裂和边界剪切破坏3种典型失效模式的动态响应历程。比较分析了冲击波强度、冲击因子、损伤参数和响应参数4种毁伤判据对该类靶板毁伤模式的判别能力。实验结果表明:考虑了结构因素的损伤参数和响应参数能够更为全面的判别结构的失效毁伤情况。     

原型和模型不同材料时加筋板冲击动态响应的相似预报方法

:根据 定律提出了加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下模型和原型动态响应相似的条件。在此 基础上,考虑到加筋板模型制造加工过程中的工艺和成本等因素,提出了利用普通钢加筋板模型预报船体钢 加筋板原型在水下爆炸冲击波作用下动态响应的相似预报方法。该方法考虑了流固耦合和材料应变率强化 效应等因素的影响,可用于指导利用常用的普通钢模型试验预报实船局部板架在水下爆炸冲击波作用下的 动态响应。     

用“膜力因子法”分析简支刚塑性圆板的大挠度动力响应

在板的变形过程中,当其挠度与厚度同量级时,膜力的作用与弯矩的作用同样重要;当其挠度超过厚度甚至接近板的面内尺寸的量级时,相对于弯矩的作用,膜力的作用是更主要的。本文发展了一种基于能量平衡的简便的“膜力因子法”,有效地解决了当板的挠度达到厚度量级时弯矩和膜力联合作用问题;用这种方法并结合塑性膜阶段的分析成功地求解了简支刚塑性圆板在冲击载荷作用下的大挠度塑性响应问题。所得结果与Florence实验结果符合良好,比已有理论近似结果有所改进。     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

固支加筋方板在爆炸载荷作用下的刚塑性动力响应分析

采用能量法分析了固支加筋方板在爆炸载荷作用下的刚塑性动力响应。提出了该类结构在这种载荷作用下的两种变形模态和模态判别条件，导出了计及膜力影响的最大残余横向变形的计算方法及计算公式。并对两种变形模态进行了试验研究，取得了理论计算值与试验值相一致的好结果。     

置于液面上的刚塑性圆板大挠度动力响应分析

分析了置于无旋不可压理想流体流面上的简支刚塑性圆板受矩形脉冲载荷作用的大挠度动力响应，借助Ｈａｎｋｅｌ变换，将液－固耦合作用为在空气中的圆板塑性动力响应问题，进而求解弯矩和膜力联合作用的大挠度运动方程，得到了中载及高载下各相运动的完全解，并提供了数值算例。     

球面冲击波作用下船体梁整体运动的简化理论模型

为了研究水下爆炸冲击波作用下,船体结构的局部变形以及局部变形引起的船体整体运动响应, 将船体简化为理想刚塑性等截面直梁,考虑流固耦合效应,推导了梁所受冲击波载荷的理论计算公式,并进行 了试验修正。以炸药在船体中部正下方爆炸的工况为研究对象,将球面冲击波作用于船体的过程,简化为一 系列移动、短时的局部平面波加载过程的叠加,提出了一种计算船体梁在任何爆距条件下发生总体塑性运动 响应的理论方法,最后利用船体梁模型试验对该方法进行了验证。结果表明:所建立的冲击波作用下船体梁 整体运动响应模型能够反映船体梁结构在冲击波作用下的塑性运动过程;在冲击波作用时间内,以船体梁中 点的运动情况为例,其存在先向上、后向下的往返运动过程;与造成的局部变形相比,冲击波造成梁整体运动 变形的作用较小。     

计入膜力塑性耗散效应的矩形板塑性动力响应

从能量的观点在小挠度理论中引入表征膜力塑性耗散效应的修正因子,基于刚性板块的总体平衡给出矩形板大挠度塑性动力响应的完全运动方程组,分析了理想刚塑性简支和固支矩形板在矩形脉冲和冲击载荷下包括移行塑性铰相的完全大挠度响应过程。解决了当矩形板的挠度达到厚度量级时弯矩、膜力的联合作用问题,理论预报的结果在板的挠度为10倍板厚的量级与实验结果符合良好,改进了只考虑弯矩作用的小挠度理论结果和模态近似估计。     

不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟

针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。     

Analytical solutions for single- and multi-span functionally graded plates in cylindrical bending

A recently developed plate theory using the concept of shape function of the transverse coordinate parameter is extended to determine the stress distribution in an orthotropic functionally graded plate subjected to cylindrical bending. The transfer matrix method is presented to derive the shape function. The equations governing the plate deformation are then solved analytically using the transfer matrix method for arbitrary boundary conditions. For a simply supported functionally graded plate, a comparison of the present solution with the exact elasticity solution, the first- and third-order shear deformation plate theories is presented and discussed. It is demonstrated that the present method yields more accurate stresses than the first- and third-order shear deformation theories. The effect of boundary conditions and inhomogeneity of material on the displacements and stresses in functionally graded plates are investigated. A multi-span functionally graded plate with arbitrary boundary conditions is further considered to demonstrate the efficiency of the present method.     

Plastic buckling analysis of thick plates using p-Ritz method

This paper is concerned with the application of the p-Ritz method for the plastic buckling analysis of thick plates. In order to allow for the effect of transverse shear deformation in thick plates, the Mindlin plate theory is adopted. The plastic buckling behaviour of the plate is captured by using the incremental and deformation theories of plasticity. The material property of the plate is assumed to obey the Ramberg–Osgood stress–strain relation. The p-Ritz method will be applied to obtain the governing eigenvalue equation for the plastic buckling analysis of uniformly stressed plates with edges defined by polynomial functions. In the p-Ritz method, the displacement functions of the plate are approximately represented by the product of mathematically complete two-dimensional polynomial functions and boundary equations raised to appropriate powers that ensure the satisfaction of the geometric boundary conditions. The validity, convergence and accuracy of the method were demonstrated for various plate shapes such as rectangular, triangular and elliptical shapes. A parametric study was also undertaken to study the plastic buckling behaviour and the effect of transverse shear deformation.     

Stability and vibration of shear deformable plates––first order and higher order analyses

This work presents the highly accurate numerical calculation of the natural frequencies and buckling loads for thick elastic rectangular plates with various combinations of boundary conditions. The Reissener–Mindlin first order shear deformation plate theory and the higher order shear deformation plate theory of Reddy have been applied to the plate’s analysis. The governing equations and the boundary conditions are derived using the dynamic version of the principle of minimum of the total energy. The solution is obtained by the extended Kantorovich method. This approach is combined with the exact element method for the vibration and stability analysis of compressed members, which provides for the derivation of the exact dynamic stiffness matrix including the effect of in-plane and inertia forces. The large number of numerical examples demonstrates the applicability and versatility of the present method. The results obtained by both shear deformation theories are compared with those obtained by the classical thin plate’s theory and with published results. Many new results are given too.     

Uniaxial tension of a plate with a circular hole at finite strain

Some kinematic characteristics of a geometrically nonlinear deformation process obtained experimentally at uniaxial tension of a plate with a circular hole are given. The plate is made of a highly elastic material. The geometric linearization method is used to determine the numerical characteristics of the deformation process under study.     

304L/Q235B大面积金属板爆炸焊接物质点法模拟分析

大面积金属板材304L/Q235B的爆炸焊接过程涉及炸药爆轰、金属板材的高速碰撞和塑性变形等。采用有限元法计算模拟这个问题时,网格单元会发生扭曲畸变现象,导致计算精度下降,甚至出现单元负体积而使计算终止,并且炸药爆轰形成气体产物飞散过程也很难模拟。为了能模拟大面积金属板材的爆炸焊接整个过程并获得合理的技术工艺参数,采用物质点法进行三维数值模拟分析。物质点法作为一种无网格法,在模拟冲击动力学问题中主要采用显式积分算法。通过将拉格朗日质点单元与固定的欧拉背景网格相结合,可以实现爆炸焊接的复板与基板的高速碰撞、炸药滑移爆轰、金属板面的塑性变形过程的数值模拟,并给出爆炸复合板材的形变、有效塑性应变和复板与基板的碰撞速度的计算结果。采用物质点法模拟的复合板材变形与爆炸焊接实验结果基本一致。计算复板与基板的碰撞速度这个重要的物理参数时,物质点法与Richter理论公式的相对误差不超过13%。数值计算和实验结果表明,物质点法在数值精度和计算效率方面具有优势,物质点法是研究金属焊接爆炸问题的一种有效数值方法。     

压电智能结构有限变形下热-机耦合的有限元分析

采用有限元方法研究了结构在热载荷作用下变形与热传导之间的耦合特性．分析表明，结构变形较小，非线性效应很弱时，变形对材料的热传导系数影响很小，对结构的温度分布几乎没有影响；当变形增大，非线性效应增强时，变形对材料的热传导特性影响显著，热载荷作用下结构的温度变化和变形与现行不考虑热-机耦合效应所得结果产生明显差异．因此，为实现压电智能结构形状(振动)的精确控制，分析及实施控制时须考虑热-机耦合及变形对热传导系数的影响．     

做大范围运动复合材料板的动力学建模研究

基于经典层合板理论建立了大范围运动复合材料板的动力学方程,考虑了传统建模方法忽略的二次耦合变形量。采用有限元法对复合材料板进行离散,利用Lagrange方法推导了大范围运动复合材料板的动力学方程。通过编制matlab程序计算了带中心刚体的旋转复合材料板的变形,将得到的结果分别与不计耦合变形量的传统方法的计算结果进行比较,随着转速的提高,本文方法收敛,而传统方法趋于发散。研究了铺层角度对作大范围运动复合材料板变形影响以及复合材料板和各向同性板在经历相同运动时角点最大变形的差异。     

Nonlinear harmonic response characteristics and experimental investigation of cantilever hard-coating plate

The nonlinear harmonic response of a cantilever hard-coating plate which is made of a layer of anisotropic hard-coating material and isotropic metal substrate is investigated based on the theory of high-order shear deformation of plate. Firstly, based on the theories of von Karman and Reddy’s three-order shear deformation, the nonlinear dynamic equations of hard-coating plate are built by Hamilton variation principle. Secondly, to obtain nonlinear governing equation of hard-coating plate under transverse load, these equations are discretized in Galerkin method. The system averaged equations with 1:3 internal resonances are obtained by the method of multiple scales, and the multi-periodic responses behavior of cantilever hard-coating plate under transverse loading could be presented. Finally, the vibration response experiment of hard-coating plate is conducted, and the multi-periodic responses are also present for the hard-coating plate with three-to-one internal resonance. Besides, through the vibration response experiment of uncoated titanium alloy plate, the damping characteristic of hard coating is further analyzed.     

基于径向基点插值法的旋转Mindlin板高次刚柔耦合动力学模型

将无网格径向基点插值法(radial point interpolation method,RPIM)用于中心刚体?旋转柔性板的动力学分析.基于浮动坐标系方法和一阶剪切变形理论即Mindlin板理论,考虑剪切变形的影响,并计入板面内变形的非线性耦合变形项,采用径向基点插值法描述板的变形场,保留动能中有关非线性耦合变形项...     

弹性半空间地基上预应力中厚矩形板的弯曲

基于Reissner-Mindlin一阶剪切变形理论,讨论在预加面内机械荷载或预加温度场作用下,弹性半空间地基上四边自由中厚矩形板的弯曲问题。把地基看作三维弹性半空间体,考虑地基变形的衰减。用一组数学上完备的二元多项式作为位形函数,采用pb-2 Rayleigh-Ritz法求得四边自由中厚矩形板的挠度和弯矩,并讨论了初应力对板的挠度和弯矩的影响。