基于力热耦合材料模型的Steven试验数值模拟方法

在力热耦合材料模型中,增加炸药自热放能模型,建立了Steven试验的力-热-化耦合的数值模拟方法。数值计算模型中,应力应变关系采用双线性硬化弹塑性模型,炸药受力后的热作用采用各向同性热材料模型,炸药的化学反应采用Arrhenius反应率函数,同时还考虑了升温和熔化对材料力学、热学性能的影响。针对标准Steven试验,通过数值分析得到了靶板的变形情况和炸药点火的速度阈值,将计算结果与实验数据进行了比较,两者符合较好。表明该方法可以较好地模拟Steven试验,而且与以往的分析模型和方法相比,本文的方法不需要增加经验性的点火准则和判据,具有更广泛的适用性,可以为研究低速撞击条件下炸药的力热响应和局域化点火问题提供参考。     

激光热-力耦合作用引起颗粒增强金属基复合材料的损伤与断裂

用激光热冲击作为实验手段,研究了颗粒增强金属基复合材料在热-力耦合作用下的损伤与断裂。在宏观上发现了这种复合材料的破坏效应是热-力耦合的非线性效应。在微观上观察到了微观破坏的三种模式及微观结构对其热冲击性能的影响,同时定量测定了其在不同热-力耦合作用下的损伤程度。     

Al/PTFE活性材料冲击载荷作用下响应特性研究

为了研究铝（Al）/聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）活性材料冲击载荷作用下响应特性,制备了具有反应活性的Al/PTFE块体材料,设计了拉氏实验,采用不同厚度的铝隔板控制入射冲击波幅值,利用锰铜压阻计测量了冲击波在材料中传播过程压力演化过程。同时,基于AUTODYN有限元软件,采用Lee-Tarver三项式点火模型对Al/PTFE活性材料拉氏实验进行数值模拟,并探讨了冲击波在500 mm长的Al/PTFE活性材料中长距离传播行为。研究结果表明,冲击波压力在Al/PTFE活性材料内短距离传播过程中存在明显的衰减,但是,当冲击波传播到远距离时,冲击波压力幅值和冲击波速度趋于稳定,分别为1.3 GPa和2 180 m/s;同时,距离铝隔板越远的材料,其反应度越低并最终趋于0.17。正是由于材料化学反应释能,导致了冲击波压力传播过程最终趋于稳定状态。     

冲击荷载与火灾联合作用下SFRC梁的力学行为

为了探究冲击荷载与火灾联合作用下钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete, SFRC)梁的力学性能，联合应用高性能落锤试验系统、四点弯曲实验装置与装配式电炉开展了4根SFRC梁的冲击实验与高温恒载实验，观察了其破坏模式并记录了跨中位移和钢筋应变的时程曲线，探讨了冲击损伤SFRC梁的抗火性能。此外，在实验研究的基础上，考虑材料的应变率强化效应及温度软化效应，建立数值模型，首先对梁进行冲击加载模拟，并以冲击模拟结果为初始状态，采用热-力“顺序”耦合方法，对冲击加载与高温恒载联合作用下SFRC梁的力学行为进行了三维宏观有限元数值模拟。同时，考虑混凝土内部结构非均质性的影响，采用类似步骤，开展了细观模拟。宏/细观模拟结果与实验结果的良好吻合验证了本文数值方法的合理性与有效性，并体现了细观方法的优越性。研究发现，冲击能量较小时，SFRC梁在冲击荷载作用下，尽管局部混凝土开裂，梁整体残余变形较小，抗火性能有一定程度的下降；随着钢纤维掺量增大，混凝土基体抗剪强度增大，SFRC梁在冲击荷载作用下的开裂形态由弯剪裂缝并存向以弯曲裂缝为主转变；冲击损伤SFRC梁在高温恒载作用下裂缝分布较为集中，且发生脆性破坏。     

基于光滑有限元法的热-弹相场断裂研究

基于相场理论,论文构建了热力耦合作用下热-弹性材料的复杂断裂控制方程,采用光滑有限元法对该模型进行了数值离散;设计编写了相应的Matlab计算程序;开展了热-力载荷下的二维拉伸断裂模拟,将结果和有限元计算结果对比,吻合一致.同时采用该模型开展热冲击下陶瓷板的多裂纹扩展过程模拟,计算结果和实验结果吻合良好,验证了论文方法的有效性.     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。     

Study on cyclic deformation and fatigue of thermal and magnetic shape memory alloys

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应, 一直以来受到学者和工程界人士广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围, 对其热--力和磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述. 总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热--力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果; 对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述; 提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.     

热致和磁致形状记忆合金循环变形和疲劳行为研究

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应,一直以来受到学者和工程界人士广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围,对其热–力和磁–力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述.总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热–力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果;对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁–力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述;提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.     

热致和磁致形状记忆合金循环变形和疲劳行为研究

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应, 一直以来受到学者和工程界人士广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围, 对其热--力和磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述. 总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热--力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果; 对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述; 提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.      

含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

从岩石材料的细观结构层次出发，应用损伤力学和热弹性理论，对热力耦合作用下岩石破裂 过程中热－应力相互作用关系进行了分析. 初步建立了细观岩石热－力(TM)耦合数值模型， 探讨了TM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制，把岩石 热固耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中. 运用该数值模型对某 硬岩实验室开展的原位尺度实验中的废料处理井间柱稳定性进行了模拟分析，其应力场、岩 石剥离破坏形态及破坏诱发的AE特性等均与实验监测结果表现出了较好的一致性，证 明了该数值模型的合理性和有效性.     

空腔膨胀理论靶体阻力模型及其应用研究进展

从静/动态空腔膨胀模型的理论体系出发,介绍了空腔膨胀模型在不同方向上取得的成果,主要涉及理想侵彻条件的空腔膨胀压力计算模型及数值模拟方法和空腔膨胀模型在典型侵彻问题及复杂弹靶条件下的应用。在理想侵彻条件下的空腔膨胀压力计算模型中,主要讨论了靶体材料、屈服准则和状态方程对空腔边界应力的影响规律及空腔膨胀模型的适用性问题;根据数值模拟中初始条件的不同,介绍了空腔表面恒定速度/恒定压力两种数值模拟方法,证明了数值模拟方法的可靠性;整理了空腔膨胀模型的基本假设、适用范围、工程应用特点,列举了其在典型侵彻问题及多层复合靶板、约束靶体、弹体刻槽和异形截面形状弹体等复杂弹靶条件下的应用。针对空腔膨胀模型的研究现状,总结了目前空腔膨胀模型在冲击动力学领域的应用方向,归纳了空腔膨胀模型应用中尚存在的问题,展望了空腔膨胀模型下一步的重点发展方向。     

基于气炮实验的PTFE/Al复合材料冲击反应阈值

基于16 mm口径气炮撞击实验,对铝颗粒增强的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)/Al(PTFE/Al)冲击反应复合材料的冲击反应阈值开展了研究。为研究不同撞击加载条件下应变率和碰撞应力对PTFE/Al冲击诱发反应的影响,实验中采用铝、钢和低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)这3种不同材料的靶板及不同长度的试样,进行不同加载条件下的测试分析。实验结果显示,PTFE/Al材料的冲击诱发同时受到碰撞压力和加载应变率的影响。同时,通过对试样撞靶过程进行数值模拟,并与实验和理论结果进行对比。基于实验数据,拟合出PTFE/Al材料冲击反应的的预测曲线。     

软材料粘接结构界面破坏研究综述

软材料已经在软机器人、生物医学及柔性电子等各个领域得到广泛的应用. 实际应用中, 软材料多需要粘附于不同类型的基底上, 与之共同组成工程构件进而实现特定的功能, 粘接界面性能对构件的结构完整性与功能可靠性起着关键性作用. 本文对目前软材料粘接结构界面破坏行为方面的研究进行了系统总结. 首先通过与传统粘接结构的对比, 指出了“软界面”与“软基体”两种软材料粘接结构界面破坏行为的独特性及其物理本质. 接着分别总结了“软界面”与“软基体”两种粘接结构界面破坏行为的实验表征方面的研究成果, 对界面及基体黏弹性耗散对界面破坏机理的影响分别进行了分析. 然后从理论角度, 介绍了针对两种软材料粘接结构界面破坏行为的理论分析方法, 并对已建立的相关理论模型进行了总结. 之后以内聚力模型方法为基础, 介绍了软材料粘接结构界面破坏行为数值模拟方面的相关研究进展. 最后基于已有的研究成果, 提出了目前研究所面临的挑战, 并对可能的软材料粘接结构界面破坏的未来研究方向进行了讨论和展望.      

反应金属冲击反应过程的理论分析

基于1维冲击波理论和粉末材料的冲击温度计算模型对反应金属的冲击响应行为、冲击温度及冲击反应过程进行了理论分析,分别考虑了材料密实度、冲击速度对冲击压力、冲击温度的影响;结合粉末材料冲击温度计算结果及冲击反应的化学动力学方法,提出了考虑反应效率的反应金属冲击反应理论模型。利用新模型得到的计算结果与已有实验结果吻合较好。反应金属的冲击反应行为受密实度、冲击速度及材料种类影响明显。 更多还原     

Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型，采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法，对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到；无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定；材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定；破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟，通过数值模拟与实验结果对比的方式，验证材料模型的准确性。结果表明，平板冲击实验中，材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高；破片侵彻实验中，破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好，构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。     

SHPB加载下PTFE/Al冲击反应的临界条件

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）加载方法和高速摄影技术,对混合压制烧结法制备的铝颗粒增强聚四氟乙烯复合材料（polytetrafluoroethylene/Al,PTFE/Al）的冲击反应临界条件进行研究。实验中采用钢杆、铝杆和不同尺寸的试样,进行不同加载条件下的测试,实验结果表明:PTFE/Al复合材料的冲击反应过程主要可分为变形、碎裂、反应阶段,其冲击反应临界同时关联于应力和应变率。并基于实验获得了PTFE/Al复合材料的冲击反应临界渐进线应力和应变率,通过对实验数据的归纳和分析,初步提出实验条件下关联应力和应变率的PTFE/Al临界反应关系式,获得冲击反应阈值预测曲线。     

菱形颗粒冲击材料表面冲蚀磨损特性分析

基于弹射试验装置，借助高速摄像机捕捉不同入射条件下单个菱形颗粒冲击金属表面的动态过程，同时结合试验过程建立菱形颗粒冲击金属表面的FEM-SPH耦合数值模型，通过对比试验现象与仿真结果优化数值模型参数，最后借助数值模型进一步分析菱形颗粒在临界冲击、自身初始旋转以及重复冲击等工况下的运动行为及预测的凹坑轮廓形态. 结果表明:优化后的模型能够很好地捕捉颗粒冲击过程中金属表面凹坑的产生及演化规律，并能详细记录颗粒的入射行为及反弹规律，测得颗粒反弹速度和反弹角度误差均在14%以内. 临界冲击工况下颗粒动能损失最大，且冲击角越高，残余动能越少；颗粒初始旋转能够改变其反弹后的运动行为及金属表面材料的失效方式；颗粒重复冲蚀对材料表面的作用机制与后续颗粒的入射条件有密切关系，模型成功捕捉到重复冲蚀导致的材料破坏加深和破坏减缓两种特殊现象.      

反应诱导聚合物双层结构弯曲行为的建模与分析

聚合物软材料兼具柔软性和大变形能力,作为一种智能材料在软体机器人等领域应用广泛．化学活性聚合物分子内包含具有较高反应活性的官能团,如环氧、酯键、羟基、羧基等,可以在一定条件下发生化学反应引起材料体积和性质变化．因此研究化学反应如何调控聚合物变形对开发新的功能型聚合物材料有重要指导意义．本文建立化学活性聚合物-弹性基底双层结构的理论模型并分析其在化学反应诱导下的有限弯曲行为．引入化学反应进度作为Helmholtz自由能独立的状态变量,考虑化学反应对聚合物体积变化和模量的影响,以及反应过程独立的能量耗散机制,并基于Neo-Hookean模型建立起各层内的超弹性本构关系．最后利用Newton-Raphson方法对反应完全时的平面应变稳态问题进行数值求解,得到不同几何和反应影响参数下各层内的弯曲变形和应力分布．     

激光烧蚀下不同颗粒度Al-teflon的反应行为

为研究不同颗粒度对Al-teflon反应行为的影响，以颗粒度25 μm、1 μm和20～200 nm的Al粉和微米级Teflon粉混合制备的反应材料为研究对象，基于脉冲激光烧蚀实验，结合ICCD相机和光谱仪对反应过程中的自发光成像和发射光谱进行瞬态观测。研究结果表明，Al-teflon反应材料在激光烧蚀下的反应行为体现出典型的二次反应特征，具有持续燃烧特征和明显的后燃效应，也具有较长的能量释放时间；同时，其反应行为与Al粉颗粒度密切相关:初始阶段，反应随Al粉颗粒度的降低加剧，随着反应的进行，纳米级Al粉对应的反应材料后续反应能力逐渐下降，反应强度和反应时间都小于1 μm铝粉对应的反应材料。