一种内压膨胀系统的动态响应分析

论文采用LS-DYNA非线性动力学有限元程序,对一种曲边柱壳-多体内压膨胀系统在均布内压作用下的动态膨胀过程进行了数值分析,获得了曲边柱壳动态响应规律.文中分析了各种因素对曲边柱壳的变形模式及其应力、应变变化规律的影响；模拟了曲边柱壳在内部压力和外围变形体共同作用下的耦合变形运动过程.模拟计算结果与试验现象基本一致.     

含扰流装置的中心燃气式抛撒内弹道过程的数值模拟

为了研究扰流板对子母弹抛撒过程中子弹翻转角速度的影响规律,采用二维两相流模型对子母弹中心燃气式抛撒内弹道过程进行了数值模拟研究。通过计算结果和测试结果的对比,验证了数值模型的可行性和准确性。对流场结构和推弹装置受力状态的对比分析表明,当燃气发生器小孔集中于扰流板上侧时,提高扰流板位置可以有效增大推弹装置受到的翻转合力矩。可为同类型抛撒系统的设计和改进提供理论参考。     

约束层对金属柱壳膨胀变形影响的数值模拟

对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟,得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面,对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变,实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。     

泡沫子弹冲击固支单梁的耦合分析模型

使用泡沫金属子弹进行冲击可以模拟爆炸载荷的作用,这一加载技术已被应用于防护结构的抗冲击性能测试中,然而泡沫子弹作用于被测试结构上的真实载荷以及二者间的相互作用过程尚不明晰.本文以泡沫子弹冲击固支梁的情形为例,开展了对该冲击过程的理论分析和数值模拟研究.基于泡沫材料的冲击波模型与固支单梁的结构冲击动力学响应模型,构建了描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型.给出了不同响应阶段下子弹和单梁的动力学控制方程,并采用Runge-Kutta方法得到了方程的数值解.基于三维Voronoi技术,建立了泡沫子弹冲击固支单梁的有限元模型并进行了数值模拟.通过与有限元模拟结果的对比发现,相较于经典的脉冲加载模型,耦合分析模型能更好地预测泡沫子弹和单梁的速度变化规律,也能准确地预测子弹对单梁的真实冲击压强.当泡沫子弹的初始动量相同时,由于子弹自身的压溃行为,子弹的初始冲击速度、密度和长度的改变都会对冲击过程产生影响.最后,通过耦合分析模型分别分析了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响,并针对具有不同特征的目标模拟载荷给出了泡沫子弹的筛选策略.所构建的耦合分析模型为研究泡沫...     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

PVC夹芯板在冲击载荷下的动态响应与失效模式

通过开展对泡沫金属子弹撞击加载聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)夹芯板的实验,结合三维数字图像相关性(three dimensional digital image correlation, DIC-3D)技术,研究固支夹芯板在撞击加载条件下的动态响应,获得夹芯板受撞击及响应的变形过程,并结合图像分别分析夹芯板整体及三层结构的变形和失效模式;研究子弹冲量与背板最终变形之间的关系和相似冲量下等面密度不同芯层密度的夹芯结构的抗撞击性能。结果表明:夹芯板的破坏和失效主要集中在泡沫金属子弹直接作用区域,背板挠度由中间向固定端逐渐减小,子弹冲量与背板变形近似成线性关系。在等质量的条件下,降低芯层密度、增加芯层厚度可以有效降低背板的变形,实验结果对聚合物夹芯结构的工程优化设计具有一定的参考意义。     

高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。     

二维有限区域饱和软土Biot固结的数值模拟

针对二维有限矩形区域饱和软土固结问题,选取四种不同边界条件组合,利用数值模拟方法研究了在上表面剪切载荷作用下土体沉降变形的特征和规律。结果表明:在剪切载荷单独作用下,土体位移以水平位移为主,同时竖向位移也客观存在。这反映了土体固结过程中流固耦合的物理现象。土层最终变形量(沉降和水平位移)由剪切载荷与土体物性决定,与边界透水性无关;边界条件对土体的变形模式有着决定性影响。剪切载荷作用、法向载荷作用及二者联合作用的计算结果对比表明:虽然软土Biot固结是复杂的流固耦合过程,但在这个过程中载荷叠加原理依然成立。     

自由梁中部在平头子弹横向正冲击下的穿透及变形

研究了均匀矩形截面自由梁中部在小尺寸、平头、刚性、圆柱形弹体正撞击下的变形及穿透过程。当子弹冲击速度接近或高于临界穿透速度时 ,在梁上与子弹接触区的周围会形成一个剪切冲塞 ,子弹通过冲塞作用在梁上的剪应力会引起梁的整体弯曲变形。通过动力分析 ,确定了子弹穿透梁的临界穿透速度。对子弹穿透梁的局部剪切过程和梁的各个变形阶段进行了数值计算 ,估算出局部剪切能、梁弯曲变形能、子弹及梁的残余动能在子弹初动能中所占的比例。     

运动状态下液体轴对称抛撒首次破碎的实验研究

在实验室条件下利用组合式激波管设备,对运动状态下液体轴对称抛撒进行了实验研究。通过纹影装置获得其所形成雾化场的外形轮廓照片,测量获得了液核发生首次破碎的位置与对称轴之间的距离。通过对抛撒过程中R-T不稳定性与K-H不稳定性的分析认为,轴向气流作用下液体轴对称抛撒的首次破碎点与对称轴的距离主要由轴向气流的速度、轴向气流的密度、液体轴对称抛撒的出口速度、抛撒液体的表面张力系数、环形喷口的宽度等参数所决定。在此基础上,利用相似性理论和无量纲分析,获得了运动状态下液体轴对称抛撒首次破碎点与对称轴之间的距离与相关参数的无量纲关系式。     

不耦合装药爆破孔壁压力峰值的实验研究

不耦合装药爆破孔壁压力峰值是控制岩体轮廓成形质量及进行非流固耦合爆破振动响应数值模拟分析的重要参数,本文采用实验方法研究了不耦合装药爆破的孔壁压力峰值:利用材质为20钢的无缝薄壁钢管模拟不耦合装药爆破炮孔,以高灵敏度、高精度的应变片为传感器,选用超动态应变仪采集钢管内置柱状炸药卷爆炸过程中钢管外壁产生的环向应变,应用动荷载作用下薄壁圆筒的动力响应计算方法,反演分析采集的钢管外壁环向应变数据,得到了爆破过程中空气冲击波作用于钢管内壁的冲击荷载压力峰值,间接测量了不耦合装药爆炸后的孔壁压力峰值。实验获得了6种不耦合装药工况下的爆破孔壁压力峰值测试数据,并计算了相应工况下实验值较准静态爆生气体压力的增大倍数,拟合结果表明压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长。同时也分析了部分试验工况下爆炸测试结果不理想的原因,研究成果可为轮廓爆破孔壁压力峰值的测试与计算提供参考。     

冲击波与破片对波纹杂交夹层板的联合毁伤数值研究

通过有限元软件LS-DYNA模拟了波纹杂交夹层板在冲击波与破片联合作用下的响应过程,研究了炸药当量、载荷类型和填充方式对波纹杂交夹层板变形与失效模式的影响,并与实体板、间隔板和波纹夹层板的抗联合毁伤性能进行了对比,讨论了波纹杂交夹层板的能量吸收特性。数值计算结果表明:与冲击波单独作用相比,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用对结构造成的毁伤更为严重;当药量较小时,波纹夹层板和波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能优于实体板与间隔板,波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能从全填充、迎爆面填充到背爆面填充逐渐降低;当药量较大时,所有结构均产生破口失效;在能量耗散方面,冲击波单独作用时以波纹芯层吸能为主,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用时以上面板吸能为主。     

DENTING AND FAILURE OF LIQUID-FILLED TUBES UNDER LATERAL IMPACT

In this paper, numerical simulation of impact cases of liquid-filled tube impacted by missiles is conducted with a commercial finite element code LS-DYNA, and the results obtained are compared with the experimental data to verify the validity of the numerical simulation model adopted. With the verified numerical method, the processes of dynamic response of a blunt indenter impacting an empty or liquid-filled three-span continuous tubular beam are studied when the parameter such as the indenter’s mass, liquid’s density or impact velocity is varied and the other conditions are kept the same. The simulation results indicate that the critical perforation energy and the deformation of the wall of the pipe are significantly influenced by the presence of the liquid and the pressure. The liquid filling the tube provides a ‘foundation’ pressure to resist and localize the deformation, which may affect the perforation process and lead to a reduction of the ballistic limit. The simulation results also indicate that the increase of the fluid density filled in the tube will decrease the ballistic limit, but the fluid density must be in some scope. The relationship between the ballistic limit velocity of the tube and the mass of the impact missile is nonlinear in the Cartesian coordinate while it becomes linear through logarithmic transformation.     

厚壁压力管道侧向冲击破坏的实验研究

本文报导了三跨连续压力管道侧向受平头、半球头及锥头弹体冲击破坏的实验研究结果,管的外径为45mm,厚度为3mm,内充液体压力分别为0MPa,5MPa,10MPa,15MPa和20MPa五级,获得了不同工况下的临界破坏速度及相应的破坏模式,实验过程中测量并记录了圆管的变形、冲击力时程曲线。实验结果表明,内充介质的存在降低了临界破坏能量,同时临界破坏能量随内充介质压力的增加而减小。     

基于ALE,CEL和SPH方法的球形破片高速冲击充液结构对比研究

为研究ALE,CEL和SPH方法在高速冲击流固耦合动力学数值分析中的差异性,开展球形破片高速冲击充液结构数值模拟研究。建立经文献资料验证的ALE,CEL和SPH三种动力学模型,研究了流体压力变化、形成的空腔尺寸、破片速度衰减变化和充液结构变形等模拟精度,并分析相应的计算成本。结果表明,ALE,CEL和SPH三种方法均能有效模拟破片高速冲击充液结构的流固耦合动力学过程;ALE方法预测的空腔尺寸精度较高;CEL方法预测的流体压力、破片速度衰减和充液结构变形精度较高;SPH方法预测的空腔尺寸、破片速度衰减精度较高;当网格尺寸一致时, SPH方法计算时长约为ALE和CEL方法的两倍,但SPH方法前后处理更加简便。     

Deformation and failure mechanisms of single crystal superalloy under temperature gradient

The crystallographic constitutive model under temperature gradient is developed and introduced to study the deformation and failure mechanisms of single crystal superalloy. Tensile tests of thin-walled pipe specimen at different temperatures without cooled air flow were carried out. Based on the experimental results, the temperature dependence of constitutive model was studied and the basic parameters of constitutive model were obtained. To investigate the deformation and failure mechanisms, the thin-walled pipe specimen with cooled air flow under temperature gradient were tested. Considered the fluid-solid interface (FSI), a finite element method (FEM) was proposed to simulate the process of tension. In FEM, the activation rate of slip system was defined as the failure law of specimen under temperature gradient. The simulation result was in good agreement with the experiment result. Furthermore, the fracture surface of the specimen was observed by the scanning electron microscopy (SEM). The microstructure revealed that the slip deformation belonged to {1 1 1} crystalplane is a principal failure mechanism of single crystal superalloy under temperature gradient. The results of the SEM also implied that the proposed FEM method can be used to systemically study the deformation and failure behavior of single crystal superalloy cooled blade.     

Theoretical approach on the dynamic global buckling response of metallic corrugated core sandwich columns

A theoretical (semi-analytical) approach was proposed to estimate the dynamic in-plane response of corrugated core sandwich columns against suddenly applied loads with a compression rate less than 5 m/s. The model has been constructed so as to effectively include various dynamic effects such as stress wave propagation, material rate dependence and lateral inertia. The practical and theoretical complexities caused from the dynamic phenomena and the established governing equations (e.g. coupled non-uniform axial force distribution) have been resolved by employing Galerkin׳s method. The proposed approach was validated by comparing the calculations from the theoretical model and Finite Element Method (FEM): the load history and deformation shape of extruded Al6061-T6 corrugated core sandwich columns and bending/brazed SS304 corrugated core sandwich columns. The model successfully yielded the imperfection-sensitive, velocity-dependent dynamic response and appearance of higher buckling modes. In addition, it has been demonstrated that the sandwich columns with periodic cellular metals outperform their weight-equivalents, monolithic solid columns, under dynamic conditions. The proposed approach as an efficient tool to explore the dynamic global buckling response in design space can make preliminary studies of weight minimization for dynamic applications.     

圆柱形弹性贮液容器基频近似计算法

在工业和工程领域中,广泛地应用圆柱形弹性薄壁贮液容器。在冲击或地震地面运动激励下,此种容器的变形,严格地说就遵循薄壳结构动力学规律。考虑到在水平地震作用下短圆柱形容器的变形,剪切效应起主导作用,因而可用剪切梁变形理论来近似地代替。对于盛有液体的贮液容器,因为激励引起的振动是耦联的,即液体中产生的液动压力与结构的变形有关,而结构的变形又受到液动压力的很大影响。欲寻求此种耦联体系的动力响应,必须对其动力特性进行分析。为此,本文根据Fischer“冲击质量”理论,提出了对圆柱形弹性贮液容器基频的近似计算方法。此方法概念清晰,计算简便,很便于工程上应用。     

金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应

通过理论和数值方法,对冲击载荷下金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了研究。考虑材料应变率影响,建立了金属正交波纹夹芯结构动态响应的理论模型,同时对它的动态压缩响应进行了有限元模拟。结果表明,考虑材料应变率影响的理论模型的预测结果与有限元模拟结果吻合较好。进一步对多层正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了数值模拟,获得了不同速度冲击下的变形模式,分析了层数对其动态响应的影响。研究发现,通过增加层数能够有效地增强结构的缓冲吸能能力,但层数超过4层以后增强效果不明显。