基于分子动力学的结合材料界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚.采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面破坏过程进行模拟,从而获得结合材料的界面应力和界面破坏之间的关系.界面破坏可以分为奇异应力场作用下的破坏,和界面应力集中引起的破坏两种.虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面破坏过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识.分别模拟远场作用下界面上存在初始裂纹和界面附近存在初始裂纹两种情况下的界面破坏,根据分子动力学模拟结果,提出了一个结合材料界面破坏的准则.     

基于应变梯度的损伤局部化研究及应用

提出一种包含应变梯度项的损伤力学模型，并将其应用于材料的局部化损伤模拟预测中。有限元实现中使用C1连续高精度单元以保证包含应变梯度的影响。简单规则矩形网格情况下将结点处有限差分应变梯度结果与有限元方法结合，可避免对传统有限元程序作较大改动，同时能在不降低精度情况下提高计算效率。计算表明该梯度损伤模型可较好避免有限元在局部化模拟时的网格依赖性，预测出的局部化损伤与实际破坏情况非常相近。     

高层建筑动力灾害模拟分析(Ⅰ)——爆破所致建筑倒塌对相邻建筑的破坏研究

为了解超高层建筑因爆破所致的倒塌或倾倒过程对周围建筑产生的破坏情况,使用基于颗粒流理论的PFC~(3D)作为模拟平台对该过程进行模拟。构建了A、B两栋结构相同、高度不同的超高层建筑,其相距30m。模拟分为三种工况(爆破点炸药量为10~6J、10~7J、10~8J),在其它条件不变情况下模拟了在A建筑爆破后倾倒或坍塌对B建筑的影响。模拟结果表明:当爆破药量为10~6J时,两建筑碰撞后B建筑先于A建筑坍塌,分别历经是72s和520s;当爆破药量为10~7J时,A建筑与B建筑历经84s后完成坍塌,这两种药量使建筑A均产生倾倒,在实际的过程中应避免。当爆破药量为10~8J时,可以完全破坏核心筒,便会产生对周围建筑最有利的A建筑坐塌破坏,进而减少对周围建筑的影响。     

钢质圆柱壳在侧向爆炸荷载下的动力响应

将壁厚为2.75mm、外径为100mm的钢质圆柱壳置于75g裸装圆柱形压装TNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,获得了不同装药条件下圆柱壳的变形破坏特征。实验表明:非接触爆炸条件下,壳壁迎爆面局部破坏呈现碟型凹陷,同时沿壳体轴线方向产生了整体屈曲变形,且装药距离较大或药柱轴线与壳体轴线垂直放置情况下对壳体损伤程度较大;而接触爆炸时,壳壁发生破裂形成破口及破片。利用动力有限元程序LS-DYNA及Lagrangian-Eulerian流固耦合方法对圆柱壳的非线性动态响应过程进行数值模拟,分析了壳壁的屈曲变形过程及迎爆曲面中心点速度、位移时程曲线,计算结果与实验吻合较好。并基于数值计算确定了壳壁发生破裂的临界装药距离。     

股骨形态及应力应变的三维有限元分析

建立了一个针对高危女性人群股骨结构的三维有限元模型,分析了运动荷载作用下此类股骨的应力和应变分布以及股骨破坏的可能部位.结果表明:运动荷载使股骨产生较大的横向位移和弯曲变形;股骨颈处的应力和应变最大,容易在股骨颈处以及大转子与股骨干的连接部位附近发生破坏.模拟结果为研制适用于此类人群的高性能人工股骨提供了参考.     

基于高速图像分析的激光器光束稳定性及光斑质量评价方法研究

机载激光器的光束稳定性及光斑质量是关系到该武器系统毁伤效率的关键性因素。本文基于棱镜分光及数字图像处理技术,发展了能够在实验室实验中同时获取激光光斑位置和光强分布信息且不会对系统自身工作产生影响的方法及系统,实现了对激光光束稳定性及光斑质量的评价。该方法利用数字相机采集光斑图像,并根据像素灰度值计算光斑位置和光强分布。标定实验结果表明,该方法对光斑位置的测量误差可控制在1%以内,对光斑质量也可以实现很好的评价。     

煤岩巷道冲击破坏过程相似模拟试验研究

采用相似材料模拟试验研究方法,利用单轴加载系统和数字散斑光测技术,根据相似材料配比制备脆性材料,对标准试块和三维巷道模型进行了相似试验研究。对相似模拟试验结果分析可知,实验室制备脆性材料模拟冲击地压巷道破坏过程是可行的,冲击破坏特征较明显;散斑计算结果说明,试块位移和应变变化与裂缝出现、扩展和贯通具有一致性,且竖向裂缝开展数量多、速度快;相似模拟试验结果也表明巷道顶板受冲击作用和下沉位移较大,两边帮向巷道内部弯曲变形也较大,甚至出现煤岩抛出和巷道垮塌。本试验也为进一步揭示煤岩巷道冲击破坏规律提供了新的途径。     

光斑尺寸对K9玻璃近红外激光损伤阈值的影响

基于热弹性模型 ,用有限元法对不同光斑近红外激光辐照下K9玻璃样品中的温度和压力分布进行了计算。对厚 2mm、半径 10mm的圆片样品的计算结果表明 ,K9玻璃的损伤受表面环向拉伸应力的控制 ,光斑大小对损伤阈值有较大的影响 ,对光束总入射功率为 2 8kW的激光辐照 ,当光斑半径从 0 .4mm增加到 3mm时 ,损伤所需时间从 14ms增加到 1s。在一定光斑尺寸范围内 ,样品损伤 (表面拉伸断裂 )所需的激光功率密度在同一量级内变化 ,在更小光斑时 ,损伤时的最高温升趋于 5 6 5K。     

浮顶式储油罐的爆炸冲击失效

通过模型实验与数值模拟结果对比,探讨了浮顶油罐在可燃蒸气云爆炸冲击作用下的变形过程和破坏机理。研究发现,罐体失稳破坏的主要原因与爆炸冲击波和油罐内液体的复合冲量作用有关,在爆炸冲击作用下浮顶油罐模型产生剧烈振动,迎爆面上部罐壁形成动应力集中现象,最终导致罐体失稳并产生内凹动力屈曲破坏。     

冲击载荷作用下准脆性连续体破裂问题研究

在连续体动力问题中心差分算法的基础上,引进准脆性材料的破坏准则,节点单元的破裂算法、离散子块的接触搜索及接触力计算等,对准脆性连续体在冲击载荷作用下的破裂破坏问题进行数值模拟.通过数值算例,给出结构在冲击载荷作用下裂纹产生和扩展的模拟结果图,初步验证程序的正确性和可应用性,为模拟连续体转变为非连续体这一复杂物理过程提出新方法和新思路.     

A thermal-elastic analysis on laser-induced reverse bulging and plugging in circular brass foil

A new failure mode is observed in circular brass foils induced by laser beam. The new failure is based on the following experimental facts : (1) the peripheries of the circular brass foils are fixed and the surfaces of the foils are radiated by laser beam ; (2) the laser beam used is considered to be non-Gaussian spatially, actually an approximately uniform distribution limited in a certain size spot ; (3) the pulse on time of laser beam should be 250 μs, i.e. so called long duration pulse laser. The failure process consists of three stages ; i.e. thermal bulging, localized shear deformation and perforation by plugging. The word reverse in reverse bulging and plugging mode means that bulging and plugging occur in the direction of incident laser beam. To study the newly-discovered type of failure quantitatively, analytical solutions for the axisymmetric temperature field and deflection curve are derived. The calculated results show that the newly discovered failure mode is attributed to the spatial structure effect of laser beam indeed.     

单层微通道热沉拓扑结构对芯片中心热点的降温效能研究

通过热流固耦合模拟分析得到了不同微通道结构热沉基底的温度场及微通道内速度场,研究了相同入流功率下不同单层微通道拓扑结构对中心有高热流密度热点芯片的散热能力。结果表明:相同入流功率(0.05W)下,不同结构的散热能力排序由高到低为Y分形、弯曲散射、直散射(双侧出流)、直螺旋、直散射(单侧出流)、圆螺旋、树状分形、直槽结构;采用中心入流可有效降低芯片中心热点附近的温度,对于中心入流的散射结构,采用对称出流结构可提升其流动传热性能;Y分形结构具有良好的流动传热特性,对于热源面和中心热点均具有良好的散热效果。     

激光冲击喷丸与激光辐照LY12铝合金材料拉伸力学行为的实验研究

为了研究激光冲击喷丸与激光辐照处理后LY12铝合金材料的微尺度变形特点和失效机理,对经过不同激光功率密度处理后的LY12铝合金材料,在扫描电镜下进行了原位拉伸力学行为和失效机理研究。在扫描电子显微镜（SEM）下,得到各组试件的拉伸载荷曲线和不同载荷下的微观区域图像,并利用数字图像相关技术进行不同载荷下的微观区域全场变形分析,并对拉伸断口形貌也进行了分析。研究表明：激光处理的功率大小对LY12铝合金拉伸最大载荷有明显的影响,激光处理的交界处有较强的应变集中。     

Three-point bending of honeycomb sandwich beams with facesheet perforations

A novel square honeycomb-cored sandwich beam with perforated bottom facesheet is investigated under threepoint bending,both analytically and numerically.Perforated square holes in the bottom facesheet are characterized by the area ratio of the hole to intact facesheet(perforation ratio).While for large-scale engineering applications like the decks of cargo vehicles and transportation ships,the perforations are needed to facilitate the fabrication process(e.g.,laser welding)as well as service maintenance,it is demonstrated that these perforations,when properly designed,can also enhance the resistance of the sandwich to bending.For illustration,fair comparisons among competing sandwich designs having different perforation ratios but equal mass is achieved by systematically thickening the core webs.Further,the perforated sandwich beam is designed with a relatively thick facesheet to avoid local indention failure so that it mainly fails in two competing modes:(1)bending failure,i.e.,yielding of beam cross-section and buckling of top facesheet caused by bending moment;(2)shear failure,i.e.,yielding and buckling of core webs due to shear forcing.The sensitivity of the failure loads to the ratio of core height to beam span is also discussed for varying perforation ratios.As the perfo-ration ratio is increased,the load of shear failure increases due to thickening core webs,while that of bending failure decreases due to the weakening bottom facesheet.Design of a sandwich beam with optimal perforation ratio is realized when the two failure loads are equal,leading to significantly enhanced failure load(up to 60%increase)relative to that of a non-perforated sandwich beam with equal mass.     

热-力联合作用下柱壳结构变形的计算分析

本文研究了激光连续加热和恒内压作用下柱壳结构的变形规律。以4340钢材料作为研究对象，其本构方程选用热粘塑性本构模型（Johnson-Cook模型）；选取某一应变率为临界值（本文中临界应变率取为1s^-1)。考察了激光功率密度，预载荷大小，激光作用时间等对结构变形规律的影响。主要结论有：结构失稳是导致激光辐照下充内压柱壳破坏的重要原因；激光功率密度和内压越高，结构破坏时间越短；根据辐照时间的长短，预测到了结构急速破坏，延迟破坏和不破坏三种模式。本工作对于深入认识激光作用下预载结构的热－力联合破坏有一定意义。     

激光辐照下充内压柱壳动态爆裂的数值模拟

采用动力有限元显式积分程序,对承受内压、在侧面受到激光辐照的圆柱壳的热 力学响应进行了数值模拟,展现了圆柱壳热软化、鼓包和爆裂的动态失效过程。获得的柱壳失效方式与实验现象基本吻合;还给出了不同内压作用下柱壳的破坏时间,获得一些定性的认识。     

Effects of laser power density on static and dynamic mechanical properties of dissimilar stainless steel welded joints

The mechanical properties of laser welded joints under impact loadings such as explosion and car crash etc. are critical for the engineering designs. The hardness, static and dynamic mechanical properties of AISI304 and AISI316 L dissimilar stainless steel welded joints by CO₂ laser were experimentally studied. The dynamic strain-stress curves at the strain rate around 10³ s^?1 were obtained by the split Hopkinson tensile bar (SHTB). The static mechanical properties of the welded joints have little changes with the laser power density and all fracture occurs at 316 L side. However, the strain rate sensitivity has a strong dependence on laser power density. The value of strain rate factor decreases with the increase of laser power density. The welded joint which may be applied for the impact loading can be obtained by reducing the laser power density in the case of welding quality assurance.     

冲击波和高速破片联合作用下夹芯复合舱壁结构的毁伤特性

为探讨导弹战斗部近炸下舰船夹芯复合舱壁结构设计方法,采用TNT和预制破片近炸实验研究了典型夹芯复合舱壁结构在冲击波与高速破片联合作用下的破坏效应,分析了冲击波和破片联合毁伤载荷,指出了钢质面板和抗弹层的破坏模式,阐述了夹芯复合舱壁结构的防护机理。结果表明:预制破片装药近炸下,破片能远大于冲击波能,是防护结构的主要设计载荷;前面板主要是抵御冲击波,其变形破坏整体为挠曲大变形,局部为集团破片冲塞破口、破片穿孔和撞击凹坑;背板以挠曲大变形吸能为主;陶瓷材料碎裂严重,部分陶瓷碎片反向飞溅撞击前面板;纤维增强复合材料发生了纤维断裂、基体开裂、整体弯曲大变形及分层等破坏,抗弹层应避免产生穿透性破坏。     

动能弹侵彻素混凝土板的数值模拟

用二维梁-颗粒模型BPM2D(Beam-Particle Model in Two Dimensions)模拟了刚性弹体侵彻和贯穿素混凝土板的过程．梁-颗粒模型BPM2D是在离散元法基础上,结合有限元法开发的二维数值计算模型．在模型中用三种类型梁单元形成混凝土数值试样．每种类型梁单元的力学性质均按韦布尔(Weibull)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性,同时梁单元的强度随应变率不同而变化．利用此模型分析了弹体侵彻下混凝土板的破坏过程,并给出不同弹体初始速度条件下各时刻混凝土和弹体内部速度场．通过将计算结果与实验数据及LS—DYNA程序模拟结果相比较,表明梁-颗粒模型可有效应用于计算和模拟脆性材料动态破坏问题．