洛伦兹力与温度场作用下枢轨摩擦磨损特性

电枢与轨道间摩擦磨损直接影响着枢轨接触状态,进而影响着电磁轨道发射装置的使用寿命和发射效率. 因此针对焦耳热与摩擦热作用下接触面温度纵向扩散特性,建立温度作用下Archard磨损模型分析温度对枢轨间磨损的影响. 结果表明:枢轨间磨损量主要发生在电枢表面,且最大磨损量集中在电枢尾翼边缘区域. 随着电枢运动过程,枢轨表面温度逐渐升高,接触区域材料的弹性模量和硬度降低,枢轨间磨损量增大. 接触表面磨损量增大也反映出了枢轨接触面温度升高加速了电枢表面的烧蚀.      

基于物质点法的轨道炮刨削机理三维数值研究

基于轨道炮结构特点以及冲击热力学理论,采用物质点法建立了轨道微颗粒诱发刨削的三维模型,模拟了轨道刨削的形成过程,并对其产生机理与影响因素进行了分析。结果表明:电枢与轨道的局域高速冲击产生瞬时的能量交换,形成的高热高压金属流对轨道表面的斜侵彻作用形成了刨坑;刨削的产生存在速度阈值,超过速度阈值,随着电枢速度增加,刨削越严重;低于速度阈值,可产生轨道擦伤;减小轨道表面微颗粒尺寸、增加电枢头部倾角均可降低刨削损伤。     

刨削参数对刨刀载荷特性影响研究及其强度分析

为研究刨刀刨削煤岩过程中刨削参数对刨刀载荷的影响,建立了基于碰撞接触模型的刨刀刨削煤岩动力学模型。采用软件模拟、现场试验的手段,对不同工况条件下的刨刀载荷进行了分析,得到刨削速度、刨削深度及煤岩硬度等刨削参数对刀头载荷的影响规律;并基于仿真结果,对刨刀强度进行了分析和预测。研究结果表明:随着刨削深度的增加,刨刀载荷特征值均有较大幅度的增加,刨削速度、煤岩硬度等刨削参数与刨刀载荷特征值也呈正相关关系,但变化幅度较小。根据仿真结果选取一组最恶劣工况条件进行刨刀强度分析,发现除焊缝局部在接触载荷作用下产生强度失效外,其余大部分区域仍可以满足材料强度使用需求,并不会产生失效;在极限测试载荷条件下刨刀焊缝部位也可能发生强度失效,且有较小概率引发刀头、刀体部分发生断裂失效。研究结果可为刨煤机关键零部件设计优化提供一定的理论基础。     

浅埋小净距隧道爆破损伤探测及数值模拟分析

为了研究爆破荷载对浅埋小净距隧道围岩造成的损伤影响,以济南顺河快速路南延工程浅埋暗挖段为工程背景,通过LSDYNA软件将建立的各向异性动态损伤本构用于隧道爆破的损伤数值模拟,研究炮孔周围的损伤范围;并基于声波测试原理,对浅埋小净距隧道围岩的损伤进行了现场探测。结果表明:在数值模拟中,单个炮孔爆破形成的最大损伤影响半径为0.58 m,最大损伤影响深度为1.88 m,根据岩体的损伤破坏阈值,岩体的破坏水平范围可达0.14 m,破坏深度为1.70 m;根据现场探测,中夹岩受双线隧道交替爆破开挖其损伤程度较围岩其他部位要高,爆破开挖对隧道围岩造成的损伤范围在0.50 m左右,与模拟结果相接近,验证了各向异性动态损伤本构的准确性。研究成果对浅埋小净距隧道的爆破开挖和损伤控制具有一定指导作用。     

非火药驱动的二级轻气炮的发射参数分

介绍了一台５７ｍｍ口径一级压缩气炮驱动的１０ｍｍ口径二级轻气炮，并分析了这种气炮的特点。对其发射参数和发射效果之间的关系进行了数值计算模拟，计算弹速与实测弹速的差异小于１０％。根据计算模拟结果，分析了活塞质量、活塞驱动气压、泵管初充气压和弹丸释放气压等发射参量同弹速和二级气室的气压气温峰值的关系，评估了１０／５７二级轻气炮的发射能力。     

气相爆轰驱动二级轻气炮内弹道数值模拟

二级轻气炮是超高速弹丸驱动技术中使用最广泛的技术之一, 它在超高速气动物理现象及材料高速碰撞下力学性能的实验研究和验证方面起着不可或缺的作用. 中国科学院力学研究所基于爆轰驱动方法研制了一座大型二级轻气炮, 可弥补高压气体驱动能力有限和火药使用受限的不足. 本文基于经过实验验证的准一维数值模拟方法, 详细研究了该设备的内弹道动力学参数及发射性能, 并探讨了不同发射方法及装填参数对设备性能的影响规律和机理. 研究结果表明, 氢氧爆轰驱动相比于高压气体驱动具有明显优势; 不同爆轰驱动方式对弹丸发射性能影响较小, 但其影响到整个设备的强度设计; 对装填运行参数的研究表明增大爆轰段充气压力可以有效加强轻气炮发射性能, 而活塞质量变化对发射速度的影响较为复杂, 轻气炮实际运行中受设备设计指标及模型材料性能的限制, 优化过程中需要同时调整3种参数以达到轻气炮最佳性能.      

轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响. 钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态. 推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式. 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力. 采用移动轨下支承模型的车辆/轨道耦合系统激振模式,考虑轨枕离散支承对系统动力响应的影响. 通过新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,由数值分析计算得到不同轨下支承失效状态下直线轨道的动态响应. 结果表明,轨下支承失效对直线轨道变形及加速度有显著的影响,随着失效轨下支承个数的增加,轮轨相互作用力和轨道部件的位移、加速度将会急剧增大,将加速失效区段线路状况的恶化.      

泡沫混凝土弹塑性损伤模型在组合式防护结构中的应用

为了将新型泡沫混凝土动态弹塑性损伤模型应用到防护结构中,首先开展组合式防护结构预制孔装药爆炸试验;随后利用新泡沫混凝土材料模型对试验进行数值模拟验证,并将新模型的模拟结果与LS-DYNA中Soil and Foam模型的模拟结果进行对比;最后,基于验证的数值模型,开展以梯度泡沫混凝土作为分配层的组合式防护结构预制孔装药爆炸的数值模拟,探讨梯度泡沫混凝土层界面层数和排列方式对组合式防护结构抗爆性能的影响。结果表明,新泡沫混凝土材料模型的模拟结果与试验结果吻合良好,与Soil and Foam模型相比,新模型在应力波传播和损伤破坏方面预测更好,泡沫混凝土层界面层数和排列方式对作用在主体结构上的应力以及分配层的损伤破坏情况有一定的影响。     

平面撞击对Ti6Al4V合金结构的影响

采用一级轻气炮对Ti6Al4V合金进行对称与非对称正碰撞冲击,回收冲击样品,并进行电镜扫描和X射线衍射分析。结果表明:随着冲击速度的增加,样品发生不同程度的变形,材料内部产生微裂纹并导致材料发生损伤,而损伤进一步促进了微裂纹的产生、扩展;由X射线分析结果可知,冲击使材料的晶面发育更加完整,并在材料冷却过程中出现一种亚稳态结构,在一定程度上可提高冲击韧性。 更多还原     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性模型及强度分析

建立了考虑周期性位移边界条件的细观体胞模型,对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟。采用Eshelby-Mori—Tanaka方法计算含损伤裂纹的材料的剐度矩阵,并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程,有效地降低了模拟结果对有限元网格的依赖程度。通过计算得到了材料应力应变的非线性关系和失效时的极限强度,并分析了材料的破坏机理。结果表明,大编织角材料的破坏模式主要是基体失效与纤维横向拉剪破坏,模拟计算结果与文献中的实验值吻合较好。     

电磁轨道发射状态下导轨侧面的局部接触应力分析

电磁轨道发射时,导轨和电枢都有强电流通过,从而在导轨间形成强磁场并在电枢上作用有强大的推动力,与此同时,由于流经两侧导轨的电流方向相反而产生相互作用的斥力,电枢由于强电流而产生的焦耳热使得电枢膨胀,考虑到导轨对电枢横向位移的限制,则电枢对导轨的侧面形成压力。通过通入的直流电流的密度来计算两导轨间相互作用的斥力的集度,根据电枢电流密度计算自由电枢的净膨胀量,将导轨简化成受有一段均布载荷和一个刚印作用的半平面的力学模型,利用柯西积分可求得电枢与导轨接触面附近的局部的应力场,其计算成果可为导轨的强度设计提供依据     

基于移动窗口的串联增强型轨道炮发射过程电磁场演化模拟分析

简要介绍了Railgun3D程序的主要控制方程,使用Railgun3D程序对串联增强型轨道炮发射过程进行了模拟,详细分析了一复杂构型的电枢在梯形驱动电流加载外轨道/电枢上电磁场的演化过程,对电流涡结构、电流趋肤效应进行了讨论。计算中观察到了不同于普通单轨的现象,由于增强轨道的存在,驱动电流在增强轨道上产生了较大的磁场,由于电磁感应,在内轨道炮口一端上有显著的磁场和电流分布,感应电流的大小依赖于驱动电流的变化率。计算给出了多个时刻电枢附近电流涡结构的演化过程,并在电流下降段,电枢后表面上电流出现反向,指出该效应可能是导致电枢与轨道接触应力不足、甚至出现电枢转捩的重要因素。通过中心对称面上电流密度云图,模拟结果显示出磁扩散与速度趋肤效应在整个过程中的相互竞争决定了电流的分布形态。     

悬索桥负载移梁过程静力学分析与试验研究

针对轨索移梁新工艺在悬索桥建设中的关键技术问题进行了理论分析和整体模型试验研究。根据柔索结构基本假定,建立了轨索移梁系统负载状态下的整体力学分析模型,并推导了主缆、吊索和轨索等各构件受力状态的计算方程。理论模型中,移梁小车所在轨索节段采用4个直线索单元模拟,其他位置的轨索节段采用1个直线索单元模拟。以矮寨悬索桥为工程背景,设计制作了轨索移梁体系的整体缩尺模型用以模拟移梁过程,测试了第一段梁从入轨到安装多个子工况的体系响应。理论计算结果与模型试验结果吻合良好,表明本文的计算方法正确有效,能解决轨索移梁工艺负载移梁过程中体系整体受力分析和轨索局部变形分析求解问题。该方法可简化计算过程,计算精度和结果能够应用于工程计算分析和求解,是一种适合于轨索移梁工艺负载状态下体系的分析方法。     

NUMERICAL ANALYSIS OF ARC MOTION IN RAILGUN MUZZLE UNDER THE EFFECT OF BACKFLOW

在电磁轨道炮发射过程中,膛口外的高温气团以远高于声速的运动速度向内膛运动,这会使得膛口的电弧形态发生改变以及电弧位移。为了实现膛口电弧运动过程的数值计算,本文基于磁流体理论,引入了一种和电弧等离子体自身电导率密切相关的电位边界条件处理方法,建立了膛口位置电弧仿真模型。对回流效应下的电弧运动规律进行了分析,并且研究了运动过程中电弧对内膛流场的温度分布产生的影响。结果表明电弧的运动加剧了膛内温升。     

Ultimate kinematic characteristics of rail electromagnetic launchers with metal armatures in an external magnetic field

This paper presents the results of numerical simulation of the Joule heating of the armature and rails in rail launchers of metal bodies with one or two augmenting rails generating an external magnetic field. The ultimate projectile velocity is calculated under the assumption that the Joule heating of the armature and rails during acceleration does not exceed the melting temperature of the materials of which they are made. It is shown that, with an appropriate choice of the position of the coils generating the augmenting magnetic field with respect to the launcher channel and the current magnitude in them, the heat load on the rails and armature in electromagnetic launchers of solids can be substantially reduced and the ultimate kinematic characteristics of these launchers in crisis-free regimes can be considerably increased.     

自然环境条件下轮轨接触黏着特性研究进展

轮轨黏着是铁路运输中的关键基础性科学问题之一,而轮轨接触界面良好的黏着状态是列车安全和高品质运行的根本保障. 轮轨系统作为1个开放的系统,受到各种自然环境因素的影响,如湿度、温度、水、风沙甚至铁氧化物,而所有的这些环境因素都会影响轮轨接触界面的黏着状态和损伤行为. 本文中综述了水、湿度、温度和风沙等自然环境因素对轮轨黏着特性影响规律的研究进展,分析了自然环境因素下轮轨界面铁氧化物特征,重点探讨了自然环境因素对铁氧化物形成的影响及其对轮轨接触黏着特性的影响规律和作用机理,并提出了轮轨黏着的未来研究方向.      

Non-local and numerical formulations for dry sliding friction and wear at high velocities

Severe contact stress problems generate high temperature and create thermomechanical gouging and wear due to high velocity sliding between two materials staying in contact. In order to improve the facilitation of the design of particular components and improve performance of these engineering applications, it is necessary to better understand the physical behavior of high speed environment. As presented here this environment is made up of two components in contact. Therefore, basing on the experimental approach ( [Lodygowski, 2010] and [Lodygowski et al., submitted for publication]) the major consideration of this paper is aimed to develop an experimental/theoretical model for the material constitutive behavior in order to better characterize and predict the internal failure surrounding the gouging and wear events.This research is to be carried out in two stages. First, by investigating the phenomenon of wear and later it will be extended to incorporate gauging problems. The principle of virtual power is used by introducing the contributions from damage and its corresponding gradients as a measure of micro motion of damage within the bulk. In addition two internal state variables are introduced on the frictional contact interface, one measuring the tangential slip and another measuring the wear. By using these internal state variables together with displacement and temperature, the constitutive model is formulated with state laws based on the free energies and the complimentary laws based on the dissipation potentials. The proposed theoretical model is implemented as user defined subroutine VUMAT in the explicit finite element code ABAQUS to analyze the structural response of the ultra high speed sliding experiment between Steel and VascoMax steel at Ecole de’Nationale Institut der Mechanic, at Metz France.This model provides a potential feature for enabling one to relate the non-local continuum plasticity and damage of the bulk material to friction and wear at the contact interfaces. The findings of this research effort is invaluable in providing a multiscale material model and numerical procedure that will be used within a hydrocode to better facilitate the design components of the severe contact stress applications.     

不同润滑材料对轮轨磨损与滚动接触疲劳的影响

通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为,分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明:施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内,车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%,轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低;施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果,摩擦系数降低至0.1以下,磨损率降低85%以上,但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”,导致严重的滚动接触疲劳损伤,而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.