梯度多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维非线性塑性冲击波模型和细观有限元模型对密度梯度多胞牺牲层的抗爆炸性能进行了分析。基于率无关的刚性-塑性硬化模型,建立了描述冲击波在多胞牺牲层中传播的控制方程,分别给出了正、负密度梯度多胞材料在指数型爆炸载荷作用下的响应特性。研究了可正好吸收爆炸能量的梯度多胞牺牲层的临界厚度与载荷强度、覆盖层质量、多胞材料的密度梯度等参数之间的关系,给出了以临界厚度和支撑端应力峰值为指标的密度梯度设计图。运用二维细观有限元模型验证了基于非线性塑性冲击波模型的抗爆炸分析的有效性。     

多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维冲击波模型和三维细观有限元模型分析了多胞牺牲层的抗爆炸行为. 基于刚性-塑性硬化(R-PH)的多胞材料模型,建立了一维冲击波模型,得到了多胞牺牲层中冲击波传播的控制方程. 揭示了冲击波在多胞牺牲层中的传播特性,并阐述了附加质量和爆炸载荷强度两个参数对牺牲层设计的重要影响. 比较了基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L) 模型和基于刚性-塑性硬化(R-PH) 模型的多胞牺牲层的结构设计,指出了两种模型的适用范围. 通过基于三维Voronoi 技术的细观有限元方法验证了基于R-PH 模型的多胞牺牲层结构的设计准则.      

ANTI-BLAST ANALYSIS OF CELLULAR SACRIFICIAL CLADDING

运用一维冲击波模型和三维细观有限元模型分析了多胞牺牲层的抗爆炸行为. 基于刚性-塑性硬化(R-PH)的多胞材料模型,建立了一维冲击波模型,得到了多胞牺牲层中冲击波传播的控制方程. 揭示了冲击波在多胞牺牲层中的传播特性,并阐述了附加质量和爆炸载荷强度两个参数对牺牲层设计的重要影响. 比较了基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L) 模型和基于刚性-塑性硬化(R-PH) 模型的多胞牺牲层的结构设计,指出了两种模型的适用范围. 通过基于三维Voronoi 技术的细观有限元方法验证了基于R-PH 模型的多胞牺牲层结构的设计准则.     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料,但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性,其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法,开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验,获取全场质点速度时程曲线,结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息,进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下,多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系,此时惯性起主导作用;在过渡模式下,惯性的主导作用减弱,单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱;在准静态模式下,多孔材料只能发生微小的变形,其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线,并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加,多孔材料的动态压实应变将变小,而动态塑性平台应力将提高。     

泡沫杆撞击刚性壁的动态压溃模型

针对泡沫杆撞击刚性壁的情形建立了2类动态压溃模型:一维冲击波模型和三维细观有限元模 型。以连续介质框架下的应力波理论为基础,并假定了刚性-非线性塑性硬化的加载和刚性卸载的本构关系, 建立了一维冲击波模型,给出了冲击波波后应变与冲击时间的隐式表达式。利用随机Voronoi技术构建了闭 孔泡沫金属结构的三维细观有限元模型,使用ABAQUS/Explicit有限元软件模拟了泡沫材料的动态压溃过 程,并基于最小二乘法计算局部变形梯度和局部应变得到了三维泡沫结构的应变场。通过理论解和数值解的 比较,发现该理论模型能够较好地预测泡沫金属杆撞击刚性壁的力学行为,得到了较为精确的结果。     

强动载荷下结构的柔性防护和刚性防护

通过研究柔性防护和刚性防护方面的实例,结合作者的研究结果,对应力波效应和材料动态特性效应如何影响强动载荷下的结构安全防护进行了分析和讨论。研究表明,在研究强动载荷下的结构安全防护时,不论结构承受的是爆炸冲击波还是弹体的直接撞击,都应该考虑结构与周围介质中的波传播效应与材料的应变率效应,以及这两者之间的互相联系和互相耦合。     

多胞材料的动态应力应变状态及其一致近似关系

多胞材料在高速冲击下呈现出逐层压溃的变形模式，塑性冲击波模型可以用来表征这种集中变形带的传播行为。本文中采用截面应力计算方法得到了随机蜂窝在恒速冲击下的一维应力分布，进而对冲击波的传播规律进行了分析。比较了高速冲击下由不同方法得到的冲击波速度与冲击速度的关系，结果表明R-PP-L（率无关，刚性-理想塑性-锁定）模型高估了冲击波速度，但R-PH（率无关，刚性-塑性硬化）模型以及一维冲击波理论得到的冲击波速度与有限元结果比较接近。冲击波速度与冲击速度在高速情形下趋于线性关系，但随着冲击速度的减小，冲击波速度不断减少并趋于常数。根据这一特征和塑性冲击波模型，发展了可以表征冲击波速度与冲击速度的关系、动态应力应变关系的一致近似模型。     

闭孔泡沫铝动态材料参数的实验研究

泡沫金属在高速冲击下表现为变形局部化,采用传统的分离式Hopkinson杆技术进行动态实验测试可能存在问题。本文以动态、刚性-塑性硬化(D-R-PH)模型为理论基础,对闭孔泡沫铝开展Taylor-Hopkinson冲击实验,结合高速摄影技术和数字图像相关技术(DIC),获得了冲击速度的历史曲线。通过运用冲击波理论,提出了冲击速度与冲击时间的隐函数拟合方法,确定了动态初始压溃应力和应变硬化参数等两个动态材料参数。利用冲击端的应力历史曲线检验了结果的有效性,分析了动态材料参数对相对密度的敏感性,发现动态初始压溃应力和应变硬化参数均与相对密度近似呈幂函数关系。实验表明泡沫铝的应力-应变行为呈现明显的冲击速率敏感性。     

纸夹芯和泡沫复合层状结构的动态缓冲吸能特性研究

针对由EPE(Polyethylene foam,聚乙烯泡沫)、瓦楞纸板、蜂窝纸板组成的复合层状结构在跌落冲击载荷作用下的缓冲防护特性,研究了加速度-冲击持续时间曲线、应力-应变曲线的特征,探讨了冲击能量对峰值应力、缓冲吸能特性的影响关系。结果表明,纸瓦楞、纸蜂窝改善了EPE的缓冲吸能特性,纸夹芯和泡沫复合层状结构的峰值应力、单位面积吸能、单位体积吸能、比吸能都随着跌落冲击能量的增加呈线性增加的趋势。在相同跌落冲击条件下,相比瓦楞与EPE复合结构,蜂窝与EPE复合结构的峰值应力平均减少了23.6%,能量吸收率平均提高了8.85%,比吸能平均提高了18.1%,缓冲吸能效果更好。     

空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性

利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）系统对空心微珠体积分数为0.4的空心微珠/1199Al复合泡沫在1 700~2 900s-1应变率范围内的动态压缩力学性能、吸能性能进行了研究,还利用SEM扫描电镜对压缩试件断口进行微观组织分析,与准静态条件下材料的压缩力学性能及压缩变形机制进行了对比。结果表明,空心微珠/1199Al复合泡沫是一种应变率敏感材料,与准静态结果相比,在高应变率下复合材料的流动应力和塑性应变有明显的增大,应变率硬化效应对复合材料的流动应力的影响明显大于应变硬化的影响。复合材料的准静态和动态压缩变形机制存在一定差异,动态载荷作用下,空心微珠/1199Al复合泡沫内部空心微珠的压缩和基体材料的充填同时发生,组分之间具有良好的协调变形能力。     

On the energy conservation and critical velocities for the propagation of a ＂steady-shock＂ wave in a bar made of cellular material

The propagation of shock waves in a cellular bar is systematically studied in the framework of continuum solids by adopting two idealized material models, viz. the dynamic rigid, perfectly plastic, locking （D-R-PP-L） model and the dynamic rigid, linear hardening plastic, locking （D-R-LHP-L） model, both considering the effects of strain-rate on the material properties. The shock wave speed relevant to these two models is derived. Consider the case of a bar made of one of such material with initial length L 0 and initial velocity v i impinging onto a rigid target. The variations of the stress, strain, particle velocity, specific internal energy across the shock wave and the cease distance of shock wave are all determined analytically. In particular the ＂energy conservation condition＂ and the ＂kinematic existence condition＂ as proposed by Tan et al. （2005） is re-examined, showing that the ＂energy conservation condition＂ and the consequent ＂critical velocity＂, i.e. the shock can only be generated and sustained in R-PP-L bars when the impact velocity is above this critical velocity, is incorrect. Instead, with elastic deformation, strain-hardening and strain-rate sensitivity of the cellular materials being considered, it is appropriate to redefine a first and a second critical impact velocity for the existence and propagation of shock waves in cellular solids. Starting from the basic relations for shock wave propagating in D-R-LHP-L cellular materials, a new method for inversely determining the dynamic stress-strain curve for cellular materials is proposed. By using e.g. a combination of Taylor bar and Hopkinson pressure bar impact experimental technique, the dynamic stress-strain curve of aluminum foam could bedetermined. Finally, it is demonstrated that this new formulation of shock theory in this one-dimensional stress state can be generalized to shocks in a one-dimensional strain state, i.e. for the case of plate impact on cellular materials, by simply making proper replacements of the elastic and plastic constants.     

THE DYNAMIC BUCKLING OF ELASTIC-PLASTIC COLUMN SUBJECTED TO AXIAL IMPACT BY A RIGID BODY

I. INTRODUCTIONSince the 1960s the investigation on the dynamic buckling of elastic-plastic structures under impactload has been a very active subject of study in solid mechanics. In this respect the research advanceswere summarized and reviewed from di?erent aspects by some famous scholars[1??4]. The column is themost important structural element in practical engineering. So the dynamic buckling of the column hasattracted much more attention of many researchers. Lindberg H.E. carried ou…     

刚性块轴向撞击杆的弹塑性动力屈曲

用特征线法分析了刚性块轴向撞击弹塑性直杆时应力波传播的全过程,得到了杆冲击端与固定端应力的变化规律及刚性块与杆首次分离的时间．基于能量原理,考虑了弹塑性应力波的传播与反射,建立了弹塑性杆在刚性块轴向撞击下的横向扰动方程,给出了问题的级数解,由解的稳定性得到了发生屈曲时的临界条件;通过数值计算和分析,给出了临界速度与冲击质量、线性强化模量及临界时间间的关系．     

压剪复合平板冲击加载技术进展及其应用

自20世纪70年代末发明压剪炮以来, 压剪复合冲击加载实验技术和诊断技术有了长足进展, 应用也日益广泛.由于压剪联合加载波直接反映了材料的动态剪切特性, 对于认识材料的屈服、损伤演化、失效、相变、界面滑移等动态行为和机理, 构筑更全面的本构模型能够提供必要的附加信息.本文主要讨论气炮实验中压剪复合应力波的产生方式, 诊断技术, 以及在压剪复合塑性波和动高压本构模型、聚合物压剪冲击行为、剪切波跟踪法(SWT)和水泥基复合材料的损伤和失效、界面动摩擦行为、冲击相变、动态损伤和断裂等方面的研究与应用进展.      

Analysis of rigid polyurethane foam as a shock mitigator

In problems of impact, the compressive-stress wave generated at the surface of contact can be quite severe. In certain instances, it may be necessary to mitigate the peak stress. Many materials, e.g., rigid polyurethane foam, exhibit elastic, nearly perfectly plastic stress-strain relations. Stresses greater than the yield stress cannot be transmitted until compaction occurs. The purpose of this paper is to investigate the mitigation of shock and absorption of energy under impact-loading conditions through the use of crushable materials. Experimental data are presented on the mitigated impacts of a short steel projectile on a long aluminum rod. A theoretical analysis is formulated and the results are compared with the experimental results. Mitigators of varying cross-sectional area, as well as mitigators of constant cross-sectional area, are included. The dynamic properties of the rigid polyurethane foam were obtained both experimentally and from the literature, and used as input for the theoretical analysis.