薄板坯连铸结晶器内凝固坯壳的数值分析

首先建立三维热传导模型，用差分法计算得到薄板坯连铸结晶器内初生凝固坯壳的几何形状及温度场，并在此基础上采用三维热弹塑性接触有限元方法分析凝固坯壳的应力及变形。针对两种类型的结晶器作了计算分析，对两种拉速下的温度、应力、变形以及成裂指数变化规律进行了比较，所得结果对薄板连铸工艺参数的设计和控制具有指导意义。     

冻结黏土侧限压缩变形的S-M模型

为合理设计冻结壁及确保施工安全,掌握人工冻土侧限条件下压缩变形特性非常必要。对山西省某煤矿深部黏土在不同冻结温度、含水率下,采用分级加载的方式进行侧限一维压缩试验,得到一维压缩应力-时间-轴向压缩变形之间的关系,并根据曲线变化分析可知:同一含水率及加载应力下,温度越低,轴向压缩变形量越小;相同温度下,随着含水率和加载应力的增加,压缩变形量也逐渐增大。引入Singh-Mitchell(S-M)模型,同时考虑温度、含水率和加载应力为模型自变量,建立改进S-M模型,通过对轴向压缩变形取对数的方式计算改进S-M模型参数。将改进S-M模型计算结果与侧限一维压缩变形试验结果进行比较,研究发现:模型计算曲线与试验曲线吻合度较高,模型计算曲线能够反映冻土从初始变形状态到稳定变形状态的变形特性,能准确预测压缩变形曲线的变化趋势,且改进S-M模型涉及参数较少,实际应用价值高。     

温度场作用下输流悬臂碳纳米管的颤振失稳分析

以非局部弹性理论为基础,采用欧拉-伯努利梁模型,考虑碳纳米管的小尺度效应,应用哈密顿原理获得了温度场作用下的输流悬臂单层碳纳米管（SWCNT）的振动控制方程以及边界条件,依靠微分变换法（DTM法）对此高阶偏微分方程进行求解,通过数值计算研究了温度场中悬臂单层输流碳纳米管的振动与颤振失稳问题。结果表明：管内流体流速、温度场中温度变化情况与小尺度参数都会对系统振动频率以及颤振失稳临界流速产生影响。其中,小尺度效应将会降低悬臂输流系统的稳定性,使系统更为柔软;而高温场与低温场对系统动态失稳的影响不同,低温场中随温度变化值的增加,系统的稳定性提高;高温场这一作用效果恰好与之相反。     

连铸过程铸坯弹／黏塑性热应力的研究

本文推导并建立了高温铸坯黏塑性蠕变综合效应的非稳态热弹／黏塑性本构方程，在数值分析中考虑了对铸坯应力有重要影响的相变引起的体积变化，并编制了有限元程序。作通过对某厂板坯连铸机进行分析计算的结果表明，对板坯连铸过程铸坯热应力的模拟本模型和程序是有效的。     

温度场作用下悬臂输流碳纳米管的颤振失稳分析

以非局部弹性理论为基础,采用欧拉-伯努利梁模型,考虑碳纳米管的小尺度效应,应用哈密顿原理获得了温度场作用下的悬臂输流单层碳纳米管(SWCNT)的振动控制方程以及边界条件,依靠微分变换法(DTM法)对此高阶偏微分方程进行求解,通过数值计算研究了温度场中悬臂单层输流碳纳米管的振动与颤振失稳问题.结果表明:管内流体流速、温度场中温度变化情况与小尺度参数都会对系统振动频率以及颤振失稳临界流速产生影响.其中,小尺度效应将会降低悬臂输流系统的稳定性,使系统更为柔软;而高温场与低温场对系统动态失稳的影响不同,低温场中随温度变化值的增加,系统的稳定性提高;高温场这一作用效果恰好与之相反.     

软铁磁薄板磁弹性屈曲的理论模型

铁磁弹性薄板的磁弹性屈曲问题一直作为电磁——弹性力学相互作用的一个基本模型进行研究，而作用在其磁介质上的磁力计算则是定量理论预测准确与否的关键．到目前为止，文献上已有的理论模型对悬臂铁磁梁式悬臂板在横向磁场中磁弹性屈曲的理论预测值始终高于实验值，有的甚至相差１００％左右．本文基于电磁力计算的微观安培电流模型，严格给出了软铁磁薄板等效横向磁力的宏观计算表达式．在此基础上，建立了电磁——力学相互耦合作用的非线性理论模型．该模型能描述铁磁薄板结构在非均匀横向磁场环境中的磁弹性失稳（或屈曲）．其定量分析采用了有限元法和有限差分法相结合．数值结果显示：本模型给出的磁弹性屈曲的临界磁场值与实验值符合良好．与此同时，文中还对文献中认为较成功的Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ模型的基本假设进行了分析．定量结果发现：Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ理论模型的基本假设仅在梁式板的长厚比Ｌ／ｈ比较大时（约在２００左右），是可以接受的，而当Ｌ／ｈ较小时，该假设将导致理论值与实验值的较大误差．Ｌ／ｈ比值越小，理论值与实验值的误差越大     

战斗部近距爆炸下夹芯复合舱壁结构防护能力的理论评估模型

为改善当前战斗部近距爆炸下基于单纯抗爆或抗穿甲载荷开展防护结构设计的不足，本文中建立了战斗部近距爆炸下夹芯复合舱壁结构防护能力的理论评估模型，提出了联合作用下夹芯复合舱壁结构的防护能力需同时满足抗弹性能和整体变形破坏两方面要求。具体步骤为:首先计算战斗部爆炸后的联合毁伤载荷，然后基于抗弹理论模型评估夹芯复合舱壁结构的抗弹性能。若满足要求，则进一步根据联合作用理论模型校核夹芯复合舱壁结构在冲击波和破片群联合作用下是否满足整体变形破坏要求，判据为后面板是否产生撕裂、破口破坏。与有关实验结果进行了计算比较，结果吻合良好，证明了此理论评估模型的合理性。     

高温作用下钢管混凝土构件侧向撞击性能

通过耦合ABAQUS有限元软件中的隐式静态分析和显示动态分析，提出钢管混凝土构件在火灾与撞击联合作用下的数值计算方法，分别对已有钢管混凝土构件的温度场试验、火灾下轴向撞击试验和常温下侧向撞击试验进行数值模拟，以验证本文方法的合理性。在此基础上建立了钢管混凝土构件在不同温度下的侧向撞击有限元模型，分别对不同温度下的挠度和撞击力时程曲线进行对比，采用极值后平均撞击力和吸能系数对高温作用下构件的抗侧向撞击性能进行量化分析，并分析了600 ℃下构件撞击全过程。结果表明:温度对钢管混凝土构件的侧向撞击性能影响明显，随着温度升高，构件跨中挠度大幅增加，撞击时程变长；高温下构件的撞击力时程曲线与常温下差异明显，高温下曲线可分为震荡阶段、下降阶段和卸载阶段；构件主要通过整体弯曲变形吸收落锤的动能，随着温度升高，极值后平均撞击力和吸能系数逐渐降低，表明构件的抗撞击性能逐渐降低，当温度超过400 ℃后，构件抗撞击性能损失严重。     

可变形战斗部弹体变形型面的理论模型

为了从理论上得到给定初始条件下可变形战斗部的弹体变形型面,将战斗部变形部分的结构简化 为辅助装药对单层圆柱壳体作用的结构,将圆柱壳体作为理想刚塑性材料,建立圆柱壳体的五塑性铰位移模 式,应用刚塑性动力学原理,得到战斗部弹体变形型面的理论模型,模型计算结果与实验结果吻合较好。     

应变控制的热机械疲劳行为的数值模拟

根据高温合金材料的力学性能，以弹粘塑性本构模型为基础，用数值模拟方法研究材料的热机械疲劳循环特性，模型将应变分为弹性应变、温度应变和粘塑性应变三部分，认为材料在高温循环载荷下呈现明显的弹粘塑性特征，根据虚位移原理建立轴对称体的弹粘塑性计算有限元格式，对于循环机械载荷和循环温度载荷，程序中采用了增量法迭代求解，在非线性项中不仅考虑了机械载荷增量的影响，同时也考虑了温度增量的影响，根据应变控制热机械疲劳的特点，发展了应变增量法的有限元计算方法、通过数值模拟，得到材料在各种循环载荷下的应力—应变响应，数值模拟较好地反映了粘塑性变形过程以及温度变化的效应，所描述的不可逆系统在某一时刻的状态完全由当时的状态参数、内变量、承载时间及塑性应变累积量决定，对带缺口试件的模拟结果显示了程序对复杂轴对称结构进行热机械疲劳计算的有效性。     

A generalized method for photoelastic studies of transient thermal stresses

This paper describes the apparatus and experimental method which was developed for generalized studies of transient thermal stresses in photoelastic models of many different shapes under a variety of steady-state or transient temperature conditions. It explains how the desired temperature gradients are established in the models and how rapidly changing temperature and stress profiles are monitored during a test. The experimental method is used to study the stresses in a three-dimensional photothermoelastic model subjected to three different temperature sequences. These are: symmetrical cooling of both faces of a thick plate initially at a uniform temperature; heating of one face only of a thick plate initially at a uniform temperature; and heating of only the cold face of a thick plate with an initial linear temperature gradient through its thickness. The last sequence generated temperature profiles which relate to conditions where internal heating is present. The resultant temperature and stress histories for each case are presented graphically and similarity scales are applied to give correct time-stress relations for a typical steel prototype. The magnitude and time of occurrence of the peak stresses on the boundary, as well as in the interior of the plate are found. These stresses are very high and occur comparatively late in each test, at a time when the temperature of the central plane has already started to respond to the changing conditions at the surface. The model was of the sandwich-type construction used by previous investigators, which has a built-in polariscope to isolate a transverse plane for viewing.     

复合结构壳体蠕变变形有限元研究

基于蠕变理论，采用有限元数值计算方法，用ANSYS作为计算平台，建立了壳体结构的蠕变变形计算模型．对由耐火材料是镁碳砖炉衬和炉壳组成的复合结构转炉，由于高导热率的镁碳砖广泛使用，引起转炉炉壳的温度升高，导致转炉不同程度地出现了炉壳蠕变变形，致使炉壳使用寿命缩短．研究转炉炉壳蠕变变形的状态及分布规律，可为控制炉壳蠕变变形、延长炉壳使用寿命提供依据．运用所述的有限元计算模型，对复合结构的转炉炉壳的蠕变变形行为进行模拟，模拟结果与现场测量值基本吻合．     

大电流快速加热条件下LY12铝板动态变形的云纹干涉法实验研究

本文研究了中间带孔受拉铝板在大电流热冲击条件下的动态变形测试．在试件表面制作高温高频光栅，预加机械载荷后放入双光束云纹干涉光路中，用大电流加热器对试件进行快速加热，利用高速摄影机拍摄记录试件表面圆孔附近区域干涉条纹的变化情况，同时利用测温系统对试件的温度变化情况进行了测试记录．实验结果表明，用高速拍摄方法摄影热冲击条件下的云纹干涉条纹变化是可行的．     

Fracture mechanics of steel plate under Joule heating analyzed by energy density criterion

In the electric-conductive material with fractures, the electric current and Joule heating will induce a local hot spot around the crack tip. By the finite element simulation, this phenomenon has been proved so that it can be applied to the fracture detection for the steel plate. As a result, the temperature variation near the fracture tip must be large enough so that the thermal sensing system can detect the hot spot at the fracture tip. It is necessary to apply large electric current on the steel plate to make obvious temperature variation. However, higher electric current will increase the driving force for the crack growth.     

薄板在冲击载荷下线弹性理想塑性响应的相似性研究

对于比例模型和原型使用不同弹塑性材料的冲击相似性问题,由于弹性和塑性阶段材料特性的差别及其在不同变形阶段的弹性塑性共存现象,将导致原有的结构冲击相似性理论失效。基于薄板冲击问题的理论模型,采用方程分析方法重新推导了材料线弹性以及理想刚塑性共存时的冲击响应的相似律。提出了一种能够同时考虑弹性变形和塑性变形的结构缩放响应相似性分析的厚度补偿方法,并利用数值分析验证了提出方法的适用性。分析结果表明,使用厚度补偿方法得到的比例模型结构响应能够准确地预测原型结构的冲击响应。     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

Elastic constants characterization on graphite at 500°C by the virtual fields method

In this paper the elastic constants of graphite at elevated temperature were experimentally investigated by using the virtual fields method (VFM). A new method was presented for the characterization of mechanical properties at elevated temperature. The three-point bending tests were performed on graphite materials by an universal testing machine equipped with heating furnace. Based on the heterogeneous deformation fields measured by the digital image correlation (DIC) technique, the elastic constants were then extracted by using VFM. The measurement results of the elastic constants at 500°C were obtained. The effect on the experimental results was also analyzed. The successful results verify the feasibility of using the proposed method to measure the properties of graphite at high temperature, and the proposed method is believed to have a good potential for further applications.     

高速旋转弹头侵彻运动金属薄板的数值模拟

提出了一种利用LS-DYNA程序计算弹头翻转角度曲线的方法。在侵彻过程中,弹头的速度为300 m/s,转速分别为0、3 600和6 370 r/s;金属薄板的速度分别为0、40和80 m/s。其中,弹头直径为7.62 mm,圆形金属薄板的直径为80 mm,厚度为2 mm。材料模型选择了考虑应变、应变率效应和温度效应的Johnson-Cook材料模型。通过数值模拟结果的比较来研究不同弹头转速和金属薄板速度对侵彻过程中弹头最终速度、翻转角度和弹道偏移的影响。     

The Mechanical Threshold Stress model for various tempers of AISI 4340 steel

Numerical simulations of high strain rate and high temperature deformation of pure metals and alloys require realistic plastic constitutive models. Empirical models include the widely used Johnson–Cook model and the semi-empirical Steinberg–Cochran–Guinan–Lund model. Physically based models such as the Zerilli–Armstrong model, the Mechanical Threshold Stress model, and the Preston–Tonks–Wallace model are also coming into wide use. In this paper, we determine the Mechanical Threshold Stress model parameters for various tempers of AISI 4340 steel using experimental data from the open literature. We also compare stress–strain curves and Taylor impact test profiles predicted by the Mechanical Threshold Stress model with those from the Johnson–Cook model for 4340 steel. Relevant temperature- and pressure-dependent shear modulus models, melting temperature models, a specific heat model, and an equation of state for 4340 steel are discussed and their parameters are presented.     

高温冲击拉伸试验中的快速接触加温技术

本文阐述了高温冲击拉伸试验技术中基于大热容量热惯性温升极大值原理的快速接触加温技术;研制了稳定性好、加热效率高、总体热惯性大、断电温升至极大值的稳定时间长的一对新的加温炉。测试结果表明,可以在试件上获得了最高可达1073K的近似稳定和均匀的温度场。通过实验研究建立了试件温度、稳定炉温和加温炉加热自动断电设定温度之间的标定关系。利用此标定关系,可以根据试验所需要的试件温度方便地确定加温炉自动断电设定温度,并通过监控稳定炉温来实施的所需试件温度下的冲击拉伸试验。本文还对高温冲击拉伸试验中的相关问题进行了分析讨论。