高能转子轮盘包容机理和包容环结构优化

为研究高能转子轮盘的包容机理,加工了预制裂纹的试验轮盘,在高速旋转试验台上进行高能转子轮盘的包容性试验,采用非线性显式动力学商用软件对高能转子包容性进行数值仿真。试验结果和仿真分析结果表明,轮盘碎片与包容壳撞击后,撞击区域和边缘材料分别受压缩和剪切作用,如果局部的穿孔失效没有发生,则碎片是否逃逸由壳体材料撞击区和延伸区域的拉伸应变能决定。以某空气涡轮起动机为例,讨论了轮盘包容环厚度与选材,证明了以1.15倍临界包容厚度值作为安全系数确定工程许用包容环厚度的设计方法,通过比较不同材料包容环的包容能力,得出用高极限强度和高延伸率的材料作为包容环材料能够实现明显减重。研究结果对高能转子轮盘的包容结构设计具有指导意义。     

失效物理学中多因素试验设计

失效物理试验有许多种，它们各有其特定用途。可接受度试验，极限载荷试验，寿命试验，加速试验等都是常用的试验。与失效相关的一系列因素往往需要通过试验进行分析，并找出控制因素。方差分析和因素试验是进行失效物理试验设计的有用工具，本文将对它们作扼要阐述，并 给出应用实例。     

风力机叶片FRP铺层结构强度与失效预测

本文通过对一40 m商业风力机叶片进行三维建模和详细的结构铺层,在叶根挥舞极限载荷条件下研究了叶片铺层结构强度。模型重量及模态频率与试验值吻合很好;主梁帽承受较大的载荷;在主梁帽内段及叶根过渡区域纤维失效因子较大,吸力面与压力面纤维失效因子大小与受力规律不一致;主梁帽在叶根过渡处纤维(层)间失效因子较大,主梁帽靠近叶根段表现为C型失效模式,中段表现为B型失效模式,其余大部分位置表现为A型失效模式。     

激光辐照转动充压圆柱壳体热力学效应

 采用有限元计算方法对激光辐照下转动充压壳体的热力学问题进行了较为全面的数值计算，获得了激光辐照下转动内压圆柱壳壁上的温升、应力、应变、位移分布等物理图像，为进一步分析转动充压圆柱壳体在激光辐照下的破坏与失效奠定了基础。提出的解决数值计算中移动热流载荷问题的双时间步长法，可以有效提高计算效率，同时提高计算精度。研究结果表明：对于给定的壳体结构，其损伤阈值时间主要取决于靶面激光强度与壳体旋转频率；在辐照过程中，损伤最先出现在最初受激光辐照的区域。     

数控裁剪机切割刀壳体振动噪声预测分析*

高频往复式切割刀是柔性材料数控裁剪机的核心部件。该文对切割刀壳体的振动噪声改进措施进行研究。首先对切割刀进行刚体动力学分析,获取其所受动载荷情况,并通过数值计算验证了切割刀刚体动力学模型的可靠性。其次,基于有限元法获取切割刀壳体模态特性,并通过锤击激振实验验证了有限元模型的准确性。然后基于模态仿真结果进行谐响应分析,将计算得到的频域动载荷施加至切割刀壳体各螺栓固定处,获取结构加速度响应频谱,结合振动响应结果,对壳体进行声固耦合分析,并进行实验对比,验证了分析方法的准确性。最后,计算不同的阻尼措施对壳体噪声辐射的影响,为切割刀的减振降噪提供参考。     

基于数值仿真船体结构毁伤测点布设方法研究

为有效测量水下爆炸作用下船体结构的毁伤程度,优化测点布设,建立了典型舰船有限元模型,运用大型有限元分析软件ABAQUS提供的声固耦合方法,对船体结构在爆炸载荷作用下的冲击响应进行仿真。依据数值仿真结果,分析船体结构薄弱环节,并将这些薄弱环节作为重点测量部位,结合工程实践和海上试验经验,在准确测量结构毁伤的基础上,合理布设传感器测点,研究设计了水下爆炸作用下船体结构毁伤测点布设方法。经海上爆炸试验验证,数值仿真结果与试验测试结果吻合良好,该毁伤测点布设方法设计合理。     

内部爆炸载荷作用下砌体墙结构的失效规律

为了探究钢筋混凝土框架-砌体墙建筑物的内爆毁伤效应,开展了内爆载荷下砌体墙结构动力响应和失效规律研究。采用数值模拟方法,并结合理论分析,研究了不同当量内爆载荷下砌体墙的失效机理以及失效形式转化过程。结果表明,小药量内部爆炸时,砌体墙的主要失效形式为弯曲导致的墙面开裂。随着药量增加,墙体边界在首道冲击波反射超压作用下发生以剪切变形为主导的失效。而在大药量条件下,首道冲击波超压使砌体墙材料达到极限抗压强度而发生压溃失效。研究结果可为砌体墙结构毁伤评估与防护设计提供技术参考。     

舰船壳体结构噪声分离技术研究——非线性频谱特征及特征谱分离策略

为分离舰船壳体结构非线性系统的结构噪声,考虑其非线性及响应谱特征,将其理想成纯输入非线性系统,采用Volterra级数模型计算其广义频响函数,获得非线性频谱特征,提出非线性系统噪声源分析策略,并进行数值仿真和试验研究,其结果表明:非线性频谱特征合理存在;提出的非线性系统噪声源分析策略合理有效,可实现系统激励源和广义频响函数的参数估计。非线性频谱特征及提出的非线性系统噪声源分析策略,为深入开展舰船壳体结构噪声的非线性特征识别及其特征谱分离研究提供基础。      

拉伸载荷下含孔复合材料层合板的力学性能及失效机理

采用有限元软件ABAQUS,基于前人提出的失效准则,通过引入纤维损伤因子和基体损伤因子并编制用户材料子程序UMAT,建立了含孔复合材料层合板的三维渐进损伤破坏模型。利用该损伤破坏模型,研究了在轴向拉伸载荷作用下不同圆孔直径和铺层角度的复合材料层合板的纤维和基体的渐进损伤失效过程及规律。结果表明:不同铺层角度条件下,纤维和基体的损伤失效差别较大;圆孔直径和铺设角度对含孔复合材料层合板的失效破坏载荷的影响十分显著,而铺设顺序和开孔位置对失效破坏载荷的影响较小。建立的失效破坏模型能有效地分析层合板的渐进失效破坏过程,为层合板的工程应用和设计提供有益的参考。     

应变强化型移动式低温压力容器的安全性分析

对于移动式低温压力容器,应变强化技术可使内容器壁厚减薄,但也会导致不连续区结构应力增加,筒体中部发生较大的塑性变形,如何有效评估该类容器的安全性,是科学界及工程界都迫切需要解决的问题。以应变强化型移动式低温压力容器为研究对象,采用非线性有限元方法对该容器进行数值模拟,利用弹塑性分析方法对内、外容器进行强度校核。分析结果表明,该结构符合安全要求,筒体中部相比于其他部位塑性变形量大,易发生塑性垮塌和局部失效,应该合理的布置加强圈,增加结构的安全性。     

裂纹尖端塑性区非线性超声混频定位表征

基于非共线体波混频的方法,本文对金属材料中裂纹尖端的塑性变形区开展定位表征研究。基于二阶微扰理论和矢量分析方法,理论研究非共线体波混频的共振条件及其定位塑性变形区的机理。有限元仿真表明,两横波混频产生的纵波可用于定位塑性变形区。以A17075-T6材料为检测对象,通过实验证明两列横波混频定位裂纹尖端塑性区的可行性。实验中分别选取中心频率为5 MHz-5 MHz的两列横波和4.75 MHz-55.25 MHz的两列横波作为基波,利用非线性超声混频参量定位表征裂纹尖端的塑性变形区。研究结果表明两种频率对产生的非线性超声混频参量峰值区域与试样中塑性区位置吻合度比较好,可以看出非线性超声混频方法能够比较有效地定位金属裂纹尖端塑性区。      

大于500 W非水冷光纤包层光剥离器

为实现高功率光纤包层光剥离器被动冷却,需要同时对光纤和封装壳体进行有效热管理。采用一种基于铁氟龙毛细管分段化学腐蚀光纤的制备技术,使用紫铜作为壳体材料,并通过有限元分析算法对壳体温度场进行仿真计算,对壳体各个结构参量进行优化分析,设计了满足500 W散热能力的包层光剥离器,并开展了实验验证。研究结果表明,采用铁氟龙管分段腐蚀法,包层光剥离比达到23.7 dB,光纤裸纤上的功率温升速率仅0.007 ℃/W。采用优化设计的壳体,在540 W功率注入下,包层光剥离器使用水冷冷板冷却可以连续出光,壳体最高温度58.7 ℃,使用相变冷板冷却可以单次安全出光50 s,壳体最高温度80 ℃。此研究结果可以为高功率光纤激光设计与研发提供重要参考。     

CRAFT导体平台背场线圈预紧碟簧设计与测试

碟形弹簧是背场线圈预紧结构的弹性元件，为线圈提供预紧力。本文采用碟形弹簧理论计算公式，设计了背场线圈预紧用碟形弹簧。以试制的■40 mm碟形弹簧为对象，开展常温下载荷与变形的加载试验，获得了其在常温下的特性曲线。试验结果表明，■40 mm碟形弹簧经多次加载后，加载区的极限载荷逐渐增大，卸载区的极限载荷逐渐减小。     

标准镜的高精度柔性支撑镜框的优化设计

为了实现干涉仪标准镜中光学元件的高精度定位,设计了一种柔性支撑镜框,研究了该结构的力学模型、结构参数、定位精度和透镜变形。首先,根据材料力学原理将柔性镜框等效为一个弹簧系统;根据力学方程和几何关系,建立了透镜中心位置与柔性结构的挠度之间的二元方程。然后,分析了安装位置、温度、结构参数对透镜位置以及作用力的影响。最后,应用有限元仿真分析了所设计结构的力学性能,并进行对比验证。结果表明,数值仿真分析的结果与有限元仿真结果基本相同,柔性镜框的柔性结构厚度最优值为1.5 mm。该设计方案完全满足干涉仪标准镜对镜框在定位精度、稳定性方面的要求。     

宽体液腔Janus-Helmholtz换能器

本文使用有限元方法对宽体液腔Janus-Helmholtz(JH)换能器进行了仿真分析,得出了壳体宽度拓展增量对JH换能器工作性能的影响规律。使用三维建模的方式,分析了连接部分对换能器性能的影响及宽体壳体的的模态,证明了三维建模的必要性。依据仿真优化结构设计了一款宽体液腔JH换能器并进行了湖上测试。最终测试结果与仿真结果有很好的一致性,相较直筒JH换能器其谐振频率降低300Hz,发射电压响应最高可达144dB。     

基于Cowper-Symonds本构模型铁路车轮扁疤激发的轮轨冲击仿真分析

轮轨关系是高速铁路工程领域最重要的研究课题之一,车轮扁疤作为一种主要的轮轨失效形式,严重影响了高速列车运行的平稳性和安全性。利用Hypermesh软件建立了带有扁疤的三维轮轨滚动接触模型,并基于轮、轨钢Cowper-Symonds本构模型,采用LS-DYNA3D显式算法进行了相应的有限元仿真分析,重点研究了车速、扁疤长度和轴重对轮轨冲击响应的影响。仿真结果表明:车轮扁疤缺陷引起的最大轮轨垂向冲击力显著大于相应的准静态垂向载荷,最大von Mises等效应力和最大等效塑性应变通常发生在轮轨接触表面;轮、轨钢的应变率效应对轮轨垂向冲击力没有影响,但由于应变率的强化效应,与不计应变率效应的结果相比,基于Cowper-Symonds模型得到的最大von Mises等效应力明显增大,而最大等效塑性应变略有降低;车速、扁疤长度和轴重对轮轨冲击响应均有显著的影响。研究结果可为轮轨系统的安全性设计与评估提供技术支持。     

内部爆炸载荷下泡沫铝夹心柱壳动态响应仿真研究

泡沫铝夹心柱壳在防爆容器领域具有广阔的应用前景。对泡沫铝夹心柱壳在内部爆炸载荷下的动态响应特性进行了实验研究,并建立了基于Voronoi技术的泡沫铝夹心柱壳有限元模型,对其动态响应进行了数值模拟。研究结果表明:仿真结果与实验结果吻合较好,内部爆炸载荷作用下内壳变形量随芯体相对密度增大而减小,外壳变形量随芯体相对密度的增大而增大,且壳体变形量与芯体相对密度近似满足二次函数关系。     

冲击载荷下线性硬化材料中球面应力波场的理论计算方法研究

基于线性硬化塑性本构模型,建立了冲击载荷作用下弹塑性球面应力波场的理论求解方法.首先,分析了冲击载荷卸载速率对球面应力波传播的影响,得到了3种不同类型的应力波传播图像.在此基础上,建立了弹性阶段、塑性加载阶段以及卸载阶段球面波动方程的理论求解方法,给出了质点位移、质点速度、应力和应变等物理量的计算方案.与已有理论方法相比,该方法考虑了不同载荷卸载速率条件下应力波的不同传播情况,并且给出了卸载阶段应力波参量计算方法,具有更广的适用范围.利用上述方法计算了恒定冲击载荷和不同指数衰减冲击载荷作用下弹塑性球面应力波场参量,在弹性阶段和塑性加载阶段,理论计算得到的物理量与已有理论方法和数值模拟结果基本吻合,在卸载阶段,已有理论方法不再适用,而本文理论计算得到的物理量与数值模拟结果基本吻合,验证了该理论方法的正确性.     

模拟X射线作用于圆锥壳载荷的柔爆索加载技术

在软X射线辐照作用下，物体表层瞬时形成大量的能量沉积，使材料受照部分表层发生熔化、汽化，出现物质的反冲喷射现象，产生喷射冲量载荷，使结构发生动态弹塑性变形、动屈曲等，实验室模拟X射线作用下的结构响应是重要的研究方法。在文中小尺寸、圆柱壳柔爆索加载技术的基础上，研究解决了圆锥壳体的柔爆索加载三维载荷设计方法、模拟自由边界的柔爆索加载实施方法、爆炸粒子的有效防护方法、爆炸粒子线动量标定方法和大尺寸锥壳结构的加载等效性等关键技术，发展建立了模拟X射线作用载荷的柔爆索加载三维设计与实验方法。     

钢板/POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能

为研究钢板/聚异氰氨酸酯噁唑烷（polyisocyanate oxazodone,POZD）聚合物高分子材料复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能,开展了近距空爆试验,通过观察试验模型的损伤以及相关数据统计,分析了钢板/POZD复合结构的变形失效模式。采用LS-DYNA软件进行数值模拟,通过与试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的准确性,并进一步分析了钢板/POZD复合结构跨中位移变化和能量吸收特性。结果表明：在相同钢板厚度下,钢板/POZD复合结构较单一钢板具有更优越的抗爆性能,钢板呈现出3种不同的变形失效模式;在钢板/POZD复合结构中,当钢板和POZD均未出现破口时,钢板的塑性应变能占总能量吸收的大部分;钢板/POZD复合结构中心点最大位移逐渐增大,且变形速度先升高后降低。研究结果可为工程中钢板/POZD复合结构的抗爆防护设计提供参考。