钢筋混凝土墙抗冲击性能的数值模拟分析

为了研究钢筋混凝土墙在冲击荷载作用下的动态响应,借助ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土墙的有限元模型。冲击体质量为2 t,冲击速度为3 m/s,分析了轴压比、墙宽和边缘构件对钢筋混凝土墙抗冲击性能的影响。在此基础上,分析了墙体在极限荷载作用下经历的3个阶段,提出了一种在极限荷载作用下墙体破坏失效的判别准则;利用所提出的判别准则分析了在极限荷载作用下轴压比、墙宽和边缘构件的影响。结果表明:在一定范围内,随着轴压比的增加,墙体抗冲击性能提高,有轴压的墙体损伤区域较为集中;增加墙宽和加入边缘构件均能有效增强墙体的抗冲击性能;在极限荷载作用下,冲击质量一定时,随着轴压比的增加,结构破坏失效所需的冲击能变小。     

运动状态下聚能战斗部侵彻披挂反应装甲靶板的数值模拟

运用LS-DYNA有限元程序模拟了不同横向飞行速度(150、200、300、400、500m/s)和侵彻角度(30°、45°、60°)情况下聚能战斗部对披挂反应装甲后效靶板的侵彻过程,讨论了射流所受干扰情况及其对后效靶板的侵彻结果。研究结果表明:当侵彻角度一定时,射流对靶板表面的切割长度随速度的增大而增大,且在侵彻角度为30°时增大速率最快;但射流侵彻深度随速度的增大而减小,且在侵彻角度为60°时减小速率最慢。当飞行速度一定时,射流对靶板表面的切割长度和侵彻深度均随侵彻角度的增大而减小,且表面切割长度降幅随速度的增大呈先增大后减小的趋势,在速度为300m/s时,降幅最大,为59.6%;而侵彻深度降幅随速度的增大呈先减小后增大的趋势,在速度为350m/s时,降幅最小,为39.3%。最后通过理论方法分析了数值模拟结果,论证了数值模拟方法的正确性。     

扩散吸收式制冷系统中冷凝器的数值研究

对空冷翅片式和水冷光管式两种冷凝器进行了数值模拟,模拟了不同结构、不同对流换热系数、不同流速下氨液的冷凝量。结果表明:冷凝器管内热阻比管外热阻对氨气的冷凝影响更大;管径一定时,氨液冷凝量随入口速度的的增大而减小,当速度增加到某一值时,冷凝量基本不发生变化,对空冷翅片式冷凝器该速度为0.15m/s,水冷光管式为0.2m/s。     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。     

冲击作用下框架结构的连续性倒塌性能

借助ANSYS/LS-DYNA软件建立了钢筋混凝土框架的有限元模型,研究了钢筋混凝土框架在冲击荷载作用下的连续性倒塌性能,冲击体质量为1000 kg,冲击速度为4 m/s。通过对钢筋混凝土构件冲击试验和框架倒塌过程的验证,保证了数值模拟的有效性。分析结果表明:冲击中柱后结构倒塌过程中,有"拱作用"向"悬索作用"转换的机制,中柱顶部位移先向上后向下,边柱顶部位移先向外后向内;同样冲击作用下,柱轴力越小,则抗冲击能力越强,不同的偏压作用对柱的抗冲击性能的影响不同;加密柱箍筋能够增强钢筋混凝土柱的抗冲击能力,延缓甚至避免钢筋混凝土框架结构的连续性倒塌。     

测试设备缓冲材料抗冲击性能的仿真和评估

缓冲材料的可靠性是影响设备工作稳定性的关键;以泡沫铝和聚氨酯为研究对象,用有限元分析法模拟两者在冲击环境下的力学响应;采用ANSYS/LS-DYNA软件进行了弹体的侵彻环境分析,针对子弹速度为300 m/s和1 000 m/s的情况分别进行动力学仿真实验,研究了两者的抗冲击性能;采用安全冲击速度Janssen系数和缓冲系数C作为衡量测试设备缓冲材料性能好坏的评价标准;根据ANSYS/LS-DYNA的实际仿真结果可得,当子弹速度为300 m/s时,聚氨酯的Janssen系数为0.8,泡沫铝的Janssen系数为1;当子弹速度为1 000 m/s时,聚氨酯的Janssen系数为0.08,泡沫铝的Janssen系数为0.112;且聚氨酯和泡沫铝的缓冲系数C分别为0.61和11;实验数据结果表明,泡沫铝的抗冲击性能优于聚氨酯,具有明显的优越性和广泛的应用前景。     

铝粒径及成型压强对Al/PTFE冲击反应的影响

采用模压烧结法制备了不同成型压强下铝粉粒径分别为10、30和200μm的Al/PTFE试件,基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置进行冲击引发试验,试验过程中通过高速摄影装置记录活性材料的反应情况。试验结果表明:随着成型压强增大,试件的冲击反应速度阈值均呈现先增大后减小的趋势。铝粉粒径为10和30μm时,较高成型压强的试件能够于点火延迟时间1000～1100μs处发生反应,使试件冲击反应速度阈值骤降;铝粉粒径为200μm时,活性材料点火延迟时间均在600μs附近。在相同成型压强下,试件的冲击反应速度阈值随铝粉粒径增大而升高。活性材料的冲击点火反应与材料的微观缺陷、应力波在SHPB装置中的传播、应力脉冲幅值以及材料的破坏过程等因素相关。     

推进剂液体获取装置中多孔筛网的阻力特性研究

荷兰斜纹筛网是推进剂液体获取装置(LAD)中气液分离的核心部件,通过分析通道式表面张力液体获取装置内低温流体流过多孔筛网的过程,构建了三种不同目数筛网的数值计算模型。采用改变液体获取装置进出口压差的方式,研究了筛网在不同进口速度、不同低温流体情况下的阻力特性。结果表明,越靠近LAD出口管道处流体速度越大,压降越大,当进口速度u=0.022 m/s时,DTW 200×1 400筛网下方的流体压力较上方减小了23.4%～31.1%;编织密度越高的筛网,流动阻力越大,产生的压降越大;相同进口速度下,液氧的压降最大,液态甲烷次之,液氢最小,当进口速度u0.2 m/s时三种流体的压降数值差异较小,随着进口速度逐渐增大,三种流体的压降差距呈非线性增大;通过阻力系数和孔隙雷诺数的计算结果得出了适用于荷兰斜纹筛网的阻力系数关系式f=8.79/Re_p+0.39。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶的结构变形及质量损失的实验研究

设计了高速钻地结构弹,采用35mm口径的弹道炮和100mm口径的滑膛炮,进行了0.15和1.5kg弹体在1 030~1 630m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,对高速侵彻条件下弹体的结构响应、质量损失及生存极限速度等问题进行了探讨。结果表明:在高速侵彻混凝土过程中,弹体结构的变形破坏包括头部侵蚀/墩粗+侧壁磨蚀、弯曲/尾部破裂、破碎等形式,弹体头部侵蚀和弹体质量损失程度随撞靶初速度的增加而增加。     

不同材料弹体超声速侵彻钢筋混凝土靶的结构破坏对比实验

设计了超声速钻地结构弹,采用203 mm口径的火炮,开展了25 kg量级弹体在1100~1300 m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,应用数值仿真对弹体侵彻钢筋混凝土靶的过程进行了模拟计算。基于实验和仿真结果,对超声速侵彻条件下两种金属材料弹体的结构响应、质量损失等问题进行了分析。结果表明:在超声速侵彻钢筋混凝土靶的过程中,两种金属材料的弹体结构变形破坏形式主要为头部侵蚀和侧壁磨蚀,头部侵蚀量的大小与弹体壳体材料有关,高强度G50钢材料更适合用于1200 m/s速度量级的超声速侵彻环境。对出现的“径缩”现象作了初步分析,并对今后工程应用的结构弹体设计提出了指导意见。     

围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析

为探究围压条件下伟晶辉长岩的能量释放与破坏模式的关系,利用霍普金森压杆和LS-DYNA数值模拟软件对伟晶辉长岩开展了不同围压和不同冲击速度下的动态力学性能测试,分析其在不同围压和应变率下的能量释放特征及破坏规律。结果表明：高围压下,试样无明显塑性变形阶段,且围压状态对高应变率下的动态抗压强度有抑制作用,当冲击气压高于0.4 MPa时,动态抗压强度的增长趋势放缓;应变率和围压对伟晶辉长岩的能量与破坏模式有显著影响。随着围压的升高,试样的反射能占比增大,而透射能占比减小;能耗密度随应变率的增加而增大,当应变率为95 s^-1时(对应的冲击气压为0.4 MPa)出现拐点,同时高围压下的能耗密度大于低围压下的能耗密度。对于处于围压下的试样,其破坏断面多带有一定的角度,通过LS-DYNA有限元软件模拟了试样在围压下的动态破坏过程,发现中低围压下试样多呈剪切破坏,而高围压下试样有多条剪切裂纹发育贯通,呈复合破坏模式。     

石英玻璃球撞击刚性壁的破碎过程

利用高速枪对石英玻璃球撞击刚性靶板进行了实验研究,分析了不同速度下球体的破碎过程和失效模式。当冲击速度低于临界破坏速度时,石英玻璃球以略低于原速从靶板回弹;当超过临界破坏速度时,球体呈现“压缩破碎区-表面剥落区-剪切破坏区”的破坏结构;进一步提高碰撞速度,剪切破坏区的扩展导致球体碎裂为若干“月牙状”的碎块;更高撞击速度下,石英玻璃球发生坍塌式破碎,在远离撞击端处产生层裂现象。利用离散元软件对球体的撞击破坏过程进行了模拟研究,球体在高速碰撞下的破碎可以分为弹性压缩、整体破碎和二次撞击3个阶段。球体碎裂前Hertz接触理论可以较好描述其撞击力,而破碎后的撞击力由于碎裂卸载远小于理论值,且偏差随冲击速度逐渐增加。     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。     

燃烧器四角切圆布置炉膛内非对称冷态流场的数值模拟

以燃烧器四角切圆布置的超超临界塔式锅炉炉膛内的流动换热为背景,利用Fluent软件通过数值模拟研究了一个物理和几何结构完全对称的三维炉膛内冷态流场变化情况,选用6个燃烧器喷嘴出口速度作为不同的工况来计算炉内的流场,速度变化范围为5~30 m/s,湍流模型采用雷诺应力模型。计算结果表明,随着出口气流速度的增大,流动呈现出的切圆半径越来越大;当喷嘴出口速度小于等于10 m/s时,在所用计算模型下,流体速度场呈中心对称结构,切圆中心位于中央;随着出口速度的持续增加,流场从中心对称结构逐步转变成非中心对称结构,切圆中心发生明显偏斜.数值结果表明,即使几何结构完全对称且边界物理条件也完全对称的燃烧器四角切圆布置的炉膛中的流动,仍然可能是非对称的,这是造成烟气侧热偏差的可能的原因之一。     

不同条件下海面Kelvin尾迹的红外仿真

针对舰船在海上航行时形成的尾迹包含多类信息,利用Kelvin尾迹模型得到舰船速度为5 m/s、10 m/s和15 m/s的尾迹最大波高分别为0.5 m、1.5 m和2.5 m。通过海浪Pierson Moscowitz谱模型描述海面风速分别为5 m/s、8 m/s和10 m/s下的复杂海面背景模型。基于海面背景和尾迹区域的几何差异,建立了Kelvin尾迹的红外发射模型,得到不同海面风速、不同舰船航速和不同探测天顶角下的红外特征仿真图像。仿真结果表明,红外图像的灰度极大值位于尾迹波峰处,海面风速由5 m/s增加到10 m/s时,尾迹区域与海面背景平均灰度差值由100逐渐减小,直至无差异。相同海面风速下,舰船速度由5 m/s增加到15 m/s,尾迹波长由10 m增加到40 m,红外特征明显。改变探测器天顶角分别为0和30时,红外图像差异较小,当天顶角增大到60时,尾迹区域灰度值接近海面背景,差值小于30,尾迹的辨识难度增加。     

不同风速下侧向散射激光雷达的回波信号分析

对不同风速条件下,CCD侧向散射激光雷达的回波信号进行了分析.根据Mie散射原理及侧向散射激光雷达工作原理,确定了大气气溶胶浓度与激光雷达侧向散射光强的相关性;进一步考虑气溶胶浓度与风速的关联,利用实验装置获取了激光雷达侧向散射光强与风速的关系,分析了不同风速条件下侧向散射激光雷达的回波信号.在轴流风机以及自然风两种条件下进行对比实验发现,当风速范围在1~4.5 m/s时,侧向散射光强随风速的增加而增加;当风速范围在4.5~6.0 m/s时,光强随风速的增加较少.对实验结果归一化处理,得到风速范围在1~4.5 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强在轴流风机及自然风的实验条件下分别增加了3.7%和3.9%;风速范围在4.5~6.0 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强分别减少了3.1%和3.8%,在自然风况的各个风向上都基本符合这一变化趋势.     

陶瓷和仿珍珠母陶瓷/聚脲复合结构的冲击损伤对比

建立了陶瓷梁受平头弹撞击的有限元模型,模拟了其冲击损伤演化过程,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的合理性。在此基础上,建立了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合梁受相同弹体撞击的有限元模型,将其损伤演化过程与陶瓷梁进行了对比,并且分析了弹体撞击速度对两者损伤过程的影响。结果表明:在高速撞击下,陶瓷梁的损伤呈锥状扩展,梁发生整体性破坏,而仿珍珠母复合梁的损伤沿纵向(冲击方向)呈圆柱状扩展,梁发生局部性破坏,能更好地保持结构完整性;随着弹体撞击速度的增加,陶瓷梁的损伤范围加大,损伤程度加剧,而仿珍珠母复合梁的损伤范围在撞击速度高于一定值后变化不大,仅损伤程度增加。     

多阶式层级梯度蜂窝结构的共面冲击响应

为改善蜂窝结构共面的力学性能,基于传统六边形蜂窝结构,建立了六边形层级蜂窝结构,并利用层级蜂窝代替传统六边形蜂窝部分胞元层,复合成一种新型多阶式层级梯度蜂窝结构。利用显式动力学有限元方法研究了层级梯度蜂窝的共面在不同冲击速度作用下的冲击响应特性和能量吸收能力。研究结果表明：层级梯度蜂窝的变形模式与塑性坍塌强度和冲击速度有关;层级梯度蜂窝冲击端和固定端在不同冲击速度作用下的名义应力-应变曲线均与其变形模式有关;不同的复合方式会导致层级梯度蜂窝具有不同的平台应力和比吸能,且在高速冲击时其平台应力比传统六边形蜂窝提高45.4%～63.8%,能量吸收提升10.8%～34.1%。相对密度会影响层级梯度蜂窝的能量吸收能力。     

铁电液晶光寻址空间光调制器性能分析

针对氢化非晶硅/铝/铁电液晶结构的光寻址空间光调制器（OASLM）,依据其等效电路模型,利用Pspice和Matlab软件对其分辨率、响应速度、对比度及灰度响应等性能进行了分析。结果表明:在铁电液晶（FLC）层厚度一定的情况下,减小光敏感层（a-Si:H层）的厚度可以提高FLC-OASLM的调制传递函数,从而提高分辨率;在其他参量一定的情况下,FLC-OASLM的响应速度随写入光光强增大而增大（写入光从0.08 mW/cm2增大到10 mW/cm2,延迟时间减小110 s,上升时间减小154 s）,随擦除光光强增大而减小（擦除光从0增大到1 mW/cm2,延迟时间增大41 s,上升时间仅增加3 s）;FLC-OASLM的对比度随控制光光强增大而增大,最终趋于一个稳定值21∶1;在其他参量不变时,随着擦除光光强的增大,输出光响应呈现等级下降,且发现当擦除光光强达到一定值（3 mW/cm2）后,擦除光的改变主要影响下降时间而对上升时间几乎无影响;合理设计激励源信号波形,可以得到超过十级灰度输出,表明擦除光具有实现FLC OASLM的灰度响应的功能。     

锥头弹体攻角贯穿薄钢靶数值模拟

为了研究攻角对锥头弹体贯穿薄钢靶破坏模式和弹体偏转的影响,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了锥头弹体以2°～10°攻角贯穿薄钢靶的模型。先验证了模型及参数的可靠性,在此基础上进行了锥头弹体在不同攻角和初始速度条件下的贯穿数值模拟。结合靶板的破坏与弹体的偏转过程提出了一种四阶段分析模型,并系统地研究了攻角对弹道和弹体偏转角变化规律的影响。结果表明:攻角贯穿薄钢靶失效模式为非对称花瓣形破坏;攻角越大,初始速度越小(大于弹道极限速度),弹道偏转越明显;弹体偏转角变化规律与初始速度范围相关,当初始速度高于1.4倍弹道极限时,弹体偏转角呈现先增大后减小的变化趋势;弹体出靶时刻的角速度随攻角的增大而增大,随着初始速度的增加先反向增大后减小。