非平衡条件下金属泡沫管内的流动与传热分析

本文采用热局部非平衡模型对完全填充金属泡沫的水平圆管内的流场、温度场进行了数值模拟,研究了金属泡沫的关键结构参数如孔径d_p和孔隙率ε等对管内流动与换热特性的影响。研究结果表明,填充金属泡沫后,管内流场变得比较均匀,金属泡沫圆管壁面处的速度梯度远高于光管,壁面边界层明显变薄;孔径对压降的影响大于孔隙率的影响,当孔径越大,孔隙率越高时,压降越小;反之,当孔径越小,孔隙率越低,换热越强;综合考虑金属泡沫参数对换热和压降的影响,在本文的研究工况下,最佳的孔径范围是1~2 mm。     

飞秒激光冲击AZ31B镁合金过程的数值模拟

采用有限元分析法对飞秒激光冲击AZ31B镁合金进行数值模拟,研究了激光冲击处理对镁合金变形过程的影响,分析了单脉冲激光冲击下材料内部的位移、动能、应力和应变的分布情况,得到了材料的瞬态速度和应变率变化过程.仿真结果表明,单脉冲飞秒激光冲击镁合金产生的塑性变形,可在材料表面形成微米级凹坑,中心点处最大位移为34μm,最大变形速度390m/s;在冲击初期,材料表面的应力和应变主要分布在冲击区域中心节点和边缘附近,并且得到镁合金的最大应力和最大应变率分别为955 MPa和1.8×106 s-1.研究结果能够为深入分析飞秒激光与镁合金作用时材料变形参量的变化规律提供数值理论依据.     

梯度泡沫铝的各向异性压溃力学行为

功能梯度泡沫金属因其密度连续变化,在轴向受压时可提供稳定增长的反馈载荷。然而当前研究多局限于其纵向压缩力学响应,考虑到实际应用中可能出现的横向冲击,基于低速冲击实验,考察梯度泡沫铝轴向和横向压缩力学响应的异同,并采用数字图像相关技术和数值模拟方法研究其宏细观压溃机制。结果表明:(1)在力学性能上,相比于纵向压缩加载的梯度泡沫铝,横向压缩加载下具有更高的抗压强度,而平台应力、致密化应变和能量吸收效果低于纵向压缩;(2)在失效变形模式上,纵向压缩变形模式为变形带渐进式压缩,而横向压缩变形模式的变形带则随机出现在试样的各个位置;(3)横向压缩下梯度泡沫铝致密化应变和比吸能的减小是由高孔隙率区的胞孔利用率降低导致的;(4)构建的弹性-塑性硬化-刚性模型能够较准确地描述梯度泡沫铝的纵向压缩力学行为。研究结果可为梯度泡沫金属在爆炸冲击结构防护工程中的设计提供理论参考。     

惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

 对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行“数值实验”,得到了相应“试件”的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

泡沫金属电磁感应传热机理研究

研究了电磁感应加热下泡沫金属填充液体的磁–热能量转换及瞬态升/降温传热过程,搭建了泡沫金属填充液体在感应加热与液体冷却下的联合控温实验系统,采用“频域–瞬态”和“松耦合”方法求解电磁–传热耦合数值模型,揭示了泡沫金属填充液体的电磁场与热源分布规律、温度响应特性、温度均匀性以及泡沫金属结构和材质等参数的影响规律。结果表明,泡沫金属填充液体的电磁感应传热特性与泡沫金属的结构和材质密切相关。     

数值模拟激光加载L_2铝板材高速成形瞬态响应

采用ABAQUS有限元仿真软件对激光加载L2铝板材高速成形进行数值模拟,研究了单脉冲激光冲击下成形的瞬态响应过程,获得了激光加载冲击成形过程中位移、速度、应变及应变率等特征量的变化特点.模拟表明,冲击后靶材中心区域发生明显塑性变形,变形截面呈锥形.高速成形过程中,金属板材首先发生振荡幅度非常大的快速弹性变形,其后进入减幅振荡直至静态,激光冲击成形时间在毫秒量级.板材不同节点的位移变化趋势相同,靠近中心区域位移大,边界区域位移小.成形中板材的中心区域速度最大达3 700m/s,变形过程前2μs内应变率急剧变化,最大达104~105 s-1量级.     

3D打印梯度Gyroid结构的动态冲击响应

利用ANSYS/LS-DYNA对均匀及梯度Gyroid结构进行准静态与动态压缩数值模拟,分析其应力分布、变形模式、承载能力以及吸能特性。对3D打印的316L不锈钢试样实施了单轴拉伸实验,获取了相应的材料参数,建立了Gyroid结构有限元模型,进而对其动态力学响应进行了数值仿真。结果表明:均匀结构呈现出较均匀的变形模式,梯度结构为低密度端向高密度端传播的逐层变形模式;两种结构均呈现明显的应变率敏感性,且负梯度结构的应变率敏感性最明显;在相同的加载速度下,负梯度结构的吸能效率最高,且具有最低的支撑端应力,是最佳的防护结构。研究结果可为冲击载荷下防护结构的设计选型提供参考。     

泡沫增强复合材料点阵夹芯梁抗冲击性能

基于考虑分层失效和渐进损伤的三维Hashin失效准则,对复合材料点阵夹芯梁结构及其泡沫增强夹芯结构开展了局部冲击加载下的数值模拟分析,研究了冲击强度及泡沫增强效应对复合材料点阵夹芯梁结构抗冲击性能的影响。通过与实验的对比分析,验证了数值模型的有效性。结果显示,冲击强度的变化对结构的动态响应、失效模式及能量耗散形式都有明显的影响。泡沫增强效应使结构的横向变形响应速度降低,并且随着冲击强度的增加尤为敏感。泡沫芯材的压缩和开裂失效使得结构保持良好的完整性和更低的损伤程度,有效地降低了其他组分的能量吸收比,表明泡沫填充有效地提升了复合材料点阵梁结构在局部冲击载荷作用下的防护效能。     

二维骨料随机分布混凝土的动态力学性能数值模拟北大核心CSCD

将混凝土看成粗骨料和水泥砂浆组成的二相非均质复合材料。根据富勒级配曲线和瓦拉文平面转化公式,编写了二维圆形骨料随机分布程序,对混凝土在冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。分析冲击速度、试件尺寸、粗骨料大小及分布和粗骨料体积分数对混凝土动态力学性能的影响,讨论了混凝土的冲击破坏模式。数值模拟表明:混凝土的峰值应力随着冲击速度的增大而增大,具有明显的率效应;随着模型尺寸的增大而减小,表现出明显的尺寸效应;随着粗骨料体积分数增大,冲击荷载作用下混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,粗骨料体积分数为40%时混凝土峰值应力最大;保持粗骨料最大粒径不变,随着粗骨料最小粒径的增大,混凝土的峰值应力逐渐减小;保持粗骨料最小粒径不变,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势。数值模拟结果为混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支撑。     

基于流场模拟的涡旋压缩机涡齿应力变形分析

为了更准确地计算涡旋压缩机涡旋齿的应力和变形,提出一种基于流场模拟的应力变形计算方法。通过对涡旋压缩机工作过程进行气体流动的数值模拟,得到其压力场和温度场分布。将流场分布作为载荷边界条件进行涡旋齿的受力变形计算,得到涡旋齿在气体压力、热载荷及其同时作用下的应力分布和变形规律。分析了涡旋齿的径向变形和轴向变形,讨论了不同主轴转角下的涡旋齿应力和变形,比较了动涡旋齿和静涡旋齿的变形。结果表明:在压缩结束时刻动涡旋齿的应力和变形最大,最大应力位于齿头根部,最大变形位于齿头顶部。     

二维骨料随机分布混凝土的动态力学性能数值模拟

将混凝土看成粗骨料和水泥砂浆组成的二相非均质复合材料。根据富勒级配曲线和瓦拉文平面转化公式,编写了二维圆形骨料随机分布程序,对混凝土在冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。分析冲击速度、试件尺寸、粗骨料大小及分布和粗骨料体积分数对混凝土动态力学性能的影响,讨论了混凝土的冲击破坏模式。数值模拟表明:混凝土的峰值应力随着冲击速度的增大而增大,具有明显的率效应;随着模型尺寸的增大而减小,表现出明显的尺寸效应;随着粗骨料体积分数增大,冲击荷载作用下混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,粗骨料体积分数为40%时混凝土峰值应力最大;保持粗骨料最大粒径不变,随着粗骨料最小粒径的增大,混凝土的峰值应力逐渐减小;保持粗骨料最小粒径不变,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势。数值模拟结果为混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支撑。     

射流冲击泡沫金属强化电子器件冷却的实验研究

实验研究射流冲击泡沫金属的强化传热在电子器件冷却中的作用,分析热流密度、传热面与喷射气流温度差、喷射速度和喷嘴距泡沫金属上表面的高度等因素对传热特性的影响。在泡沫金属材质为铜,孔隙率为0.96,喷嘴宽度为0.5cm的情况下,喷嘴距泡沫金属上表面高度越低和喷射速度越大,泡沫金属的传热效果越明显,冷却效果越显著,并对实验数据,进行最小二乘法拟合,得到相应的拟合方程式。该文的分析结果,可为射流冲击泡沫金属强化传热技术的应用提供一定指导和借鉴。     

碳纤维增强复合材料层合板的抗冲击性能

为了研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合梁的抗冲击性能,应用金属泡沫弹撞击加载的方式,结合高速摄像机,对等厚度层合梁结构的动态响应和失效行为展开实验研究。研究不同冲击加载强度对层合梁的动态失效过程、变形轮廓、中点变形、失效模式及能量耗散比的影响。结果表明:随着冲击强度的增加,中点变形响应速度随之增加,层合梁变形模式由整体变形转变为局部变形,且局部化效应随之增加,并伴随严重的基体和纤维断裂失效。层合梁能量耗散比随冲击强度的增加而增加,并展现出与结构失效模式直接关联的弹性变形、中心断裂和完全失效3个不同阶段。     

工艺参数对PC光学制品残余应力的影响

先通过光弹实验测量残余应力的分布形态,然后通过应力—光学定律计算出相应的残余应力值,最后把该数值做了数值模拟分析。研究表明:对于同一工艺参数,残余应力的数值从浇口附近至流动末端逐渐减小;对于不同工艺参数,对残余应力的影响程度从大到小的顺序为熔体温度、模具温度、注射压力、冷却时间。     

铜粉末动态压缩行为的多颗粒有限元分析

颗粒金属材料的宏观力学性能与其细观特性密切相关,金属粉末的冲击压缩问题有待深入研究。选用实验结果较为丰富的铜粉末作为研究对象,基于多颗粒有限元法建立了颗粒金属材料的二维数值分析模型,研究了铜粉末在冲击压缩下的力学行为。数值计算结果表明,在较高速度冲击下颗粒金属材料呈现出高度局部化的变形带,变形带如同冲击波一样从冲击端向支撑端传播。利用速度场计算方法,计算得到了塑性冲击波波阵面的位置,进而获得了不同孔隙率(0.25～0.60)铜粉末的粒子速度与冲击波波速之间的Hugoniot关系,其在较高冲击速度(200～300 m/s)下与实验结果吻合较好。发展了以动态锁定应变为唯一参数的冲击波模型,较好地表征了铜粉末在较高速度冲击下的Hugoniot关系和波后应力。     

等离子体激励器的静特性与高速特性仿真研究

将实验测得的电弧放电能量分布规律拟合为理想热源,采用数值仿真方法对一种高频等离子体射流激励器进行参数化研究,探索了激励器出口角度对激励器静特性的影响,并获得了在超声速来流(Ma0=2.0)情况下射流激励器的高速特性。结果显示:当射流出口流通面积相同时射流出口角度越小,激励器沿流向的动量注入能力越强,并且这一规律在高速射流条件的情况下仍然适用。相比静止条件,在超声速来流条件下,射流的动量注入能力更强,影响域更大。     

金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

荷电液滴脉动变形特性的实验研究

为探讨荷电液滴的变形机理,对滴状模式下荷电液滴的脉动变形特征进行了实验研究。综合考虑毛细管经、荷电电压及液滴的物性参数,采用带有显微变焦镜头的高速数码相机对荷电液滴进行了微距拍摄,并结合图像处理技术研究了荷电液滴的脉动变形问题。实验结果表明:随着电压的增加,液滴的最大变形率逐渐增大,但其脉动变形周期却逐步减小。对于导电性液体,电导率对荷电液滴的变形率及脉动周期影响微弱。表面张力与荷电液滴的最大变形率呈反比,与其脉动变形周期呈正比。     

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根据能量方法原理,通过单位力法和卡氏定理分析方法,理论计算得出了给定位移变形条件下沿S弯的弯矩、应力分布.分析表明,沿S弯结构的应力主要由热收缩变形产生,但重力影响也不可忽略,考虑重力影响后沿S弯最大应力较不考虑重力时增大了10％.根据该理论原理编程计算发现,在S弯高度受限的条件下,圆弧段半径越小,结构最大应力越小,实际没计中可根据强度要求结合加工工艺选择合适的圆弧半径.该分析方法为有效优化结构设计提供了理论指导.     

多孔介质内泡沫渗流过程入口效应的数值研究

本文利用随机泡沫数目守恒模型对均质多孔介质内泡沫液渗流过程的入口效应进行了数值研究。随机泡沫数目守恒模型仅利用两个参数:泡沫生成速率Kg与最大泡沫个数n_∞,来描述多孔介质内非稳态驱替过程中泡沫的生成和发展。采用IMPES方法对二维介质内泡沫两相渗流过程的控制方程组进行求解,基于驱替过程中液相压力、液相饱和度及气泡密度分布等参数的分析,对泡沫驱替过程的入口效应进行了详细研究。结果发现,增大泡沫生成速率Kg,泡沫渗流过程的入口效应减小;而增大参数n_∞,虽可提高驱替压差,但对多孔介质入口段各参数的分布规律影响不大。