一种内压膨胀系统的动态响应分析

论文采用LS-DYNA非线性动力学有限元程序,对一种曲边柱壳-多体内压膨胀系统在均布内压作用下的动态膨胀过程进行了数值分析,获得了曲边柱壳动态响应规律.文中分析了各种因素对曲边柱壳的变形模式及其应力、应变变化规律的影响；模拟了曲边柱壳在内部压力和外围变形体共同作用下的耦合变形运动过程.模拟计算结果与试验现象基本一致.     

爆轰加载下金属柱壳膨胀破裂过程研究

采用前照明的高速分幅照相对不同壁厚的45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀破裂过程进行了研究,实验成功拍摄到45钢柱壳前表面裂纹生成、扩展及产物泄漏的过程图像。研究表明:膨胀应变率在104s-1附近时,随着应变率的增加,45钢柱壳的各特征应变均有所增加,断裂模式由拉剪混合向单一剪切转变;45钢柱壳的膨胀破裂有一个过程,从柱壳的外壁面可以观察到裂纹生成至产物开始泄漏经历时间历程的长短与柱壳壁厚相关,柱壳壁越厚,从外壁出现裂纹到产物开始泄漏的时间间隔越长;由回收破片厚度测量推算出的膨胀断裂应变与动态实验过程中产物开始泄漏时的断裂应变基本一致。     

45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应

采用前照明高速分幅照相技术拍摄到在爆轰加载下45钢柱壳表面裂纹生成、扩展及产物泄漏过程的清晰图像,较准确地测量了膨胀断裂的时间与应变。 45钢柱壳在炸药爆轰加载下,断裂应变随应变率的增加而增加,当应变率达到一定值,断裂应变随应变率的增加而降低,出现了动态断裂中的塑性峰现象。     

内部爆炸加载下柱壳的环周分裂数

基于有限长度柱壳的Gurney速度公式,以壳体平均半径估算平均应变率,同时考虑壳体剪切断裂时的断裂面长度与径向壁厚的差异,对Grady-Kipp方法进行了修正,得到柱壳剪切断裂模式下环周分裂数的完整表达式。利用修正方法分析得到的环周分裂数计算结果与实验数据分析结果符合更好。以20号低碳钢柱壳为例,对其在TNT爆炸加载下的膨胀断裂进行了三维数值模拟,得到的环周分裂数模拟结果与实验结果符合较好。     

金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。     

20#钢动态拉伸断裂行为及其临界损伤度研究

首先对一维应变平面冲击载荷下20#钢的动态拉伸断裂行为进行了实验研究,考察了加载应力和拉伸应变率影响;然后基于损伤度函数模型,对实验进行了数值模拟研究,结果表明：模型中定义的特征物理量一断裂临界损伤度与外载荷条件（加载应力和拉伸应变率）的无关性或不敏感性;最后,采用Ls-dyna动力有限元程序并嵌入损伤度函数模型,对滑移爆轰下20#钢柱壳内爆驱动层裂进行二维数值模拟研究,结果表明：一维应变平面层裂实验和模型计算确定的损伤模型参数,也适用于描述柱壳构形复杂应力环境下的动态拉伸断裂问题．从而初步证实了断裂临界损伤度可以看作是一个表征延性金属动态拉伸断裂的内禀物性参数．     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

柱壳约束对散心冲击波空间分布的影响

结合实验和数值模拟，研究了散心冲击波在金属柱壳约束下沿有机玻璃内部的空间分布。进行了点起爆柱状炸药驱动飞片加载实验，采用Polyvinylidence Fluoride (PVDF)测试方法对有机玻璃内部的压力进行测试。实验结果显示:在冲击波传播过程中，在特定传播距离处，离中心轴越近，冲击波第一幅值压力越小，这是因为散心冲击驱动飞片成前凸形状，在飞片飞行过程中与有机玻璃碰撞面积越来越大，在远离对称轴部位冲击压力叠加累积效应更强引起的；但在随后的冲击波传播过程中，由于受到柱壳约束影响，离对称轴越近，冲击波幅值越小，这是由散心冲击波在约束柱壳边界反射与冲击波波阵面叠加的结果。通过对炸药网格大变形溢出柱壳翻转进行合理处理，对实验进行了数值模拟。数值模拟结果所得的冲击压力沿径向分布规律计算结果与实验结果定性相符。最后探讨了不同约束程度对这一规律的影响程度，结果表明，后续的冲击波幅值随着约束的增加而急剧增加。     

线起爆膨胀柱壳实验加载及诊断技术

基于电爆炸丝引爆炸药、继而驱动尼龙对金属柱壳进行碰撞加载的方式,在金属柱壳中部、半柱高范围内实现了一维柱面膨胀加载。同时,基于沿轴向的加载（或径向速度）一致性和沿环向的加载（或径向速度）轴对称性,提出了一维柱面加载的有效性判据。相比于滑移爆轰加载,一维柱面加载方式具有应力状态相对简单、易简化为二维轴对称问题分析的优点。在柱壳断裂诊断方面,建立了分布式表面速度诊断方法来监测柱壳圆周范围内的初始断裂。其原理为:均匀承载壳体断裂引起的局部承载失效将导致均匀速度曲线簇出现分叉（或演化趋势变化）。与高速分幅照相诊断方法相比,分布式表面速度诊断方法可准确获取柱壳圆周范围内的初始断裂信息（含断裂时刻和断裂位置）。利用建立的线起爆膨胀柱壳实验加载和诊断技术,获得了304钢和45钢柱壳的一维柱面动态拉伸初始断裂性能数据（含断裂应变、平均应变率）,其中,45钢柱壳的断裂应变（或延展性）低于304钢柱壳的。     

不同热处理条件下45钢柱壳的动态性能

以不同热处理条件下的45钢作为研究对象,利用高速摄影和金相分析来研究45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂特性,以及不同热处理条件对材料的动态断裂性能的影响。结果表明:随着回火温度的升高,45钢强度减小、静态延伸率增大,爆轰加载时柱壳表面裂纹产生及发生贯穿断裂而导致产物泄漏的时刻逐渐推迟,相应应变逐渐增加,同时回收到的破片尺寸逐渐增大;四种45钢的静态力学性能及动态断裂性能有明显差异,是因为不同热处理条件下,材料细观组织的结构、组成均发生较大变化,即材料的细观组织决定了材料的静态力学性能及动态断裂性能。     

局部约束阻尼开口柱壳的减振分析及优化

为了缩减开口柱壳结构的振动,本文基于Lagrange方程以及Sanders薄壳理论建立了局部约束阻尼开口柱壳的动力学模型,分析了粘弹性单元分段数和厚度、阻尼单元占空比以及约束层敷设角和厚度对结构前三阶模态损耗因子和固有频率的影响,得到了各参数对结构振动特性的影响规律.并以前三阶损耗因子为目标,应用NSGA-Ⅱ遗传算法对...     

表面加工塑性层对金属柱壳剪切带自组织单旋起始的影响

在外爆加载金属柱壳高速坍塌过程中, 发生塑性变形失稳形成的剪切带具有高度的自组织特征, 甚至出现剪切带排列的单旋现象—剪切带在顺时针和逆时针两个方向呈现一个方向占优的现象. 柱壳在坍塌时, 最大剪切应力位于柱壳内表面, 剪切带的形核及扩展行为受内表面材料介观状态的影响显著. 本文通过选材和控制柱壳加工工艺, 获得了内表面具有不同厚度塑性层的20钢柱壳, 采用厚壁圆筒实验技术, 研究了表面加工塑性层对金属柱壳绝热剪切带自组织单旋现象起始的影响规律及其物理机制. 研究结果表明, 金属柱壳内表面加工塑性层显著改变了试样剪切带的起始条件, 沿顺时针或逆时针方向排列的剪切带形核数量在总剪切带数量中所占比例取决于表面加工塑性层的厚度和晶粒取向, 具有单一晶粒拉伸方向的较厚塑性层样品更容易形成单向螺旋剪切带结构. 在相同变形条件下, 随着塑性层厚度增加, 剪切带平均形核速率和扩展速率增大, 剪切带平均间距减小. 结果可为理解金属柱壳在高速塌陷过程中绝热剪切带占优取向现象提供有价值的参考.      

New matrix method for analyzing vibration and damping effect of sandwich circular cylindrical shell with viscoelastic core

Based on the linear theories of thin cylindrical shells and viscoelastic materials, a governing equation describing vibration of a sandwich circular cylindrical shell with a viscoelastic core under harmonic excitation is derived. The equation can be written as a matrix differential equation of the first order, and is obtained by considering the energy dissipation due to the shear deformation of the viscoelastic core layer and the interaction between all layers. A new matrix method for solving the governing equation is then presented With an extended homogeneous capacity precision integration approach. Having obtained these, vibration characteristics and damping effect of the sandwich cylindrical shell can be studied. The method differs from a recently published work as the state vector in the governing equation is composed of displacements and internal forces of the sandwich shell rather than displacements and their derivatives. So the present method can be applied to solve dynamic problems of the kind of sandwich shells with various boundary conditions and partially constrained layer damping. Numerical examples show that the proposed approach is effective and reliable compared with the existing methods.     

Free vibration of circular cylindrical shell with constrained layer damping

Free vibration characteristics of circular cylindrical shell with passive constrained layer damping (PCLD) are presented. Wave propagation approach rather than finite element method, transfer matrix method, and Rayleigh-Ritz method is used to solve the problem of vibration of PCLD circular cylindrical shell under a simply supported boundary condition at two ends. The governing equations of motion for the orthotropic cylindrical shell with PCLD are derived on the base of Sanders’ thin shell theory. Numerical results show that the present method is more effective in comparison with other methods. The effects of the thickness of viscoelastic core and constrained layer, the elastic modulus ratio of orthotropic constrained layer, the complex shear modulus of viscoelastic core on frequency parameter, and the loss factor are discussed.     

主动约束层阻尼圆柱壳体的振动特性研究

基于弹性、粘弹性和压电材料本构方程,应用能量法建立了主动约束层阻尼（ACLD）圆柱壳体的有限元动力学方程。通过对压电传感层自感电压的比例、微分反馈控制,对主动约束层阻尼（ACLD）圆柱壳体进行了主被动一体化振动控制,研究了复合圆柱壳体的动力学响应特性。讨论了主动约束层阻尼（ACLD）片体的位置、覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等关键参数对圆柱壳体振动特性的影响。研究表明：主动约束层阻尼（ACLD）片体的粘贴位置与模态有关,针对不同模态,应采用不同的粘贴位置;覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等直接影响到振幅衰减程度,通过对片体位置、覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等关键参数的优化,能有效降低主动约束层阻尼圆柱壳体的振动,具有十分重要的工程应用价值。     

复合圆柱壳冲击压缩数值模拟及稳定性研究

针对复合圆柱壳在炸药爆轰作用下的动力学响应及在此过程中伴随的失稳问题,研究了其制造工艺中可能出现的缺陷以及圆柱壳中铜线螺旋角和直径对复合圆柱壳稳定性产生的影响。采用SPH-FEM耦合算法,建立了复合圆柱壳二维细节模型,并提出了一种基于圆柱壳内壁粒子速度历史的失稳判据,计算了在不同参数条件下复合圆柱壳的失稳时间及对应的压缩率,对影响复合圆柱壳稳定性的因素进行了评估。分析结果表明,在复合圆柱壳制备过程中存在的折返层缺陷和铜线直径对复合圆柱壳的稳定性有较大影响,而螺旋角度对其稳定性影响不大。     

Coupled thermoelasticity of functionally graded cylindrical shells

The coupled thermoelastic response of a functionally graded circular cylindrical shell is studied. The coupled thermoelastic and the energy equations are simultaneously solved for a functionally graded axisymmetric cylindrical shell subjected to thermal shock load. A second-order shear deformation shell theory that accounts for the transverse shear strains and rotations is considered. Including the thermo-mechanical coupling and rotary inertia, a Galerkin finite element formulation in space domain and the Laplace transform in time domain are used to formulate the problem. The inverse Laplace transform is obtained using a numerical algorithm. The shell is graded through the thickness assuming a volume fraction of metal and ceramic, using a power law distribution. The results are validated with the known data in the literature.     

Explosive loading of deformable gas-permeable axisymmetric structural elements

A mathematical model is proposed which describes the interrelated processes of unsteady elastoplastic deformation of stacks of woven metal wire mesh and wave processes in pore gas in a two-dimensional axisymmetric approximation. The nonlinear equations of the dynamics of two interpenetrating continua are solved numerically using a modified Godunov’s scheme. The problem of explosive loading of a multilayer shell with an internal permeable deformable layer is solved. The results of numerical solutions are compared with experimental data. The influence of the gas-permeable layer on shell deformation is determined.     

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS，又称全光纤位移干涉测速技术）和高速摄影技术，研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响，获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比，垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程，导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位，最终低于无垫片区域约0.34 mm，该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂；实验结果还表明，在垫片与间隙交界处两侧（沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°）处各增加了一条裂纹，该断裂模式既不同于环向拉伸断裂，也不同于45°的剪切断裂，而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致，这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明，装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应，还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异，以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。     

Studies of nonlinear deformation and stability of stiffened oval cylindrical shells under combined loading by bending moment and boundary transverse force

The finite-element statement of stability problems for stiffened oval cylindrical shells is presented with the moments and the nonlinearity of their subcritical stress-strain state taken into account. Explicit expressions for the displacements of elements of noncircular cylindrical shells as solids are obtained by integration of the equations derived by equating the linear deformation components with zero. These expressions are used to construct the shape functions of the effective quadrangular finite element of natural curvature, and an efficient algorithm for studying the shell nonlinear deformation and stability is developed. The stability of stiffened oval cylindrical shells is studied in the case of combined loading by a boundary transverse force and a bending moment. The influence of the shell ovality and the deformation nonlinearity on the shell stability is investigated.