破片群作用下复合材料层合板近场动力学损伤模拟

采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在破片群载荷作用下的损伤情况。根据复合材料结构受到载荷的特性,总结破片群冲击作用下复合材料结构损伤特性,分析其破坏过程,研究破片群增强效应,并对破片速度、破片数量、破片群间距对侵彻能力增强效应的影响进行分析。结果表明:层合板结构在高速破片群侵彻作用下损伤模式多样,与破片数量、速度、间距相关;破片数量的增加,对破片群侵彻能力增强效应明显;破片间距与破片群侵彻能力增强效应负相关,破片间距减小,破片群损伤效应提高;破片速度直接决定穿透时间,破片速度的提高使得穿透时间缩短,应力波的叠加效应不足以影响破片群的侵彻能力。     

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。     

冲击波与破片对波纹杂交夹层板的联合毁伤数值研究

通过有限元软件LS-DYNA模拟了波纹杂交夹层板在冲击波与破片联合作用下的响应过程,研究了炸药当量、载荷类型和填充方式对波纹杂交夹层板变形与失效模式的影响,并与实体板、间隔板和波纹夹层板的抗联合毁伤性能进行了对比,讨论了波纹杂交夹层板的能量吸收特性。数值计算结果表明:与冲击波单独作用相比,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用对结构造成的毁伤更为严重;当药量较小时,波纹夹层板和波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能优于实体板与间隔板,波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能从全填充、迎爆面填充到背爆面填充逐渐降低;当药量较大时,所有结构均产生破口失效;在能量耗散方面,冲击波单独作用时以波纹芯层吸能为主,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用时以上面板吸能为主。     

具有分层损伤的不同加筋形式复合材料层合板的后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和V on-K arm an大挠度理论,分别推导了复合材料层合板和层合梁的几何非线性有限元列式,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩载荷作用下的后屈曲有限元分析方法,对在板厚方向具有不同分层位置的加筋板结构进行了有限元数值分析,研究了不同的加筋方式及筋的分布对具有分层损伤的复合材料加筋层合板的后屈曲性态的影响,所得结果对确定在压缩载荷作用下含损伤复合材料加筋层合板的剩余承载能力具有参考价值。     

冲击波和高速破片联合作用下夹芯复合舱壁结构的毁伤特性

为探讨导弹战斗部近炸下舰船夹芯复合舱壁结构设计方法,采用TNT和预制破片近炸实验研究了典型夹芯复合舱壁结构在冲击波与高速破片联合作用下的破坏效应,分析了冲击波和破片联合毁伤载荷,指出了钢质面板和抗弹层的破坏模式,阐述了夹芯复合舱壁结构的防护机理。结果表明:预制破片装药近炸下,破片能远大于冲击波能,是防护结构的主要设计载荷;前面板主要是抵御冲击波,其变形破坏整体为挠曲大变形,局部为集团破片冲塞破口、破片穿孔和撞击凹坑;背板以挠曲大变形吸能为主;陶瓷材料碎裂严重,部分陶瓷碎片反向飞溅撞击前面板;纤维增强复合材料发生了纤维断裂、基体开裂、整体弯曲大变形及分层等破坏,抗弹层应避免产生穿透性破坏。     

预制孔靶板在爆炸冲击波载荷作用下的动态响应

对四边固定带预制孔靶板在爆炸冲击波载荷作用下的动态响应问题进行了实验研究。通过设计 爆炸冲击波载荷对2种材料不同孔数、不同孔径的靶板的冲击工况,获得了各靶板的中心点挠度。通过分析, 得到了预制孔靶板中心点挠度与预制孔数、孔径的相关规律,结合无孔平板在爆炸冲击波载荷下的挠度公式, 建立了广义的靶板中心点挠度公式,可用于计算不同孔靶板的中心点挠度。研究结果可作为平板材料在破片 冲击波联合毁伤研究的基础,为杀爆战斗部威力评估提供一些依据。     

水下冲击波载荷作用下气背固支圆板动态毁伤实验

为了研究水下近爆载荷作用下舰艇水下结构的动态变形及失效毁伤模式,利用水下爆炸冲击波等效加载装置结合高速摄影技术,对两种厚度的气背固支5A06铝合金圆板进行了水下冲击波加载实验。得到了气背固支圆板塑性大变形、中心拉伸撕裂和边界剪切破坏3种典型失效模式的动态响应历程。比较分析了冲击波强度、冲击因子、损伤参数和响应参数4种毁伤判据对该类靶板毁伤模式的判别能力。实验结果表明:考虑了结构因素的损伤参数和响应参数能够更为全面的判别结构的失效毁伤情况。     

W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片侵彻能力与后效研究

将W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片装入弹体制备成预制破片弹丸,并进行实爆试验,研究W骨架/Zr基非晶合金复合材料预制破片侵彻靶板的能力,以及预制破片贯穿靶板后对棉被、油箱的引燃能力。结果表明:制备的W骨架/Zr基非晶合金复合材料密度大、强度高,爆炸完整性和侵彻能力能够满足作为榴弹预制破片的要求;W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片侵彻过程中自身变形是影响侵彻能力的主要原因之一;W骨架/Zr基非晶合金复合材料预制破片侵彻和贯穿靶板的过程中伴随着强烈的爆轰,当穿透率足够高时,预制破片的爆轰作用能够引燃靶后的棉被和油箱。     

带水墙靶板对高速破片侵彻能力影响规律

针对大当量成型弹药破片毁伤威力试验风险系数大、试验效能低的问题，提出采用带水墙靶板的方式对破片毁伤参数进行测定的新方法。应用动力学模拟软件AUTODYN，对破片侵彻带水墙靶板及无水墙靶板的过程进行了有限元数值模拟，分析了水墙厚度和破片入射角度对破片侵彻能力的影响规律，通过实弹试验的方式对带水墙靶板的实用效果进行了验证。计算结果表明，带水墙靶板相比无水墙靶板，能够大大降低破片的侵彻能力，同时与实弹试验效果也能较好吻合，说明在实际试验中使用带水墙靶板收集破片毁伤参数的方法是可行的。     

侵彻爆炸作用下钢纤维混凝土结构的破坏模式

基于大口径发射平台进行了155 mm杀伤爆破榴弹毁伤钢纤维混凝土结构的试验,得到了打击不同位置时结构的破坏情况;结合LS-DYNA数值模拟,分析了不同打击位置和不同命中速度下钢纤维混凝土结构的毁伤效应,讨论了侵彻与爆炸联合作用下钢纤维混凝土结构的损伤过程和破坏模式。结果表明：钢纤维混凝土结构在155 mm榴弹作用下,配置钢筋的顶板和侧墙发生较轻的爆炸成坑破坏,无配筋的前墙发生严重的爆炸震塌破坏。SPG (smooth particle Galerkin method)-结构化ALE (arbitrary Lagrange-Euler)(S-ALE)流固耦合算法能够有效预测钢筋混凝土结构在侵彻和爆炸共同作用下的损伤发展过程和破坏模式。大口径弹体侵彻有限边界靶的加速度时程曲线特征为突增骤减单峰值形式,弹体速度呈现先快速降低后缓慢减小的特征;靶标在基于侵彻损伤的爆炸作用下,主要破坏模式为混凝土块大量崩塌和裂缝的生长,且随着侵彻速度的增加,爆炸造成的毁伤由局部破坏向结构整体破坏发展;混凝土破碎区内,垂直于弹体的钢筋在侵彻作用下达到屈服,板顶和板底的钢筋在爆炸后达到屈服。     

POZD涂层方形钢筋混凝土板抗接触爆炸试验研究

为研究聚异氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料（polyisocyanate oxazodone，POZD）涂层方形钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的破坏模式和抗爆性能，对POZD涂层方形钢筋混凝土板进行接触爆炸条件下试验研究。试验中采用建筑结构中楼面设计常用的钢筋混凝土板为研究对象，通过11次独立的爆炸试验，分析了不同POZD涂层厚度对抗爆性能的影响，观测了钢筋混凝土板在不同装药量和不同POZD涂层厚度条件下的破坏模式和破坏特征，研究结果表明:涂层POZD钢筋混凝土板的主要破坏模式为钢筋混凝土板正面爆炸成坑，背面POZD涂层的圆锥状鼓起。POZD涂层鼓起主要是在爆炸冲击波作用下POZD涂层从基体板脱离并出现较大塑性变形所致。当冲击波荷载强度超过POZD材料的极限抗拉强度时，在涂层锥尖处形成较小的圆孔装剪切破坏，涂层的其他区域保持完好，从而让钢筋混凝土板不会产生较大范围的震塌破坏。在强冲击波荷载作用下利用POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性，可以通过自身的大变形很好地延长爆炸荷载的作用时间和耗散时间，吸收较大冲击波能量，从而约束混凝土震塌碎片，提高钢混混凝土板的抗爆性能。随着POZD涂层厚度增加，板的抗接触爆炸作用下的抗爆能力越强，临界震塌破坏装药量越多。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

Analytical solutions of peristatic and peridynamic problems for a 1D infinite rod

Peridynamics is a nonlocal theory of continuum mechanics, which was developed by Silling (2000). Since then peridynamics has been applied to a variety of solid mechanics problems ranging from fracture, damage, failure to wave propagation, buckling, and detonation physics. Since the governing equation of peridynamics is an integro-differential equation, most of the treatment in the literature is often numerical. However, the analytical treatment is very important for the development of the peridynamic theory, which is continually developing at the present time. In this paper, peristatic and peridynamic problems for a 1D infinite rod are analytically investigated. We have developed a method to obtain a valid analytical solution starting from a formal analytical solution, which may be divergent. The primary contribution of the present paper is a systematic analytical treatment of peristatic and peridynamic problems for a 1D infinite rod. Additionally, dispersion curves and group velocities for the materials with three different micromoduli are also studied. It is found from the study that some peridynamic materials can have negative group velocities in certain regions of wavenumber. This indicates that peridynamics can be used for modeling certain types of dispersive media with anomalous dispersion such as the one discussed by Mobley (2007).     

基于近场动力学的薄板弯曲大变形及断裂分析

薄板结构仅在较小的荷载下就能产生较大的位移、旋转,甚至引发结构产生裂纹并扩展,进而发生结构整体断裂,因此,建立薄板结构在大变形过程中的裂纹扩展及断裂仿真模型,具有重要的工程实际意义.文章建立了用于薄板结构几何大变形和断裂分析的近场动力学(PD)和连续介质力学(CCM)耦合模型.首先基于冯·卡门假设,采用更新的拉格朗日法得到薄板在几何大变形增量步下的虚应变能密度增量公式,并利用虚功原理和均质化假设求出几何大变形微梁键的本构模型参数;接着分别建立几何大变形薄板PD模型与CCM模型的虚应变能密度增量,并建立了薄板几何大变形PD-CCM耦合模型;最后模拟了薄板结构在横向变形作用下的渐进断裂过程,得到与实验结果高度一致的仿真结果,验证了所提出的几何非线性PD-CCM耦合模型的精度.结果表明:本文所提出的薄板PD-CCM耦合模型具有简单高效,无需考虑材料参数限制和边界效应的特点,可以很好地用于预测薄板结构在几何大变形过程中的局部损伤和结构断裂,有利于薄板结构的断裂安全评价和理论发展.     

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。     

Peridynamic modeling of membranes and fibers

The peridynamic theory of continuum mechanics allows damage, fracture, and long-range forces to be treated as natural components of the deformation of a material. In this paper, the peridynamic approach is applied to small thickness two- and one-dimensional structures. For membranes, a constitutive model is described appropriate for rubbery sheets that can form cracks. This model is used to perform numerical simulations of the stretching and dynamic tearing of membranes. A similar approach is applied to one-dimensional string like structures that undergrow stretching, bending, and failure. Long-range forces similar to van der Waals interactions at the nanoscale influence the equilibrium configurations of these structures, how they deform, and possibly self-assembly.     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。     

Dynamic Brittle Fracture as a Small Horizon Limit of Peridynamics

We consider the nonlocal formulation of continuum mechanics described by peridynamics. We provide a link between peridynamic evolution and brittle fracture evolution for a broad class of peridynamic potentials associated with unstable peridynamic constitutive laws. Distinguished limits of peridynamic evolutions are identified that correspond to vanishing peridynamic horizon. The limit evolution has both bounded linear elastic energy and Griffith surface energy. The limit evolution corresponds to the simultaneous evolution of elastic displacement and fracture. For points in spacetime not on the crack set the displacement field evolves according to the linear elastic wave equation. The wave equation provides the dynamic coupling between elastic waves and the evolving fracture path inside the media. The elastic moduli, wave speed and energy release rate for the evolution are explicitly determined by moments of the peridynamic influence function and the peridynamic potential energy.     

Adaptive coupling between damage mechanics and peridynamics: A route for objective simulation of material degradation up to complete failure

The objective (mesh-independent) simulation of evolving discontinuities, such as cracks, remains a challenge. Current techniques are highly complex or involve intractable computational costs, making simulations up to complete failure difficult. We propose a framework as a new route toward solving this problem that adaptively couples local-continuum damage mechanics with peridynamics to objectively simulate all the steps that lead to material failure: damage nucleation, crack formation and propagation. Local-continuum damage mechanics successfully describes the degradation related to dispersed microdefects before the formation of a macrocrack. However, when damage localizes, it suffers spurious mesh dependency, making the simulation of macrocracks challenging. On the other hand, the peridynamic theory is promising for the simulation of fractures, as it naturally allows discontinuities in the displacement field. Here, we present a hybrid local-continuum damage/peridynamic model. Local-continuum damage mechanics is used to describe “volume” damage before localization. Once localization is detected at a point, the remaining part of the energy is dissipated through an adaptive peridynamic model capable of the transition to a “surface” degradation, typically a crack. We believe that this framework, which actually mimics the real physical process of crack formation, is the first bridge between continuum damage theories and peridynamics. Two-dimensional numerical examples are used to illustrate that an objective simulation of material failure can be achieved by this method.     

基于近场动力学理论的层压板损伤分析方法

提出了一种基于近场动力学理论 的纤维增强复合材料层压板的渐进损伤分析方法.在弹性力学和复合材料力学的基础上, 推导了适用于近场动力学建模的微模量和临界伸长率等基本参量, 结合经典层压板理论中的偏轴模量, 构建了适用于各向异性材料的对点力函数, 可分析3种形式的损伤:纤维断裂, 基体开裂和分层破坏.分析了含圆孔层压板在拉伸载荷作用下的破坏过程, 预测结果与试验结果吻合良好.