轮胎破片冲击机身的非等比例相似模型研究

为降低机身结构抗冲击性能的实验成本,利用相似理论建立机身的非等比例缩放模型,开展模型实验是行之有效的方法。基于量纲分析的方法,建立Johnson-Cook线性应变率函数的修正关系;鉴于生产制造技术的限制,考虑扭曲厚度的非等比例机身模型对相似性行为的影响,采用指数函数法建立了非等比例模型的相似修正关系。通过对比实验中破片冲击过程的变形形态、靶板的应变时间历程曲线和最终变形轮廓,验证了数值模型的有效性。此外,分析了破片偏航姿态、机身材料、厚度和质量等因素对机身结构抗冲击性能的影响。结果表明:(1) 150 m/s的冲击速度下,破片冲击角度90o和着靶角度180o是最严苛的冲击条件。综合多种因素,分析认为3.5 mm厚的钛合金为机身结构的最佳选择,并以此作为全尺寸原型验证相似模型;另外,提出了一种可以快速获取缩比模型的设计方法。(2)应变率效应对轮胎破片冲击机身结构的影响并不显著,等比例缩放模型与原型结果吻合较好。(3)厚度扭曲的非等比例模型能够有效地预测原型结构的变形行为;虽然,在时间尺度上,模型与原型存在一定的偏差;但是,在空间尺度上,非等比例相似模型能够有效地修正扭曲厚度造成中心最大挠度的预测误差,修正后的最大误差不超过5.1%,这表明该方法能够有效地指导机身结构的相似模型设计。     

受轴向冲击薄壁圆管的几何畸变相似律研究

对于受轴向冲击载荷作用的薄壁圆管动态响应的相似律问题,由于圆管的薄壁特性导致厚度无法与高度和半径按相同的比例进行结构缩放,从而产生模型的几何畸变,此时传统的相似律已无法描述原型与畸变模型之间的动态响应规律。基于薄壁圆管轴向冲击问题的控制方程,通过能量守恒和量纲分析,推导了考虑几何畸变条件下轴向冲击载荷作用的理想弹塑性薄壁圆管动态响应的相似律。通过在给定应变与应变率区间上建立比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,将几何畸变相似律进一步推广至包含应变率和应变硬化的材料。通过数值方法验证了提出的几何畸变模型相似律的适用性。分析结果表明,提出的考虑厚度畸变的受轴向冲击薄壁圆管的相似律可用于预测原型结构的冲击动态响应,并显著降低比例模型与原型结构平均载荷和能量的偏差。     

结构冲击畸变问题的直接相似方法研究

结构受冲击时由不同材料引起比例模型与全尺寸原型的畸变,通常通过修正比例模型的速度或密度进行补偿.然而传统的修正方法,存在需预先测试结构响应、依赖特殊本构方程、不能反映动态过程的缺陷,因而限制了相似理论在比例模型试验中的直接应用.本文提出了一种不同材料畸变问题的直接相似方法.它通过建立应变率区间上比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,直接获得了修正速度或修正密度的比例因子,完成了比例模型与原型的动态相似关系.基于Norton-Hoff, Cowper-Symonds, Johnson-Cook三种经典的本构模型,研究了材料应变率敏感性特征参数、参考应变率、屈服应力、密度在动态相似关系中的作用.并通过受质量冲击的折板结构算例,验证了直接相似方法的有效性.分析表明,本文提出的直接相似方法不需要预先测试结构的响应,不依赖特殊的本构方程、强调动态相似特性,具有直接、高效、通用的特点.此外,动态相似关系的最佳逼近效果,受材料应变率敏感性特征参数控制,屈服应力、密度和参考应变率影响不大;当比例模型应变率敏感性特征参数与原型相近,可获得最佳逼近.     

结构冲击畸变问题的直接相似方法研究

结构受冲击时由不同材料引起比例模型与全尺寸原型的畸变, 通常通过修正比例模型的速度或密度进行补偿. 然而传统的修正方法, 存在需预先测试结构响应、依赖特殊本构方程、不能反映动态过程的缺陷, 因而限制了相似理论在比例模型试验中的直接应用. 本文提出了一种不同材料畸变问题的直接相似方法. 它通过建立应变率区间上比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系, 直接获得了修正速度或修正密度的比例因子, 完成了比例模型与原型的动态相似关系. 基于Norton-Hoff, Cowper-Symonds, Johnson-Cook三种经典的本构模型, 研究了材料应变率敏感性特征参数、参考应变率、屈服应力、密度在动态相似关系中的作用. 并通过受质量冲击的折板结构算例, 验证了直接相似方法的有效性. 分析表明, 本文提出的直接相似方法不需要预先测试结构的响应, 不依赖特殊的本构方程、强调动态相似特性, 具有直接、高效、通用的特点. 此外, 动态相似关系的最佳逼近效果, 受材料应变率敏感性特征参数控制, 屈服应力、密度和参考应变率影响不大; 当比例模型应变率敏感性特征参数与原型相近, 可获得最佳逼近.      

冲击载荷下软钢梁早期响应的数值模拟和简化模型

冲击载荷作用下，梁的早期响应既有弹性变形也有塑性变形，两者相互耦合．有限元数值模拟的结果表明，弹性弯曲波的传播是梁早期变形的主要机制，刚塑性简化理论预言的初始阶段中梁的“移行塑性铰”实际上是不存在的．本文提出的弹性 理想塑性简化模型可以很好地模拟固支软钢梁的早期响应     

结构刚塑性动力解的弹性补偿

近年来,我国学者以膜力因子法和饱和分析方法相结合为理论工具,对梁、板等结构件在脉冲载荷作用下的塑性大变形行为作了全面深入的研究,为脉冲加载下结构的最终挠度提供了优于历史上各种刚塑性近似解的最佳刚塑性预测公式。然而,由于实际工程应用中金属结构弹塑性动力响应的复杂性和数值模拟的局限性,与考虑材料弹性效应的结果相比,刚塑性解对脉冲加载下结构所预测的最终挠度的误差有多大,是一个亟待解决的关键问题。对这个问题的首阶段研究成果厘清了材料弹性对脉冲加载下结构塑性动态大变形的影响,定量评估了由最佳刚塑性理论解与弹塑性数值模拟得到的最终挠度预测结果之间的差异。在此基础上,提出了补偿弹性效应的策略和方法,即：在已有的最佳刚塑性解预测的挠度基础上添加一个补偿项,将补偿项表达为脉冲载荷强度的效应与结构自身刚度的效应分离的变量函数,并尽量减少待定系数/指数的数量,以求表达式的简洁;根据这些原则在金属结构的主要工程应用领域内选定结构刚度和外载参数的变化范围,对固支梁和固支方板的案例实施拟合与补偿,最后得到了对梁和板增添补偿项后的简单而实用的最终挠度预测公式,其相对误差在3%的范围之内,很适合工程设计应用。文末列表...     

靶板在弹丸低速冲击作用下的弹性恢复规律

为了对不同靶板被尖头弹丸低速侵彻条件下的弹性恢复机理进行研究,同时考虑弹丸低速冲击靶板过程中靶板整体塑性变形及弹性变形恢复,更好地反映弹丸对靶板低速侵彻过程中的变形及材料失效问题,使用非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA计算分析了弹丸以相同速度冲击不同边长、厚度靶板时,弹丸反弹速度以及靶板回弹速度随着靶板厚度...     

单晶有限变形的热力耦合计算模型

以弹性变形梯度作为基本变量,结合热力学理论构造了单晶有限变形的热、力耦合计算模型。该模型考虑了温度、变温速率以及塑性耗散等条件对单晶有限变形的影响,相对于传统的以弹性变形梯度为基本变量的晶体塑性模型,算法能够体现温度效应的影响。采用隐式的积分方法对建立的控制方程进行计算以保证求解过程的稳定。以1100Al单晶为例计算了不同升温、降温速率,以及不同应变率影响下的材料应力-应变的响应。结果表明,模型能较好地反映变温过程中,单晶各向异性性质的演化以及应力、应变之间关系的变化。     

考虑粗糙结合面弹塑性接触的黏滑摩擦建模

提出一种同时考虑粗糙面上微凸体弹性变形和塑性接触的切向黏滑摩擦建模方法。采用Hertz弹性理论和Mindlin解描述弹性接触微凸体的切向载荷和相对变形的关系;采用AF(Abbott-Firstone)塑性理论和Fujimoto模型描述塑性接触微凸体切向载荷和相对变形的关系。再利用GW(Greenwood-Williamson)模型统计分析方法建立粗糙表面切向载荷和相对变形之间的关系。将模型与仅考虑微凸体弹性接触情况的模型进行对比,并研究了不同塑性指数对切向载荷和相对变形关系的影响。结果表明：与完全弹性接触模型相比,本文模型引入了塑性接触理论,能够更好地描述粗糙表面切向载荷和相对变形关系,并且考虑不同接触条件下弹性变形微凸体和塑性变形微凸体对切向接触载荷的贡献,在微滑移阶段,主要由弹性接触变形影响,而在进入宏观滑移阶段之后,切向行为主要由塑性变形影响。界面切向载荷由黏着和滑移接触作用共同决定,随着切向变形的增加,滑移接触力逐渐增加,而黏着接触力先增加后减少,反映了界面由微滑移逐渐向宏滑移演化的过程。随着塑性指数的增加,粗糙面上发生塑性接触的微凸体数目逐渐增加,切向黏滑行为主要受到塑性接触特征的控制。     

结构的塑性大变形和冲击结构力学

由近海工程、核能工程和交通工程中提出了许多结构塑性大变形和结构在冲击作用下的动力响应的问题.本文给出了一些典型例子及其力学模型.描述了能量吸收装置、复合材料结构元件、多孔材料及其他非金属材料研究的重要性.也提到了相关的理论课题.     

基于Cowper-Symonds方程的相似理论修正方法

针对应变率敏感材料冲击实验的指导需求,给出了一种传统相似理论的修正方法。该方法在已有的动态相似理论基础上,考虑了因实验时模型与全尺寸原型制造材料不同,而导致外载条件相似系数对应变率效应对结果造成的影响:通过引入Cowper-Symonds方程,重新推导了外载条件相似系数的计算公式,并对两种不同材料（是否应变率敏感）的缩放模型冲击实验结果进行讨论,表明该方法相较于传统理论能够准确给出外载条件相似系数、提高模型预测精度。     

Gradient plasticity with the tangential-subloading surface model and the prediction of shear-band thickness of granular materials

An extended gradient elastoplastic constitutive equation is formulated, which is capable of describing the plastic strain rate due to the rate of stress inside the yield surface and the inelastic strain rate due to the stress rate component tangential to the subloading surface by incorporating the tangential-subloading surface model. Based on the extended constitutive equation, the post-localization analysis of granular materials is performed to predict the shear-band thickness. It is revealed that the shear-band thickness is almost determined by the gradient coefficient characterizing the inhomogeneity of deformation, although the stress–strain curve is strongly dependent on material properties.     

Formation of the residual stress field under local thermal actions

The one-dimensional process of material deformation due to local heating and subsequent cooling is analyzed in the framework of the classical theory of elastoplastic deformations. The problem of formation of residual stresses in a thin plate made of an elastoplastic material under a given thermal action is solved. The graphs of fields of residual stresses and displacements are constructed.     

Behavior of brittle anisotropic materials with different orientation of mechanical properties at the edge of piercing

The problem of normal interaction between a compact steel isotropic cylindrical projectile and an orthotropic plate at the edge of piercing in the range of impact velocity from 50 m/s to 400 m/s. The obstacle is made of an organoplastic material with some initial orientation of its mechanical properties or the same material whose properties are obtained by a 90° rotation of the initial material about the axis OY. The destruction of obstacles is studied and the efficiency of their protective properties is comparatively analyzed depending on the orientation of the elastic and strength properties of the anisotropic material. The problem is solved numerically by the finite element method in the three-dimensional statement. The behavior of the projectile material is described by an elastoplastic model, while the response of the obstacle anisotropic material is described in the framework of the elastic-brittle model with different tensile and compressive strengths.     

Scaling of structures subject to impact loads when using a power law constitutive equation

It is well known that structures subjected to dynamic loads do not follow the usual similarity laws when the material is strain rate sensitive. As a consequence, it is not possible to use a scaled model to predict the prototype behaviour. In the present study, this problem is overcome by changing the impact velocity so that the model behaves exactly as the prototype. This exact solution is generated thanks to the use of an exponential constitutive law to infer the dynamic flow stress. Furthermore, it is shown that the adopted procedure does not rely on any previous knowledge of the structure response. Three analytical models are used to analyze the performance of the technique. It is shown that perfect similarity is achieved, regardless of the magnitude of the scaling factor. For the class of material used, the solution outlined has long been sought, inasmuch as it allows perfect similarity for strain rate sensitive structures subject to impact loads.     

Unsymmetrical nonlinear bending problem of circular thin plate with variable thickness

Introduction Manystructuralelements(pole,plate,shell)withunevenandvariablethicknessarewidely usedinallkindsofengineeringfields.Engineerscansavematerialswhentheydesignbecause theseelementshavebetteroptimizedshapeofstructuralfeature,butthisaddsdifficultytotheanalysisoftheirmechanicalcapability.Manypreviouspapers[1-4]havesolvedtheproblemof symmetricalaxis,butnobodyhassolvedtheunsymmetricalnonlineardeformationproblemof circularthinplatewithvariablethicknessandunsymmetricalaxisuptonow,afewworkonly …     

Transient Dynamic Response of Elastoplastic Thick Plates Resting on Winkler-Type Foundation

A direct domain/boundary element method (D/BEM) for the dynamicanalysis of elastoplastic thick plates resting on Winkler-typefoundation is presented. The formulation presented includes the effectsof shear deformation and rotatory inertia following Reissner–Mindlin'sdeformation theory assumption. The method employs the elastostaticfundamental solution of the problem resulting in both boundary anddomain integrals due to inertia, plasticity and foundation pressureterms. By discretizing the integral equations and integrating theresulting matrix equation of motion by an explicit time integrationscheme the history of the plate dynamic response can be obtained.Applications are shown for impacted elastoplastic Reissner–Mindlinplates with smooth boundaries on several different foundations.