Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型，采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法，对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到；无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定；材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定；破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟，通过数值模拟与实验结果对比的方式，验证材料模型的准确性。结果表明，平板冲击实验中，材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高；破片侵彻实验中，破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好，构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。     

ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型研究

为了更好的进行ZrCuNiAlAg块体非晶合金药型罩的爆炸成形及侵彻仿真研究，首要就是建立其材料模型。本文结合ZrCuNiAlAg块体非晶合金力学性能试验结果计算得到了材料的JH-2模型参数，研究确定了ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型。为了验证ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型的准确性，采用Autodyn建立了平板撞击试验有限元模型，模拟了ZrCuNiAlAg块体非晶合金材料在高压、高应变率等环境条件下的变形过程，仿真计算得到的靶板背面自由面粒子速度与试验结果相比，速度平均偏差均在3%以内，表明ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型能很好的描述该材料在大变形、高应变率、高压等环境条件下的力学行为，验证了ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型准确性。     

微爆索线性切割航空有机玻璃的实验研究和有限元分析

为了提高航空人/椅救生系统穿盖的成功率和降低飞机复杂性,提出了微爆索（MDC）线性切割技术在穿盖弹射系统中的应用。设计了一系列不同类型的微爆索,对航空有机玻璃（PMMA）平板元件的切割过程进行了实验研究,确定了微爆索的金属药型罩材质、炸药类型和装药线密度范围。观测了层裂现象,得到了切割深度与装药量的关系。采用非线性动态分析程序LS-DYNA对切割过程进行了数值模拟,观察到了层裂现象。数值模拟得到的PMMA的切割深度与装药线密度的关系,与实测得到的结果基本吻合。     

JH-2模型及其在Al2O3陶瓷低速撞击数值模拟中的应用

利用现有文献数据以及实验与数值模拟结合的方法得到了Al2O3陶瓷的Johnson-HolmquistⅡ (JH2)本构模型参数,并且基于这种含损伤的动态本构模型,采用LS-DYNA 显式有限元软件对Al2O3陶瓷 在低速撞击下的破碎过程进行了数值模拟,再现了试件的损伤演化与动态破碎过程。结果表明,Al2O3陶瓷 在冲击载荷作用下,主要呈轴向劈裂状破坏;随着输入压缩波加载时间的减小,试件的破碎程度加剧;利用 JH-2模型对Al2O3陶瓷在SHPB实验中的动态损伤演化过程的模拟结果与实验回收试件的破碎模式基本一 致,从而验证了JH-2模型在模拟低速撞击下陶瓷动态破碎过程的有效性和可行性。     

一种脆性材料动态本构损伤参数的计算反求方法

提出一种利用平板撞击的瞬态速度剖面响应来反求陶瓷脆性材料的动态本构损伤参数的方法。通过数值模拟再现平板撞击试验中的正平面波在飞片、样品和窗口材料中的传播情况,分析了“样品/窗口”界面瞬态速度剖面响应与材料参数之间的映射关系,进而建立了用响应反求本构参数的反问题,且通过一些数值试验验证该反问题是适定的。基于平板撞击速度剖面响应反求的方法,为快速地获得高应变率下一些传统方法难以测定出的本构参数提供新途径。     

超高性能混凝土HJC本构模型参数确定及应用

在超高性能混凝土的数值模拟中，合理地确定其本构模型参数是提高计算精度和设计可靠度的基础。基于超高性能混凝土单轴压缩试验、霍普金森压杆试验和已有的三轴围压试验等，确定了超高性能混凝土的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)本构模型参数。利用LS_DYNA软件模拟单向板爆炸试验，通过与试验中单向板的损伤程度和最大挠度进行对比，验证了已确定参数的有效性。为了进一步了解超高性能混凝土构件的抗爆机理，采用已确定的参数对单向板爆炸工况进行数值模拟，分析配筋和尺寸变化对爆炸结果的影响。结果表明，在爆炸过程中，提高纵筋配筋率可以减小单向板的跨中最大挠度，适当加密箍筋可以减小单向板侧面的斜裂缝长度。超高性能混凝土单向板具有明显的尺寸效应，其中厚度和长度变化对爆炸结果的影响最突出。     

透明陶瓷夹层结构冲击响应及BP神经网络预测

首先，选择以蓝宝石陶瓷为迎弹层、二氧化硅无机玻璃和聚碳酸酯有机玻璃为吸能层和聚氨酯为胶结材料的透明夹层结构为研究对象，采用一级轻气炮对试样进行了冲击实验，试样呈现陶瓷层弯曲失效破坏主导和冲击压缩破坏主导的2种破坏模式，通过高速摄像详细记录裂纹动态扩展过程。然后，采用Abaqus有限元软件对多组结构层厚度配比的透明夹层结构进行120、150、180 m/s速度的弹体冲击模拟，针对陶瓷材料引入了基于JH-2本构模型的子程序，并结合单元删除法，对裂纹扩展和碎片飞溅过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合较好。最后，采用BP神经网络算法对冲击点后侧位移峰值进行了预测，单层和多层神经网络模型平均计算耗时分别为1和3 min，与位移峰值的数值模拟结果相比，2种神经网络模型预测结果的平均相对误差分别为7.6%和3.2%。该BP神经网络模型计算时效和精度都满足要求，相比传统消耗5 h的有限元计算，节省大量时间，可对透明夹层结构的设计提供指导。     

填药柱壳在内部爆炸载荷下的变形和破坏

采用一种计及三轴因子的损伤模型,以本构关系的内变量理论为基础得到了热塑性本构关系的普适显武表达式;得到了改进的Johnson-Cook本构模型的增量形式; 考虑温度和损伤对材料参数的影响,计入温度和损伤对材料塑性变形发展的耦合作用,给出完备的计算方程组;用Lagrange显示差分的方法对填药柱壳在内部爆炸载荷下的变形和破坏进行了数值模拟,并对结果进行分析,与实验结果进行了比较.     

45#钢的损伤演化方程和层裂准则研究

通过唯象分析和细观物理统计相结合的方法建立了一种韧性材料的损伤演化方程。在试验结果和内变量理论的基础上得到了45#钢的含损伤热—粘塑性本构关系。用有限差分方法计算了45#钢平板撞击所产生的应力波传播规律、损伤演化规律及层裂进程。通过自由面速度历史的数值模拟,并基于计算结果与试验结果间的最佳一致性,得到了损伤演化方程中的材料参数和极限损伤数值,并以此为依据建立了材料的应力率层裂准则。     

抗战斗部侵彻爆炸作用的混凝土遮弹层设计

准确评估战斗部侵彻爆炸作用下混凝土遮弹层的损伤破坏可为防护工程设计提供重要参考。首先基于Karagozian&Case(K&C)模型框架建立了新型混凝土动态损伤本构模型，其中强度面综合考虑了静水压力、Lode角、应变率和损伤；独立描述了拉伸和压缩损伤，并考虑了拉压之间的连续过渡以及剪切变形和体积压缩对损伤的贡献。随后，开展了半无限厚混凝土靶体的105 mm口径弹体侵彻爆炸联合作用试验。进一步通过对上述试验和已有有限厚混凝土靶板的预制孔埋置装药爆炸试验进行数值仿真分析，验证了所建立的本构模型、参数取值和有限元分析方法在描述混凝土动态阻力、损伤演化和开裂行为方面的准确性。最后，确定了SDB、WDB-43/B和BLU-109/B三种典型战斗部以声速侵彻爆炸普通混凝土的临界贯穿和临界震塌厚度。结果表明：SDB、WDB-43/B和BLU-109/B战斗部侵彻爆炸作用下混凝土的临界贯穿厚度分别为1.4、3.4和3.8 m，临界震塌厚度分别为3.6、6.3和8.3 m；由于携带炸药量的差异，不同战斗部侵彻爆炸下的临界贯穿和临界震塌厚度与侵彻深度的比值非定值，相应的比值范围分别为1.4...     

GPU-accelerated smoothed particle hydrodynamics modeling of jet formation and penetration capability of shaped charges

The prediction of the penetration of three-dimensional (3D) shaped charge into steel plates is a challenging task. In this paper, the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is applied to simulate the jet formation generated by the shaped charge detonation and its damage to steel plates. The Jones–Wilkins–Lee (JWL) equation of state (EOS), Tillotson EOS, and elastic–perfectly plastic constitutive model were incorporated into SPH for the modeling of explosive detonation and dynamic behavior of metal material. The compute unified device architecture (CUDA) parallel programming interface has been employed in SPH to improve the computational efficiency of SPH. Firstly, the constitutive models and EOSs are validated by 3D TNT slab detonation and aluminum–aluminum (Al–Al) high velocity impact. Then the jet formation of the shaped charge detonation and its penetration into the steel plates are investigated using the graphics processing unit (GPU)-accelerated SPH methodology. The numerical results of these test cases are compared against the published experimental data or analytical result, which shows that the GPU-accelerated SPH methodology is capable of tackling the 3D shaped charge detonation and penetration involving millions of particles with high computational efficiency.     

神经网络状态方程在强爆炸冲击波数值模拟中的应用

强爆炸数值模拟的主要挑战在于如何准确地描述爆炸产物状态方程。利用BP神经网络和强爆炸产物状态数据对神经网络产物状态方程进行训练，并将得到的状态方程植入自编的一维球对称数值模拟程序，对强爆炸冲击波参数进行了计算。结果显示，计算得到的冲击波峰值超压、冲击波到时、正压时间与标准值吻合较好，证明将神经网络状态方程应用于强爆炸冲击波数值模拟是可行的。研究结果对确定强爆炸数值模拟方法具有很好的借鉴意义。     

304L/Q235B大面积金属板爆炸焊接物质点法模拟分析

大面积金属板材304L/Q235B的爆炸焊接过程涉及炸药爆轰、金属板材的高速碰撞和塑性变形等。采用有限元法计算模拟这个问题时,网格单元会发生扭曲畸变现象,导致计算精度下降,甚至出现单元负体积而使计算终止,并且炸药爆轰形成气体产物飞散过程也很难模拟。为了能模拟大面积金属板材的爆炸焊接整个过程并获得合理的技术工艺参数,采用物质点法进行三维数值模拟分析。物质点法作为一种无网格法,在模拟冲击动力学问题中主要采用显式积分算法。通过将拉格朗日质点单元与固定的欧拉背景网格相结合,可以实现爆炸焊接的复板与基板的高速碰撞、炸药滑移爆轰、金属板面的塑性变形过程的数值模拟,并给出爆炸复合板材的形变、有效塑性应变和复板与基板的碰撞速度的计算结果。采用物质点法模拟的复合板材变形与爆炸焊接实验结果基本一致。计算复板与基板的碰撞速度这个重要的物理参数时,物质点法与Richter理论公式的相对误差不超过13%。数值计算和实验结果表明,物质点法在数值精度和计算效率方面具有优势,物质点法是研究金属焊接爆炸问题的一种有效数值方法。     

聚能射流侵彻页岩储层损伤裂隙形成机制

为研究药型罩对聚能射孔弹侵彻页岩储层的射孔和损伤致裂效果的影响机理，建立了射孔弹-空气-页岩三维模型，设置药型罩的锥角分别为50°、60°、70°和80°，壁厚分别为0.5、1.0和1.5 mm，材料分别为铜、钢、钛和钨。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算，分别从射流速度与形态、页岩射孔效果及页岩孔裂隙形成规律特征等进行系统性分析。研究结果表明：在射孔弹结构中，随着药型罩锥角的减小，射流速度提高、杵体速度降低、侵彻深度增大同时开孔孔径减小。在一定范围内，适当减小药型罩的壁厚，可以提高射流速度、减小杵体质量、增大侵彻深度和开孔倾斜度。药型罩材料对射流速度、杵体结构和页岩射孔效果均有显著影响，其中钨药型罩射孔弹的侵彻深度最大但开孔孔径最小，钛药型罩射孔弹的侵彻深度最小但开孔倾斜度最大，铜比钢药型罩射孔弹的侵彻深度略大但开孔孔径略小。通过研究不同对照组的页岩孔裂隙形成规律特征发现，页岩孔裂隙发育主要发生在杵体对页岩的再扩孔阶段，减小射流初始扩孔孔径、增大杵体直径、提高杵体速度，可以促进页岩孔裂隙发育程度。     

基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为及本构参数反演

探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络TW-Deepnets模型和随机森林RF模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.      

Determination of Ductile Damage Parameters by Local Deformation Fields: Measurement and Simulation

This work comprises the development, implementation and application of methods for the parameter identification of damage mechanical constitutive laws. Ductile damage is described on a continuum mechanical basis by extension of the von Mises yield condition with the Gurson–Tvergaard–Needleman as well as with the Rousselier model. The classical Rousselier model is complemented by accelerated void growth and void nucleation. The non-linear boundary and initial value problem is solved by the finite element system SPC–PMHP, which was developed in the frame of the special research program SFB393 for parallel computers. The material parameters are identified by locally measured displacement fields and measured force–displacement curves. For the material parameter identification a non-linear optimization algorithm is used, which renders the objective function to a minimum by means of a gradient based method. A useful strategy to identify the material parameters was found by careful numerical studies. Finally, using the object grating method the local displacement fields as well as the force–displacement curves are measured at notched flat bar tension specimens made of StE 690 and the parameters of the material are identified.     

无网格MPM法三维爆炸焊接数值模拟

物质点法MPM(Material Point Method)是无网格方法之一.它是在质点网格法(PIC)基础上发展而来的一种新数值方法,它利用了欧拉法和拉格朗日法两者的优点,计算物质点在冲击载荷下的应力和应交;通过物质点来跟踪材料体的变形和破损,而在整个计算过程中背景网格始终固定不变,避免了重新划分网格.本文应用MPM法计算三维爆炸焊接问题,在爆轰载荷作用下的飞板和基板的金属动态变形过程进行了三维数值模拟,并且对飞板的碰撞点速度和爆轰压力变化进行了计算分析.