泡沫子弹冲击固支单梁的耦合分析模型

使用泡沫金属子弹进行冲击可以模拟爆炸载荷的作用, 这一加载技术已被应用于防护结构的抗冲击性能测试中, 然而泡沫子弹作用于被测试结构上的真实载荷以及二者间的相互作用过程尚不明晰. 本文以泡沫子弹冲击固支梁的情形为例, 开展了对该冲击过程的理论分析和数值模拟研究. 基于泡沫材料的冲击波模型与固支单梁的结构冲击动力学响应模型, 构建了描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型. 给出了不同响应阶段下子弹和单梁的动力学控制方程, 并采用Runge-Kutta方法得到了方程的数值解. 基于三维Voronoi技术, 建立了泡沫子弹冲击固支单梁的有限元模型并进行了数值模拟. 通过与有限元模拟结果的对比发现, 相较于经典的脉冲加载模型, 耦合分析模型能更好地预测泡沫子弹和单梁的速度变化规律, 也能准确地预测子弹对单梁的真实冲击压强. 当泡沫子弹的初始动量相同时, 由于子弹自身的压溃行为, 子弹的初始冲击速度、密度和长度的改变都会对冲击过程产生影响. 最后, 通过耦合分析模型分别分析了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响, 并针对具有不同特征的目标模拟载荷给出了泡沫子弹的筛选策略. 所构建的耦合分析模型为研究泡沫子弹与被测试结构之间的相互作用规律以及泡沫子弹的设计提供了理论基础.      

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶的数值模拟

针对12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶时可能出现子弹保持完整或发生破碎的情况,过去的数值模拟仅限于模拟单一模式的子弹侵彻行为。为了克服这种数值模拟的局限性,开展了模型算法、网格尺寸对模拟结果影响的研究,并将模拟结果与实验结果进行了对比,提出了一种能够用于模拟子弹保持完整或破碎的弹靶模型。研究结果表明,为模拟子弹保持完整状态,子弹和靶板应分别采用基于Lagrange算法的有限元法和光滑粒子算法,而且子弹网格尺寸和靶板粒子间距之比应至少保持在5.3左右,否则弹头会产生与实验结果不符合的异常变形。但是,在模拟子弹发生破碎侵蚀时,该比例的网格/粒子尺寸比会引起计算中止。为了克服该问题,进一步建立了一种弹体表面采用大尺寸网格、内部采用细化小尺寸网格的有限元/光滑粒子法耦合弹靶模型。计算结果表明,改进的弹靶模型可模拟子弹保持完整或者发生破碎的情况。     

基于Hopkinson杆的加速度传感器测试系统仿真与测试研究

针对加速度传感器的Hopkinson杆动态试验装置,采用有限元工具对Hopkinson杆测试系统进行了仿真研究。仿真结果说明整形垫的加入和入射子弹形状的改变提高了应力历史的上升时间和加速度历史的脉宽。动态加载的试验测试与仿真结果表明:当由平头子弹改为尖头子弹并添加铝制整形垫后,入射杆应力脉冲持续时间与对加速度传感器加载的加速度冲击均得到了大幅提升。Hopkinson杆动态测试系统的测试与仿真研究为传感器的冲击试验设计奠定了基础。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态断裂实验研究

制作了中心直裂纹平台巴西圆盘（cracked straight through flattened Brazilian disc-CSTFBD）试样,利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar-SHPB）加载,进行了岩石纯Ⅰ型和复合型（Ⅰ＋Ⅱ型）动态断裂实验。由于加载角（载荷方向与裂纹线的夹角）在制作试样时已经通过裂纹线与试样平台的位置关系确定,因此在实验中可以方便而准确地实施加栽。比较了纯Ⅰ型加载和复合型加载下压杆上记录的入射波、反射波和透射波的波形。采用实验与数值相结合的方法,将实验得到的动态载荷输入有限元程序,得到了纯Ⅰ型试样的动态断裂韧度和复合型试样的两种动态应力强度因子的时间历程。计算了加载角为15°的试样应力强度因子的复合比（KI（t）／KⅡ（t））,此计算值与文献结果吻合较好,验证了实验方法的有效性。     

动载作用下复合型裂纹扩展的近场动力学模拟

构建改进的非局部近场动力学模型和粒子系统动力加载算法,开展复合型裂纹动力扩展过程模拟。在常规近场动力学微极模型中引入能反映非局部长程力尺寸效应的核函数修正项,以提高计算精度和收敛稳定性。通过模拟动载作用下含复合型裂纹混凝土三点弯梁的裂纹扩展与破坏过程并与试验结果对比,验证了本文模型和算法的可靠性。在此基础上,通过分组模拟分析了动载作用下,初始裂纹的位置、长度和方向对含复合型裂纹三点弯梁破坏模式、起裂时间与承载能力的影响规律。     

爆炸荷载作用下地下拱形结构动力响应样条小波有限元研究

采用小波有限元方法研究爆炸荷载作用下地下结构的动力响应,克服在模拟过程中由于材料的奇异性、地质条件的复杂性和加载的快速性出现的应力集中和计算效率低下,根据样条有限点法,构造了单向和双向区间B样条圆环扇形小波单元,用尺度函数作为插值函数;结合工程实例,通过Matlab软件编程对爆炸荷载作用地下拱形结构的动力响应进行了数值模拟,并与应用传统有限元程序模拟结果进行对比。结果表明,小波有限元用很少单元取得了较高的精度,计算效率比传统有限元提高一倍。     

SHPB系统试件恒应变率加载实验方法研究

为了获得材料准确的动态力学性能参数,提出了两种对试件实现恒应变率加载的实验方法:双试件SHPB方法和将圆柱形子弹改变成柱锥形子弹的SHPB方法。对三种金属材料进行了实验,并用数值模拟的手段对这两种方法进行了验证和比较。     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明:对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

临近复合地基侧向土压力模型试验方案设计研究

为了研究刚性桩复合地基对邻近支护结构侧土压力的影响,在室内模型试验方案设计前,通过有限元软件建立了邻近天然地基与复合地基模型进行数值模拟研究,对不同地基形式下静止挡墙侧土压力分布规律进行预估。两组数值模拟结果对比表明:复合地基土压力分布规律不同于天然地基,当复合地基褥垫层下方桩间土应力与天然地基土应力相同时,天然地基对挡墙相同位置处的墙侧土压力的附加作用效果要明显大于复合地基,但在"载荷传递效应"作用下,复合地基对挡墙侧向土压力的影响随着加载量的增加,逐步向更深处土体传递;与天然地基相比,复合地基对挡墙侧向土压力的影响在浅部土层相对较弱,但在深部土层中较强,并且在桩端应力集中对挡墙底部侧向土压力影响尤为显著。     

DESIGN OF LATERAL SOIL PRESSURE MODEL TEST SCHEME FOR ADJACENT COMPOSITE FOUNDATION1)

为了研究刚性桩复合地基对邻近支护结构侧土压力的影响,在室内模型试验方案设计前,通过有限元软件建立了邻近天然地基与复合地基模型进行数值模拟研究,对不同地基形式下静止挡墙侧土压力分布规律进行预估。两组数值模拟结果对比表明：复合地基土压力分布规律不同于天然地基,当复合地基褥垫层下方桩间土应力与天然地基土应力相同时,天然地基对挡墙相同位置处的墙侧土压力的附加作用效果要明显大于复合地基,但在"载荷传递效应"作用下,复合地基对挡墙侧向土压力的影响随着加载量的增加,逐步向更深处土体传递;与天然地基相比,复合地基对挡墙侧向土压力的影响在浅部土层相对较弱,但在深部土层中较强,并且在桩端应力集中对挡墙底部侧向土压力影响尤为显著。     

高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。     

基于Hopkinson压杆的动态压剪复合加载实验研究

提出了一种可用于研究压剪复合加载下, 材料动态力学性能的实验装置, 该装置基于Hopkinson压杆, 通过添加一个带倾斜端面的垫块, 实现压剪复合加载.分析了该实验装置的基本数据处理方法, 并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性;然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度, 不同倾斜角度(0$^\circ$,30$^\circ$, 45$^\circ$)下的一系列实验. 实验结果表明, 该装置能实现压剪复合加载, 并且能得到材料的动态屈服面, 为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法.      

静电微电机微转子接触动力学特性分析

提出静电微电机中转子和固定轴承间相互接触的数学模型，对微尺度下的接触应力和应变 特性进行理论推导，分析静电微电机几何参数、静电力、材料特性及加载电压对接触宽度、 应力和应变特性的影响，对比研究不同工况下接触宽度、接触应力和应变的变化，并就相同 的问题进行有限元分析，探讨摩擦系数对接触区von Mises应力、应变和接触压力 的影响，结果表明有限元模拟所得接触应力和应变分布与数学 模型的解析值较为相似.     

具有填充材料的金属格栅夹层板在高速冲击下动态响应的数值分析

利用大型非线性有限元程序ABAQUS和LS-DYNA,对具有填充材料的金属格栅结构的冲击问题进行数值模拟.研究了不同的填充材料(金属泡沫和陶瓷)分别填充到不同的格栅构型(波纹型、蜂窝型和加强六边形)夹层板后,各类夹层板受到金属泡沫子弹和不锈钢子弹冲击时变形与能量吸收特性,探讨了夹层板上下面层板、支撑格栅及填充材料等各部分的吸能比率.研究结果表明,泡沫填充夹层板在缓冲吸能方面具有优势,陶瓷填充夹层板则在抵抗冲击穿透方面更具有优势,不同构型的夹层板,性能略有不同.     

高g值加速度发生器中的波形整形技术

以Hopkinson压杆实验装置作为火工品抗过载实验中的高g值加速度发生器,通过数值模拟分析了子弹（形状）、波形整形器（材料、直径、厚度）对加载脉冲的影响规律,并获得了所需的加速度脉冲,实现了有效控制和改善火工品冲击实验中的加载环境。研究结果可为检验火工品在冲击环境下或经冲击后性能可靠度的实验设计、测试等提供依据。     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

基于紧凑拉伸剪切结构的复合型疲劳裂纹扩展研究

针对含I-II型复合裂纹的紧凑拉伸剪切(CTS)试样,研究了不同加载角度下的裂纹扩展路径及裂纹扩展寿命,通过实验数据给出了适宜于CTS试样的等效应力强度因子关系式,并基于此提出了一种新的I-II型复合裂纹扩展模型。研究表明,CTS试样的裂纹沿与加载方向近垂直的方向扩展,基于Tanaka公式的等效应力强度因子更适合于本文CTS试件的裂纹扩展寿命评估。当加载角度处于0°~45°之间时,提出的复合型裂纹扩展模型预测误差控制在5.49%之内,验证了分析模型的可行性和准确性。