高导无氧铜杆的冲击拉伸断裂系列实验以及基于样本体积单元的分析

采用Hopkinson装置和一种基于一级气体炮的高速冲击拉伸断裂装置,研究了无刻槽高导无氧铜 (OFHC)杆在一系列冲击拉伸速度下的断裂。当冲击拉伸速度大于40m/s时,断裂位置总在冲击拉伸端附 近,此速度被确定为OFHC的实验临界冲击拉伸速度。一种受单轴冲击拉伸荷载的、中心含椭球空穴的样本 体积单元被用于数值模拟所含空穴的增长与失稳的过程。OFHC的J-C与Z-A 本构关系用于描述基体材料 的动态响应。讨论了空穴失稳条件并提出以空穴形状演化为判据,比较了空穴失稳时的样本体积单元平均径 向应变与无刻槽杆的冲击断裂应变。也用这种样本体积单元模型分析了OFHC的实验临界冲击拉伸速度。     

基于连续-非连续单元法的三维脆性颗粒冲击破碎特性分析

通过在连续-非连续单元法(CDEM)中引入考虑应变率效应的断裂能本构以及能量统计算法,实现了球体冲击破碎过程中损伤破裂程度及能量演化的定量分析。计算结果表明,冲击破碎过程分为接触蓄能阶段、损伤破碎阶段和碎块飞散阶段。首先,颗粒的部分动能转化为单元弹性变形能,随后这部分变形能和动能迅速转化为摩擦消耗、阻尼消耗及弹簧断裂能,破碎基本完全后碎块继续飞散。不同冲击速度下,颗粒分别出现了反弹、开裂、破碎和粉碎的现象。随冲击速度的增加,D50的变化速率逐渐放缓,破碎块度逐渐趋于稳定;破裂度、损伤度以及平均损伤因子的变化速率先增加后放缓,颗粒破坏以拉伸破坏为主。以上结论可为脆性材料冲击破碎工艺的优化设计提供依据。     

一种基于颗粒接触的二维无网格方法及其在高速冲击模拟中的应用

为解决基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)在高速冲击模拟中因网格畸变导致的系统能量发散问题,提出了一种基于颗粒接触的二维无网格方法(PCMM)。该方法基于颗粒间复杂丰富的接触信息构建三角形单元,通过接触对的演化更新实现旧单元(满足删除条件的单元)的删除及新单元(满足创建条件的单元)的重建,通过在单元内引入流体弹塑性模型实现高速冲击问题的模拟。给出了三角形单元创建的3个必备条件:组成单元的3个颗粒必须彼此接触,任意一个内角必须在30°~150°之间,任意一条边长必须大于平均半径的0.5倍。弹性杆撞击、泰勒杆、碎片云、子弹入射靶板等算例的结果表明了PCMM方法在模拟高速冲击问题方面的正确性及合理性。     

基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟

爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节，数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段。利用连续-非连续单元方法（continuum-discontinuum element method，CDEM）对露天矿的三维台阶爆破过程进行了模拟，通过朗道爆炸模型实现了爆炸作用力的精确计算，通过弹性-损伤-断裂本构实现了岩体损伤破裂过程的描述，通过半弹簧-目标面及半棱-目标棱的联合接触算法实现了破碎岩块碰撞、飞散及堆积过程的高效模拟。开展了小尺度单自由面爆破过程的数值模拟，计算给出的块度分布曲线、爆破漏斗体积等参数与文献中模型实验的结果基本一致，证明了CDEM及本文所述各类模型在模拟爆炸破岩方面的精确性。以鞍千矿南采区的露天铁矿爆破开采为研究对象，建立了3排21炮孔的三维台阶爆破概化模型，模拟了从炸药起爆、岩体损伤破裂到最后爆堆形成的全过程；计算结果表明，除后缘拉裂槽外，数值计算给出的爆堆形态、顶部鼓起高度等与现场的测试结果基本一致，证明了利用CDEM开展三维露天台阶爆破全过程模拟的可行性。     

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。     

双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅰ)——数字图像相关技术试验

通过数字图像相关技术试验研究了双相钢平板单向拉伸试件的拉伸变形和断裂失效过程,与理论结果对比分析了集中性失稳带的分布和方向.试验研究结果表明,试件的变形过程包括均匀变形、分散性失稳、集中性失稳和拉断4个阶段;集中性失稳的区域呈"×"形分布,与加载方向约成57°;起裂点位于局部颈缩截面的中心点处;双相钢的延伸率为18%.     

高量程压阻式加速度计的Hopkinson杆冲击测试及失效分析

为了保证高量程加速度计在冲击过程中的可靠性、有效性,减小其失效几率,以Hopkinson杆作为加载手段,采用激光干涉法对量程为1.0′10~5 g_n的4端全固支压阻式梁-岛结构微加速度计进行冲击试验,并分析了高量程加速度计抗过载能力及在冲击环境下失效模式和失效机理。试验中抽样对同种结构的10只传感器分别进行了冲击测试,根据测试结果可知,该结构的微加速度计抗过载能力为1.3′10~5g_n。通过分析可知失效模式主要表现为微结构梁的断裂、裂纹、键合点脱落现象。通过研究失效模式产生的原因发现,造成结构出现断裂、裂纹现象的原因主要有两种:一是重复连续冲击测试引起微结构疲劳产生失效;二是由于在冲击过程中加速度计芯片与该过程中产生的高频信号分量发生共振导致过载瞬间增大加速度计芯片结构位移失控使结构失效。通过采用不同手段完善传感器结构,提高了其可靠性。     

爆炸冲击震动模拟平台的研制

为了模拟核爆、化爆冲击震动环境,根据能量守恒和弹性碰撞原理,研制了悬挂式爆炸冲击震动模拟平台。该平台能够完成水平向和垂直向冲击试验,通过对锤重、锤高和垫层厚度等参数的合理选择,性能指标可达到:水平向冲击加速度峰值5~1 500 m/s2,作用时间50~4 ms;垂直向冲击加速度峰值10~1 000 m/s2,作用时间60~4 ms。性能试验表明,该平台能够为防护工程结构抗震及其他有关冲击振动问题的研究提供安全、方便、经济、可靠的试验手段。     

边缘冲击（EOI）作用下透明陶瓷破坏特性研究

相较于传统透明材料,相同面密度下透明陶瓷具有更优异的抗冲击性能,使其成为极具应用前景的透明装甲防护材料。研究透明陶瓷在冲击下的破坏响应及损伤演化规律,对透明陶瓷装甲的结构设计及防护能力的提高起到至关重要的作用。为了比较传统透明材料与典型透明陶瓷材料在冲击过程中的破坏特性差异,利用9 mm弹道枪发射平台进行了浮法玻璃、YAG透明陶瓷及镁铝尖晶石透明陶瓷3种透明材料的边缘冲击试验,破片发射速度为200~300 m/s。通过高速摄影捕捉破片的撞击过程,分析了粉碎区及主裂纹扩展距离随时间的变化规律。结果表明,3种材料在不同速度破片的冲击作用下,粉碎区面积与材料强度呈负相关性。对同种材料,在200~300 m/s速度范围内,破片撞击速度对主裂纹的扩展速度没有影响。同时比较了玻璃与透明陶瓷在宏观尺度上的损伤演化特征差异:玻璃在粉碎区两侧产生三角形的次裂纹区域,陶瓷材料则会产生细长的次裂纹簇,并会产生较明显的裂纹“分叉”现象。利用扫描电子显微镜对回收到的陶瓷碎片进行观测,并分析了2种透明陶瓷材料在细观尺度破坏特征的异同。2种透明陶瓷的径向裂纹断面上会出现从沿晶断裂到穿晶断裂的过渡变化,而环向断裂面上几乎都是沿晶和穿晶混合断裂。2种透明陶瓷中,仅YAG透明陶瓷在沿晶断裂时会出现晶体“剥落”现象。     

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应，开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验，使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程，并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟，通过调整流固耦合的网格大小，避免了耦合泄漏。实验结果表明，火箭发动机受到射流冲击后，会发生剧烈爆炸，推进剂完全反应，破片速度达4 700 m/s以上，距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa，爆炸中心温度达到3 000 ℃以上，该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示，射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后，射流头部的尖端被严重烧蚀，且速度降至约5 600 m/s；推进剂在受到射流侵彻1～2 mm后，发生剧烈反应；爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播，并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂，发生装药的二次冲击起爆，同时伴有回爆现象，在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰；距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa，与实验结果吻合较好。     

考虑动静摩擦影响的可接触型裂纹动态响应的隐式算法

提出一种考虑裂纹面摩擦影响的可接触型裂纹动力反应的时域隐式计算方法。这一方法不但可以较好地描述裂纹面间的碰撞过程及反映动接触时裂纹面间动、静摩擦力的影响，而且使动接触问题分析中的系统矩阵成为对称型式，在弹塑性有限元迭代过程中，无需增加额外的迭代即可求得较好的结果。数值结果表明本文方法具有良好的稳定性和较高的精度。     

风机叶片涂层雨蚀研究

研究了风电叶片在雨水冲击下的失效过程,利用有限元方法建立雨水冲击的数值模型,分析了雨滴的冲击角度、直径、涂层性能等对涂层受力的影响,并对双雨滴及四雨滴耦合模型进行了研究。结果表明:风雨耦合流场中叶片最大载荷在叶尖处,涂层的冲击受力与雨滴冲击角度和雨滴直径的大小呈正相关。低模量涂层能大幅降低涂层受冲击时的拉伸应力,小幅增加其压缩应力。同一平面内的双雨滴耦合时,拉伸应力受影响的范围较大,压缩应力受影响的范围较小。不同高度差下的双雨滴耦合中,随着高度差的增大,材料拉伸和压缩应力都呈现先增后减的趋势,其中压缩应力随高度差的变化幅度明显大于拉伸应力。四雨滴耦合时压缩应力对间距的变化更加敏感。涂层失效的过程主要为:涂层表面拉应力疲劳产生微裂纹;液压渗透引起裂纹扩展,涂层质量减少,表面粗糙度增加;表面小范围破坏后形成的凹面结构促进涂层的失效。     

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.      

缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统，对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明，切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10 μs，有利于能量优先沿切槽方向释放；切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2，其裂纹扩展的平均速度为277 m/s，分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%；当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后，为爆生气体提供了足够的膨胀空间，诱导爆生气体向预制裂纹两端释放，翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主，并在裂纹扩展的60~250 μs内，Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6~0.8 MN/m3/2，形成了明显的平台，延缓了翼裂纹扩展速度的衰减，最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。     

Stress intensity factor range and propagation mode of surface cracks under rolling–sliding contact

Finite element analyses were conducted in order to evaluate the mode I and mode II stress intensity factors for inclined edge cracks under cyclic contact load under rolling and rolling–sliding condition. The SIF range depends on crack orientation, crack length to Hertzian contact zone half-width ratio, friction between the crack faces and friction on the contact surface. The results were combined in two compact functions that determine the ΔK_I and ΔK_II values. The crack propagation mode and direction were investigated using both the maximum stress criterion and the minimum strain energy density criterion. The results are displayed in graph form, which allows a fast evaluation of the crack growth condition.     

The instability mechanism of single and multilayer Newtonian and viscoelastic flows down an inclined plane

The instability mechanism of single and multilayer flow of Newtonian and viscoelastic fluids down an inclined plane has been examined based on a rigorous energy analysis as well as careful examination of the eigenfunctions. These analyses demonstrate that the free surface instability in single and multilayer flows in the limit of longwave disturbances (i.e., the most dangerous disturbances) arise due to the perturbation shear stresses at the free surface. Specifically, for viscoelastic flows, the elastic forces are destabilizing and the main driving force for the instability is the coupling between the base flow and the perturbation velocity and stresses and their gradient at the free surface. For Newtonian flows at finite Re, the driving force for the interfacial instability in the limit of longwaves depends on the placement of the less viscous fluid. If the less viscous fluid is adjacent to the solid surface then the main driving force for the instability is interfacial friction, otherwise the bulk contribution of Reynolds stresses drives the instability. For viscoelastic fluids in the limit of vanishingly small Re, the driving force for the instability is the coupling of the base flow and perturbation velocity and stresses and their gradients across the interface. In the limit of shortwaves the interfacial stability mechanism of flow down inclined plane is the same as plane Poiseuille flows (Ganpule and Khomami 1998, 1999a, b). Received: 20 October 2000/Accepted: 11 January 2001     

缝水压力和裂缝面接触条件对重力坝裂缝扩展影响

基于多边形比例边界有限元模拟了重力坝裂缝扩展过程,综合考虑了坝-库水-地基相互作用、裂缝面接触和缝水压力的影响。其中该接触模型能够有效防止裂缝面的相互嵌入;该缝水模型除能考虑裂缝面开合速度、缝隙宽度和水流形态对缝水压力分布的影响,还可基于连续性条件模拟缝内水体流动和空化的现象。以Koyna坝裂缝扩展为例,研究了裂缝面接触条件和缝水压力对计算结果的影响。结果显示,考虑接触的影响,震损较为严重。而与假定为常水压力分布的情况相比,实际的缝水压力分布形式对结果影响较为复杂。在裂缝张开时,减小了裂缝扩展的可能,而在裂缝闭合时正好与之相反。