ANTI-BLAST ANALYSIS OF CELLULAR SACRIFICIAL CLADDING

运用一维冲击波模型和三维细观有限元模型分析了多胞牺牲层的抗爆炸行为. 基于刚性-塑性硬化(R-PH)的多胞材料模型,建立了一维冲击波模型,得到了多胞牺牲层中冲击波传播的控制方程. 揭示了冲击波在多胞牺牲层中的传播特性,并阐述了附加质量和爆炸载荷强度两个参数对牺牲层设计的重要影响. 比较了基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L) 模型和基于刚性-塑性硬化(R-PH) 模型的多胞牺牲层的结构设计,指出了两种模型的适用范围. 通过基于三维Voronoi 技术的细观有限元方法验证了基于R-PH 模型的多胞牺牲层结构的设计准则.     

梯度多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维非线性塑性冲击波模型和细观有限元模型对密度梯度多胞牺牲层的抗爆炸性能进行了分析。基于率无关的刚性-塑性硬化模型,建立了描述冲击波在多胞牺牲层中传播的控制方程,分别给出了正、负密度梯度多胞材料在指数型爆炸载荷作用下的响应特性。研究了可正好吸收爆炸能量的梯度多胞牺牲层的临界厚度与载荷强度、覆盖层质量、多胞材料的密度梯度等参数之间的关系,给出了以临界厚度和支撑端应力峰值为指标的密度梯度设计图。运用二维细观有限元模型验证了基于非线性塑性冲击波模型的抗爆炸分析的有效性。     

多孔泡沫牺牲层的动态压溃及缓冲吸能机理研究

本文对强动载荷下多孔泡沫牺牲层的动态压溃行为及缓冲吸能机理进行了研究. 基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)及刚性-塑性硬化(R-PH)两类多孔泡沫材料本构, 建立了强动载荷下多孔泡沫牺牲层动态响应的理论分析模型, 分析了一维冲击波在多孔泡沫牺牲层中的传播规律; 利用Voronoi方法建立了多孔泡沫牺牲层的二维细观有限元模型, 获得了冲击载荷下多孔泡沫牺牲层的变形模式和动态响应曲线, 讨论了多孔泡沫材料的层间界面效应对多孔泡沫牺牲层缓冲吸能的影响. 研究结果表明, 考虑多孔泡沫材料塑性硬化影响的理论分析模型能够预测入射波在远端的反射及对多孔泡沫牺牲层的二次压缩过程和端部应力增强现象; 相比较存在界面的多孔泡沫牺牲层, 连续设计的多孔泡沫牺牲层可增强其缓冲吸能能力, 但在界面处增加设计刚性面板则能够降低界面胞元不完整对缓冲吸能的影响; 相同冲量载荷下, 端部应力峰值随冲击能量增大而增大, 而端部冲击波的反射可能是端部应力增强的主要诱因.      

多胞材料的动态应力应变状态及其一致近似关系

多胞材料在高速冲击下呈现出逐层压溃的变形模式，塑性冲击波模型可以用来表征这种集中变形带的传播行为。本文中采用截面应力计算方法得到了随机蜂窝在恒速冲击下的一维应力分布，进而对冲击波的传播规律进行了分析。比较了高速冲击下由不同方法得到的冲击波速度与冲击速度的关系，结果表明R-PP-L（率无关，刚性-理想塑性-锁定）模型高估了冲击波速度，但R-PH（率无关，刚性-塑性硬化）模型以及一维冲击波理论得到的冲击波速度与有限元结果比较接近。冲击波速度与冲击速度在高速情形下趋于线性关系，但随着冲击速度的减小，冲击波速度不断减少并趋于常数。根据这一特征和塑性冲击波模型，发展了可以表征冲击波速度与冲击速度的关系、动态应力应变关系的一致近似模型。     

泡沫杆撞击刚性壁的动态压溃模型

针对泡沫杆撞击刚性壁的情形建立了2类动态压溃模型:一维冲击波模型和三维细观有限元模 型。以连续介质框架下的应力波理论为基础,并假定了刚性-非线性塑性硬化的加载和刚性卸载的本构关系, 建立了一维冲击波模型,给出了冲击波波后应变与冲击时间的隐式表达式。利用随机Voronoi技术构建了闭 孔泡沫金属结构的三维细观有限元模型,使用ABAQUS/Explicit有限元软件模拟了泡沫材料的动态压溃过 程,并基于最小二乘法计算局部变形梯度和局部应变得到了三维泡沫结构的应变场。通过理论解和数值解的 比较,发现该理论模型能够较好地预测泡沫金属杆撞击刚性壁的力学行为,得到了较为精确的结果。     

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量，引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感，不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应，较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料，基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法，以维持冲击物受载恒定为目标，运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型，并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明，反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的，所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。     

球对称形式物质点法及其在水下爆炸中的应用

利用物质点法求解三维远场水下爆炸冲击响应问题时,爆炸冲击波到达结构物之前传播过程的计算会消耗大量的计算资源,影响求解效率。针对这一问题,并考虑到水下爆炸冲击波在自由场中的传播特点,提出了一维球对称形式的物质点法,对球形炸药水下爆炸过程进行了数值模拟,并与Cole公式以及DYNA计算结果进行了比较,结果吻合较好,验证了一维球对称形式物质点法的正确性。在此基础上,提出了基于物质点法的重映射算法,将爆炸冲击波在自由场中的传播过程在一维球对称模型中进行计算,并将计算结果映射到三维模型中,以便继续完成计算过程,有效避免了计算资源在冲击波传播过程计算上的消耗。     

基于爆能等效原理大型模爆器燃气爆炸冲击加载的数值模拟

运用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA,基于多物质Euler算法,对TNT炸药和乙炔-空气混合气体两种爆炸源在自由大气场中爆炸产生的冲击波荷载特征参数进行数值模拟,比较两种爆源产生的冲击波压力传播规律。基于爆能等效原理,按超压相等的原则给出了气体爆炸名义比例距离计算公式。结果表明,基于Euler算法可以较好地描述乙炔-空气混合气体爆炸空气冲击波传播规律,爆炸压力随着距爆源距离的增大而迅速衰减,且两种爆源产生的冲击波超压峰值误差随着冲击波传播距离的增大而逐渐减小。采用名义比例距离公式修正后,气体爆炸与炸药爆炸冲击波计算误差可以得到有效控制。当爆炸冲击波超压小于0.5MPa时,可以采用乙炔-空气混合气体代替化学炸药进行模爆器内爆炸实验加载。     

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

船用加筋板架爆炸载荷下动态响应数值分析

针对船用加筋板架复杂结构在爆炸冲击波作用下的动态响应 ,采用商用高动态非线性有限元程序MSC/Dytran ,讨论了大尺寸加强结构板架迎爆承载问题 ,提出了复杂板架结构爆炸冲击波作用下动态响应的有限元计算方法 ,并进行了模型试验。试验结果与计算结果吻合较好 ,验证了应用程序及计算模型参数的稳定性和可靠性。对加筋板架两种承载形式 (大尺寸加强构件迎爆或背爆设置 )在爆炸冲击波作用下的动态响应 (板架中心挠度和塑性分布 )差异的分析研究表明 ,大尺寸骨架 (纵骨和肋骨 )背向爆炸冲击波设置将分散爆炸冲击波的冲击作用、减小板架变形、增强其抵抗爆炸冲击波冲击的能力 ,使结构偏于安全。     

Crashworthiness design of density-graded cellular metals

Crashworthiness of cellular metals with a linear density gradient was analyzed by using cell-based finite element models and shock models. Mechanisms of energy absorption and deformation of graded cellular metals were explored by shock wave propagation analysis. Results show that a positive density gradient is a good choice for protecting the impacting object because it can meet the crashworthiness requirements of high energy absorption, stable impact resistance and low peak stress.     

On the local nature of the strain field calculation method for measuring heterogeneous deformation of cellular materials

A strain field calculation method based on the optimal local deformation gradient technique has been developed to calculate the ‘local’ strain tensor of cellular materials using cell-based finite element models. The local nature and accuracy of this method may be strongly dependent on the cut-off radius, which is introduced to collect the effective nodes for determining the optimal local deformation gradient of a node. Two different schemes are first analyzed to determine the suitable cut-off radius by characterizing the heterogeneous deformation of Voronoi honeycombs under uniaxial compression and we suggest that in Scheme 1, the cut-off radius defined based on the reference configuration is about 1.5 times the average cell radius; in Scheme 2, the cut-off radius defined based on the current configuration is about 0.5 times the average cell radius. Then, Scheme 3, a combined scheme of the two former schemes, is further suggested. It is demonstrated that the optimal cut-off radius in Scheme 3 characterizes the local strain reasonable well whether the compression rate is low or high. Finally, the strain field calculation method with the optimal cut-off radius is applied to reveal the evolution of the heterogeneous deformation of two different configurations of double-layer cellular cladding under a linear decaying blast load. The 2D fields and the 1D distributions of local engineering strain are calculated. These results interpret the shock wave propagation mechanisms in both claddings and provide useful understanding in the design of a double-layer cellular cladding.     

高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解效应

为研究高聚物牺牲包层对钢筋混凝土结构的爆炸毁伤缓解效应，开展了带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板的接触爆炸试验，同时设置了普通钢筋混凝土板作为对照组，对比分析了高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板毁伤特征的影响。此外，运用AUTODYN软件建立了现场爆炸试验的SPH-FEM耦合模型，通过与试验结果的对比，验证了所建耦合模型的可靠性。在此基础上，通过参数敏感性分析，探究了炸药量和高聚物牺牲包层密度、厚度对带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板毁伤特性以及吸能特性的影响。结果表明：接触爆炸下，高聚物牺牲包层能够有效地分散爆炸荷载，缓解爆炸荷载对钢筋混凝土板的冲击作用，具有良好的防护性能；药量在一定范围内增大时，高聚物牺牲包层依然能维持较高的吸能水平，增大包层密度和厚度有利于增强高聚物牺牲包层的吸能特性，包层厚度的变化会造成被保护钢筋混凝土板毁伤模式的改变。     

弹性半空间二维出平面自由波场的一维化时域算法

提出了一种计算出平面SH波斜入射时弹性半空间自由波场时域计算的一维化有限元方法。首先利用Snell定律确定平面波沿水平方向的传播规律,在用有限元法对弹性半空间进行离散化时,竖向单元尺寸根据波动有限元模拟精度要求确定,而水平向有限元网格尺寸根据水平向波的传播规律和采用的离散时间步长确定,使得有限元离散模型中任意节点的运动可以用水平向相邻节点的运动表示,从而将二维有限元节点运动方程组化为一维的形式。求解此一维方程组,可得到弹性半空间中一列节点的运动,再根据行波的传播规律,可确定全空间自由波场。理论分析和数值算例表明,该方法具有较高的精度和良好的稳定性。     

爆轰波强间断问题的伪弧长算法及其人为解验证

针对该问题开展了伪弧长数值算法研究,通过引入弧长参数,使网格按照一定的形式自适应移动,达到在强间断区域自动加密的效果,从而提高网格分辨率。基于伪弧长算法编写了二维程序,并对程序进行人为解方法验证。将伪弧长算法和直接有限体积法的数值结果进行对比,通过误差分析,显示出伪弧长算法能有效提高计算精度。最后将伪弧长算法应用于气相爆轰波在二维管道中的传播问题,研究了波阵面的捕捉效果和爆轰波胞格结构的形成过程。