MECHANICAL ANALYSIS OF VERTICAL SLENDER ROD DURING ITS TOPPLING

研究了细长垂直结构从开始倾倒到接触地面前这一短暂时间内的力学行为。采用解析方法,推导了实心、空心、变截面和加重物情况下细长杆倾倒过程的数学模型,设计了相应实验对该模型开展实验验证,通过测试细长垂直杆自由倾倒过程中应变沿杆轴线方向的分布和随时间的变化规律,并与理论模型得到的曲线对比,两者具有良好的相符性,由此验证了该文提出模型的正确性,并总结出多种细长垂直结构倾倒过程的应力应变演化和分布规律。     

考虑摩擦时刚性直杆倾倒的运动分析

为了探究考虑摩擦时均质刚性直杆倾倒的全过程,利用理论分析和数值计算的方法,详细分析了在不同摩擦因数下刚性直杆倾倒的三种运动过程,得到了倾倒时的动力学方程及其解答,并推导了杆触地端位移的表达式,通过数值计算的方法绘出了杆触地端最终位移与摩擦因数的关系曲线,并通过实验验证了部分结论。     

测量压杆临界压力的理论与实验

从细长压杆临界压力的定义出发，分析了实验测定压杆临界压力的困难，阐述了用振动方法测量细长压杆临界压力的理论，介绍了在轴向拉力和压力状态下用振动方法测量压杆临界压力的实验，并与材料力学中通常的压杆稳定实验------测量压溃载荷的实验进行了比较,得出结论：用振动方法可以比较准确地测得细长压杆的临界压力.     

基于Hopkinson杆的材料高应变率拉伸实验技术

分离式霍普金森杆(Split Hopkinson Bar)是测试材料在高应变率加载下力学行为的一种有效的实验手段.本文基于霍普金森杆测试原理,设计和研制了气枪式变截面间接杆杆型高应变率拉伸实验装置.该装置具有完备的、高精度的水平和轴向基准,采用等高的固定支撑,保证了杆-杆型实验系统具有良好的共轴度;入射杆与撞击套筒之间设有导向管,避免了撞击套筒直接与入射杆接触而产生的相互干扰;在导向管内设有支撑圈,以减小入射杆与导向管直接接触而产生的摩擦,并消除入射杆的径向跳动;采用前置金属短杆来获得光滑、平稳且幅值和宽度可调的拉伸入射加载脉冲.对LY12CZ铝合金在两种应变率下初步的验证性实验表明,该高应变率拉伸实验装置的设计是合理的,实验获得的应力—应变结果是可靠、有效的.     

一种高强度钢的动态力学本构参数识别和数值模拟

分析了N-1钢在不同应变率条件下(10-3~103s-1)的应力应变关系实验结果,得到了N-1钢的应 变率强化特性。修正了平板试件断裂面中心的真实应力,并通过对真实应变与最小截面的厚度缩减率关系的 研究,得到了断裂面中心的真实应变,从而识别出了N-1钢的修正Johnson-Cook本构模型的参数。利用所确 定的本构关系模型,对N-1钢平板试件的杆-杆型冲击拉伸过程进行了数值模拟,模拟结果与实验结果较吻 合,验证了采用的修正的Johnson-Cook本构模型参数的实验识别方法以及数值模拟方法的正确性。     

HTPB复合底排药压缩屈服应力模型研究

目前广泛应用于底排增程技术的HTPB复合底排药(composite base bleed grain,CBBG)是一种颗粒填充含能材料,战场环境中将承受冲击、温度等载荷作用.为研究HTPB CBBG冲击压缩力学性能,进行了不同温度(233～323K)和应变率(1100～7900s-1)下的分离式霍普金森压杆实验.实验结果表明,各工况下,应力应变曲线均呈现屈服-应变硬化特征,HTPB CBBG保持高韧性.提高应变率和降低温度均导致相同应变下的应力幅值上升,但温度较应变率对HTPB CBBG冲击压缩力学性能的影响更为显著.基于所研究温度范围高于HTPB CBBG玻璃化转变温度,通过将水平、垂直移位因子与温度的关系表示为WLF方程的形式,将时温等效原理引入协同模型,并计及内应力的应变率增强效应,提出了一种新的屈服应力模型.选取参考温度,利用水平、垂直移位因子-温度曲线和屈服应力主曲线拟合模型参数.模型预测值与实验数据对比结果表明:该模型可准确表征233～323K时HTPB CBBG屈服应力的双线性应变率相关性,明确了较低和较高应变率时,应变率效应分别主要由内应力和驱动力贡献.     

张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.      

岩石SHPB实验加载过程中应力平衡问题分析

运用一维应力波理论,分析了弹性应力波在分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验中的传播过程,推 导出试件和压杆中应力分布相关计算公式。探讨了有关因素对试件应力平衡时间的影响规律,发现试件应力 平衡时间受试件/压杆广义波阻抗比和入射加载升时的影响显著,而不受试件/压杆截面积比和入射加载应力 幅值的影响。结合岩石SHPB实验,计算分析了不同入射加载应力幅值在不同入射加载升时情况下,试件达 到应力平衡时的应变变化特征,并提出了降低试件在应力平衡时的应变控制方法,使试件在未达到断裂应变 之前达到应力平衡,以保证实验的有效性。得出的结论对岩石类脆性材料SHPB实验方案设计具有一定的 参考意义。     

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。     

HTPB复合底排药压缩屈服应力模型研究

目前广泛应用于底排增程技术的 HTPB 复合底排药 (composite base bleed grain,CBBG) 是一种颗粒填充含能材料,战场环境中将承受冲击、温度等载荷作用. 为研究 HTPB CBBG 冲击压缩力学性能,进行了不同温度 (233$\sim$323 K) 和应变率 (1100$\sim$7900 s$^{-1}$) 下的分离式霍普金森压杆实验. 实验结果表明,各工况下,应力应变曲线均呈现屈服-$\!$-应变硬化特征,HTPB CBBG 保持高韧性. 提高应变率和降低温度均导致相同应变下的应力幅值上升,但温度较应变率对HTPB CBBG 冲击压缩力学性能的影响更为显著. 基于所研究温度范围高于 HTPB CBBG 玻璃化转变温度,通过将水平、垂直移位因子与温度的关系表示为 WLF 方程的形式,将时温等效原理引入协同模型,并计及内应力的应变率增强效应,提出了一种新的屈服应力模型.选取参考温度,利用水平、垂直移位因子-$\!$-温度曲线和屈服应力主曲线拟合模型参数.模型预测值与实验数据对比结果表明:该模型可准确表征 233$\sim$323 K 时 HTPB CBBG 屈服应力的双线性应变率相关性,明确了较低和较高应变率时,应变率效应分别主要由内应力和驱动力贡献.      

细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究

固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在,其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注.本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性.实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究.文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2,其长短轴比范围为2～10,相应的阿基米德数范围为400～1400,对应实现的终态雷诺数范围为120～1350.实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径,分别为:小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动,并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律.进一步地,分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系.随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性,并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响.最后,通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果,获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.     

埋入压电元件的自诊断智能结构的理论分析与实验研究

将压电元件埋设于复合材料层板结构中，可实现结构应变分布的在线监测。本文提出一种采用压电应变传感器阵列和人工神经网络模型的自诊断方法，对局部埋入压电应变传感元件的平板结构进行了分析，采用神经网络模型根据压电传感器组的输出识别结构承载位置和大小，对该方法进行了数值模拟和实验验证。     

铝合金2A70高应变率力学性能及其本构关系实验研究

在室温下,利用分离式Hopkinson拉杆系统进行了平行和垂直流线方向切割的铝合金2A70圆棒试样的高应变率(1300~2300/s)拉伸实验;利用分离式Hopkinson压杆系统进行了圆柱试样的高应变率(1100~11000/s)压缩实验,分析了应变率与试样切割方向对试样力学性能的影响,并对比研究了不同应变率下试样断口的形貌。实验结果表明,铝合金2A70的屈服强度在应变率达到11000/s时会得到一定提高;垂直流线切割的试样强度略高于平行流线切割的试样;随应变率升高,拉伸试样的断口更为平滑,颗粒细密,但压缩试样会形成环状的粗晶区。最后基于实验数据拟合了J-C(Johnson-Cook)本构模型参数。     

微型Hopkinson杆技术

介绍了一种可对材料进行更高应变率动态性能实验的微型Hopkinson杆技术,对金属材料其应变可超过104 s-1。使用激光径向位移测试仪和与传统Hopkinson杆对比实验,对微型Hopkinson杆技术的有效性进行了验证。实验结果表明,微型Hopkinson杆确定的试样应变与激光径向位移测试的结果相当吻合;在低应变率范围内,与传统Hopkinson杆的实验结果有很好的一致性。从而证明了微型Hopkinson杆技术可进行应变率在104 s-1以上材料的动态力学性能实验。     

细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究

固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在, 其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注. 本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性. 实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究. 文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2, 其长短轴比范围为2$\sim $10, 相应的阿基米德数范围为400$\sim$1400, 对应实现的终态雷诺数范围为120$\sim$1350. 实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径, 分别为: 小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动, 并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律. 进一步地, 分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系. 随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性, 并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响. 最后, 通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果, 获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.      

含铰接杆系结构几何非线性分析子结构方法

将细长杆系结构按长度方向划分为多个子结构,由于在子结构坐标系下的节点位移均是小位移,可以将子结构内部自由度凝聚到边界. 考虑到子结构端面在变形过程中保持为刚性截面,将端面节点自由度进一步凝聚到端面形心点,这样每一个子结构就减缩成形式上只有两个节点的广义梁单元,大大减缩了自由度. 大位移大转动是细长杆系结构产生几何非线性效应的一个重要原因,基于共旋坐标法,建立了随单元一起运动的随动坐标系,推导了子结构单元的节点力平衡方程及其切线刚度阵. 同时,考虑到工程机械中细长杆系结构含有相互铰接的刚体加强块,给出了非独立自由度节点力转换到独立参数下的广义节点力及其导数. 最后,通过履带式起重机的副臂工况算例,给出了其在不同载荷下的臂架结构位移,验证了方法的正确性.      

用改进的混合方法分析微电子封装热应变场

介绍一种可用于微电子封装局部应变场分析的实验/计算混合方法,该方法结合了有限元的整体/局部模型和实时的激光云纹干涉技术,利用激光云纹干涉技术所测得的应变场来校核有限元整体模型的计算结果,并用整体模型的结果作为局部模型的边界条件,对实验难以确定的封装结构局部位置的应力、应变场进行分析.用这种方法对可控坍塌倒装封装结构在热载荷作用下焊球内的应变场分布进行了分析,结果表明该方法能够提供封装结构内应力-应变场分布的准确和可靠的结果,为微电子封装的可靠性分析提供重要的依据.     

基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。     

超细长弹性杆动力学仿真的曲面处理算法

超细长弹性杆动力学研究在DNA的平衡、稳定性等问题的研究中有重要的应用。为了便于超细长弹性杆动力学研究中数值结果图形后处理以及研究表面接触等问题的需要,需要建立弹性杆的表面模型和相应算法。本文利用Kirchhoff弹性杆模型的动力学比拟技巧,建立了描述超细长弹性杆曲面的常微分/积分方程组,利用Adames方法和递推方法设计了方程的数值解法,并给出了超长弹性杆的数值仿真结果的图形处理的计算实例。     

从非线性动力学的视角认识细长压杆的稳定性

工程上大部分机构和结构都处于动载的作用下，受压细长杆的失稳是复杂的动力破坏事件．应用Lagrange描述法建立了两端角铰支受压细长杆的非线性动力学模型，通过对这种模型简化分别得到非线性静力学模型、线性动力学模型和含三次非线性项的动力学模型．利用谱截断方法，讨论了线性动力学模型的局部分岔．通过讨论平衡态存在性和稳定性，得到了含三次非线性项的动力学模型分岔条件．研究表明，受压细长杆的非线性动力学模型中存在叉形分岔．