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。     

高速冲击载荷下梯度金属泡沫夹芯梁的动态响应与失效

采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究，分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗高速冲击性能，结合三点弯曲实验，研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明：密度梯度对结构的失效过程和失效模式有着明显的影响，且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用；当冲击条件不足以使得均质芯材发生压缩时，均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形，低强度芯层位于前两层的梯度结构随着冲击强度的变化出现不同程度的局部芯层压缩；当冲击强度较低时，梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力；当冲击强度大于临界值时，均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理地设计密度梯度实现逐层压缩吸能，能够有效的提升防护结构的抗冲击性能。     

填充式泡沫铝防护结构的弹道极限

为了探索泡沫材料在空间防护上的应用,结合实验和数值模拟,绘制了弹速0.5~7.0km/s范围 内填充式泡沫铝防护结构的弹道极限曲线,并与Whipple结构进行了比较。结果表明:填充式泡沫铝防护结 构的防护性能优于同等面密度、总厚度的Whipple结构;孔隙率对填充式泡沫铝防护结构防护性能影响较小。     

内爆炸载荷下梯度泡沫铝夹芯管的动态响应

基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型，对梯度泡沫铝夹芯管在内爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。分析讨论了夹芯管结构内外管的壁厚、泡沫芯层的相对密度、芯层梯度分布等参数对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响，并与无芯层的双层圆管进行了对比。结果表明:泡沫材料的相对密度可通过改变泡沫胞元大小和胞元壁厚进行调控，利用两种方式构建的夹芯管计算结果一致；保持内、外圆管总质量不变，增大内管壁厚可以有效减小外管的塑性变形，但会影响泡沫芯层的能量耗散；泡沫芯层的填充可以有效降低内管的塑性变形，正梯度泡沫铝夹芯管的抗爆性能优于均匀泡沫及负梯度泡沫夹芯管。     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．     

非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法, 并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析. 通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟, 可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布, 所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好. 在此基础上, 应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程, 结果表明: 该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程. 随着冲击速度变化, 初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化. 冲击速度越低, 起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展), 裂纹扩展速度峰值越低, 冲击过程中靶板温度峰值越低, 完全扩展所需时间越长.      

非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics,NOSB-PD)理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法,并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析.通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟,可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布,所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好.在此基础上,应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程,结果表明:该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程.随着冲击速度变化,初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化.冲击速度越低,起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展),裂纹扩展速度峰值越低,冲击过程中靶板温度峰值越低,完全扩展所需时间越长.     

冲击载荷下两裂纹间的连通规律

脆性材料内部含有大量裂纹，当某一裂纹扩展时，其他裂纹会对扩展裂纹产生影响。为了研究冲击载荷下，脆性材料内两裂纹的相互影响、连通规律及裂纹尖端应力强度因子的变化规律，利用有机玻璃板制作了含非平行双裂纹的实验试件，利用落板冲击设备进行了中低速冲击实验，结合有限元分析软件ABAQUS计算出裂纹尖端应力强度因子，利用有限差分软件AUTODYN进行了动态数值模拟研究，并将其模拟结果与实验结果进行对比分析。实验及模拟结果表明:裂纹破坏形态与AUTODYN数值模拟破坏形态基本一致；试件的断裂形态随着两裂纹间距不同而不同；裂纹间的相互影响程度随着裂纹间间距增大而减小；裂纹尖端应力强度因子K_I随着裂纹间距的增大而减小，而K_II随着裂纹间距增大而增大。     

闭孔泡沫铝低速冲击防护的临界条件与优化设计

建立了高孔隙率闭孔泡沫铝抗低速撞击的分析模型,通过落重冲击试验验证了模型预测的准确性;采用所建立的模型,计算了闭孔泡沫铝作为大质量结构抗低速冲击构件的临界冲击速度,研究了不同冲击条件下结构响应的最小加速度和临界加速度。结果表明,闭孔泡沫铝适合作为大质量结构的低速冲击防护材料：当撞击速度低于临界冲击速度时,泡沫铝的作用应力不会超过其平台压缩应力,具有高孔隙率的泡沫铝甚至可使冲击响应加速度大幅降低,具有优良的防护效果;当撞击速度超过相应条件下的临界速度时,由于泡沫铝压缩密实阶段的应力增强作用,不仅使其作用应力迅速增大（为平台应力的5～15倍）,而且使冲击响应加速度迅速增加甚至超过1000g,从而对结构的安全防护构成威胁。最后,讨论了冲击质量比、泡沫铝孔隙率、泡沫几何尺寸等冲击参数对临界冲击速度和冲击响应加速度的影响。     

撞击载荷下泡沫铝夹芯梁的塑性动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支泡沫铝夹芯梁和等质量实体梁的塑性动力响应。 采用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移-时间曲线,研究了加载 冲量、面板厚度和芯层厚度对夹芯梁抗冲击性能的影响。给出了泡沫铝夹芯梁的变形与失效模式,实验结果 表明结构响应对夹芯结构配置比较敏感,后面板中心点的残余变形与加载冲量、面板厚度呈线性关系。与等 质量实体梁的比较表明,泡沫铝夹芯梁具有更好的抗冲击能力。实验结果对多孔金属夹芯结构的优化设计具 有一定的参考价值。     

含圆孔拉伸板的近场动力学数值模拟

首先推导了非普通状态为基础的近场动力学基本方程,引入损伤理论,对非普通状态为基础的近场动力学基本方程进行离散化,编制了非普通状态为基础的近场动力学数值分析程序。利用非普通状态为基础的近场动力学理论对圆孔拉伸板的断裂和非断裂问题进行了数值模拟。数值结果表明近场动力学理论不仅能模拟非断裂问题,也能模拟断裂问题,而且该方法不需要借助任何外部断裂准则就能很好地模拟裂纹的扩展和连接过程,相对于其它的数值模拟方法具有很大的优势,它为材料断裂问题提供了一种新方法和新思路。     

Ordinary state-based peridynamics for plastic deformation according to von Mises yield criteria with isotropic hardening

This study presents the ordinary state-based peridynamic constitutive relations for plastic deformation based on von Mises yield criteria with isotropic hardening. The peridynamic force density–stretch relations concerning elastic deformation are augmented with increments of force density and stretch for plastic deformation. The expressions for the yield function and the rule of incremental plastic stretch are derived in terms of the horizon, force density, shear modulus, and hardening parameter of the material. The yield surface is constructed based on the relationship between the effective stress and equivalent plastic stretch. The validity of peridynamic predictions is established by considering benchmark solutions concerning a plate under tension, a plate with a hole and a crack also under tension.     

横向冲击载荷下不同约束泡沫铝夹芯圆管的动态响应

以泡沫铝夹芯圆管为研究对象,采用数值模拟研究了横向冲击载荷作用下4种不同约束夹芯圆管的动态响应。研究了夹芯圆管的几何参数、冲击速度和芯层泡沫铝相对密度对夹芯圆管力学行为的影响,对比分析了不同约束条件对泡沫铝夹芯圆管变形模式和吸能性能的影响。结果表明:随着内管直径的减小、冲击速度的增大和芯层泡沫铝相对密度的增大,泡沫铝夹芯圆管的比吸能增大;内管壁厚的增加使无约束和倾斜约束下夹芯圆管的比吸能增大,对侧壁约束和组合约束下夹芯圆管的吸能影响不明显;采用一定的外部约束条件是提高泡沫铝夹芯圆管吸能性能的一种可行的方法。     

泡沫金属夹芯梁在重复冲击下的动态响应

为了研究重复冲击载荷作用下泡沫金属夹芯梁的动态响应,采用Abaqus数值仿真软件,基于可压碎泡沫模型（crushable foam）,建立了泡沫金属夹芯梁遭受楔形质量块冲击的有限元模型。通过将仿真获得的夹芯梁上下面板最终挠度与重复冲击实验结果进行对比,验证仿真方法的准确性。在此基础之上,分析了泡沫金属夹芯梁在楔形质量块重复冲击作用下的变形模式、加卸载过程以及能量耗散特性。结果表明,在重复冲击载荷作用下,夹芯梁的变形不断累积,上面板主要出现局部凹陷和整体弯曲,而芯层则是局部压缩,下面板表现为整体弯曲。在重复加卸载过程中,加卸载刚度随着冲击次数的增加而增大。随着冲击次数的增加,上面板和芯层的能量吸收增量不断减小,而下面板的能量吸收增量不断增加,且最终均趋于稳定。泡沫金属夹芯梁的塑性变形能增量不断减小,而回弹系数随着冲击次数逐渐增加,最后趋于稳定值。     

聚氨酯泡沫铝复合结构抗爆吸能试验及数值模拟分析

通过对聚氨酯泡沫铝和混凝土组成的复合结构进行接触爆炸试验,探讨了聚氨酯泡沫铝的吸能性能,并进行数值模拟分析。结果显示:聚氨酯泡沫铝的吸能性能明显优于泡沫铝,吸能层厚度对吸能效果影响很大,多层结构的聚氨酯泡沫铝吸能性能对比厚度一致的单层吸能层结构没有明显的改善;在保证了比较合理的吸能层厚度后,防护结构的每一层材料层存在着一个最佳的厚度组合来保证复合层优良的抗爆性能。     

一种近场动力学非普通状态理论零能模式控制方法

近场动力学非普通状态理论在采用节点积分时将引起零能模式,造成位移场、应力应变场的数值不稳定性,影响计算精度甚至会导致完全错误的结果,因此必须对其进行控制.目前国际上还没有十分有效的零能模式控制方法.本文针对零能模式问题,提出了一种通用的、高效的控制方法.根据近场动力学线性键理论,确定非均匀变形对应弹性张量的具体形式,考虑了微模量随不同作用键的变化.通过最小位能原理推导出非均匀变形引起的力状态,结合近场动力学力状态,得到稳定力状态表达式.从而建立起基于线性键理论的稳定关联材料模型,并应用于含圆孔平板、三点弯试件线弹性变形和损伤破坏过程模拟.数值结果表明,本文模型能有效抑制近场动力学非普通状态理论中的零能模式现象.与已有零能模式控制方法相比,其物理意义明确,不包含控制参数,避免了复杂的零能模式参数调节过程,提高了计算效率.