鸟撞击叶片时载荷因素的数值模拟分析

鸟与叶片的撞击过程是一个复杂的加载过程。为了将其简化,以建立一个简单且合理的鸟撞击载荷模型,需要分析鸟撞击载荷的各种因素对叶片响应的影响。本文通过计算机数值模拟进行上述工作。以矩形悬臂板模拟实际叶片,以冲击载荷模拟鸟撞击载荷,采用有限元法计算悬臂板在冲击载荷下的非线性瞬态响应。从鸟撞击载荷的冲量、时间因索、空间因素三个方面分析了冲量、加载持续时间、力-时间函数、初始冲击压力、加载位置、载荷的空间分布以及载荷类型等七种因素对叶片响应的影响。本文得出的结论为合理简化鸟撞击加载过程及建立鸟撞击载荷模型提供了参考与依据。     

具有固定点物体的撞击轴

在通常的理力教材中,讨论了具有固定轴物体的撞击中心问题。即研究在主动碰撞冲量作用下,如何才能使支座不传感到冲击。对具有固定点的物体碰撞时,也存在类似的问题。我们定义:使支座不传感到冲击的主动碰撞冲量的作用线称为撞击轴。本文提出了一个关于撞击轴存在的充要条件的定理。作为定理充分条件的证明,讨论了四种情况。对每种情况,分别证明撞击轴存在,并给出撞击轴的方程。本文得到的结果比讨论类似问题的文献[1]简明。一、具有固定点物体的碰撞方程...     

论经典力学中的参考系

力学最本质的问题是物体的受力与其运动的关系问题,本文对经典力学中的参考系进行了梳理和讨论,主要得到了以下结论：(1)探讨了牛顿第一运动定律在物理学和力学上的基础意义,利用该定律既可以对惯性参考系进行定义,同时也能够对时间进行度量;(2)指出了\绝对静止坐标系" 未必存在,但近似的\绝对静止坐标系" 却很容易找到;(3)分析了质心平动参考系的特殊性,总结了其对惯性参考系动力学理论在形式上的影响。     

层状结构冰球的高速撞击特性实验

为研究冰雹在不同撞击速度下的破碎特性及致损能力，通过空气炮加载技术，开展了单一性状冰球和层状结构冰球高速撞击刚性靶实验，利用测力杆记录了两种类型冰球在不同撞击速度下的撞击力时程曲线，并结合高速摄影技术研究了两类冰球的高速撞击破碎特性。实验结果表明:两类冰球高速撞击刚性靶的宏观破碎特性相似，在碰撞初始阶段冰球已完全破碎，形成微颗粒团簇体，反向溅射角呈随撞击动能增大而增大的趋势；与单一性状冰球撞击力曲线相比，层状结构冰球撞击力曲线中出现二次上升信号，推测是由于破碎界面在层间界面发生偏折，小球未完全破碎再次撞击测力杆所导致；高速撞击下层状结构冰球的撞击力高于单一性状冰球，推测是由于层间结构的存在延缓了冰球的破碎进程，提升了其在冲击方向传递动量的能力，进而产生了更高的撞击力。研究结果有助于深化对冰雹在高速撞击下的破坏力学行为的认识，同时可为飞行器结构防护、冰雹撞击安全设计研究等提供参考。     

PVC夹芯板在冲击载荷下的动态响应与失效模式

通过开展对泡沫金属子弹撞击加载聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)夹芯板的实验,结合三维数字图像相关性(three dimensional digital image correlation, DIC-3D)技术,研究固支夹芯板在撞击加载条件下的动态响应,获得夹芯板受撞击及响应的变形过程,并结合图像分别分析夹芯板整体及三层结构的变形和失效模式;研究子弹冲量与背板最终变形之间的关系和相似冲量下等面密度不同芯层密度的夹芯结构的抗撞击性能。结果表明:夹芯板的破坏和失效主要集中在泡沫金属子弹直接作用区域,背板挠度由中间向固定端逐渐减小,子弹冲量与背板变形近似成线性关系。在等质量的条件下,降低芯层密度、增加芯层厚度可以有效降低背板的变形,实验结果对聚合物夹芯结构的工程优化设计具有一定的参考意义。     

撞击载荷下泡沫铝夹层板的动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支方形夹层板和等质量实体板的动力响应,分别应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历史,给出了夹层板的变形与失效模式,研究了子弹冲量、面板厚度、泡沫芯层厚度及芯层密度对夹层板抗撞击性能的影响。结果表明,后面板中心点挠度最大,周边最小,整体变形为穹形,且伴有花瓣形的变形。参数研究表明,通过增加面板厚度或芯层厚度均能有效控制后面板的挠度,改善夹层板的能量吸收能力,结构响应对子弹冲量和芯层密度比较敏感。实验结果对多孔金属夹层结构的优化设计具有一定的参考价值。 更多还原     

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。     

在质量块冲击作用下刚架大挠度响应的实验研究

本文报道刚架跨中受到以不同速度运动的质量块冲击时动态大挠度响应的实验研究工作,实验测取了冲击点位移、速度随时间变化的曲线及某些关键点的动态应变历史,由此描述了在响应过程中,质量块与刚架间动量动能的传递过程,找出了塑性区域形成和扩展的规律。研究表明:初始撞击接近于理想非弹性,动态荷载不宜简化为瞬时冲量,此时初始冲击动能与刚架所能吸收的最大弹性能之比即便很大,响应中弹性成分仍占有很大的比例,能量比率作为判断是否宜于采用刚塑性解答的条件已不再充分;刚架在初始撞击中吸收的能量和冲量与初始动能和动量之比,仅与刚架承受初始撞击的相当质量和冲击物质量之比有关,而与冲击速度无关,文中给出了二者的关系式。     

撞击载荷下Nomex蜂窝夹芯梁的变形模式研究

本文研究了Nomex蜂窝夹芯结构在不同冲量下的变形模式和失效模式.实验采用子弹撞击的加载方式,对Nomex蜂窝夹芯梁施加大小不同的冲量,使用激光位移传感器测量每个试件后蒙皮的变形位移.分析了同芯层厚度,不同蒙皮厚度的Nomex蜂窝夹芯梁在不同冲量作用下抵抗变形的能力,以及冲量大小与蒙皮厚度对夹芯梁抵抗撞击能力的影响,计算分析了蒙皮与芯层的吸能性.实验结果表明:增加蒙皮的厚度能够改善夹芯梁在撞击荷载下抵抗变形的能力,在撞击过程中芯层吸收了50％左右的能量,且冲量越大,芯层吸收的能量越多.     

刚性质量对简支梁的多次塑性撞击

基于刚塑性动力学理论和单轴压缩弹塑性接触模型，对刚性质量水平撞击简支梁的问题进行了理论研究。研究结果表明，刚性质量撞击简支梁的过程是一个复杂的多次塑性撞击过程，存在2个明显的撞击区。每个撞击区包含复杂的次生撞击过程。两个撞击区的撞击冲量相当，第二撞击区中的多次撞击过程将对梁的撞击物理行为产生重要影响。撞击物质量对撞击动...     

尖头碎片撞击小尺寸储罐的模拟实验

化工园区内,容器爆炸事故易引发多米诺效应,产生的碎片击中临近目标设备或装置可能造成事故后果升级。通过开展尖头碎片撞击小尺寸储罐模拟实验,得到了不同轴向撞击角的尖头碎片撞击不同壁厚小尺寸储罐的穿透形貌、穿透能量以及穿孔直径。结果表明:（1）尖头碎片以0°轴向撞击角穿透罐壁形成的穿孔正面近似圆形,以15°、30°及45°轴向撞击角撞击形成的穿孔正面近似椭圆形且有2个条形翻边,穿孔背面均呈现花瓣型开裂;（2）轴向撞击角越大,壁厚越大,所需的穿透能量越大;（3）轴向撞击角与壁厚对穿孔轴向直径影响显著,但穿孔环向直径变化幅度不大。最后,根据穿甲力学理论和动量守恒定理,推导出适用于0°~45°轴向撞击角的尖头碎片剩余速度理论计算公式。     

复杂加载下材料动态响应的数据反演技术

对梯度飞片撞击复杂路径加载实验中,具有冲击加载-斜波加载-斜波卸载的金属铝材料的波剖面信息进行了数据分析和处理,不同加载路径用不同力学响应关系式进行描述,以铝材料\氟化锂窗口界面处的速度剖面作为初始条件,用反积分方法向铝材料内部直至加载面进行了反向计算,所得计算结果与正向计算结果比较吻合较好。计算得到了材料内能、温度、声速及应变率在复杂路径加载中变化规律,并给出了材料的P-V参考线,所得结果可与正向积分计算结果相互校核。     

高速旋转平板叶片撞击同心圆筒壳体试验的研究

利用冲击动力学基本理论 ,采用能量法对结构的塑性动力响应进行了研究 ,得出了一个撞击试验的物理模型。利用该模型定量地计算了被撞击壳体的侵彻深度。     

人体落地冲击力冲量的分析和计算

本文根据人体落地受伤是受冲击力的大小、冲击作用时间长短以及冲击力矩(如扭伤)等因素所致的事实出发,将人体着地瞬间看作撞击过程,以冲击力的冲量和冲量矩作为人体和各关节所承受的冲击作用的度量.利用多刚体系统动力学理论及计算方法给出了计算总撞击冲量及关节内冲量、冲量矩的算法;编制了相应的计算程序.以垂直落地为例所作的计算与已有结果一致.     

局部冲击作用下刚塑性平板的动力响应和失效模式

基于理想刚塑性的材料模型假定,同时考虑靶板弯曲塑性变形和剪切滑动,完整地分析了平板受刚性体撞击或受局部压力脉冲冲击的动力响应和失效模式。得到了撞击物侵彻深度、靶板穿透条件、塑性变形范围等特征变形破坏参数的解析表达式。讨论了撞击物速度、压力脉冲的冲量和形状等参量对响应和破坏模式的影响。比较了刚塑性理论分析结果与相关的实验和弹塑性数值计算结果。     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

LS-DYNA 在力学教学实践中的探索与应用1)

在力学教学中引入LS-DYNA有限元分析软件及其前后处理软件LS-PREPOST,进行建模、计算和演示,能够增强教学效果,加深学生对 知识点和相关问题的认识,提高教与学的效率,激发学生学习力学的热情. 以牛顿摆球实验为例说明了LS-DYNA在设计力学实验方面的 应用. 通过碰撞动画的演示和速度及能量结果曲线的展示,学生对“动量守恒”和“能量守恒”有更深刻、更形象的认识. 以桥梁上 部结构的模态分析为例说明了科研成果作为课堂教学的经典案例的应用. 动画演示位移模态,能够帮助学生更好地理解动力学的相关概念.     

波阻抗梯度材料加强型Whipple结构撞击极限研究

为研究一种改进型的波阻抗梯度材料防护结构Ti/Al/Mg结构的撞击极限,采 用 二 级 轻 气 炮 以3.0～8.0 km/s的速度对Ti/Al/Mg结构、Al/Mg结构和2A12结构开展了超高速撞击实验,建立了Ti/Al/Mg结构的撞击极限曲线。结果表明:高阻抗的钛合金表层能产生更高的冲击压力和温升,使弹丸充分破碎;在面密度相同的条件下,与Al/Mg结构和2A12结构相比,Ti/Al/Mg结构具有更强的防护性能。通过理论计算得到Ti/Al/Mg结构撞击极限曲线的区间转变速度小于7.0 km/s,但其实验撞击极限曲线上并未出现明显的区间转变,在实验速度范围内,撞击极限随着撞击速度的提升而增大,这与典型Whipple结构撞击极限曲线存在差异。     

飞机模型高速撞击钢筋混凝土载荷特性实验研究

为得到大型商用飞机撞击的冲击载荷特性及其计算方法,基于火箭橇加载试验平台,搭建了飞机模型撞击钢筋混凝土运动靶体测试系统,开展了两种不同尺寸飞机模型的撞击试验,利用高速摄影技术获得了飞机模型撞靶前的姿态、着速及飞机模型撞靶的破坏过程。采用加速度测试系统和激光干涉测速系统,分别得到撞击过程中运动靶体的加速度和速度历史,据此得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,二者吻合,验证了测试系统的可靠性。通过飞机模型上安装的机载存储过载测试系统,获得了撞击过程中飞机模型的负加速度-时间曲线,由此确定了修正的Riera理论模型中的静载荷项,并进一步计算得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,与通过测试靶体的加速度或速度得到的结果一致,验证了使用修正的Riera理论模型计算飞机模型冲击载荷的合理性及计算方法的正确性,同时确定了适合于本试验中飞机模型的修正系数α。     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.