弹性、弹塑性材料显式模拟计算中的准静态加载速度研究

摘 要：动力学显式算法采用时间积分原理，其较静力学隐式算法在强非线性问题中的适用性更广。为将此方法应用到岩土等非线性材料的计算中，考虑到显式算法中动能的影响会导致结果波动，分析动力学显式算法在模拟计算中的准静态加载速度的选取十分必要,如何在缩短模拟消耗时间与结果准确性之间寻求平衡是本文研究重点。研究中提出以加载-位移曲线的波动比来评价准静态计算效果，首先开展弹性材料的平面应变模拟试验以分析弹模、密度、泊松比、围压4个参数对准静态加载速度取值的影响，结果表明：弹模、泊松比、围压的增大会提高准静态加载速度；密度的增大则会减小准静态加载速度。通过对各影响因素与准静态加载速度的相关性分析给出了准静态加载速度取值的经验公式。最后，选取能够反映砂土复杂力学特性的弹塑性本构模型，开展其平面应变模拟试验，对比分析准静态加载速度经验公式在弹性材料与弹塑性材料中的适用性差异，并提出应用建议公式。     

砂土统一模型的显式计算及加载速度影响研究

以砂土体渐进破坏问题为背景，采用显式方法进行高、低压下砂土统一模型的二次开发以克服隐式算法在软化计算中的强非线性不收敛问题，实现具有剪胀软化、剪缩硬化特性材料的模拟计算．在此基础上开展三个压力等级、不同位移加载速度条件下的平面应变压缩试验，分析位移加载速度对显式计算结果的影响效应．通过分析得到结论：(1)采用动力学显式算法对常压至高压范围的砂土统一模型进行计算是可行的，受荷响应随加载速度的降低逐渐趋于稳定并最终得到静力学计算结果，能够反映砂土在低压下的剪胀软化以及高压下的剪缩硬化特性；(2)砂土统一模型的显式计算结果受加载速度的影响呈双折线趋势，并存在加载速度界限值，试样在加载速度界限值前后呈现不同的受荷变形破坏形态；(3)采用显式计算方法开展砂土统一模型的准静态模拟过程中，须结合计算结果偏差面积比随加载速度的关系曲线，来确定满足一定偏差面积比并且小于界限值的准静态位移加载速度．     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMaxTM PLA为试样材料，利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验，运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算，探讨了其变形模式和能量吸收特性，分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值，减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下，对于单胞模型，仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管；对于多胞管件阵列模型，方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下，阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时，折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时，仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。     

具有高阶剪切效应的粘弹性板准静态分析的DQ法

本文对基于Reddy的高阶剪切理论及线性粘弹性材料的Boltzmann本构定律建立的高阶剪切粘弹性板准静态分析的数学模型，在空域上应用推广的DQ技术对模型进行简化，求得了问题的DQ近似解析解；得到了横向阶跃载荷作用下的粘弹性简支板的准静态响应；考察了几何、材料参数及横向剪切效应对粘弹性板拟静态弯曲行为的影响。为说明该方法的可靠性和有效性，将考虑剪切变形及不计剪切变形的DQ数值结果与粘弹性薄板精确解进行了比较，同时研究了数值结果的收敛性。结果表明该方法具有收敛性好，计算精度高，计算量少等优点。     

材料动态强度直接测量的磁压剪实验技术及应用

提出一种用于直接测量动载荷下材料强度的新方法,即磁驱动压剪联合加载实验技术。从理论和数值计算上分析了压/剪联合作用下材料的应力偏量与屈服强度关系,计算斜波加载下压/剪联合作用时应力偏量与屈服强度的时空演化特性,给出材料强度数值的计算方法。并基于自行研制的强脉冲电流装置和10 T准静态磁场发生器,利用多点双光源外差位移干涉仪(dual laser heterodyne velocimetry, DLHV),开展磁压剪实验对2种铝样品的动态强度进行测量,得到不同加载压力下铝样品的强度。结果表明:磁驱动压/剪联合加载技术为材料的高压强度直接测量提供了一种新途径,是可靠的实验技术。     

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点，在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响，基于正多边形结构，通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验，利用高速相机记录结构的变形模式，并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明:除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外，其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压，结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出:不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下，内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构；同等质量的情况下，内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。     

用摄动法分析准静态载荷下弹塑性结构的安定问题

本文借助于摄动法用分段线性加载面讨论了弹塑性结构在准静态载荷下的安定问题,给出了一个普遍适用的不等式,由此导出了广义的米兰(Melan,1938)安定准则以及位移与塑性变形的界,并举例进行了说明。     

等压假设下考虑化学反应动力学影响的约束爆炸准静态压力的计算

为研究约束爆炸后爆炸产物与约束空间内的氧气发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,从能量守恒和理想气体状态方程出发,基于爆炸后产物膨胀过程的等压假设模型,建立了约束爆炸准静态压力计算公式,并对TNT炸药爆炸后发生的化学反应与约束空间内准静态压力大小的关系进行分析。计算得到不同药量体积比下,TNT炸药约束爆炸后的准静态压力,计算结果与实验结果符合较好,可应用于其他类型炸药,并为预测约束爆炸后的准静态压力提供理论依据和估算方法。     

爆炸产物发生化学反应对药室压力影响的研究

研究了爆炸产物发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,推导了考虑爆炸产物发生化学反应时,约束空间内准静态压力的计算公式.以TNT炸药发生约束爆炸为例,分析了不同药量体积比下爆炸产物的化学反应动力学过程.编写了计算TNT炸药约束爆炸后准静态压力的程序,将程序计算结果与实验测量结果和ConWep程序计算结果进行对比,验证了计算方法的准确性,证明了爆炸产物发生化学反应对约束爆炸准静态压力有重要的影响.考虑爆炸产物发生化学反应对压力的影响,利用LS-DYNA对TNT炸药在一长方体药室内的爆炸进行了数值模拟,模拟结果表明,考虑爆炸产物发生化学反应时,药室会出现局部塑性应变与应力集中现象,最大塑性应变达到0.8‰.     

考虑约束爆炸后产物发生化学反应的约束空间内准静态温度计算

考虑爆炸产物发生化学反应产生的影响,对约束爆炸后约束空间内准静态温度的计算进行了研究。以能量守恒定律为基础,考虑爆炸产物的化学反应动力学过程,推导得到约束空间准静态温度的计算公式和方法,使用C++语言编写了计算程序,并对TNT炸药约束爆炸的情况进行了计算。计算结果表明,对于约束爆炸,爆炸产物发生的化学反应对约束空间内温度的变化有明显影响,且不同的药量体积比条件下,准静态温度的变化趋势不同。研究结果可为更准确的计算约束爆炸后的准静态温度及其他爆炸参数提供有效的方法。     

Dynamic multi-pore collapse response with discrete meso-element method

The multi-pore collapse processes under various loading speeds are investigated numerically with the DM² method at meso-scale. The simulated results show that at very high loading speed (>1 km/s), the pores are fully crushed and the interaction effects between pores can be ignored. At medium loading speed (0.2–1 km/s), the interaction effects should be taken into account. The multi-step crush phenomenon may take place in this range. At low speed (<200 m/s), the full collapse of the pores needs much longer loading time and the quasi-static collapse pattern is expected. A new phenomenon of sample rebounding from the rigid wall is founded in this range. The simulation also reveals that the meso-pore collapse might be the main mechanism of the high frequency noise in the shock wave records of porous materials.     

石墨烯裂纹扩展行为研究

基于分子动力学方法对含预制裂纹石墨烯进行扶手椅向拉伸断裂模拟。使用连续介质理论结合分子动力学计算石墨烯能量释放率,确定石墨烯能量释放率GIC为10.25 J/m2;应力强度因子KIC为 3.33MPam^1/2。进一步对影响石墨烯裂纹扩展速率的因素-初始裂纹长度与加载速率进行讨论。结果表明：裂纹初始长度与加载率会在一定程度上影响石墨烯中裂纹扩展速率。裂纹扩展速率会随着初始裂纹长度的增加而降低;但随着初始裂纹长度的增加,裂纹扩展速率对其敏感度降低。裂纹扩展速率会随着加载率的升高而增大。 初始裂纹长度与加载率对裂纹扩展速率的影响有一定的关联性,加载率的升高会降低裂纹扩展速率对初始裂纹长度变化的敏感度。在此基础上确定了石墨烯中裂纹扩展极限速率为8350 m/s。关联性,加载率的升高会降低裂纹扩展速率对初始裂纹长度变化的敏感度。在此基础上确定了石墨烯中裂纹扩展极限速率为8350 m/s。     

Molecular dynamics simulation of crack-tip processes in copper

The crack tip processes in copper under mode II loading have been simulated by a molecular dynamics method. The nucleation, emission, dislocation free zone (DFZ) and pile-up of the dislocations are analyzed by using a suitable atom lattice configuration and Finnis & Sinclair potential. The simulated results show that the dislocation emitted always exhibits a dissociated fashion. The stress intensity factor for dislocation nucleation, DFZ and dissociated width of partial dislocations are strongly dependent on the loading rate. The stress distributions are in agreement with the elasticity solution before the dislocation emission, but are not in agreement after the emission. The dislocation can move at subsonic wave speed (less than the shear wave speed) or at transonic speed (greater than the shear wave speed but less than the longitudinal wave speed), but at the longitudinal wave speed the atom lattice breaks down. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

基于数字图像相关方法对冲击载荷下泡沫铝全场变形过程的测试

应用分离式霍普金森压杆(以下简称SHPB)和高速摄影装置研究了冲击载荷下泡沫铝试件全场变形的测量方法。使用SHPB对泡沫铝试件进行冲击压缩实验,同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。将得到的高速摄影图像采用数字图像相关方法进行分析,由此可得到冲击压缩过程中泡沫铝试件全场应变的分布和变化规律。此研究揭示了冲击载荷下泡沫铝试件局部化变形的发展过程,为研究泡沫铝在不同冲击载荷下不同变形模式的内在机制提供了新的可靠的方法。     

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。     

Optimum design of a supercavitating torpedo considering overall size,shape, and structural configuration

A supercavitating torpedo is a complex high speed undersea weapon that is exposed to extreme operating conditions due to the weapon’s speed. To successfully design a torpedo that can survive in this environment, it is necessary to consider the torpedo shell as a critical component. The shell of a supercavitating torpedo must be designed to survive extreme loading conditions (depth pressure and thrust loading), meet frequency constraints, and fit inside the cavity generated by the cavitator. In this research, an algorithm to determine the optimal configuration of the torpedo is presented. This method formulates an optimization problem that determines the general shape of the torpedo in order to satisfy the required performance criteria. Simultaneously, a method to determine the optimal stiffener configuration in the torpedo structure is also presented. A torpedo configuration for a desired speed is obtained and the details of the process are thoroughly discussed.     

子午线轮胎驻波现象和临界速度的有限元分析

利用ABAQUS软件建立了较完整系统的轮胎驻波现象的有限元模型和分析方法,包括充气、加载、匀速滚动和加速滚动过程的有限元分析以及确定轮胎驻波临界速度的Euler描述和表征的方法.由此得到的轮胎驻波临界速度与试验值吻合较好.着重分析了载荷、充气压力对临界速度的影响,结果表明,增大充气压力会显著提高临界速度,而载荷的影响则可以忽略不计.     

Internal fractures in spheres due to stress wave focusing

The locations and times of occurrence of internal fractures in Perspex spheres subjected to localized explosive loading are investigated. An analysis of stress wave reflection from free boundaries based on the method of geometrical acoustics is found to give predictions which are in good agreement with results obtained from high speed photographs.     

爆炸荷载作用下软土地基的变形特性

通过现场实验和数值模拟分析了软土地基在爆炸荷载作用下长期和瞬间的变形特性,分析了影响爆炸效果的主要因素和条形药包爆炸后冲击波的显著影响范围,并讨论了爆炸固结法处理软土地基的作用机理,表明该法具有加快固结速度的特点,有利于提高施工速度,缩短工期。     

A Novel Method for Dynamic Short-Beam Shear Testing of 3D Woven Composites

A new test method for performing dynamic short-beam shear tests using a momentum trapped Hopkinson pressure bar is proposed. Angle-interlock 3D woven composite specimens were tested under quasi-static and dynamic loading conditions to determine the effect of loading rate on damage evolution. The equilibrium condition in the composite specimen under dynamic loads was verified using finite element analysis of the experiment. A high speed camera was used to capture delamination initiation and propagation during both quasi-static and dynamic experiments. Analysis of the load-deflection curves and the high speed images revealed a good correlation between the modes of damage initiation and propagation with the features in the loading response. The apparent inter-laminar shear strength and the bending stiffness increased with rate of loading. While the damage was observed to propagate at a relative steady rate during quasi-static loading, the high rate of energy input during dynamic loading resulted in a rapid propagation of damage and a subsequent loss of stiffness in the composite as noted in the load-deflection curve.