导弹适配器受压及弹射时摩擦力研究

针对导弹适配器的结构特征,分别建立了可压缩橡胶泡沫和不可压橡胶圆筒轴对称平面应变问题有限变形的平衡方程,基于Blatz-Ko应变能函数和三次缩减多项式应变能函数,得到了相应的位移和应力模式;在此基础上求解了适配器受压问题的非线性方程组和导弹发射时适配器所受到的摩擦力.算例分析与有限元数值模拟比较表明:解析解与数值解非常吻合,径向应力在发射筒内外表面误差最大为0.558%,周向应力在粘合面误差最大为0.246%,导弹发射时的最大量纲为一的摩擦力为1.0228.适配器径向应力在材料粘合交界面上最小,在适配器外表面最大,均为压应力;橡胶泡沫和不可压橡胶的周向应力均为压应力,橡胶泡沫的周向应力由内向外变大,不可压橡胶的周向应力由内向外变小.橡胶泡沫的径向受压大于周向受压,不可压橡胶的周向受压大于径向受压.研究不同过盈量对应力和摩擦力的影响表明:过盈量每增加0.0013,橡胶泡沫 层和不可压橡胶层的径向应力约增加0.13,不可压橡胶层的周向应力约增加2.14,而摩擦力约增加0.22.过盈量对不可压橡胶层的周向应力和导弹所受到的摩擦力影响非常大,对橡胶泡沫的径向应力有一定的影响,周向应力变化很小.     

轴对称任意梯度圆筒的弹性动力学解

基于轴对称平面应变问题的运动方程及弹性梯度材料的应力和位移关系,通过将圆筒分层使材料性质离散为分段常数函数,同时在时域内应用有限差分格式,求得了材料性质沿径向梯度变化的圆筒弹性动力学解。本文解不仅适合任意梯度的弹性圆筒,而且容易满足多种形式的初始条件和边界条件。通过对材料性质沿径向为连续函数分布和分段函数分布的梯度圆筒数值分析,并与已有文献结果比较,得出本文解与已有文献的解吻合较好,验证了本文解的正确性和有效性。对材料性质为分段函数的三层组合圆筒分析发现,中间功能梯度层的指数分布因子对圆筒的径向位移和应力随时间变化都会产生显著影响。     

圆筒和圆柱残余应力沿层深分布的X射线测定

在圆筒或圆柱的剥层Ｘ射线应力测定中，可以用幂级数来分段近似剥离面的实测切向应力一层深函数和实测轴向应力一层深函数，从而计算剥层应力释放所产生的附加应力，求得原始的真实径向、切向和轴向应力沿半径方向的分布，文中给出计算应力校正量的公式。     

一种散体材料SHPB被动围压试验体应力修正方法

本文利用有限元仿真给出了一种修正方法，并用数值仿真和试验验证了该方法的可靠性。研究表明:散体材料SHPB被动围压试验中，试样厚度远小于厚壁圆筒长度时，端部效应会导致厚壁圆筒不均匀凸出变形，计算材料的体应力-应变关系不能将厚壁圆筒应力状态简化为平面应力问题；厚壁圆筒处于弹性状态下，通过厚壁圆筒理论计算出的径向力与真实径向力存在一定比例关系，在一定范围内，折算系数与试样实时厚度呈二次函数关系。     

热冲击作用下非均质圆筒的广义热弹性分析

基于L-S广义热弹性理论,研究了非均质圆筒在热冲击作用下的广义热弹性问题。利用状态空间技术和有限差分格式,获得了材料性质沿径向任意梯度变化圆筒的一维广义热弹性解。通过算例分析,给出了延迟效应和耦合效应以及材料的梯度形式对圆筒内的温度和应力沿径向分布和随时间变化的影响。分析表明:延迟效应可反映热波以有限速度传播,波前形成巨大的温度梯度,并与弹性波相互作用引起尖峰应力;耦合效应在最初阶段或耦合系数较小时对温度传播影响较小,但会削弱尖峰应力的峰值;改变材料梯度可有效降低热冲击对圆筒内应力的影响。     

与温度相关的非均质圆筒的非线性耦合广义热弹性分析

基于能量守恒方程和L–S广义热弹性理论，借助状态空间技术和Newmark法求解了材料性质沿径向任意梯度分布同时又与温度相关的非均质圆筒非线性耦合广义热弹性问题。通过对材料性质与温度无关和相关功能梯度圆筒的算例分析，给出了在线性和非线性耦合下圆筒内温度和应力沿径向和随时间的变化关系，验证了本文解的正确性和有效性。数值结果表明，考虑材料性质是否与温度相关，能量守恒方程中耦合项是线性还是非线性，得到的温度与应力均存在不同程度的差异。本文解可方便地应用于不同边界条件和初始条件下圆筒的广义热弹性分析。     

内爆炸加载条件下圆筒的膨胀、破裂规律研究

以经典热粘塑性本构关系 (John Cook本构关系和Powerlaw本构关系 )为基础 ,建立了更适当表征材料特征的新的、解耦的本构关系。采用SHPB(分离式霍普金森杆 )技术测定了常用弹箭材料 35CrMnSiA的不同应变率下的应力、应变关系 ,并采用拟合的方法确定了本构方程中的材料常数。与高速摄影技术测得的径向位移函数及圆筒材料的损伤演化方程相结合 ,建立了控制内爆炸加载圆筒膨胀 ,直至破裂的完备方程组 ,完成了内爆炸加载圆筒问题的数值模拟 ,计算结果与以往有关箭弹材料圆筒膨胀的实验结果符合较好。     

一类可压缩超弹性柱体中微孔的径向增长

研究了一类可压缩超弹性材料组成的柱体在给定的径向拉伸作用下预存微孔的增长问题.利用能量变分原理将此类问题的数学模型归结为一个二阶非线性常微分方程的边值问题,并通过变数变换求得了方程的参数型解析解,得到了微孔的增长与给定的拉伸之间的精确关系.通过相应的数值算例,解释了材料参数和结构参数对微孔增长的影响,分析了柱体中应力的分布及径向位移的变化情况.     

梯度材料二维轴对称问题的弹性解析解

为了研究梯度材料在静荷载下的响应,首先推导出极坐标下轴对称问题的相容方程;再通过选取特殊的应力函数和弹性模量简化该方程,得到了弹性模量呈幂函数形式分布的梯度圆环内、外受均布压力问题的弹性解;在此基础上,引入接触条件,推得均布荷载下双层梯度圆筒和具有梯度界面层的双材料圆筒的弹性解;最后对各解析解进行了算例分析。分析结果表明:对于双层梯度圆筒,材料的梯度分布不改变其应力正负,并能使筒内应力分布更均匀,缓解应力集中;但对于具有梯度界面层的双材料圆筒,并非梯度层厚度越大应力状态越理想,也存在周向正应力虽然更加平均,最大应力值却有所提升的情况。     

一类可压缩超弹性圆柱体轴线上的空穴现象

对于由一类均匀各向同性可压缩的广义Varga材料组成的实心圆柱体,研究其在给定的外表面拉伸和轴向拉伸或压缩共同作用下的轴对称变形问题.利用能量变分原理得到了问题的控制方程和边界条件,并求得了描述柱体径向对称变形的参数型解析解和描述圆柱体轴线上空穴生成和增长的空穴分岔解.给出了与泊松比和轴向伸长相关的径向临界伸长的表达式和空穴生成后的应力表达式;并通过数值算例讨论了这些参数对圆柱体轴线上空穴生成和增长、圆柱体的径向位移以及应力的集中和突变的影响,同时给出了相应的数值模拟.     

软化材料厚壁筒的解析解及其稳定性分析

将弹塑性材料的应力应变全过程曲线简化为三线性模型(弹性-线性软化-残余理想塑性),并假设材料服从Tresca屈服准则和关联流动法则,推导出受内压厚壁筒的解析解.在这个解析解的基础上,讨论了厚壁筒的平衡稳定性问题,内压达到临界载荷时,厚壁筒丧失稳定性,其临界载荷就是软化塑性材料厚壁筒的承载能力.     

自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

本文提供了自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析的方法和公式,自增强残余应力用符合厚壁筒用钢具有强化和包辛格效应实际性能推得的公式进行计算,残余应力对应的应力强度因子的计算采用了有限元法,得到了工作内压与自增强残余应力共同作用下的厚壁筒应力强度因子公式,通过实验测定了厚壁筒用钢的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。     

圆柱外表面受热冲击问题的广义热弹性分析

基于 L-S 广义热弹性理论, 针对实心圆柱体在外表面受均匀热冲击作用下的一维广义热弹性问题进行研究分析. 利用热冲击的瞬时特征, 借助于 Laplace 正、反变换技术及柱函数的渐近性质, 推导了热冲击作用周期内温度场、位移场和应力场的渐近表达式. 通过计算, 得到了热冲击条件下各物理场的分布规律以及延迟效应和耦合效应对热弹性响应的影响规律. 结果表明: 当考虑延迟效应和耦合效应时, 热扰动将以两组速度不同的波的形式向前传播, 延迟效应和耦合效应对各物理场的建立时间, 阶跃间隔和阶跃峰值均产生影响, 且延迟效应和耦合效应均在一定程度上削弱了热冲击的作用效果.      

Stress field of orthotropic cylinder subjected to axial compression

Based on the constancy hypothesis of material volume, the circumferential and radial stresses of a cylinder specimen are analyzed when the cylinder is subject to a loading along the axial direction. The circumferential and radial stress distribution is a power function of radius parameter when the constitutive relation of specimen material is orthotropic. The stress distribution is a quadratic function of radius parameter for transversely isotropic material. Along the cylinder axial line, the circumferential and radial stresses are maximum and equal to each other. In the circumference boundary surface, the radial stress is zero and the circumferential stress value is minimal. The failure theory of maximum tensile circumferential strain is applied to calculate the critical axial loading. The circumference-boundary-layer failure criterion of orthotropic cylinders is described with the Hill-Tsai strength theory. The obtained strength theory is related to axial stress and mechanical properties of specimen material and to the specimen axialdeformation strain rate and the change rate of strain rate.     

内衬涂塑预应力钢筒混凝土管应力分析

传统预应力钢筒混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe,PCCP)容易开裂、预应力丝锈蚀而爆管失效.提出了耐腐蚀内衬涂塑钢筒预应力混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe with plastic,PCCP-P),建立了PCCP-P线弹性轴对称分层圆筒平面应变模型,考虑预应力引起的内部径向压力,针对喷射砂浆保护层在管道预制阶段不受力以及缠丝、运行阶段混凝土弹性模量不同的特点,对PCCP-P分阶段进行分析,得到各结构层的应力解析解,并建立有限元模型进行验证.本研究可为PCCP-P和传统PCCP设计提供依据.     

同轴圆柱间滑移旋转流动问题的同伦解析解

从理论上研究了具有延伸柱面的同轴圆柱间滑移流动问题.通过引入适当的相似变换将控制方程组转化为一类非线性边值问题, 利用同伦分析方法首次获得问题的近似解析解, 分析讨论滑移参数、雷诺数和内外筒半径比对流动的影响.结果表明: 滑移边界参数对剪切应力有较大的影响, 滑移边界小的流体对壁面和边界层内流场施加了更大的剪切力; 增大雷诺数Re, 能增大内筒的壁面剪切力和扭矩; 内外筒半径比对流动结构也有较大的影响, 内筒半径固定, 增大外筒半径能够减少内筒的纵向剪切力.      

Analysis of dynamic stress intensity factors of thick-walled cylinder under internal impulsive pressure

Dynamic stress intensity factors are evaluated for thick-walled cylinder with a radial edge crack under internal impulsive pressure. Firstly, the equation for stress intensity factors under static uniform pressure is used as the reference case, and then the weight function for a thick-walled cylinder containing a radial edge crack can be worked out. Secondly, the dynamic stresses in uncracked thick-walled cylinders are solved under internal impulsive pressure by using mode shape function method. The solution consists of a quasi-static solution satisfying inhomogeneous boundary conditions and a dynamic solution satisfying homogeneous boundary condi- tions, and the history and distribution of dynamic stresses in thick-walled cylinders are derived in terms of Fourier-Bessel series. Finally, the dynamic stress intensity factor equations for thick-walled cylinder containing a radial edge crack sub- jected to internal impulsive pressure are given by dynamic weight function method. The finite element method is utilized to verify the results of numerical examples, showing the validity and feasibility of the proposed method.     

Exact solutions for radial deformations of a functionally graded isotropic and incompressible second-order elastic cylinder

We find closed-form solutions for axisymmetric plane strain deformations of a functionally graded circular cylinder comprised of an isotropic and incompressible second-order elastic material with moduli varying only in the radial direction. Cylinder's inner and outer surfaces are loaded by hydrostatic pressures. These solutions are specialized to cases where only one of the two surfaces is loaded. It is found that for a linear through-the-thickness variation of the elastic moduli, the hoop stress for the first-order solution (or in a cylinder comprised of a linear elastic material) is a constant but that for the second-order solution varies through the thickness. The radial displacement, the radial stress and the hoop stress do not depend upon the second-order elastic constant but the hydrostatic pressure and hence the axial stress depends upon it. When the two elastic moduli vary as the radius raised to the power two or four, the radial and the hoop stresses in an infinite space with a pressurized cylindrical cavity equal the pressure in the cavity. For an affine variation of the elastic moduli, the hoop stress in an internally loaded cylinder made of a linear elastic isotropic and incompressible material at the point is the same as that in a homogeneous cylinder. Here R_in and R_ou equal, respectively, the inner and the outer radius of the undeformed cylinder and R the radial coordinate of a point in the unstressed reference configuration.     

Asymmetric transient response of a hollow cylinder enclosing a compressible fluid

The asymmetric transient response of a hollow cylinder confining a compressible fluid is analyzed. The cylinder is excited by radial displacement prescribed over a rectangular footprint on the cylinder’s outer surface. The special case of plane-strain is also analyzed. A comparison of dilatational stress in the solid cylinder and fluid pressure in the fluid-filled cylinder reveals how a projectile may decelerate faster in the latter.     

径向惯性对薄壁圆管中弹塑性复合应力波传播的影响

弹塑性压扭复合应力波在薄壁管中的传播特性,已得到较为深入的研究,但为得到简单波解,大部分研究忽略了薄壁圆管中与径向惯性有关的周向应力σθ的影响。该文采用便于动态数值方法应用的增量型弹塑性本构关系,应用有限差分数值方法,计算了考虑径向惯性效应的弹塑性薄壁管中复合应力波的演化规律和传播特性,并与无径向惯性效应的计算结果作了对比,结果表明薄壁管中的径向惯性效应对弹塑性复合应力的传播有较大的影响。