软铁磁薄板磁弹性耦合作用的变分原理

研究磁弹性耦合问题的关键是正确计算作用在铁磁弹性体上的磁力，该文以磁场系统的磁能与磁介质弹性板应变能之和作为软铁磁薄板位于外加磁场合作用系统的能量泛函，以磁标势函数和位移函数的变分为独立变量，给出软铁磁薄板在任意外磁场中磁弹性耦俣作用变分原理，由此不仅导出磁和结构变形的联立控制方程，而且获得作用在薄板上的磁力表达式，进而可以对两类不同性质的铁磁板耦合作用的实验现象进行理论模拟     

轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法

爆破孔壁压力峰值是进行非流固耦合爆破动力响应分析的重要参数。针对轮廓爆破孔壁压力峰值的计算方法问题，理论分析了爆炸冲击波与弹性壁面的相互作用，推导了空气冲击波与弹性壁碰撞后压力增大倍数的理论解，并采用流固耦合动力有限元数值分析方法，研究了3种岩体介质、2种轮廓爆破常用炸药、5种常用不耦合系数、2种轴向装药系数工况下轮廓爆破的冲击波碰撞压力增大倍数和炮孔壁压力峰值。结果表明:轮廓爆破时，爆炸冲击波与孔壁碰撞后压力增大倍数并不是常值，与炸药特性、孔壁介质条件、不耦合装药系数等因素相关，孔壁压力峰值也与上述因素密切相关。基于模拟的孔壁压力峰值数据的统计分析，并结合理论推导成果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式，提出了一种新的轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法。     

流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法

流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.      

TNT药柱水中爆炸近场压力轴向衰减规律

通过TNT药柱水中爆炸实验,建立了利用高速相机测量水中爆炸近场冲击波的实验方法,得到了药柱轴向的扫描图像,并对图像进行了数字化分析;利用Rankine-Hugoniot关系从冲击波的扫描轨迹求得冲击波阵面压力,并外推至冲击波的初始压力;用LS-DYNA计算了柱形装药近场压力沿轴向的衰减曲线;用锰铜压力传感器测量了冲击波的初始压力。研究结果表明,测试结果与计算结果比较符合,TNT药柱的近场轴向压力遵循指数衰减规律。     

爆炸波作用下地下防护结构与围岩的非线性动力相互作用分析

针对实际地下工程中普遍存在的材料非线性以及半无限介质域的处理问题,给出了基于时间有关基本解的时域边界元法与非线性动力有限元法的耦合方法,应用该耦合方法计算了一马蹄形截面地下防护结构与围岩受爆炸冲击波作用下非线性相互作用的时间历程,并与线弹性情况进行了比较分析。结果表明:本文的方法具有较高精度,真实地再现了波在弹性层中传播以及反射的全过程。     

不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟

针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。     

流固耦合问题中的附连水质量研究

导弹在水下运行时受到水流，波浪和冲击波等流体动力的激励时弹性将产生振动，其周围流场亦将发生变化，这种流场的变化反过来使结构受到的流体动力激励发生变化，使弹体形成新的振型，这样便形成反馈的流体－结构相互作用的流固耦合问题。在用有限元解决此类问题时，原有的动力方程中将出现附连水质量项，所以对如何运用有限元法解决附连水质量的计算是十分有意义的。本文利用变分原理推导出三维流场中附连水质量的一般公式，并给出     

软铁磁薄板磁弹性屈曲的理论模型

铁磁弹性薄板的磁弹性屈曲问题一直作为电磁——弹性力学相互作用的一个基本模型进行研究，而作用在其磁介质上的磁力计算则是定量理论预测准确与否的关键．到目前为止，文献上已有的理论模型对悬臂铁磁梁式悬臂板在横向磁场中磁弹性屈曲的理论预测值始终高于实验值，有的甚至相差１００％左右．本文基于电磁力计算的微观安培电流模型，严格给出了软铁磁薄板等效横向磁力的宏观计算表达式．在此基础上，建立了电磁——力学相互耦合作用的非线性理论模型．该模型能描述铁磁薄板结构在非均匀横向磁场环境中的磁弹性失稳（或屈曲）．其定量分析采用了有限元法和有限差分法相结合．数值结果显示：本模型给出的磁弹性屈曲的临界磁场值与实验值符合良好．与此同时，文中还对文献中认为较成功的Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ模型的基本假设进行了分析．定量结果发现：Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ理论模型的基本假设仅在梁式板的长厚比Ｌ／ｈ比较大时（约在２００左右），是可以接受的，而当Ｌ／ｈ较小时，该假设将导致理论值与实验值的较大误差．Ｌ／ｈ比值越小，理论值与实验值的误差越大     

流固耦合振动问题的某些工程处理方法

流固相互作用的动力学问题,又称流固耦合问题,可以用拉格朗日法或欧拉-拉格朗日法予以表述。其中不少问题是非线性的,如带自由面的流动区域,边界条件即呈非线性。本文简要综述了若干流固耦合问题的基本方程和边界条件,介绍了这类问题的处理方法,包括有限元法,流体元的有限差分法及其联合运用,还有有限元与边界元耦联解法。文中也提及了本文作者们已做的一些工作和国内在工程水弹性力学研究方面的进展。     

超弹性夹芯覆盖层的水下爆炸防护性能

对橡胶夹芯覆盖层在船模受水下爆炸时的防护作用进行了实验研究。以钢制加筋方盒模型为实验对象,针对有、无覆盖层2种情况开展了一系列5 kg当量的水下爆炸对比实验。对加速度、应变及壁压等物理量进行了分析对比。结果表明,超弹性覆盖层能有效降低结构受冲击波时的响应峰值。而壁压对比揭示了由于流固耦合,作用在结构上的总入射冲量大幅度降低。频域分析表明,覆盖层的作用可以用一个低通滤波器进行类比,对于50 Hz以上的高频信号衰减明显,但对于低于50 Hz的低频信号影响不大。     

基于二阶双渐近法的双层圆柱壳在水下爆炸作用下的鞭状运动

针对潜艇在水下爆炸载荷下的鞭状运动,从波动方程出发,推导了二阶双渐近法后期近似,并结合声固耦合法初步解决了双层圆柱壳的内域问题,然后将其与显式有限元耦合形成了圆柱壳结构水下爆炸流固耦合分析方法。通过简单算例验证了本文分析方法的有效性和精度。最后,基于此方法分析了双层圆柱壳结构在水下爆炸载荷下的总体响应特性以及周期比和爆距比对其影响规律。     

薄板动态热耦合弯曲问题的拉普拉斯变换有限元法

以薄板动力热耦合弯曲问题的变分原理为基础，提出了一种解决该问题的拉普拉斯变换有限元法，该方法在拉氏域内建立和求解有限元方程，再将结果数值逆变换至时域，得到各给定时刻的解答，周边绝热简支方板的热冲击问题算例说明方法是成功的，该方法为研究薄板此类问题的可能性，其计算结果可供工程设计参考。     

水下爆炸非均熵二维定常流的三族特征线解法

针对二维定常可压缩超声速非等熵柱状流,提出一种特征线差分解法,通过在沿马赫线的相容方程中添加沿流线的熵变项以描述非等熵效应,得到等熵流和非等熵流均适用的三族特征线方程组。根据水下爆炸近场特点,建立无限长柱状装药的定常模型,将三族特征线方程组用有限差分法离散求解,通过构造合适的网格保证计算格式可以数值上收敛,由此编制程序并计算几种柱状炸药的水下爆炸近场冲击波。对比有限元模拟结果和实验结果发现,特征线差分法可以比较准确地捕捉冲击波形状并计算冲击波后流场,从而验证了所提出的三族特征线差分法的准确性。     

动态云纹干涉法测量应变场

本文提出,对于具有双半圆孔的半有限平面模型,在应力波传播过程中,关于位移场和应变场的解答,该解答是用实验方法来实现,应用双脉冲红宝石激光器和使用云纹干涉。冲击载荷是用摆锤施加的,用两个适当的外部触发机构,在预先确定的时间间隔里触发红宝石激光器,冲击后,对应不同的时间延时,在一张全息胶片上记录下“和”位移场的云纹干涉图。     

水下爆炸冲击波壁压理论及数值计算方法改进研究

水下爆炸冲击波是舰船抗冲击评估中重要的载荷成分,也是水中结构物毁伤程度快速预报的关键和依据。通过小当量实验发现,由于传统 Taylor 平板理论公式忽略了冲击波波速的非线性变化 ,导致其在预报近距离水下爆炸冲击波壁压脉宽时出现偏差。为此,给出了比例爆距R/W1/3为0.11～5.30 m/kg1/3 (R为爆距,W为炸药质量)下的冲击波速度拟合公式,对传统Taylor理论公式进行修正。修正后,在R/W1/3=0.11 m/kg1/3下,壁压脉宽及冲量偏差大幅减小;在R/W1/3≥0.21 m/kg1/3下,两者偏差均小于12%。此外,在处理水下近场和中远场爆炸问题时,发现数值耗散会导致壁压峰值被明显削弱,于是提出了一种可行的数值策略消除计算中数值耗散导致的削弱效应,结果与修正的Taylor平板理论公式吻合良好,峰值偏差均小于9%。改进后的冲击波壁压理论公式及数值计算方法可为舰船抗爆抗冲击领域提供理论和技术支撑。     

Holographic study of propagating transverse waves in plates

The technique of double-exposure holographic interferometry was used to record the propagation of transverse waves in a plate. The waves were initiated by striking the plate in the center with a ballistic pendulum; this technique produced axisymmetric response of the plate. Several pulsed-laser interferograms were obtained, each of which showed the bending wave at a different time after the initiation of impact. From the interferograms, plots of the transverse displacement vs. distance from the center of impact were obtained. The experimental data compared favorably with analytical results for the problem.     

水下声波传播过程的时域间断Galerkin有限元方法

本文构建了声压波动方程的改进时域间断Galerkin有限元方法.传统时域连续有限元方法在计算高梯度、强间断特征水中声波传播问题时往往会出现虚假数值振荡现象,这些数值振荡会影响正常波动的计算精度.为了解决这一问题,本文通过引入人工阻尼的方式构建了改进的时域间断Galerkin有限元方法,并针对具有高梯度、强间断特征的多障碍物复杂边界和层合液体介质声传播问题进行了计算.计算结果表明,与传统时域连续方法如N ew mark方法计算结果对比,所发展方法能较好地消除高梯度和强间断声压力波传播过程中虚假的数值振荡,具有较高的计算精度.问题的求解为进一步流固声耦合问题的研究奠定了基础.