椭圆柱壳链的波形弥散特性研究

椭圆柱壳链可以引起波形弥散,从而可以调控应力波的传播.本文通过3D打印、冲击测试、细观有限元模拟和理论分析,研究了在质量块冲击加载下,单胞纵横比、冲击质量和速度对椭圆柱壳链中弹性波传播弥散行为的影响.结果表明,冲击过程中,椭圆柱壳链结构中的速度峰值随着波传播逐渐减小,纵横比越大或冲击质量越小,速度峰值衰减越剧烈,而冲击速度对椭圆柱壳链的波形弥散行为几乎无影响.相关研究对新型波形控制器的设计和精确有效地调控弹性波传播具有重要意义.     

密度梯度柱壳链的弹性波传播特性研究

均匀圆柱壳链可以调控弹性波传播,引入密度梯度有望进一步提高波形调控能力.通过建立密度梯度柱壳链的细观有限元模型和连续介质模型,研究了密度梯度柱壳链的弹性波传播特性.通过将密度梯度柱壳链等效为变密度连续介质弹性杆,建立了其在应力脉冲作用下的控制方程.运用拉普拉斯积分变换方法,考虑杆中密度遵循线性分布,获得了方程的解析解.以三角形应力脉冲作用为例,通过与细观有限元模拟结果比较,发现解析解可以较好地预测梯度柱壳链中载荷的演化趋势.正梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐增大,负梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐减小.正梯度链支撑端峰值载荷高于均匀链,负梯度链支撑端峰值载荷低于均匀链,这表明相较于均匀柱壳链,密度梯度柱壳链可以在更大范围内对波形进行调控.线性密度梯度参数对梯度柱壳链的波形调控能力影响较大,梯度参数越小,传递到支撑端的峰值载荷越小;相反,梯度参数越大,支撑端的峰值载荷越大.建立的理论模型及其解析解为研究梯度柱壳链中应力波传播规律及揭示载荷调控机理提供了理论基础.     

泡沫金属的微惯性效应和动态塑性泊松比

采用三维Voronoi技术和显式有限元方法来研究闭孔和开孔两种泡沫金属的动态塑性泊松比问题和微惯性效应。细观数值模拟的结果表明:塑性泊松比随着轴向应变的增加而下降,塑性泊松比的峰值随着冲击速度的增加而下降;相对密度增加时,泡沫金属塑性泊松比增加;微惯性对平台应力的影响不大。该数值模拟结果能够解释侧向约束情况下闭孔泡沫金属的压溃应力随着加载速率的提高而下降的实验现象。     

负泊松比蜂窝面内动态压缩行为与吸能特性研究

利用有限元软件ANSYS-LSDYNA研究了负泊松比蜂窝结构面内冲击动力学特性。在壁长和相对密度不变的前提下,建立了负泊松比蜂窝模型;通过改变胞元扩展角,讨论了冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形模式和能量吸收能力的影响。数值研究发现,冲击载荷作用下负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能更多依赖于冲击速度。提高冲击速度,冲击端的峰值应力、平台应力、试件的比吸能均增高;但在相同冲击速度下,冲击端和支撑端的峰值应力、平台应力、试件的比吸能均随胞元扩展角的增大而降低。     

含有压电层的各向同性圆柱壳结构的双稳态特性分析

分析了上下表面含有压电层材料的各向同性壳体结构的双稳态特性.通过分析壳体结构内力与中面应变和柱壳曲率增量之间的关系,建立了含有压电材料的各向同性弹性柱壳的力学模型,推导给出了结构系统的弹性应变能的数学表达式.根据最小势能原理推导出实现圆柱壳双稳态的条件方程.结果表明,柱壳双稳态特性与结构系统初始曲率及电场作用形式有关.当满足一定条件时,柱壳具有双稳态,其对应于第二个平衡状态,即柱壳的第二个(卷曲)稳定状态.同时,建立了含有压电材料各向同性壳体结构的有限元模型,对其卷曲过程进行了数值模拟,获得了结构系统稳态卷曲半径和应力分布.理论与数值模拟结果的比较验证了理论模型的正确性.     

闭孔泡沫铝的塑性泊松比

在表征闭孔泡沫铝的力学性能中,塑性泊松比是较为重要的参数之一。本文应用Kelvin十四面体模型构建出不同相对密度的闭孔泡沫铝三维细观模型并采用LS-DYNA对所得细观模型进行单轴准静态压缩计算。数值模拟分析发现,随着轴向应变的增加,泡沫铝泊松比-轴向应变曲线呈倒S形,存在峰值和极小值,曲线变化规律与泡沫铝胞孔的变形有密切关系。根据泊松比-轴向应变曲线与胞孔变形之间的关系,给出了平均塑性泊松比的定义。计算结果显示,随着相对密度的提高,闭孔泡沫铝的平均塑性泊松比增大。当闭孔泡沫铝的相对密度低于0.1时,其平均塑性泊松比接近于零,计算中可以忽略;当闭孔泡沫铝相对密 度大于0.1时,其平均塑性泊松比随相对密度的增加而呈线性从0.17增加到0.5     

应力脉冲在SHPB实验中弥散效应的数值模拟与频谱分析

在评判不同材料的整形器对加载波形的改进效果的应用背景下,对比研究了不同形态的应力脉冲在霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)中的弥散效应。利用有限元软件LS-DYNA建立了杆件的三维有限元模型,在杆端分别施加矩形、三角形和半正弦形的应力脉冲,分析了波形振荡、前沿升时和应力峰值随传播距离的变化规律,并运用频谱分析的方法进行了理论解释。结果表明:三角应力脉冲和半正弦应力脉冲在各个方面都比传统的矩形应力脉冲表现出了更小的弥散效应;半正弦应力脉冲在传播过程中比三角应力脉冲更能控制其形态,能有效地减少弥散效应,提高Φ100mm SHPB实验精度,是岩石类非均质材料的理想加载波形;频谱分析的方法能从理论方面有效地解释应力脉冲信号在SHPB实验中的弥散现象。由此可见,波形整形设计的理想目标为具有较宽历时的半正弦应力脉冲。     

泡沫杆撞击刚性壁的动态压溃模型

针对泡沫杆撞击刚性壁的情形建立了2类动态压溃模型:一维冲击波模型和三维细观有限元模型。以连续介质框架下的应力波理论为基础,并假定了刚性-非线性塑性硬化的加载和刚性卸载的本构关系,建立了一维冲击波模型,给出了冲击波波后应变与冲击时间的隐式表达式。利用随机Voronoi技术构建了闭孔泡沫金属结构的三维细观有限元模型,使用ABAQUS/Explicit有限元软件模拟了泡沫材料的动态压溃过程,并基于最小二乘法计算局部变形梯度和局部应变得到了三维泡沫结构的应变场。通过理论解和数值解的比较,发现该理论模型能够较好地预测泡沫金属杆撞击刚性壁的力学行为,得到了较为精确的结果。     

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.      

钢筋混凝土开裂角软化薄膜模型

开裂角介于固定角和转动角之间,是裂缝实际的开展方向角.通过建立平衡方程、协调方程、钢筋和混凝土本构方程、泊松比效应系数方程,提出了钢筋混凝土开裂角软化薄膜模型,该模型考虑了拉应变与压应变的相互作用.本文还给出从应力到应变的计算方法,与传统从应变到应力的计算方法相比,该方法无须进行反复试算,计算简便.通过与8块钢筋混凝土薄板试验结果的比较,验证了所提出开裂角软化薄膜模型及其算法的正确性.     

New spatial curved beam and cylindrical shell elements of gradient-deficient Absolute Nodal Coordinate Formulation

Based on previous studies, a new spatial curved slender-beam finite element and a new cylindrical shell finite element are proposed in the frame of gradient-deficient Absolute Nodal Coordinate Formulation (ANCF). The strain energy of the beam element is derived by using the definition of the Green?CLagrange strain tensor in continuum mechanics so that the assumption on small strain can be relaxed. By using the differential geometry and the continuum mechanics, the angle between two base vectors of a defined local coordinate frame of the cylindrical shell element is introduced into the strain energy formulations. Therefore, the new shell element can be used to model parallelogram shells. The analytical formulations of elastic forces and their Jacobian for the above two finite elements of gradient-deficient ANCF are also derived via the skills of tensor analysis. The generalized-alpha method is used to solve the huge set of system equations. Finally, four case studies including both static and dynamic problems are given to validate the proposed beam and cylindrical shell elements of gradient-deficient ANCF.     

Dynamic stability of a thin cylindrical shell with top mass subjected to harmonic base-acceleration

This paper considers the dynamic stability of a harmonically base-excited cylindrical shell carrying a top mass. Based on Donnell’s nonlinear shell theory, a semi-analytical model is derived which exactly satisfies the (in-plane) boundary conditions. This model is numerically validated through a comparison with static and modal analysis results obtained using finite element modelling. The steady-state nonlinear dynamics of the base-excited cylindrical shell with top mass are examined using both numerical continuation of periodic solutions and standard numerical time integration. In these dynamic analyses the cylindrical shell is preloaded by the weight of the top mass. This preloading results in a single unbuckled stable static equilibrium state. A critical value for the amplitude of the harmonic base-excitation is determined. Above this critical value, the shell may exhibit a non-stationary beating type of response with severe out-of-plane deformations. However, depending on the considered imperfection and circumferential wave number, also other types of post-critical behaviour are observed. Similar as for the static buckling case, the critical value highly depends on the initial imperfections present in the shell.     

裂尖大变形条件下的约束研究

通过面内应力比Tx和离面约束Tz在塑性区分布规律的深入分析，发现约束在塑性区不同区域的影响是不同的，在裂尖的钝化区，面内应力比Tx起重要作用，而在钝化区外的塑性区内，离面约束Tz起主要作用，在J－Q理论的基础上引入离面约束Tz可以很好地描述钝化区以外的应力应变分布，在钝化区内引入面内应力比Tx可以对裂尖前方的应力应变进行大变形分析和描述，研究表明综合两个约束的共同作用，可以很好地描述大变形条件下裂尖前方的应力分布。     

高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明：夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。

     

An exact closed-form procedure for free vibration analysis of laminated spherical shell panels based on Sanders theory

This paper deals with closed-form solutions for in-plane and out-of-plane free vibration of moderately thick laminated transversely isotropic spherical shell panels on the basis of Sanders theory without any usage of approximate methods. The governing equations of motion and the boundary conditions are derived using Hamilton’s principle. The highly coupled governing equations are recast to some uncoupled equations by introducing four potential functions. Also, some relations were presented for the unknowns of the original set of equations in terms of the unknowns of the uncoupled equations. According to the proposed analytical approach, both Navier and Lévy-type explicit solutions are developed for moderately thick laminated spherical shell panels. The efficiency and high accuracy of the present approach are investigated by comparing some of the present study with the available results in the literature and the results of 3D finite element method. The effects of various shell parameters like shear modulus ratio of transversely isotropic materials and curvature ratio on the natural frequencies are studied. Clearly, the proposed solutions can accurately predict the in-plane and out-of-plane natural frequencies of moderately thick transversely isotropic spherical shell panels.     

环形激波聚焦流场特性的数值研究

针对环形激波聚焦过程产生的高温、高压特性,采用间断有限元方法模拟了环形激波在同轴圆柱形激波管内的聚焦流场特性。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉激波聚焦过程形成的二次激波、涡环、三波交点和球面双马赫反射等主要流动特征。此外,通过改变环形管道内外半径对聚焦流场进行模拟发现,环形管道外径对中心轴线上聚焦峰值压力的大小和位置影响较小,环形管道内径对中心轴线上聚焦峰值压力的大小和位置影响较大。计算结果可以为工程应用提供一定的理论指导。     

高共面/异面抗冲击承载能力的新型蜂窝设计及吸能评估

针对传统蜂窝共面和异面承载能力差距太大的问题,提出了胞壁弓字形弯折蜂窝、层间组合蜂窝和折叠蜂窝等3种新型蜂窝,建立了新型蜂窝的有限元模型并分析了其变形模式和承载能力。结果表明,在相对密度一致的前提下,与传统正六边形蜂窝相比,这3种新构型蜂窝均缩小了共面和异面方向承载能力的差距。其中胞壁弓字形弯折蜂窝的共面/异面承载比提高了21.3倍;层间组合蜂窝两个共面方向承载能力悬殊,承载能力更强的共面方向与异面的承载比值提高了42倍;折叠蜂窝则提高了21.3倍。研究结果可以为抗多向冲击载荷作用下的蜂窝结构设计提供新思路和参考。     

受轴向冲击薄壁圆管的几何畸变相似律研究

对于受轴向冲击载荷作用的薄壁圆管动态响应的相似律问题,由于圆管的薄壁特性导致厚度无法与高度和半径按相同的比例进行结构缩放,从而产生模型的几何畸变,此时传统的相似律已无法描述原型与畸变模型之间的动态响应规律。基于薄壁圆管轴向冲击问题的控制方程,通过能量守恒和量纲分析,推导了考虑几何畸变条件下轴向冲击载荷作用的理想弹塑性薄壁圆管动态响应的相似律。通过在给定应变与应变率区间上建立比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,将几何畸变相似律进一步推广至包含应变率和应变硬化的材料。通过数值方法验证了提出的几何畸变模型相似律的适用性。分析结果表明,提出的考虑厚度畸变的受轴向冲击薄壁圆管的相似律可用于预测原型结构的冲击动态响应,并显著降低比例模型与原型结构平均载荷和能量的偏差。