铆接油箱的水锤毁伤效应

为了研究高速侵彻体撞击飞机油箱等充液容器所产生的水锤效应对容器结构产生的灾难性破坏,以铆接油箱为对象,通过开展弹道射击实验,结合数字图像相关测试技术,获取了铆接油箱在射弹冲击作用下的箱体变形、破孔直径等数据;并建立流-固耦合有限元模型,分析射弹入射速度与射弹动能损失、箱体变形、流体动压、铆钉失效之间的关系。结果表明：有限元模拟结果与实验结果基本吻合,数值模型可用于描述油箱在水锤作用下的动力学行为;射弹动能损失、箱体变形量、液体压力峰值与射弹入射速度呈正比例关系;当射弹入射速度达到1 400 m/s之后,油箱后壁板开始出现裂纹,并呈花瓣式破孔损伤;当射弹入射速度达到1 600 m/s时,铆钉开始发生断裂。     

爆炸破片对防护液舱的穿透效应

分别对单发破片和双发破片同时穿透液舱的过程进行了数值计算,提出了破片穿透液舱的5个典型过程,分析了破片速度的衰减规律、液舱内板的响应及舱内液体中冲击波压力的叠加效应。结果表明:破片穿透液舱的过程中产生的冲击波和局部压力将作用在液舱内板上,双发破片打击时液体内部产生的冲击波有明显的叠加效应,高压区域的位置与破片间距有关,冲击波压力峰值和液舱内板受到的压力大于2倍的单发破片打击情况。     

高速破片撞击充液容器拖拽阶段气腔特性研究

为研究液压水锤效应拖拽阶段的气腔特性,利用数值模拟与实验相结合的方法对破片撞击充液容器的过程进行研究,并分析了破片撞击速度和液体介质对液压水锤效应拖拽阶段气腔的影响。结果表明:破片撞击充液容器时,在液体中形成的气腔形状为圆锥形,其最大直径和长度随破片的运动逐渐增大,气腔长径比最终趋于一稳定变化区域,约在3.8~3.9之间;气腔最大直径随着破片撞击速度的增大而增大;柴油介质中形成气腔的最大直径和长径比变化规律与水介质中形成的相同,气腔长径比最终在4.25左右浮动,柴油介质中形成气腔的最大直径和长径比均大于水介质中形成的。     

基于ALE,CEL和SPH方法的球形破片高速冲击充液结构对比研究

为研究ALE,CEL和SPH方法在高速冲击流固耦合动力学数值分析中的差异性,开展球形破片高速冲击充液结构数值模拟研究。建立经文献资料验证的ALE,CEL和SPH三种动力学模型,研究了流体压力变化、形成的空腔尺寸、破片速度衰减变化和充液结构变形等模拟精度,并分析相应的计算成本。结果表明,ALE,CEL和SPH三种方法均能有效模拟破片高速冲击充液结构的流固耦合动力学过程;ALE方法预测的空腔尺寸精度较高;CEL方法预测的流体压力、破片速度衰减和充液结构变形精度较高;SPH方法预测的空腔尺寸、破片速度衰减精度较高;当网格尺寸一致时,SPH方法计算时长约为ALE和CEL方法的两倍,但SPH方法前后处理更加简便。     

改进的特征线方法及过载对水锤效应影响分析

传统特征线方法对过载作用下的水锤计算具有局限性,无法为水锤防护提供可靠性指导。本文在考虑过载效应和动态摩阻的基础上,提出了改进的特征线方法,该方法能准确模拟过载作用下水锤最大压力峰值及水锤波的衰减特性。基于该方法,建立了过载作用下水锤效应数学模型,通过分析结果与CFD数值仿真及实验数据对比,验证了改进特征线方法的正确性。分析结果表明,在恒定过载作用时,阀门位置的流体压力随过载量的增加而增大,且管轴向过载的影响大于横向过载;关阀过程受到瞬时过载作用时,过载效应对水锤最大压力峰值影响显著,而对关阀后水锤波的传播和衰减影响较小;同时,分析了过载效应下关阀特性和流体密度等参数对水锤效应的影响规律。     

圆柱形钨破片撞击铝靶时的跳飞临界角

采用理论计算、数值模拟与实验相结合的方法,研究了直径5.7 mm、长6.7 mm的圆柱形破片以800~1 200 m/s的速度撞击2~10 mm厚铝靶时的跳飞特性。建立了破片斜侵彻有限厚靶板的跳飞临界角理论模型,计算得到破片跳飞临界角与破片入射速度、靶板厚度的关系,并与模拟值、实验值对比,三者吻合较好。结果表明:破片撞靶速度相同时,随着靶板厚度的增加,破片的跳飞临界角减小。靶板厚度相同的情况下,在所计算的速度范围内,入射速度越大,破片跳飞临界角越大。速度在800~1 200 m/s时,破片撞击2 mm厚靶板的跳飞临界角为81°~81.25°;撞击4 mm厚靶板的跳飞临界角为72.5°~76.25°。     

垫层对破片冲击起爆带壳炸药影响的数值模拟

将战斗部简化为带钢壳和垫层的炸药组件,用3种不同厚度的材料作垫层,利用非线性有限元软件AUTODYN对高速破片侵彻、引爆带壳炸药的作用过程进行了数值模拟,得到了高速破片冲击起爆带壳带垫层炸药的波后压力剖面。对不同厚度多种材料作为垫层时带壳炸药的冲击到爆轰距离进行了对比分析,结果表明,通过控制垫层的材料和厚度,可以对破片冲击起爆带壳炸药进行有效抑制。研究结果对战斗部破片起爆的防护设计具有指导意义。     

两种典型高熵合金冲击释能及毁伤特性研究

为研究FeNiMoW和FeNiCoCr两种典型高熵合金材料的冲击释能规律, 利用Φ14.5 mm弹道枪发射装置和准密闭试验容器系统开展了两种典型高熵合金破片在不同速度下冲击释能效应试验. 进一步, 利用该试验平台开展两种高熵合金破片侵彻多层目标的毁伤特性研究. 通过改变准密闭试验容器前置钢靶厚度, 研究了两种高熵合金破片对后续多层靶板的侵彻毁伤规律. 研究发现: FeNiMoW和FeNiCoCr高熵合金破片分别在1356 m/s和1217 m/s出现能量释放现象. 低于该撞击速度未发生化学反应. 撞击速度对两种高熵合金破片释能有显著的影响, 随着速度的增加, 两种高熵合金破片冲击释能反应加剧, 超压峰值上升加快. 在1600 m/s左右的撞击速度下, 随着试验容器前置钢靶厚度从1 mm增加至5 mm, FeNiMoW破片超压峰值整体上呈上升趋势, FeNiCoCr破片超压峰值呈下降趋势. 在两种高熵合金破片侵彻多层靶标过程中, 其释能反应程度的降低对破片穿孔能力的增强有一定贡献, 而容器前置钢靶厚度的进一步增大将降低破片对后续多层铝靶的穿孔毁伤能力. 另一方面, 随着前置钢靶厚度的增大, 破片对第一层铝靶的毁伤面积先增大后减小.      

破片撞击充液密闭油箱的实验研究及数值仿真

针对两种不同充液密闭柴油箱,一种油箱为普通柴油箱,另一种为在油箱内层附带橡胶层的柴油箱,在一定速度范围内开展了钨合金燃烧破片撞击、引燃油箱的实验研究。试验采用高速录像拍摄破片撞击油箱的过程。研究发现,带有橡胶的油箱具有自闭合功能,在735m／s～1320m／s的速度范围内不能被引燃,而不带有橡胶的油箱可被引燃。为了揭示这种带有橡胶材料油箱的自闭合现象,利用LS—DYNA软件,选定橡胶材料为超弹性材料,对破片撞击带有橡胶结构的油箱进行了数值仿真。仿真结果表明带橡胶油箱具有自闭合力学机理。     

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.      

多破片对柱壳装药冲击起爆速度阈值的数值模拟研究

为了研究实战环境中多个钨球破片对导弹战斗部（柱壳装药）的冲击起爆问题,采用AUTODYN-3D数值模拟软件,基于单破片撞击柱壳装药模型,建立多破片撞击柱壳装药的模型,开展了不同钨球个数、空间碰撞位置间隔（撞击角θ、轴向球心距l）及时间间隔对冲击起爆特性影响的数值模拟,获得了带壳B炸药的起爆速度阈值。结果表明:相同条件下,随着钨球个数的增加、空间碰撞位置间隔的减小,起爆速度阈值逐渐减小,6个钨球同时撞击的起爆速度阈值约为单个作用下的50%;双钨球作用下,柱壳装药相较于平板装药更难以起爆;双钨球间隔撞击柱壳装药时,起爆速度阈值均随着撞击时间间隔的增大而先减小后增大,最小起爆速度阈值约为同时撞击时的95%,且|θ₂|＜|θ₁| （θ₁为第1个钨球的撞击角,θ₂为第2个钨球的撞击角）时更容易起爆柱壳装药。     

爆炸加载下金属柱壳破片软回收技术研究

针对爆炸加载下金属柱壳膨胀断裂破片软回收的研究需求,本文通过理论分析和初步的数值模拟设计了由低密度聚氨酯泡沫与水介质为主体的回收装置。与传统单一材料为主的回收装置相比,该回收装置既能在破片高速阶段将低阻抗聚氨酯泡沫对破片的冲击压力减小到约为水对破片冲击压力的1/3,又使破片速度全程持续地较大幅度衰减,还能在破片低速阶段又能充分利用水介质密度大的优势,减小以聚氨酯泡沫单一材料为主的回收装置尺寸。依托该装置开展了炸药加载下304不锈钢柱壳膨胀断裂回收实验。通过测量回收池外壁速度、检查实验后的回收池外观,发现回收池池壁和底部完好,可以重复使用;通过对回收破片称重统计,破片回收率超过85%,破片内外界面辨识度高,破片表面车刀纹清晰可见,内部可见多条未贯穿的裂纹。表明该回收装置对破片的冲击损伤显著降低。根据破片断口和表面信息,推测了破片在金属柱壳的大致位置。本文最后初步给出了回收破片的平均厚度及质量分布等相关信息的统计结果。     

钨球侵彻LY-12铝合金靶板的有限元分析

介绍了利用LS-DYNA进行球形破片侵彻靶板的网格划分方法，确定了钨球破片和LY-12铝合金的材料模型，利用不同尺寸的球形破片对不同厚度的靶板进行了仿真分析，得出了不同情况下破片对靶板的穿透曲线图、正向跳飞曲线图和破片穿透靶板时的临界入射角和正向跳飞时的临界入射角，并对破片的剩余速度和末角度进行了分析。     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。     

偏心起爆对战斗部装药能量分配增益的影响

为研究不同方式的偏心起爆对炸药装药能量分配及增益的影响,建立了偏心起爆战斗部的计算模型,通过局部装填比这一变量,给出了偏心起爆战斗部破片的初速计算公式。采用数值模拟与试验验证结合的方法,对六分位条件下不同偏心起爆方式的破片速度增益和能量增益进行了对比,得出以中心起爆为基准,分别以邻位双线、连位三线、间位双线、偏心单线方式起爆,定向方位内破片的速度增益依次增大;邻位双线起爆时,目标方向破片速度增益达25.47%,定向区域破片动能占总能量的24.57%,能量增益超过40%。     

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。     

高速破片撞击充液容器时容器壁面的损伤

为研究高速破片(钨球)撞击充液容器(贯穿前后壁面)时容器壁面的毁伤情况,利用ANSYS/LSDYNA对该过程进行了数值模拟,分析了破片撞击动能对充液容器前后壁面毁伤程度的影响,并进行实验验证。结果表明:高速破片撞击充液容器形成的液压水锤对充液容器前后壁面的破坏程度可分为3个等级,即前后壁面均未出现裂纹、前壁面没有出现裂纹后壁面出现裂纹和前后壁面均出现裂纹且后壁面呈花瓣式开裂;破片撞击充液容器过程中,前后壁面的最大变形量和前后壁面的裂纹总数随破片撞击动能的增加而增大。     

Mathematical modelling and control of a nonholonomic spherical robot on a variable-slope inclined plane using terminal sliding mode control

In this paper, the three degrees-of-freedom motion of a two-dimensional rectangular liquid tank under wave action is simulated by the boundary element method in time domain. The coupling effects between tank motion and internal sloshing flow are investigated in partially filled conditions. The fourth-order Runge–Kutta method is adopted to update the wave shape and velocity potential on the free surface. The fully nonlinear mutual dependence of the incident wave, tank motion and internal sloshing flow is decoupled through an auxiliary function method, by which the liquid tank acceleration can be obtained directly without knowing the pressure distribution. The corresponding validation of numerical model is carried out and indicates that the accuracy of the present method is satisfactory to evaluate the dynamic responses of tank and sloshing motion. The corresponding response amplitude operators of tank motions for various wave frequencies, amplitudes and filling conditions are obtained, and the nonlinear coupling effects of sloshing flow on the tank responses are analyzed. It is found that the coupling effects have significant influence on sway and roll motion while have little impact on heave motion. The most important coupling effects on roll motion are the split of peak. In addition, due to the nonlinearity of sloshing flow, the roll motion amplitude is not linearly proportional to wave amplitude.