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.      

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.     

加筋板弹性大挠度的冲击响应分析

用半解析的方法分析了横向冲击载荷下加筋板的非线性瞬态响应。考虑膜力的存在 ,忽略筋截面上的剪切应力 ,引入板的应力函数 ,采用离散加筋板模型 ,运用能量原理建立加筋板的动响应控制方程。假设挠度为双级数形式 ,运用迦辽金法 ,将加筋板的动响应方程转化为一个多自由度的动力系统 ,采用数值方法来求解。最后给出了几个模型的计算结果。     

火炮立楔式炮闩抽筒系统的动态特性

针对火炮立楔式炮闩抽筒系统中的卡壳和构件动态断裂等抽筒故障,以动力学理论为基础,将其转化为系统动态特性的定量研究。分析了抽筒系统的工作机理并建立了连续接触动力学模型,定量地推导出药筒及系统内接触构件的运动规律和碰撞载荷。建立了杠杆式抽筒子在抽筒过程中的弹性波动模型,采用该模型能够定量地得出抽筒子的动应力分布和力学参数的影响。进行了理想抽筒工况下理论模型的数值计算和实体模型的仿真模拟,同组比较结果验证了定量分析模型的合理性。所建模型可为解决抽筒故障提供理论依据,也可为抽筒系统的动力学和结构优化设计作铺垫。     

钢球斜侵彻碳纤维复合材料板的实验研究

为了研究碳纤维复合材料板（CFRPs）在斜侵彻下的抗弹性能,利用一级轻气炮对碳纤维复合材料板进行了70~280 m/s速度范围的0°、30°和45°的侵彻贯穿实验,通过高速摄影技术测量了弹体速度和弹道轨迹。分析了冲击角度对弹道极限、能量吸收和弹道偏转的影响。结果表明:在冲击能量较低时,靶板在正冲击下的能量吸收率比斜冲击高,而当冲击能量较高时则恰好相反;此外,由于弹体穿过层合板的穿透长度随着冲击角度的增加而增加,弹道极限随着冲击角度的增加而增加;而冲击角度对弹道偏转的影响则随着冲击速度的变化而变化。     

横向爆炸载荷下开孔板的动应力集中因子

基于ANSYS 5.7/LS-DYNA程序,对3 m3 m0.25 m四边固支和简支、中心具有0.3 m0.3 m方孔的开孔板和无孔板对应点在两种下三角爆炸载荷作用下的应力响应进行了分析;由开孔板和无孔板边对应点的主应力时程曲线,对提出的能量密度时间分布函数的绝对值平方进行变上限积分,按其比值确定动应力集中因子,该方法简单易行。     

薄壁金属管在中高速冲击下的缓冲特性研究

薄壁金属管塑性变形缓冲器通过塑性变形吸收能量,是冲击动力学领域所用缓冲器之一。通过试验和数值模拟研究了薄壁金属管塑性变形缓冲器在中高速冲击下的缓冲特性。通过空气炮试验,得到了薄壁金属管在中速冲击下的变形特点及缓冲力,分析了薄壁金属管在中高速冲击下的变形机理。研究了薄壁金属管半锥角、冲击速度、冲击质量对薄壁金属管缓冲性能的影响。结果表明:随着冲击速度的提高(30m/s~500m/s),缓冲力稳定性降低,缓冲力波动范围从8.2k N提高到19.9k N,最大缓冲力从19.9k N提高到34k N;半锥角不同会影响薄壁金属管的最大缓冲力;当冲击速度大于100m/s时,薄壁金属管缓冲力稳定性不受冲击质量影响。     

垂向冲击下穿戴装备对乘员损伤影响研究

军事人员在战斗中需要穿戴装备,穿戴装备后对车内乘员承受车辆底部爆炸垂向冲击时的损伤有影响。通过垂向冲击试验与仿真模拟的方法,研究了穿戴装备在身上的分布对于乘员损伤的影响。根据AEP55乘员伤害准则,以盆骨z向加速度和腰椎轴向力为乘员损伤的参考目标,首先通过垂向冲击试验的进行,研究了不同穿戴装备质量对于乘员损伤的影响;接着通过有限元模型对试验进行验证和优化,进而研究穿戴装备位置与松紧度对于垂向冲击下乘员损伤的影响。结果表明随着穿戴装备质量的增加,乘员腰椎损伤加重,脊柱损伤概率减小;装备分布在躯干位置越靠近上部,与身体接触松紧度越紧,乘员腰椎与脊柱的负荷越小,越不易受伤。     

钨合金/黄铜复合结构靶抗高速破片侵彻的实验研究

在二级轻气炮上对新设计的一种钨合金/黄铜的有间隙的复合结构靶板开展了抗侵彻实验研究。靶板材料为多层结构,层与层之间有10mm到50mm的间隙。为了得到最优的结构设计参数,在二级轻气炮上对这种结构的靶板进行了弹丸质量为3g～20g、弹丸速度为2000m/s～4100m/s的抗侵彻实验研究。研究结果表明,高密度、高硬度的93W合金板和H62黄铜是防护结构最佳选材之一;用它们的两组合设计的四层复合结构靶能抵抗质量约20g,速度约2000m/s的钢质破片的侵彻。这一研究结果为选择合理的防护结构提供实验支持。     

球形弹丸高速冲击IN718合金板的变形与破坏模式

为研究IN718镍基高温合金在高速冲击作用下的抗侵彻能力,采用直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸,利用二级轻气炮试验装置对IN718靶板进行了一系列弹道冲击试验。通过高速摄像机进行拍摄,弹丸的入射速度范围为548.2～1 067.0 m/s。对弹丸的剩余速度进行了测量和分析,并对弹道极限速度进行了验证,观察了靶板的变形和破坏模式以及弹孔直径。结果表明：在试验冲击范围之内,随着冲击速度的升高,靶板的变形模式由撕裂破坏到剪切破坏转变,靶板的穿甲破坏模式与冲击速度密切相关;靶板能量吸收效率随弹丸初始动能的增加而降低,且趋于常值0.7;靶板变形挠度随着冲击速度的升高呈减小趋势,且最大变形挠度出现在弹道极限附近;靶板正面和背面所形成的弹孔直径均随着冲击速度的升高而增大,且背面所形成的弹孔直径大于前面所形成的弹孔直径。     

考虑粘结滑移效应的型钢混凝土梁柱单元

本文建立了一种适用于型钢混凝土梁柱构件的非线性梁柱单元,并在建模中考虑了粘结滑移效应。根据型钢混凝土自由体的受力特点,建立了考虑界面粘结滑移时单元的控制微分方程和变形协调方程。基于有限单元柔度法和纤维模型的基本思想,选取了合适的力的插值函数。根据最小势能原理,推导了单元的柔度矩阵,提出了基于柔度法的单元状态确定方法。最...     

离心模型试验边界效应分析

通过对模型土进行加卸载的离心模型试验，分析边界摩擦力对土体变形的影响。由试验可以得到土层表面的弹性变形曲线，根据模型土体的位移边界条件，假设土层的位移函数，运用最小势能原理，求出边界磨擦力的大小，以及离心机加载过程中，在惯性力场和边界摩擦力作用下，模型土体的位移计算公式。通过试验和计算认为，在离心模型试验中，边界摩擦力对粘性土体的位移场有很大影响，应采取一定的措施减小摩擦力。     

高温熔融锡液遇水爆炸机理的实验研究

为研究低熔点金属锡遇水爆炸机理及能量转化过程,搭建了一套由高频熔融炉、高速摄像机和信号采集仪等组成的可视化实验平台,监测锡与水的质量比为5、10、15和20时熔融锡液与水接触反应过程,并选取中高熔点金属铝进行相同条件下的对比实验。同时,结合能量守恒定律、爆炸冲击理论建立数学计算模型,用于定量分析爆炸冲击波能量。结果表明:质量比为5时,熔融锡液与水反应触发2次蒸汽爆炸;由相同条件下熔融铝液遇水爆炸实验,反应剧烈程度和持续时间与金属碎化程度和金属热扩散率有关。此外,高温熔融锡液遇水爆炸过程中,0.45%～10.91%热能转化为冲击波能量。随着质量比的增加,冲击波能量转化率呈现先增后减趋势;当质量比为10时,冲击波能量转化率最大。由锡/铝遇水爆炸实验的冲击波压力曲线可知,当质量比小于12.69时,锡液遇水爆炸实验的冲击波能量转化率高于铝液遇水爆炸实验的冲击波能量转化率。     

Experimental study of toroidal shock wave focusing in a compact vertical annular diaphragmless shock tube

The paper reports results of experiments regarding toroidal shock wave focusing in a vertical shock tube as a part of a series of converging shock wave studies. This compact vertical shock tube was designed to achieve a high degree of reproducibility with minimum shock formation distance by adopting a diaphragmless operating system. The shock tube was manufactured in the Institute of Fluid Science, Tohoku University. An aspheric lens shaped cylindrical test section was connected at the open end of the shock tube to visualize the diffraction and focusing of the toroidal shock wave released from the ring shaped shock tube opening. Pressure transducers were flush mounted on the shock tube’s test section to measure pressure histories at the converging test section. Double exposure holographic interferometry was employed to quantitatively visualize the shock waves. The whole sequence of toroidal shock wave diffraction, focusing, and its reflection from the symmetrical axis were successfully studied. The transition of reflected shock waves was observed.     

应用浮动冲击平台考核舰载设备响应分析

为研究安装甲板模拟器的浮动冲击平台系统考核舰载设备的机理,对整个系统建立有限元模型进行数值模拟并建立力学模型进行了理论分析。根据船体甲板结构产生的垂向低通滤波特性,提出甲板模拟器具有减缓高频冲击并满足设备安装频率要求的作用。将被试设备的浮动冲击平台考核系统简化为有阻尼的三自由度系统强迫振动模型,通过拉普拉斯变换方法求解了不同冲击环境下被试设备的响应。数值模拟与理论计算结果比较吻合,被试设备响应迅速达到峰值后逐渐衰减,振动频率由高频向低频过渡,在分析浮动冲击平台舰载设备考核系统长时间响应时需考虑阻尼的影响。     

长试验时间激波风洞测力技术研究

中国科学院力学研究所复现飞行条件高超声速激波风洞JF12的落成突破了毫秒级试验时间的瓶颈,有效试验时间超过100ms.因此,对于JF12长试验时间激波风洞的测力试验,基于应变天平技术较为成熟、结构简单等优点,我们考虑采用传统的应变计天平.但是,激波风洞来流冲击所带来的惯性力干扰导致天平测力系统产生低频振动,传统内置应变天平的结构刚度很难保证信号有足够的处理周期,这大大限制了激波风洞测力模型的尺寸和重量.针对这个难题,基于JF12激波风洞的运行特点及对测力天平刚度特性的特殊要求,优化设计了应变天平的测力单元结构以适用于这种脉冲动态测力试验,相应加工制造了大刚度、低干扰、高灵敏度的系列脉冲型应变天平,结构形式包含了杆式和盒式,最大载荷(法向力)从1kN到30kN,以满足不同尺度飞行器的测力试验需求.同时,我们应用不同尺度的测力模型对研制的脉冲型天平在JF12激波风洞进行了一系列动态气动力测量试验,以进一步评估JF12系列脉冲型应变天平的结构特性和测力性能.      

Q420钢管大气腐蚀后的抗侧撞性能

为研究大气腐蚀对Q420钢管构件服役期内耐撞性的影响,提出了计及腐蚀损伤的材料模型。引入损伤因子（ω）修正Voce模型,推导随腐蚀程度变化的低合金钢材本构方程,并通过加速腐蚀试验结果回归相应参数。利用ABAQUS软件定义构件材料特性,建立起受腐蚀的Q420钢管仿真模型,采用显式动力算法分析多种初始状态下,撞击体与不同腐蚀程度钢管的冲击响应规律。开展预腐蚀Q420钢管的落锤试验,将试验结果与数值计算结果进行对比,验证所建模型的合理性。结果表明:大气腐蚀导致材料名义强度降低,对Q420钢管抗撞击能力影响显著;随着腐蚀程度增加,冲击力峰值减小,撞击时间和深度增加;Q420钢管受腐蚀后抗冲击刚度减小,构件整体变形耗能增加,表明大气腐蚀使其抗冲击性能下降;同等动能增量下,增大撞击体初速度比增加初始质量获得的冲击力峰值增幅更大,而所得到的接触时间增幅更小。     

Design of a pulse-type strain gauge balance for a long-test-duration hypersonic shock tunnel

When the measurement of aerodynamic forces is conducted in a hypersonic shock tunnel, the inertial forces lead to low-frequency vibrations of the model, and its motion cannot be addressed through digital filtering because a sufficient number of cycles cannot be obtained during a tunnel run. This finding implies restrictions on the model size and mass as the natural frequencies are inversely proportional to the length scale of the model. Therefore, the force measurement still has many problems, particularly for large and heavy models. Different structures of a strain gauge balance (SGB) are proposed and designed, and the measurement element is further optimized to overcome the difficulties encountered during the measurement of aerodynamic forces in a shock tunnel. The motivation for this study is to assess the structural performance of the SGB used in a long-test-duration JF12 hypersonic shock tunnel, which has more than 100 ms of test time. Force tests were conducted for a large-scale cone with a \(10^{\circ }\) semivertex angle and a length of 0.75 m in the JF12 long-test-duration shock tunnel. The finite element method was used for the analysis of the vibrational characteristics of the Model-Balance-Sting System (MBSS) to ensure a sufficient number of cycles, particularly for the axial force signal during a shock tunnel run. The higher-stiffness SGB used in the test shows good performance, wherein the frequency of the MBSS increases because of the stiff construction of the balance. The experimental results are compared with the data obtained in another wind tunnel and exhibit good agreement at \(M = 7\) and \(\alpha =5^\circ \).     

Identification of pulse shapes during transverse impact on composite beams and plates

A test facility for transverse shock loading of beams and plates at small impact velocities (up to 40 km/sec) is described. The impact contact force and unsteady strains are determined for a transverse impact on fiber-layered beams and plates from fiberglass and carbon fiber-reinforced plastic. Pulse shapes are determined for various impact velocities in the range of 5–40 m/sec. The shock loading and unsteady strain of composite beams and plates are calculated by the finite element method. The finite elements take into account transverse shears according to the Timoshenko theory and the viscoelastic material behavior according to the Voigt model.     

可缩液体汽车减振器装置研究

对一种新型可压缩液体汽车减振器的基本结构和工作原理进行了分析,给出其内特性的数学模型。指出可压缩液体减振器由于腔内充满可压缩液体,其动作连续可靠,其外特性不会发生高频高速畸变,并提供了该减振器外特性试验。