金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。

     

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system,DPS,又称全光纤位移干涉测速技术）和高速摄影技术,研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响,获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明：与无垫片区域相比,垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程,导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位,最终低于无垫片区域约0.34 mm,该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂;实验结果还表明,在垫片与间隙交界处两侧（沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°）处各增加了一条裂纹,该断裂模式既不同于环向拉伸断裂,也不同于45°的剪切断裂,而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致,这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明,装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应,还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异,以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。

     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

圆柱壳的塑性膨胀和变形

根据材料不可压缩假设,适当选取材料塑性本构关系,将圆柱壳塑性膨胀运动简化为以圆柱壳内 半径为因变量的常微分方程初值问题。对3种初始内外半径比纯铜厚壁圆柱壳膨胀过程的计算表明,应变率 硬化阻碍圆柱壳的塑性膨胀运动,应变硬化和温度效应的影响可以忽略,而与圆柱壳的厚度无关。     

不同起爆方式下炸药驱动柱壳膨胀断裂的数值模拟

采用数值模拟方法,研究不同起爆方式下内部炸药对金属柱壳的加载历程差别。计算结果表明,不同起爆方式下柱壳内表所经受的压力载荷、做功历史显著不同,分析了引起差异的原因。提出一种半解耦数值方法,使柱壳网格划分得更细,可以模拟不同起爆方式下柱壳的膨胀破坏过程,通过理论分析说明了这种方法的合理性。

     

内爆加载下金属柱壳的冻结回收方法

针对内爆炸载荷下膨胀态金属柱壳的回收问题,设计了冻结回收试验方法,实现了起爆后不同时刻金属柱壳的冻结回收。基于一体式壳体提出了3种改进结构,并分别对4种柱壳结构在内爆载荷下的膨胀断裂过程进行数值模拟。结果表明,两段式结构最有利于减小非起爆端对预期回收中间段壳体的影响。根据选定的最优壳体结构和金属柱壳在起爆后不同时刻的膨胀外形特征,设计与之匹配的冻结回收装置并进行冻结回收试验。试验结果表明,设计的冻结回收试验方法可以实现膨胀态金属柱壳的回收,回收壳体的轴向和径向尺寸与设计理想值符合较好,整体误差可控制在10%以内。

     

主动约束层阻尼部分覆盖圆柱壳耦合振动控制

采用分布参数建模,从Ham ilton变分原理出发推导了主动约束层阻尼(ACLD)覆盖圆柱壳耦合振动的运动微分方程和边界条件,并扩展适合一维连续结构分析的基于解析解的谱传递矩阵法(STMM)用于ACLD部分覆盖圆柱壳。通过数值计算,研究了ACLD的长度和位置对固有频率和模态耗散因子的影响。STMM能有效克服有限元法单元数目多、动力学方程阶数高及ACLD长度和位置变化时须重复建模的缺点,以最少的单元数目建立低阶控制方程。典型算例显示了STMM的有效性和精确性。     

蜂窝锥壳卫星适配器约束阻尼层振动抑制分析

主要研究在蜂窝锥壳卫星适配器上附加约束阻尼来抑制锥壳传递振动。尽管约束阻尼方面的研究很多，但是大多数都是针对简单的梁或者板结构，而对复杂蜂窝锥壳结构的振动抑制问题研究还很少；为此，通过对蜂窝壳的等效化处理和约束阻尼结构的有限元建模理论分析，建立起卫星一适配器结构在有无附加约束阻尼情况下的有限元模型，进一步通过模态分析和频响分析，得到不同约束阻尼层设计参数对结构振动抑制影响规律。分析结果对于经济有效的设计约束阻尼层和结构减振减重具有较好的参考价值。     

层合闭口厚柱壳的温度应力

基于层合柱壳混合状态方程和边界条件的弱形式，建立了两端固支层合闭口柱壳的温度应力混合方程，给出了任意厚度合闭口柱壳在温度荷载和机械荷载共同作用下的解析解。     

任意厚度层合闭口柱壳的轴对称温度应力

基于层合柱壳混合状态方程和边界条件的弱形式，在轴对称情况下，建立了两端固支层合闭口柱壳的温度应力混合方程，给出了任意厚层合柱壳在温度荷载和机械荷载共同作用下的解析解。     

Free vibration of circular cylindrical shell with constrained layer damping

Free vibration characteristics of circular cylindrical shell with passive constrained layer damping (PCLD) are presented. Wave propagation approach rather than finite element method, transfer matrix method, and Rayleigh-Ritz method is used to solve the problem of vibration of PCLD circular cylindrical shell under a simply supported boundary condition at two ends. The governing equations of motion for the orthotropic cylindrical shell with PCLD are derived on the base of Sanders’ thin shell theory. Numerical results show that the present method is more effective in comparison with other methods. The effects of the thickness of viscoelastic core and constrained layer, the elastic modulus ratio of orthotropic constrained layer, the complex shear modulus of viscoelastic core on frequency parameter, and the loss factor are discussed.     

Boundary and angular layer behavior in singular perturbed quasilinear systems

In this paper, using the method of differential inequalities, we study the existence of solutions and their asymptotic behavior, as 0⁺, of Dirichlt problem for second order quasilinear systems. Depending on whether the reduced solutionu(t) has or does not have a continuous first-derivative in (a, b), we study two types of asymptotic behaviour, thus leading to the phenomena of boundary and angular layers.     

局部约束阻尼开口柱壳的减振分析及优化

为了缩减开口柱壳结构的振动,本文基于Lagrange方程以及Sanders薄壳理论建立了局部约束阻尼开口柱壳的动力学模型,分析了粘弹性单元分段数和厚度、阻尼单元占空比以及约束层敷设角和厚度对结构前三阶模态损耗因子和固有频率的影响,得到了各参数对结构振动特性的影响规律.并以前三阶损耗因子为目标,应用NSGA-Ⅱ遗传算法对...     

层合圆柱壳体表层局部分层屈曲及其扩展

应用能量法研究了对称铺层的闭合圆柱形层合壳体的表层局部分层屈曲问题;表层分层形式有三角形、椭圆和双纽线;分析了母层壳、子层壳的几何参数、物理参数同分层屈曲临界应变值之间的关系;给出了子层分层为椭圆的分层扩展的可能发生方向.     

New matrix method for analyzing vibration and damping effect of sandwich circular cylindrical shell with viscoelastic core

Based on the linear theories of thin cylindrical shells and viscoelastic materials, a governing equation describing vibration of a sandwich circular cylindrical shell with a viscoelastic core under harmonic excitation is derived. The equation can be written as a matrix differential equation of the first order, and is obtained by considering the energy dissipation due to the shear deformation of the viscoelastic core layer and the interaction between all layers. A new matrix method for solving the governing equation is then presented With an extended homogeneous capacity precision integration approach. Having obtained these, vibration characteristics and damping effect of the sandwich cylindrical shell can be studied. The method differs from a recently published work as the state vector in the governing equation is composed of displacements and internal forces of the sandwich shell rather than displacements and their derivatives. So the present method can be applied to solve dynamic problems of the kind of sandwich shells with various boundary conditions and partially constrained layer damping. Numerical examples show that the proposed approach is effective and reliable compared with the existing methods.     

具有约束层阻尼贮液圆柱容器的耦振与减振特性分析

该文在对空圆柱层合壳(不充液)振动分析研究的基础上,借助线性势流理论,进一步考虑液固耦合效应,导出了敷有CLD贮液圆柱层合壳谐耦振的一阶常微分矩阵方程,该方程右边多了液动压力项.由于它不能预先给定,导致方程中出现未知项.为了克服这一困难,文中研究了液动压力的解式,并采用新型齐次扩容精细积分技术,提出了一种高效率和高精度的半解析半数值解法.进而还求解了CLD贮液圆柱容器在地面谐运动激励下的响应;通过大量数值计算分析了CLD的厚度、长度、敷设位置以及粘弹芯的复剪切模量对减振效果的影响.计算还表明了有液体的存在,这些影响和空容器时是不一样的.文中方法为CLD贮液容器的控制优化提供了有力手段.     

线载荷作用下圆柱壳环向弯曲变形的研究

通过引入单三角级数形式的位移函数, 求解了法向任意分布载荷作用下对 边简支时圆柱壳的环向弯曲问题, 把线载荷近似为微元矩形区的分布载荷, 推导出了线 载荷作用下圆柱壳的环向弯曲变形计算式, 并给出了线载荷为均布和线性变化时的具体解. 计算表明, 该种边界约束条件下圆柱壳的环向弯曲变形位移分布场的理论计算结果与有限元 分析结果基本吻合.     

轴压圆柱壳后屈曲的有限元分析

采用流动的曲线坐标建立了大位移下的样条曲壳元,利用它分析了轴压圆柱壳的后屈曲问题。一个跨越和求取分支点的技巧和对弧长法的一个改进在文中提出。计算所得的载荷－轴向缩短曲线较解析解更接近于实验结果,所得的后屈曲波形也和实验相当符合。     

一种内压膨胀系统的动态响应分析

论文采用LS-DYNA非线性动力学有限元程序,对一种曲边柱壳-多体内压膨胀系统在均布内压作用下的动态膨胀过程进行了数值分析,获得了曲边柱壳动态响应规律.文中分析了各种因素对曲边柱壳的变形模式及其应力、应变变化规律的影响;模拟了曲边柱壳在内部压力和外围变形体共同作用下的耦合变形运动过程.模拟计算结果与试验现象基本一致.