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。     

薄壁柱壳在内部爆炸载荷下膨胀断裂的研究

以柱形爆炸装置为研究对象 ,讨论了其薄壁壳体在爆炸载荷下的动态断裂准则。给出了典型的FAE模型及在数值计算时必要的简化条件。对回收的壳壁破片进行了SEM扫描电镜观测 ,分析了金属材料在高应变率下膨胀断裂的微观机制。采用解耦的、考虑应变强化的粘塑性本构方程 ,根据损伤破坏理论推导出以临界应变为依据的改进断裂准则 ,计算表明断裂参数理论解与数值模拟结果一致 ,并得到了实验方面的例证。     

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。     

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.     

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...     

膨胀柱壳恒定应变率的本构关系

考虑到金属柱壳膨胀过程中随机裂纹萌生对测试结果的可能干扰,设计了预置有中心穿透圆孔的柱壳样品,采用多普勒光纤探针测量系统获得了柱壳外壁更优的径向速度历史。基于膨胀柱壳实验中固有的非恒定应变率现象,研究了获得恒定应变率下本构方程的方法,并采用改进后的本构方程确定方法,获得了20钢恒定应变率下的应力应变关系。     

激光辐照下充内压柱壳动态爆裂的数值模拟

采用动力有限元显式积分程序,对承受内压、在侧面受到激光辐照的圆柱壳的热 力学响应进行了数值模拟,展现了圆柱壳热软化、鼓包和爆裂的动态失效过程。获得的柱壳失效方式与实验现象基本吻合;还给出了不同内压作用下柱壳的破坏时间,获得一些定性的认识。     

复合圆柱壳冲击压缩数值模拟及稳定性研究

针对复合圆柱壳在炸药爆轰作用下的动力学响应及在此过程中伴随的失稳问题,研究了其制造工艺中可能出现的缺陷以及圆柱壳中铜线螺旋角和直径对复合圆柱壳稳定性产生的影响。采用SPH-FEM耦合算法,建立了复合圆柱壳二维细节模型,并提出了一种基于圆柱壳内壁粒子速度历史的失稳判据,计算了在不同参数条件下复合圆柱壳的失稳时间及对应的压缩率,对影响复合圆柱壳稳定性的因素进行了评估。分析结果表明,在复合圆柱壳制备过程中存在的折返层缺陷和铜线直径对复合圆柱壳的稳定性有较大影响,而螺旋角度对其稳定性影响不大。

     

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.     

Some dynamical properties of a viscoelastic cylindrical shell

IntroductionTherearerarepapersonthedynamicPropertiesofviscoelasticshells.~ulosl']discussesthecaseofshallowsphericalshellandDrozdov[ZIgivesasufficientcondihonofstabilityfortheviscoelasticcylindershellbyusingtheLyapunovfunchonal.UsingtheLyapunovdirectmethod,Tyllkowski[']establishesasufficientconditionfortheasymptohcstabilityofviscoelasticcylindricalshell.ItisnotdifficulttofindthattheseexistingresultSmainlyconcentrateonthedynamicstabilityofviscoelasticshell.Thediscussionaboutthedynamicalsyste…     

Analysis of the eccentric cylindrical thin shell

ＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＴＨＥＥＣＣＥＮＴＲＩＣＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬＴＨＩＮＳＨＥＬＬＣｈａｎｇＭｉｎｇ（常明）ＣｈａｎｇＬｉ－ｌｉ（常）（ＴａｉｙｕａｎＨｅａｙｙＭａｃｈｉｎｅｒｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ,Ｔａｉｙｕａｎ）（ＲｅｃｅｉｖｅｄＮｏｖ．３０．１...