基于ZWT方程的线黏弹性球面波分析

针对时间尺度为1~100 s的爆炸冲击加载,忽略低频Maxwell体的松弛效应,同时为简化分析,忽略非线性弹簧效应项,推导了三维应力状态下的线黏弹性ZWT本构关系。基于球面波的基本动力学方程,结合ZWT线黏弹性本构关系,得到了以位移u表征的三阶波动方程。利用该方程分析固体介质中线黏弹性球面波传播过程中的吸收和弥散现象,得知:高频球面波的衰减因子趋于常数,相速趋于高频下的纵波速度;低频球面波的衰减因子和圆频率的平方成正比,其相速趋于低频下的纵波速度;低频球面波的纵波波速低于高频球面波的纵波波速,两者的比值和介质的泊松比、弹性模量及Maxwell体弹性模量相关。     

黏弹性固体中地下爆炸辐射地震波能量的演化

地下爆炸与介质的能量耦合和介质中的波传播机制是理解地下爆炸源物理的重要基础。为研究地下爆炸辐射地震波能量的传播衰减规律,分析了黏弹性介质中地下爆炸地震波能量的组成。基于无限介质中黏弹性球面波理论,给出了速度、位移、应力、应变等物理量Laplace域的理论解。利用Laplace数值逆求解方法,建立了黏弹性介质中地下爆炸辐射地震波场的计算方法。以干黄土作为典型黏弹性材料,计算给出了地震波能量的传播特征,分析了地下爆炸辐射能量的传播衰减规律。结果表明:（1）在黏弹性介质中,某球面处流入的能量随半径增加而逐渐降低。在理想弹性介质中,某球面处流入的能量在几倍弹性半径外即可稳定到某一定值;（2）在某一固定的有限观测区域内,当观测时间足够长时,势能和耗散能均趋于某一定值,辐射动能趋于零;（3）当有限的观测区域能容纳一个完整波长的地震波时,地震波辐射动能的稳态值随波传播距离的增大而减小,总体上可以用指数函数和幂函数进行分段拟合。     

时变固体力学的黏弹性解

基于时变力学的对应性原理,建立一种黏弹性时变力学的一般性解法,适用于一类时变力学问题的求解。     

黏弹性地基上梁的力学行为分析

考虑地基土(或基础)的黏弹性性态,基于黏弹性力学的基本原理,采用Fourier级数,建立了梁的力学分析模型,给出了Maxwell与Kelvin地基(或基础)上梁的变形和内力表达式. 文末的工程实例表明,所建立的力学模型正确,可用于对各种工程中的基础梁分析.     

线黏弹性材料数字图像相关实验教学探索

线黏弹性理论是固体力学原理课程的重要内容,目前实验教学一般采用电子万能试验机对线黏弹性材料进行单轴拉伸实验,实验结果不够直观。数字图像相关方法是一种高精度全场应变测量方法,近年来在实验力学领域应用广泛。本文以固体推进剂这种线黏弹性材料为例,采用数字图像相关方法设计了线黏弹性材料单轴拉伸实验,实现了全场变形测量并且实验结果可视化更直观,有助于调动学生积极性。实验发现,数字图像相关方法与国标规定的固体推进剂单向拉伸法测量的材料应变有明显差异,针对该问题设计了实验教学研讨环节,引导学生深入分析,有助于加深对线黏弹性理论的理解。

     

功能梯度材料的黏弹性断裂问题

功能梯度材料(FGM)是一种不同于传统复合材料的新型工程复合材料 [1], 国内外关于FGM的断裂力学方面的研究发展非常迅速. 关于FGM静态裂纹问题,学者们研究了不同类型裂纹尖端场的应力强度因子 [2-5], 探讨了有限长裂纹在不用载荷作用下的传播等问题. 而关于动态裂纹问题,也已经取得很大成就 [6-9]. FGM一个很重要的应用是高温结构材料,在强大的热环境中,很多材料都呈现出黏弹性. 因此,研究FGM的黏弹性断裂力学非常具有实际价值.对此,众多研究 [10-14]提出不同的分析模型,并在不同受载条件,通过理论计算,分析了黏弹性裂纹尖端场的力学 行为.本文考查了功能梯度材料板条中界面裂纹垂直于梯度方向时的黏弹性断裂问题,首先利用有限元法求解线弹性功能梯度材料板条的裂纹尖端场,然后根据黏弹性的对应性原理,求解出黏弹性功能梯度材料板条裂纹问题的应力场强度因子.      

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

黏弹性材料等效分数阶微观结构标准线性固体模型

从黏弹性材料微观链结构出发,以橡胶基黏弹性材料超弹性理论分子网链高斯(Gauss)统计模型和黏滞流动理论为基础,研究黏弹性材料的微观结构、填料等对黏弹性性能的影响.用温频等效原理描述温度对黏弹性材料力学性能的影响,建立了可以有效描述黏弹性材料耗能特性的等效分数阶微观结构标准线性固体模型.采用动态热机械分析仪(DMA)对高聚物黏弹性材料力学性能、耗能能力进行测试.试验表明:在低温区域,储能模量较大,随着温度的升高,储能模量下降显著;能量损耗因子在高温和低温区域数值较小,在玻璃化转变温度附近数值较高.根据测试数据对所提等效分数阶微观结构标准线性固体模型进行验证,该力学模型能够较好地描述黏弹性材料储能模量和能量损耗因子随温度的变化趋势.用9050A和ZN22黏弹性材料对模型的有效性进一步验证,结果表明:9050A和ZN22黏弹性材料具有较好的耗能能力,所提出的等效分数阶微观结构标准线性固体模型能够准确地描述微观结构和填料对黏弹性材料宏观性能的影响,能够准确地描述黏弹性材料在不同温度和频率下的动态力学性能.     

水下爆炸近场非均熵流的特征线差分解法

提出了一种改进的特征线差分方法,根据力学基本方程推导出2族带有熵变修正项的特征线方程,并将质点迹线方程补充为第3族特征线方程,利用这3个特征线方程可以对水下爆炸冲击波及波后的非均熵流场进行求解。由于特征线差分法无需引入人工粘性项处理冲击波间断问题,所以减少了人为干预的影响因素。最后,应用这种改进的特征线法对质量分数比w(TNT)∶w(RDX)=40∶60的TNT/RDX炸药球的水下爆炸问题进行了数值模拟。在比例距离1R/R04的近场范围内,计算得到的冲击波峰值压力与文献实验数据的最大相对误差在13.1%以内,进一步证明了这种改进的特征线差分方法的正确性。     

直立顺层边坡的黏弹性稳定分析

直立边坡的失稳与岩体的流变性质密切相关，其在一定载荷作用下失稳表现出延迟特性。采用自重作用下的梁柱力学模型，考虑岩石的流变性，给出了不同材料模型下直立边坡的极限坡高及其分析方法。     

线黏弹性球面发散应力波的频率响应特性

基于线黏弹性球面波Laplace域的理论解, 得到了不同传播距离处粒子速度、粒子位移、应力、应变等力学量的传递函数。以标准线性固体模型为例, 重点讨论了粒子速度频率响应函数的传播特征, 指出随着传播距离的增加, 粒子速度幅频响应函数的高频响应会低于低频响应, 而在理想弹性条件下, 粒子速度幅频响应函数的高频响应一直高于低频响应。以弹性半径为0.025 m的空腔爆炸为例, 采用Laplace数值逆变换方法对粒子速度波形的演化进行了分析, 给出了粒子速度强间断幅值及粒子速度峰值随传播距离变化的衰减规律曲线, 指出黏弹性介质中粒子速度幅值的衰减曲线介于理想弹性介质中粒子速度幅值衰减曲线和黏弹性介质中粒子速度强间断幅值衰减曲线之间。

     

泡沫材料对冲击波的衰减特性

对冲击波与开式、闭式泡沫作用及其在空气中的传播特性开展实验研究,探讨不同结构的泡沫材料对冲击波衰减的力学特征。通过定量分析泡沫材料对冲击波的超压峰值、正冲量的损失,分析冲击波入射、反射、透射的正冲量。实验结果表明, 泡沫材料对冲击波的衰减体现在对冲击波的反射衰减等方面,其中开式泡沫对冲击波的衰减效果比闭式泡沫稍好,且它们衰减冲击波的具体力学过程也不尽相同。

     

在球面散心冲击波作用下JB-9014炸药冲击引爆过程实验研究

采用双灵敏度VISAR对JB-9014炸药在20 GPa的球面散心冲击波作用下冲击引爆过程开展了实验研究。测得的不同厚度JB-9014炸药/窗口界面的粒子速度历程表明,到爆轰距离为2~3 mm,在3~5mm处反应冲击波已发展为稳定爆轰波。开展了相应的初步数值计算工作,计算结果与实验基本吻合。     

水下爆炸冲击波的近场特性

通过求解球形一维流体动力学方程,模拟了水下爆炸冲击波的产生和传播过程。在数值模拟中,对TNT炸药采用标准的JWL状态方程,对水采用Two-phase状态方程。应用Level Set方法确定爆炸产物和水的交界面的位置。对裸药球在无限水域爆炸进行了数值计算,考察了网格大小对结果收敛性的影响,分析了水下爆炸冲击波压力和比冲量的近场特性。最后通过数值拟合得到了冲击波压力峰值、比冲量和时间衰减常数的近似回归公式。     

爆炸地震波模拟研究

基于能够描述爆炸地震波的非平稳随机过程模型进行爆炸地震波的模拟研究。基于爆炸地震能量守恒以及经验关系,提出了能够考虑装药量和爆距影响的爆炸地震波功率谱密度和幅值包络线模型,并且利用实测的爆炸试验数据,对模型参数进行标定,给出单点、两点（微差）和多点（微差）爆炸地震波实用模拟方法。结果表明模拟得到的爆炸地震波时程能够很好地再现爆炸地震波的一些特性。     

球形容器内气体的泄爆过程

为了得到球形容器内可燃气体的泄爆强度产生机理以及燃烧火焰与压力传播的基本规律,从流体力学和化学反应动力学守恒出发,采用-湍流模型和EBU-Arrhenius燃烧模型,利用SIMPLE算法对带泄爆导管的球形容器二维空间内甲烷-空气预混气体的泄爆过程内外场进行了数值计算,获得了气体燃烧过程中火焰和压力传播特性以及气体流动特性,能够比较清晰地反映泄爆的整个过程。研究表明,燃烧火焰在泄爆过程中发生湍流,传播得到了极大的加速,泄爆导管对于容器内的高压气体泄放有很大的约束作用。     

粘性金属中的正激波稳定性问题

G.H.Miller等把高压金属中的粘性激波作为强间断面处理,解析推论出:在大粘性系数条件下小扰动激波是不稳定的,物质粘性是导致失稳的因素。本文中针对平面正激波,认为高压金属中的粘性激波的物理量是连续变化的,利用线性稳定性理论,用数值解推论出:在有粘性条件下小扰动激波都是稳定的,物质粘性是致稳的因素。指出G.H.Miller等获得错误结论的原因在于:从无粘流动解推出的小扰动边界条件导致粘性激波小扰动增长。给出实验确定的小扰动速度梯度的边界条件,这样既可以把粘性正激波作为强间断面处理,也能够保证粘性正激波的稳定性。     

环形激波绕射、反射和聚焦流场的间断有限元模拟

采用间断有限元方法对环形激波在圆柱形激波管内绕射、反射和聚焦流场进行了数值模拟。将二维守恒方程的间断有限元方法发展到轴对称Euler方程,并对环形激波绕后台阶流动进行了数值计算。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉运动激波在圆柱形激波管内传播的复杂流场结构;在聚焦点附近,数值解具有较大的梯度变化,表明该方法对间断解具有较强的捕捉能力,在聚焦点附近不会产生振荡或抹平间断现象。     

坑道内化爆冲击波的传播规律

装药在坑道内部爆炸时将产生沿坑道传播的空气冲击波,由于受到坑道洞壁的限制,空气冲击波在坑道内的传播规律异于在自由大气中的传播。利用三维数值模拟计算程序,对长坑道中的化爆流场进行了数值计算,归纳出空气冲击波沿坑道方向的传播规律。计算结果与试验结果符合较好。