基于Ottosen屈服条件的不同强度混凝土空腔膨胀模型及侵彻机理

针对毁伤与防护领域对深层超硬目标理论研究及工程应用的迫切需求,引入改进的Ottosen屈服条件,对混凝土空腔膨胀过程中的响应分区和边界条件进行优化,求解空腔膨胀的全过程,分析不同强度混凝土响应分区的变化规律;根据空腔边界应力和空腔膨胀速度的关系,建立了弹体侵彻深度计算模型,对弹体侵彻不同强度混凝土工况进行了对比计算,并深入分析了靶体强度对侵彻深度影响的机理。通过与实验数据进行对比发现,改进的空腔膨胀理论对于普通混凝土和高强混凝土均有很好的适用性,可准确计算径向应力与空腔边界速度关系以及侵彻深度。研究结果显示,高强混凝土的弹塑性开裂区范围更大,密实区范围更小,表明了高强混凝土脆性大,材质密实的特点,引入塑性开裂区可以更好地反应侵彻过程中高强混凝土压实时对应速度更高的现象;随着混凝土强度的提高,其屈服包络面变化越来越小,因此混凝土的空腔边界应力增大但变化程度越来越小,导致弹体侵彻深度随速度增加的增量变小。     

空腔膨胀理论靶体阻力模型及其应用研究进展

从静/动态空腔膨胀模型的理论体系出发,介绍了空腔膨胀模型在不同方向上取得的成果,主要涉及理想侵彻条件的空腔膨胀压力计算模型及数值模拟方法和空腔膨胀模型在典型侵彻问题及复杂弹靶条件下的应用。在理想侵彻条件下的空腔膨胀压力计算模型中,主要讨论了靶体材料、屈服准则和状态方程对空腔边界应力的影响规律及空腔膨胀模型的适用性问题;根据数值模拟中初始条件的不同,介绍了空腔表面恒定速度/恒定压力两种数值模拟方法,证明了数值模拟方法的可靠性;整理了空腔膨胀模型的基本假设、适用范围、工程应用特点,列举了其在典型侵彻问题及多层复合靶板、约束靶体、弹体刻槽和异形截面形状弹体等复杂弹靶条件下的应用。针对空腔膨胀模型的研究现状,总结了目前空腔膨胀模型在冲击动力学领域的应用方向,归纳了空腔膨胀模型应用中尚存在的问题,展望了空腔膨胀模型下一步的重点发展方向。     

蜂窝钢管约束混凝土靶的准静态球形空腔膨胀模型及其应用

蜂窝钢管混凝土通过对混凝土施加约束提高混凝土的抗侵彻性能,建立刚性弹侵彻钢管约束混凝土靶的侵彻深度模型具有重要的理论意义和应用价值;而基于空腔膨胀理论建立工程模型是研究侵彻问题的常用方法之一.论文针对射弹侵彻蜂窝钢管钢管约束混凝土靶问题,考虑被打击单元钢管及其外围混凝土的综合约束作用,粉碎区混凝土采用Hoek-Brown (H-B)准则,建立了蜂窝钢管约束混凝土靶的准静态球形空腔膨胀模型和刚性弹侵彻深度预测公式,并基于相关侵彻试验分析了综合约束刚度对侵彻过程的影响.研究结果表明:蜂窝钢管约束混凝土靶不同于半无限混凝土靶,侵彻过程中的扩孔压力不为常数;综合约束刚度越大,扩孔压力越大;侵彻深度预测公式计算结果与文献侵彻试验吻合较好.论文成果为蜂窝钢管混凝土在防护结构中的应用奠定了基础.     

混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区

利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟,以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据,对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分,得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外,还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响,以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明,随着弹体侵彻速度的增大,混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大,粉碎区半径增大,而破裂区半径却减小;当侵彻速度达到某一特定值时,破裂区将会消失。     

混凝土材料的动态空腔膨胀理论

采用三段式线性状态方程和考虑拉伸破坏的带剪切饱和的Mohr-Coulomb屈服准则描述混凝土材料的本构关系,运用相似变换方法推导出了空腔膨胀动态响应的理论表达式,并运用Runge-Kutta-Felhberg数值方法给出了球形空腔动态响应的数值解。结果表明:空腔膨胀压力随空腔膨胀速度和剪切饱和强度的增加而增加,在空腔膨胀速度较高时,考虑剪切饱和时的空腔膨胀压力明显小于不考虑剪切饱和时的空腔膨胀压力。     

钢筋混凝土靶侵彻的可压缩弹-塑性动态空腔膨胀阻力模型

在Forrestal素混凝土靶侵彻的可压缩弹-塑性球形动态空腔膨胀理论模型基础上,考虑粉碎区以内钢筋对混凝土的环向约束作用,提出了一个适用于刚性弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型。论文通过体积配筋率的引入,获得了钢筋混凝土靶空腔表面径向应力的理论解,并讨论了配筋率对空腔壁面径向应力及各分区大小的影响。结果表明：钢筋对混凝土的环向约束效应影响了空腔膨胀过程中混凝土各区域的大小分布,并提高了空腔表面的径向应力。

     

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基于圆柱形空腔膨胀理论的侵彻计算采用的混凝土靶材料参数均为混凝土静态力学特 性参数,这与弹靶相互作用的动态事实不相符. 考虑混凝土材料应变率敏感性和在动载作用下 的动态响应,对圆柱形空腔膨胀模型进行修正,并结合实例进行验算,修正模型理论计算结 果与实验结果符合性更好.     

考虑弹丸侵蚀的垂直侵彻混凝土模型及算法研究

现有试验表明:当弹丸侵彻速度低于1000m/s时,因侵彻过程中与混凝土会发生摩擦碰撞,其中损失的质量的总量与弹丸初始侵彻的动能成线性关系。本文利用此侵蚀规律提出了一种考虑弹丸侵蚀的垂直侵彻混凝土靶侵彻模型及算法,此模型中弹丸侵彻阻力由空腔膨胀理论模型计算。采用本文的模型预测了弹丸侵彻混凝土过程中的弹丸头部形状的变化、质量损失、侵彻深度等,将模型计算结果与实验数据对比发现,侵彻深度误差小于10%,质量损失误差在15%以内,表明了模型具有良好的精度和实用性。     

混凝土靶体计及压实效应的球腔动态膨胀模型和侵彻计算

建立了一混凝土靶体的球腔动态膨胀的侵彻模型。靶体的静水压力一体积应变关系考虑了不同的密实混凝土模型。也研究了混凝土作为多孔材料在高压下的压实效应。混凝土有拉伸强度极限值,其剪切强度与压力相关为Mohr—Coulomb定律。球腔动态膨胀模型考虑球对称空腔在无限介质里从零半径开始以常速度膨胀,产生一塑性区和一弹性区。当膨胀速度足够小时,由于介质的低拉伸强度,塑性区和弹性区之间可存在一径向裂纹区。可由解析方法获得空腔表面压力和弹塑性区界面传播速度随空腔表面扩张速度变化的曲线,再由球腔动态膨胀模型所得的空腔表面压力分布用于计算混凝土靶体的刚性杆弹侵彻深度。本文模型的计算结果与经验公式,不可压缩和线性可压缩混凝土模型的进行了比较。     

弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型

既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力,提出了弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型。不同初速下弹丸的侵彻深度、侵彻过程中弹丸的位移、速度和负加速度时间历程的计算结果与测试数据符合很好,弹丸过载在12 000g~15 000g之间。该解析模型能够较真实的描述弹丸侵彻钢筋混凝土过程中的运动状态,并且该模型能够分析配筋结构、配筋尺寸、网眼尺寸对侵彻深度和侵彻过程的影响。     

PREDICTION OF PROJECTILE PENETRATION AND PERFORATION BY FINITE CAVITY EXPANSION METHOD WITH THE FREE-SURFACE EFFECT

With a target treated as the incompressible Tresca and Mohr-Coulomb material, by assuming that cavity expansion produces plastic-elastic and plastic-cracked-elastic response region, the decay function for the free-surface effect is constructed for metal and geological tar- gets, respectively. The forcing function for oblique penetration and perforation is obtained by multiplying the forcing function derived on the basis of infinite target assumption with the de- cay function. Then the projectile is modeled with an explicit transient dynamic finite element code and the target is represented by the forcing function as the pressure boundary condition. This methodology eliminates discretizing the target as well as the need for a complex contact algorithm and is implemented in ABAQUS explicit solver via the user subroutine VDLOAD. It is found that the free-surface effect must be considered in terms of the projectile deformation, residual velocity, projectile trajectory, ricochet limits and critical reverse velocity. The numerical predictions are in good agreement with the available experimental data if the free-surface effect is taken into account.     

UNIFIED STRENGTH THEORY AND ITS APPLICATION

This book provides a new Unified Strength Theory and describes its applications. The Unified Strength Theory is a system of yield and failure criteria of materials under complex stresses. It covers the entire range of convex failure criteria, from lower bound (Tresca yield criteria and Mohr-Coulomb failure criteria) to upper bound (twin-shear failure criteria). It also includes the non-convex yield and non-convex failure criteria. A series of new failure criteria and previous failure and yield criteria can be deduced from the Unified Strength Theory. The work presented in this book is unprecedented in the field of strength theory. It is useful for students in understanding the strength theory, for engineers to correctly use it and for researchers to choose an appropriate failure criteria in studying the strength of materials and structures. An experimental verification, engineering applications, a detailed historical review and more than 1000 references are provided. Written for Researchers in applied mechanics and materials science     

基于双剪强度理论的楔体极限分析及其工程应用

本文采用俞茂钅宏双剪强度理论对拉压异性楔体进行了极限分析，得到了极限荷载的滑移线解及所得解在岩土工程中的应用     

Koiter稳定理论及其应用

本文介绍了Koiter稳定理论的特点、基本内容、应用和发展情况,讨论了这一理论在结构屈曲研究中的重要意义和应用前景      

基于S准则发展的混凝土动态多轴强度准则

通过对经典强度理论或准则的强度参数分析,将强度参数转化为由混凝土的单轴压缩和单轴拉伸强度表示,结合S准则给出的混凝土单轴强度的率效应规律,得出了强度参数受应变率影响的率效应函数,进而将常用的静态多轴强度准则摩尔-库伦强度理论、松岗-中井强度理论、德鲁克-普拉格强度理论、拉得-邓肯强度准则和胡克-布朗强度准则发展为动态多轴强度准则.利用混凝土动态单轴压缩和动态单轴拉伸试验结果统计分析给出的S准则率效应参数,分析了5种强度准则中强度参数随应变率的变化规律以及取值范围.基于混凝土单轴压缩和单轴拉伸强度,分别给出了5种强度准则在子午面、偏平面和平面应力条件下的强度曲线与主应力空间中的强度曲面,对比分析了5种强度准则间的异同,以及每种强度准则随应变率的变化规律.利用混凝土材料的动态双轴和动态真三轴强度试验结果,分析评价了5种动态多轴强度准则,并且阐述了各动态多轴强度准则的应变率适用范围.德鲁克-普拉格强度理论与试验结果相差甚远,不适于描述混凝土材料的强度规律.动态双轴加载时,在拉压区各强度准则差别不大,都可较好地描述试验规律;在压压区各强度准则差别较大,松岗-中井强度理论与试验结果吻合最好.在动态真三轴比例加载时,摩尔-库伦强度理论和胡克-布朗强度准则无法考虑中主应力的影响;松岗-中井强度理论和拉得-邓肯强度准则都可较好地描述试验规律.      

超弹性材料中空穴的动态生成

本文在有限变形动力学的框架下研究了一种不可压超弹性材料圆柱体在表面突加均布拉伸载荷作用下空穴的动态生成问题.除一个相应于均匀变形状态的平凡解外,当外加载荷超过其临界值时,柱体内部还有空穴的突然生成,得到了空穴半径和表面载荷之间的一个精确的微分关系,证明了空穴随时间的演化是非线性的周期性振动.给出了空穴振动的相图、最大振幅、临界载荷及近似的周期.     

MULTI-SCALE NUMERICAL MODEL FOR SIMULATING CONCRETE MATERIAL BASED ON FRACTAL THEORY

A new multi-scale numerical model is presented using the fractal theory and adopting FEM to simulate the failure of concrete.The relation between the fractal box dimension in large scale and the damage to concrete in small scale is deduced.And the evolutionary process of elastic modulus and strength in small scale is given.Consequently,the multi-scale numerical model is proposed to describe the constitutive relation of concrete between small scale and large scale.A two-dimensional static analysis of a concrete block is performed by using this model and the calculation result is discussed.The propagation of cracks of the concrete block is also studied.     

基于双剪统一强度理论的厚壁圆筒塑性极限载荷分析

应用双剪统一强度理论,考虑材料的拉压异性和同性,推导了在内压和轴力联合作用下的厚壁圆筒的塑性极限载荷表达式在该表达式中,当其系数取不同的值时,就能得到按Tresca屈服准则、线性逼近的Mises屈服准则和双剪应力屈服准则进行计算的结果.     

基于有限变形单晶塑性滑移的微观热-力耦合模型及其有限元计算

基于率相关的晶体塑性滑移理论,论文考虑晶体内部塑性变形产生的热以及快速热冲击作用下温度急剧变化产生热应力的热力双向耦合效应,建立起微观单晶的瞬态热-弹-塑性耦合模型,推导出与温度有关的剪应变率和弹塑性切模量公式.根据论文建立的模型,对ABAQUS软件进行二次开发[1],数值模拟出/{100}单晶Cu在单轴拉伸状态下的应力、应变与温度的关系和弹性模量的变化,结果如下:轴向应力随温度升高先呈线性增加再呈非线性减小,轴向应变随温度增加而增加;弹性模量随塑性变形的增加而降低,与分子动力学模拟的趋势[2]是一致的.数值实验表明,论文建立的模型和算法是正确合理的,且计算量远远小于分子动力学模拟.     

基于小波理论的悬臂板压电动力控制模式

采用Daubechies小波理论的尺度函数变换，建立了由压电片感应器（sensors）的观测电量识别悬臂板结构变形的一一对应显式关系，从而克服了传统模态方法因逆矩阵求解在某些情形下得不到保证而导致观测失效的不足．随后基于小波尺度函数变换，对于悬臂板建立了具有位移与速度信号反馈的压电致动控制动力模式．由于小波尺度函数逼近具有自动滤除高频分量的能力，建立的控制模式将不会出现由观测溢出与控制溢出耦会造成的不稳定性．数值结果表明：控制方法在抑制外界干扰方面要快于传统方法．