破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法,综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示：高速破片冲击作用下,层合板会发生侵彻和穿透现象,层合板的损伤模式以基体损伤为主,且随着破片冲击速度的增大,板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势;高速破片冲击作用下,层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关,对于纤维铺层方向相同的层合板,其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同;加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能,且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。

     

基于高频动态响应的点阵夹芯结构损伤识别研究

针对点阵夹芯结构的脱焊损伤,提出了一种基于高频激励下结构ODS(operational deflection shapes)的损伤检测方法。ODS包含结构的整体动态响应特性,尤其是高频激励下损伤区域的局部振动信息。首先通过仿真计算出损伤局部区域的特征频率,选取合适的高频宽频带激励损伤结构。然后,采用压电片与扫描式激光测振仪结合,检测高频稳态信号激励下损伤结构的动态响应,综合考虑频段内多个频率下的ODS,由损伤成像中共振峰的位置,直接定位损伤。仿真与试验均验证了该方法识别损伤的有效性。     

蜂窝夹芯结构冲击损伤后的压缩行为研究

通过试验结合有限元方法,针对蜂窝夹芯结构的无损件和三种冲击损伤件开展了单轴压缩载荷下的失效模式研究,同时考虑了胶层性能与损伤尺寸的影响。研究结果表明：试验和有限元方法得到的损伤模式及起始损伤位置相同;不同冲击损伤位置可导致结构的整体承载能力不同,下降的范围为10%~20%。其中：损伤位于顶面区时承载能力下降最为严重,损伤位于边缘区时承载能力下降最少;面芯界面胶层性能的不同会使结构材料破坏顺序改变,胶层断裂能较低时夹芯结构由蜂窝芯破坏向层间破坏转变;冲击能量不同引起结构损伤程度不同,随着损伤深度的增加,结构破坏的危险位置由中心转向边缘。     

泡沫铝夹层结构抗冲击性能的近场动力学模拟分析

针对某光学舱所采用的泡沫铝夹层防护结构在破片冲击下的抗冲击性能问题,采用Monte-Carlo方法创建了泡沫铝结构的二维细观模型,在常规态型近场动力学理论中引入了Mises屈服准则和线性各向同性强化模型,建立了近场动力学塑性本构的数值计算框架。基于近场动力学计算程序模拟了低速冲击作用下泡沫铝夹层结构的塑性变形以及有机玻璃背板的裂纹扩展形态,分析了泡沫铝芯材孔隙率对该夹层结构抗冲击性能和损伤模式的影响规律。结果表明：泡沫铝夹层结构良好的塑性变形能力是其发挥缓冲与防护作用的主要因素,并且在一定范围内,泡沫铝芯材孔隙率越高,则夹层结构具有更好的抗冲击性能;当泡沫铝孔隙率从0.4提升到0.7时,泡沫铝对冲击物的动能吸收率从90%提高到99%;模拟结果与实验结果具有较好的一致性,验证了模拟结果的准确性和分析结论的有效性。通过数值模拟,预测了有机玻璃背板的裂纹扩展形态,发现提高泡沫铝的孔隙率能获得更好的防护效果。     

冲击载荷作用下颗粒材料动态力学响应的近场动力学模拟

颗粒材料在冲击载荷作用下的动态力学行为是学术界关注的热点问题. 新近问世的近场动力学(peridynamics)理论将材料视为由大量有限体积和有限质量的物质点组成,基于非连续性和非局部作用假定建模,建立空间积分形式的运动方程,自然适应于颗粒材料动态力学行为的描述与分析. 发展了描述颗粒间接触作用的物质点尺度的排斥力模型,考虑近场动力学方法中非局部长程力特征,改进了近场动力学中的初始微观弹脆性(prototype microelastic brittle, PMB) 模型的本构力函数,并消除了原PMB 模型中存在的“边界效应” 问题. 计算分析了冲击载荷作用下碳化钨陶瓷颗粒体系的动态力学响应,得到了不同冲击速度下颗粒体系的冲击波速,PD计算结果与试验结果高度一致;通过颗粒物质点尺度作用描述单颗粒尺度的接触作用,很好地再现了颗粒的转动与平动、颗粒挤压变形以及颗粒破碎等现象;刚性冲击板附近同时存在严重的颗粒破碎与轻微的颗粒损伤,远离冲击板的部分颗粒出现破损,且颗粒破碎主要是由颗粒间挤压、碰撞以及相对滑动剪切作用造成的. 研究结果表明,所发展的计算模型和分析方法能很好地反映颗粒材料动态力学行为,具有广泛的应用价值.      

复合材料四面体点阵夹芯梁的自由振动分析

点阵夹芯结构是一种由上下面板和中间点阵芯子组成的新型轻质多功能结构.由于该结构具有独特的结构形式,其力学特性分析比较复杂.论文将离散的点阵芯子等效为连续均匀材料,研究了复合材料四面体点阵夹芯梁的自由振动特性.考虑面板的弯曲变形和芯子的剪切变形,根据Hamilton变分原理,推导出复合材料点阵夹芯梁的自由振动控制方程.以简支边界条件下的四面体点阵夹芯梁为例,求解出固有频率的理论值,并与有限元结果进行对比,两者吻合较好.讨论了面板铺层顺序、杆件半径、杆件倾斜角度、芯子高度以及梁的长度对夹芯梁固有频率的影响.研究结果对于了解复合材料四面体点阵夹芯梁的频率特性具有一定的指导意义.     

复合材料层合板冲击损伤近场动力学模型与分析

近场动力学(简称PD)理论通过域内积分建立物质基本运动方程。不同于传统理论中通过微分建立运动方程的方法,该理论对场函数没有连续性的要求,因而适合求解各类不连续问题。基于此,本文建立了正交各向异性单层板PD理论模型,进而引入单层板层间作用,发展了正交各向异性层合板PD模型及其损伤模型,并模拟了各向同性与各向异性层合板冲击损伤;通过对比分析,对模型的有效性进行了验证。     

球头落锤冲击下金字塔点阵夹芯板结构的动态响应实验

为研究金字塔点阵夹芯板结构在球头落锤碰撞冲击下的抗冲击性能,采用模型实验的方法,加工制作了金字塔点阵4层夹芯板实验模型。通过实验得到了金字塔点阵夹芯板结构在碰撞冲击载荷作用下的坍塌变形过程和变形模式,揭示了点阵结构夹芯层的吸能机理。结果表明,在球头落锤的中等强度冲击载荷下,整个夹芯板结构的最终变形可划分为迎冲面、夹层和背冲面3个区域,形成类似“三明治”式的变形模式。

     

轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构,具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性,在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例,是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构.为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理,进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围,对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望,依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型,分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究,展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.     

冲击波-破片群联合作用下舰船复合材料结构近场动力学损伤模拟

采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在冲击波-破片群联合作用下的损伤情况。根据复合材料结构承受的载荷特性,分析冲击波-破片群联合作用下层合板及加筋板结构的损伤模式,考虑载荷作用次序等因素对于联合作用毁伤能力的影响规律。结果表明:联合作用对复合材料结构的损伤程度主要与冲击波强度、破片群侵彻能力、作用次序有关,主要损伤模式为分层失效、基体损伤、剪切损伤以及结构大变形;对于层合板而言,在冲击波先作用的工况下,结构损伤程度更高,损伤范围更大;对于加筋板而言,由于加筋板的筋条能显著降低冲击波作用,进而降低冲击波对破片群侵彻能力的增强效应,最终影响联合作用的毁伤能力,因而在破片群先作用的工况下反而损伤更严重。     

钢筋混凝土界面的近场动力学方法

近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究,传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定,在处理不同种材料之间的相互作用时,无法合理反映其界面的力学行为.针对这一问题,通过分析钢筋混凝土界面的黏结-滑移机理,提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型,发展了考虑钢筋混凝土界面黏结的键基近场动力学方法.基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法,提出了界面微弹性参数的确定方法;根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律,获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系;利用界面黏结-滑移曲线峰值应力对应的滑移变形,给出了界面临界拉伸常数确定方法.通过与2组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比,验证了发展的界面近场动力学方法,并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验.结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、锚固长度、混凝土强度以及肋间距对钢筋混凝土界面黏结行为的影响,体现了所提方法的合理性与优越性.     

基于深度学习和近场动力学的层合板冲击工况识别

在冲击荷载作用下复合材料会产生断裂和分层等损伤。基于损伤数据对冲击工况进行识别，对改善复合材料的设计和确保其安全使用具有重要意义。基于此，本文提出一种基于深度学习和近场动力学（PD）理论的层合板冲击工况识别方法。首先使用改进的表面修正系数PD理论建立复合材料层合板刚体冲击损伤演化分析PD模型，PD模型数值模拟结果结合噪声数据增强技术构建层合板的冲击工况数据库；基于深度学习-卷积神经网络（CNN），对不同工况下的冲击损伤演化数据进行训练，实现对未知冲击工况的识别。结果显示，对于钢球冲击速度和角度的识别准确率均高于90%。     

点阵材料夹芯悬臂梁在端部承受撞击的动力响应分析

利用非线性有限元软件ABAQUS分析了点阵材料夹芯悬臂梁在端部受刚性质量块撞击时的弹塑性动力响应,考察了刚性块质量和冲击速度变化时对梁端部最大位移的影响.对给定的刚性块质量和速度,考察了芯层的拓扑构型变化时对最大位移的影响,并对刚塑性理论解与有限元计算进行了比较,结果表明:当动载赋予结构的总输出能量与结构的最大弹性能容量之比较大时,两者给出的悬臂梁端部达到最大位移的时间及位移峰值比较接近.     

峰窝夹芯结构雷达罩鸟撞有限元分析与模拟

建立了鸟撞蜂窝夹芯结构雷达罩的有限元分析模型。选取具有代表性的四类不同重量和大小的鸟及多种撞击速度,运用大型非线性动力学有限元程序ＭＳＣ／Ｄｙｔｒａｎ的ＡＬＥ计算功能,计算得出了六种可能情况下雷达罩抗鸟撞动力响应及结构受损情况。最后对结果进行了分析。数值模拟结果为雷达罩抗鸟撞设计提供了理论参考依据。     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型....     

基于近场动力学理论的混凝土轴拉破坏过程模拟

近场动力学PD(Peridynamics)是一种新兴的基于非局部模型描述材料特性的数值计算方法.该方法假定位于连续体内的粒子通过有限的距离与其他粒子相互作用,通过积分计算在一定近场范围(Horizon)内具有一定影响域的材料点之间的相互作用力,而不论位移场的连续与否,避免了传统的局部微分方程求解在面临不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性.本文概述了PD方法的基本思想、建模方法和计算体系,给出了用近场动力学方法模拟混凝土在轴向拉伸荷载作用下的计算格式.算例结果表明,PD方法可以很好地刻画和模拟混凝土在轴拉情形下的损伤累积与渐进破坏过程.最后讨论了PD方法在理论、计算和应用等方面有待进一步研究的问题.     

三跨点阵桁架夹芯梁结构主动振动控制

利用压电作动器/传感器,对三跨沙漏型点阵桁架夹芯梁进行主动振动控制。基于哈密顿原理建立三跨点阵夹芯梁理论模型,采用假设模态法和标准特征值法完成夹芯梁的动力学分析;并利用有限元法建立仿真模型,验证理论结果的有效性和正确性。此外,用压电材料研究主动振动控制方法对多跨夹芯梁的有效性,其中传感器和作动器分别粘贴在夹芯梁上下表面处。该方法对多跨夹芯梁结构的振动控制有一定指导意义。

     

基于近场动力学的功能梯度材料动态断裂分析

近场动力学(Peridynamics)是一种基于非局部理论的数值计算方法,通过域内积分建立物质基本运动方程。本文根据功能梯度材料的特点提出了一种基于近场动力学理论的动态断裂分析方法,模拟了在冲击载荷作用下功能梯度材料的动态响应,并分析了微模量函数对裂纹扩展行为的影响。通过与已有实验结果的对比发现,近场动力学模型所得裂纹扩展路径及破坏时间均与实验结果吻合较好,从而证明近场动力学方法能够用于分析功能梯度材料的动态断裂行为。     

横向冲击载荷下不同约束泡沫铝夹芯圆管的动态响应

以泡沫铝夹芯圆管为研究对象,采用数值模拟研究了横向冲击载荷作用下4种不同约束夹芯圆管的动态响应。研究了夹芯圆管的几何参数、冲击速度和芯层泡沫铝相对密度对夹芯圆管力学行为的影响,对比分析了不同约束条件对泡沫铝夹芯圆管变形模式和吸能性能的影响。结果表明:随着内管直径的减小、冲击速度的增大和芯层泡沫铝相对密度的增大,泡沫铝夹芯圆管的比吸能增大;内管壁厚的增加使无约束和倾斜约束下夹芯圆管的比吸能增大,对侧壁约束和组合约束下夹芯圆管的吸能影响不明显;采用一定的外部约束条件是提高泡沫铝夹芯圆管吸能性能的一种可行的方法。     

泡沫金属夹芯梁在重复冲击下的动态响应

为了研究重复冲击载荷作用下泡沫金属夹芯梁的动态响应,采用Abaqus数值仿真软件,基于可压碎泡沫模型（crushable foam）,建立了泡沫金属夹芯梁遭受楔形质量块冲击的有限元模型。通过将仿真获得的夹芯梁上下面板最终挠度与重复冲击实验结果进行对比,验证仿真方法的准确性。在此基础之上,分析了泡沫金属夹芯梁在楔形质量块重复冲击作用下的变形模式、加卸载过程以及能量耗散特性。结果表明,在重复冲击载荷作用下,夹芯梁的变形不断累积,上面板主要出现局部凹陷和整体弯曲,而芯层则是局部压缩,下面板表现为整体弯曲。在重复加卸载过程中,加卸载刚度随着冲击次数的增加而增大。随着冲击次数的增加,上面板和芯层的能量吸收增量不断减小,而下面板的能量吸收增量不断增加,且最终均趋于稳定。泡沫金属夹芯梁的塑性变形能增量不断减小,而回弹系数随着冲击次数逐渐增加,最后趋于稳定值。