应力波在多层膜状材料中衰减特性的实验研究

脉冲载荷作用下,多层膜状材料衰减应力波的特性及其规律研究在工程结构设计中具有重要意义。本文采用分离式Hopkinson压杆(以下简称SHPB)装置,从实验角度对多层石英布和多层"石英布+聚酯铝膜"两种不同结构类型膜状材料衰减应力波特性进行研究。分析了透射应力波及应力冲量随多层膜状厚度变化的关系。通过对实验数据的拟合,给出了多层膜状衰减应力波能力和材料厚度以及材料结构的数学表征。研究结果表明,两种不同结构的多层膜状材料应力波衰减随厚度的变化关系都遵循指数衰减规律,而具有"多层石英布+聚酯铝膜"叠层结构的材料对应力波的衰减能力略强于单一多层石英布材料。本研究可作为工程应用多层膜状材料衰减应力波的实验依据。     

延性材料层裂的数值模拟

本文对Carroll,Holt和Johnson提出的延性材料简化模型进行了改进,在模型中考虑了材料的硬化,用数值方法模拟了高速碰撞中铝板和钢板的层裂过程,其结果与实验吻合较好。     

爆轰加载下金属锡层裂破碎数值模拟

对爆轰加载下低熔点金属锡的层裂破碎问题开展了数值模拟。在利用实验数据对所采用数值方法和材料模型开展对比验证的基础上,通过对样品内部物理量时间及空间分布演化对比分析,剖析了冲击加-卸载中样品内部应力波与材料相互作用过程。此外,通过对比分析不同厚度锡样品在爆轰加载下的动态行为特征,进一步认识了自由面反射稀疏波、边侧稀疏波和入射稀疏波共同作用下层裂破碎演化机制。结果表明,当样品较薄时,层裂破碎行为由反射稀疏波主导;随着样品厚度的增大,反射稀疏波主导区缩小,入射稀疏波和边侧稀疏波主导区逐渐增大。     

脆性材料动态断裂数值模拟

本文借鉴于Perzyna 的基本思想及Seaman 等人的实验结果,提出了一个脆性材料动态断裂模型.利用本文的模型对Cochran 的实验结果进行了数值模拟,其计算结果比Cochran 的计算结果与实验吻合得更好.     

爆炸应力波在各向同性损伤岩石中的衰减规律研究

通过对一维应力波在Hopkinson压杆之间的试件内的衰减及折反射关系分析 ,导出了衰减率的表达式 ,然后对含损伤的岩石试件进行冲击实验 ,得到了衰减率与初始损伤的关系式 ,从而提供了一种测定衰减率的实验方法。通过应力等效模拟 ,得到了球面与柱面爆炸应力波的衰减规律。     

复杂应力状态下材料层裂特性探讨

在综述一维平面应变下层裂研究特点和研究方法的基础上,采用实验转换的方法,近似模拟球面层裂的受力特征,获得了不同预应变下LY12铝合金层裂信号,表明材料的层裂强度与所处应力状态密切相关。结合这些研究成果,探讨了复杂应力条件下层裂的新特征,讨论了可能用于层裂研究的方法及其改进措施。     

混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先,基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律,利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围;然后,分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明：Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;定义混凝土中装药质量系数和耦合常数,可定量描述装药埋深和测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可较准确地快速预测不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度时爆炸波峰值应力。研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供参考。

     

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

通过对球面飞片加载条件下的应力/应变状态分析表明采用施加径向应变方法可以近似模拟球面加载的受力过程. 采用过盈配合的热装配方法对平面样品施加了径向预应变,一维平面应变气炮实验结果显示初始预应力(变)明显降低了LY12铝层裂强度. 从空洞长大基本原理出发分析了各向异性受力条件下空洞长大的路径和所消耗能量不同于各向同性应力加载.通过数值模拟对含损伤的材料本构模型进行分析,得到了材料层裂强度与其外部宏观应力场密切相关,也间接的与构型相关的结论.      

煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验研究

在岩石爆破理论的基础上分析了煤体中爆炸应力波的作用机理,借助损伤力学理论探讨了煤体在 爆炸应力波作用下的损伤断裂准则。煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验结果表明:煤体中爆炸应力 波一般包含2段波形,第1段由压缩相和拉伸相组成简单波形,第2段是由多种作用形成的复杂波形;爆炸应 力波作用下,煤体首先承受压应力,而后承受拉应力,且压缩相的作用时间较拉伸相作用时间短;煤体中爆炸 应力波的衰减速度较一般岩体中的快,实验条件下应力波衰减因数符合=3-/(1-),爆炸应力波的主要 作用是在煤体中形成少量新裂隙、激活煤体中原生裂隙并打破煤体中瓦斯气体的平衡状态。     

非均匀脆性材料数值试验CA计算模型

以自动元胞机CA(Cellular Automata)理论为基础,提出了一种CA计算模型,模拟混凝土、岩石等非均匀脆性材料的开裂过程,研究分析材料的变形性质和力学性能。文中给出了空间随机杆件方向余弦常量,推导了等效杆件截面面积计算公式,并通过数值试验证明了方法的有效性。     

金属材料脆性断裂机理的实验研究

材料的脆性断裂有许多准则和模型,但对脆断机理和变化规律缺乏合理的描述,给工程应用带来不便。本文对典型脆性材料球墨铸铁、灰铸铁分别进行了拉扭双轴断裂实验和常规拉伸、扭转破坏实验;对韧性金属材料合金钢进行了单轴拉伸颈缩破坏实验。通过上述实验分析了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的机理特征并选择应力三维度作为应力状态参数描述危险点的应力状态,同时考察了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的主导因素。结果表明:韧性材料45#钢和14CrNiMoV合金钢在颈缩断面心部应力三维度值较大时发生脆性拉断,而在颈缩断面边缘处应力三维度值较小时发生剪断;脆性材料球墨铸铁在应力三维度值为0.0～0.33之间变化时均发生脆性断裂;灰铸铁在应力三维度值大于0.0时发生脆性拉断,而在应力三维度值小于0.0时发生剪断。因此可以认为,材料的细观组织结构和危险点应力状态是影响断裂机理及变化规律的主要因素。对于同种材料,随着应力三维度代数值从小向大变化材料的断裂机制由塑性剪切断裂逐渐转变为脆性断裂。本文通过对几种材料的脆性断裂危险点和断裂方向的研究给出了脆断宏观破坏条件。     

爆炸焊接界面波物质点法三维数值模拟

基于冲击动力学和爆炸焊接理论,采用物质点法对爆炸焊接界面波的形成进行三维数值模拟。通过数值模拟结果与爆炸焊接实验结果的对比,对复合界面材料的塑性流动变形以及界面波形成的机理进行探讨。结果表明:界面波是因为在碰撞点处的金属材料发生熔化并产生涡旋流动形成的;同时也说明采用物质点法模拟爆炸焊接界面波的形成是可行的。     

Experimental and numerical studies of underwater shock wave attenuation

The attenuation of an underwater shock wave by a thin porous layer is studied both experimentally and numerically. The shock waves are generated by exploding 10 mg silver azide pellets and the pressures at different distances from the explosion center are measured. Measurements are also carried out with a gauze layer placed between the explosion source and the pressure gauge. The results with and without the gauze layer are compared evaluating the shock wave attenuation. Numerical simulations of the phenomenon are also carried out for a simple wave attenuation model. The results are compared with the experimental data. Despite the simple mathematical model of wave attenuation, the agreement between the experimental and numerical results is reasonable.Received: 22 October 2002, Accepted: 17 June 2003, Published online: 5 August 2003PACS: 47.11.+j, 47.40.Nm, 47.55.Mh     

激波在带扩容室的变截面管中传播和消波效果的数值分析

在利用实验结果验证程序的基础上,对激波在具有复杂结构管道内的传播特性进行了数值模拟,比较了不同入射激波条件和特征尺寸对扩容室消波效应的影响,并考虑了二维(轴对称、平面)模型和三维模型的影响。计算结果表明,同一尺寸的扩容室对不同马赫数入射激波的消波效果是相近的,扩容室特征尺寸不同则消波效果差别很大。     

Influence of elastic material compressibility on parameters of an expanding spherical stress wave

We investigated the influence of elastic material compressibility on parameters of an expanding spherical stress wave. The material compressibility is represented by Poisson’s ratio, ν, in this paper. The stress wave is generated by a pressure produced inside a spherical cavity surrounded by the isotropic elastic material. The analytical closed form formulae determining the dynamic state of the mechanical parameters (displacement, particle velocity, strains, stresses, and material density) in the material have been derived. These formulae were obtained for surge pressure p(t) = p ₀ = const inside the cavity. From analysis of these formulae, it is shown that the Poisson’s ratio substantially influences the course of material parameters in space and time. All parameters intensively decrease in space together with an increase of the Lagrangian coordinate, r. On the contrary, these parameters oscillate versus time around their static values. These oscillations decay in the course of time. We can mark out two ranges of parameter ν values in which vibrations of the parameters are “damped” at a different rate. Thus, Poisson’s ratio in the range below about 0.4 causes intense decay of parameter oscillations. On the other hand in the range 0.4 < ν < 0.5, i.e. in quasi-incompressible materials, the “damping” of parameter vibrations is very low. In the limiting case when ν = 0.5, i.e. in the incompressible material, “damping” vanishes, and the parameters harmonically oscillate around their static values. The abnormal behaviour of the material occurs in the range 0.4 < ν < 0.5. In this case, an insignificant increase of Poisson’s ratio causes a considerable increase of the parameter vibration amplitude and decrease of vibration “damping”.      

脆性材料动态破坏过程的数值模拟

根据连续介质力学基本原理和离散元法基本思想，针对脆性材料动态破坏过程问题，推导出基于圆盘单元的正交各向异性离散元二维计算模型，并利用此模型计算了各向异性薄板在冲击载荷下的应力波传播问题。通过将计算结果与LS－DYNA程序相比较，表明了本文提出的离散元模型的精确性。另外，对钢弹侵彻下滑凝土圆板破坏过程这个典型的发生连续介质向非连续介质转化的动力学问题进行了数值模拟和动画显示，并同侵彻实验中出现的几种破坏形式进行了分析和对比，从而证明了本计算方法是计算和模拟脆性材料出现从连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题的有力工具。     

Shock wave attenuation by grids and orifice plates

The interaction of weak shock waves with porous barriers of different geometries and porosities is examined. Installing a barrier inside the shock tube test section will cause the development of the following wave pattern upon a head-on collision between the incident shock wave and the barrier: a reflected shock from the barrier and a transmitted shock propagating towards the shock tube end wall. Once the transmitted shock wave reaches the end wall it is reflected back towards the barrier. This is the beginning of multiple reflections between the barrier and the end wall. This full cycle of shock reflections/interactions resulting from the incident shock wave collision with the barrier can be studied in a single shock tube test. A one-dimensional (1D), inviscid flow model was proposed for simulating the flow resulting from the initial collision of the incident shock wave with the barrier. Fairly good agreement is found between experimental findings and simulations based on a 1D flow model. Based on obtained numerical and experimental findings an optimal design procedure for shock wave attenuator is suggested. The suggested attenuator may ensure the safety of the shelter’s ventilation systems.     

应力波数值计算中的SPH方法

对一维波动方程的SPH(smoothed particle hydrodynamics)格式和有限差分格式进行比较,并采用SPH法模拟了一维应力/应变波, 获得1个可衡量SPH法模拟应力波准确性的重要指标。结果表明,SPH法模拟应力波传播中采用的光滑长度必须不小于粒子间距;采用B-样条核函数和高斯型核函数能够获得良好的应力波图像,而二次型核函数不能,因此二次型核函数不适用于冲击动力学的数值计算。