深水爆炸冲击波作用下圆柱壳动态响应影响因素的数值模拟研究

 运用通用有限元程序ABAQUS,对圆柱壳在深水爆炸冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟,研究了圆柱壳所处深度、爆心方位和预应力对于圆柱壳动态响应的影响。研究结果表明：在同样的水下爆炸冲击波作用下,随着深度的增大,圆柱壳的毁伤逐渐加重,而且响应过程中的变形逐渐增大,低频响应阶段的速度曲线趋于平坦;爆距不变时,不同的爆心方位在不同深度上的毁伤效果存在一定差异;预应力的存在使圆柱壳的毁伤加重,并且预应力对圆柱壳动态响应的影响与爆心方位有关。研究结果对于潜体结构的生命力评估具有一定参考价值。     

爆炸荷载下不同壁厚圆柱壳动力学行为的研究

对爆炸荷载下圆柱壳的动力学行为进行了实验研究及数值模拟。将外径均为100mm的3种壁厚的Q235钢质圆柱壳置于由TNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,系统分析了在不同装药高度及壳壁厚度参数条件下圆柱壳的冲击变形模式,即迎爆面局部凹陷变形模式(ModeⅠ)、迎爆面局部凹陷与壳整体弯曲变形耦合模式(ModeⅡ)、整体变形失效模式(ModeⅢ)及局部穿透与整体变形失效耦合模式(ModeⅣ)。采用LS-DYNA有限元程序及Lagrangian-Eulerian流固耦合算法,对圆柱壳的非线性动力响应过程进行了数值模拟,分析了圆柱壳的变形历程及最终残余变形的情况,计算结果与实验现象吻合较好。研究结论可为圆柱壳结构爆炸破坏分级及抗爆技术设计提供科学依据。     

爆炸冲击作用下铝蜂窝板失稳研究

基于非线性动力学软件AUTODYN,对铝蜂窝夹芯板在爆炸冲击载荷作用下的失稳过程进行三维数值模拟。通过建立不同参数规格的铝蜂窝夹芯板的实体模型,研究其前、后面板在TNT爆炸冲击作用下的动态响应及塑性阶段的失稳变形。计算结果表明:随着铝蜂窝板前、后面板厚度,夹芯层铝箔高度和厚度的增加,铝蜂窝板在爆炸冲击载荷下的最终残余变形量均明显减小,抵抗变形的能力增强;对于夹芯层胞元形状不同但相对密度相同的铝蜂窝板,因冲击载荷下单轴压缩惯性效应差异较小,其面板在爆炸载荷作用下的最终残余变形量差异不大。     

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

可变形战斗部弹体变形型面研究

基于炸药瞬时爆轰理论,将战斗部变形阶段的结构简化为辅助装药,对等效圆柱壳体实施爆轰加载,并在等效壳体上的加载段引入若干个塑性铰,相应地将辅助装药划分成与塑性铰相对应的若干个独立微元。针对均匀加载下等效壳体的原始位移分布,采用具有能量分布梯度的辅助装药加载进行匹配,设计出能实现D型型面的辅助装药形状,最后通过数值模拟进行验证。结果表明,采用该形状的辅助装药能实现较理想的D型弹体变形型面。     

基于3D-DIC对爆炸作用下碳纤维层合板的变形研究

针对3种不同铺层的碳纤维复合材料层合板,设计了开放式爆炸加载实验,研究不同的炸药质量和爆炸距离下层合板的动态力学行为。基于两台高速相机,搭建了高速三维变形场的实验测量系统,记录层合板在爆炸作用下动态变形过程。通过三维数字图像相关方法(3D-DIC)软件计算得到层合板在冲击波作用下的动态位移场和应变场。研究发现:层合板在弱冲击波作用下只发生弹性变形,正交铺层和准均质铺层均表现出良好的抗冲击能力;在强冲击波作用下层合板会产生分层、基体开裂、纤维断裂等形式的损伤,铺层顺序对损伤形式有很大影响。     

半球壳型介质输出窗辐射图研究

 利用球矢量波函数的线性组合导出了球壳并矢格林函数;使用并矢格林函数方法，取5阶、球面波半张角8°、口面半径0.2 m、频率为10 GHz的高斯场，分析了半球壳型输出窗在束腰分别取0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8情况下对高斯口面场远场辐射图的影响。分析表明:当束腰较小时（取0.3,0.2），半球壳型输出窗对高斯口面场的辐射图影响较小；当束腰较大时(取0.8,0.7,0.6)，辐射图的旁瓣升高，主瓣变窄，反射场对口面场的影响较大。半球壳型输出窗适用于束腰较小的高斯馈源，对于束腰较大的高斯馈源则不适用。     

辐射在填充介质管中输运的理论研究

辐射输运的研究有重要的科学和实用的意义。辐射波的传输过程分为两个阶段，当介质受到较强的辐射辐照时，首先是超声速辐射热波在常密度介质中的传播。与此同时，受热介质压力升高发生膨胀，产生向内传播的冲击波和稀疏波。随着受热介质的质量增加，辐射热波的速度下降，冲击波和稀疏波赶上并超过它，形成亚声速传播的辐射烧蚀波。这是均匀介质中的一维热传导模型的描述，它的应用受到许多限制。辐射在填充介质金管中的传输，由于涉及高z金属管壁对辐射的改造，属于非均匀介质中的输运问题。它涉及辐射在填充介质传输过程中的吸收和再发射，以及管壁吸收和再发射。当输运介质为光性薄时，外加的辐射源可到达波头加热冷介质。当输运介质为光性厚时，辐射在到达波头前多次被吸收和再发射，辐射被输运介质改造。加上输运管后，管壁会吸收辐射，吸收的一部分能量经管壁改造后再发射到介质中，影响输运。因而辐射在填充介质管中输运计算是复杂的二维计算。     

汽泡在电场作用下的变形

为探明外加电场对汽泡形状的影响规律,本文采用人工注射汽泡的方式,对均匀电场作用下单个汽泡的形状进行了可视化试验研究,计算了汽-液两相系统中的电场分布及汽泡所受的电应力。结果表明:电场作用下汽泡表面所受电应力分布的不均匀性导致汽泡沿与电场相平行的方向拉长,变成扁长椭球形。随着场强的增加,汽泡变形量加剧,汽泡与壁面的接触角逐渐变大。此外,讨论了汽泡变形对电场强化沸腾换热的影响。     

半球壳准静态压缩下的变形行为研究

采用顶点及平板下压加载的加载方式对半球壳的准静态压缩进行了实验研究,获得了半球壳的变形模态及力-位移曲线。通过准静态压缩实验观察在不同加载方式下球壳变形模式随压缩深度的变化,发现半球壳出现了轴对称和非轴对称变形形式。利用ABAQUS有限元软件对球壳准静态压缩过程进行数值模拟,分析加载方式与球壳尺寸等对变形行为的影响。结果表明:球壳在压缩下的变形可分为加载点附近局部压平、轴对称凹陷以及形成非对称多边形3个阶段。其中,在压平向凹陷转变时,小截面平头加载的接触力-位移曲线产生了突跳现象,但在半球头与平板加载时未出现,且凹陷之后,半球头加载下接触力的增加速率减小,而平板加载下接触力的增加速率几乎保持不变。壳的径厚比越大,后期的变形程度越复杂;径厚比越小,由压平到凹陷转变时的临界荷载越大,球壳承载力越大。计算表明,在本研究范围内球壳凹陷前后接触力的大小以及增加速率只与厚度有关,而与半径的相关性则较小。     

圆柱体在薄圆柱壳内的运动分析

对在粗糙水平面上可作纯滚动的薄壁圆柱壳和同时在薄壁圆柱壳内作纯滚动的的圆柱体所构成系统的运动进行了分析,导出了圆柱体质心在静止参考系中的运动轨迹方程和系统的运动微分方程,求出了薄壁圆柱壳内的圆柱体在微振动条件下的运动周期,并与圆柱体在圆柱壳内自由滑动时的周期作了比较.     

等离子体填充圆柱波导中双流不稳定性的研究

 在无限大磁场情况下对等离子体填充圆柱波导中双电子注的相互作用进行了理论分析,得出行列式形式的色散方程。针对不同参数对色散方程进行数值计算,发现当两根电子注之间存在速度差时,通过快慢空间电荷波的相互作用,两电子注引起的双流不稳定性可以产生契伦柯夫辐射;当等离子体频率超过双注相互作用的频率范围后,可以大大加强和改善等离子体、两电子注三者之间的相互作用。     

等离子体填充圆柱波导中双流不稳定性的研究

在无限大磁场情况下对等离子体填充圆柱波导中双电子注的相互作用进行了理论分析,得出行列式形式的色散方程。针对不同参数对色散方程进行数值计算,发现当两根电子注之间存在速度差时,通过快慢空间电荷波的相互作用,两电子注引起的双流不稳定性可以产生契伦柯夫辐射;当等离子体频率超过双注相互作用的频率范围后,可以大大加强和改善等离子体、两电子注三者之间的相互作用。     

冲击作用下的摩擦力效应实验研究

针对摩擦力效应产生的机理, 本文设计了三种不同尺寸的试件进行SHPB实验, 得到了摩擦力效应对实验的定量影响, 在此基础上对混凝土的DIF进行了修正研究, 为混凝土抗冲击工程设计提供了参考依据. 关键词： 冲击 混凝土 SHPB 摩擦力     

射流冲击模型在水下爆炸实验中的应用研究

 为研究射流冲击载荷对结构的作用效果,从理论和数值角度研究了射流的载荷特性,以舱段模型实验为研究对象,建立了射流计算模型,结合实验数据,对射流冲击问题进行了分析。结果表明,射流冲击能够造成结构强烈的局部响应,某些情况下,射流冲击载荷引起的结构响应甚至比冲击波载荷引起的响应更大。因此,中近场水下爆炸实验需要考虑射流的影响。建立的射流模型能够较好地反映射流冲击的载荷特性,为水下爆炸实验分析提供了一种新的手段。     

轴向荷载下功能梯度材料圆柱壳的动力屈曲

基于Donnell壳体理论和经典板壳理论,利用Hamilton变分原理得到轴向荷载作用下材料属性呈幂律分布的功能梯度材料圆柱壳的动力屈曲控制方程。根据圆柱壳周向连续性设出径向位移的函数表达,利用分离变量法求解得到功能梯度材料圆柱壳在轴向荷载作用下的动力屈曲临界荷载的解析表达式和屈曲解。利用MATLAB软件编程计算,讨论了径厚比、梯度指数、环向模态数、轴向模态数等对功能梯度材料圆柱壳动力屈曲临界荷载的影响。结果表明:圆柱壳的临界荷载随临界长度的增加而减小;冲击端为夹支的临界荷载比冲击端为简支的临界荷载大,说明约束条件对临界荷载有较大影响;圆柱壳的临界荷载随着模态数的增加而增大,说明临界荷载越大,高阶模态越易被激发;屈曲模态图随着模态数的增加而复杂化。     

曲线坐标系下孔隙介质圆柱纵向表面波的传播特性

为了研究孔隙介质圆柱纵向表面波的传播规律,分析其频散和衰减特性,在正交曲线坐标系下建立了表面波的频散方程,通过数值计算得到频散曲线,将纵向导波最低模态与表面波进行对比,并分析了曲率半径及孔隙参数对表面波频散和衰减的影响。结果表明,当频率足够大时,导波最低模态的频散曲线与表面波近似;在同一频率下,表面波的相速度随曲率半径的增大而增大,随孔隙度的增大而减小;表面波的衰减随孔隙度的增大而增大。研究结果为开展孔隙介质圆柱结构的超声无损评价提供了一定的理论参考。