活性材料冲击释能行为研究进展

活性材料是一种具备释能特性的新型材料,其在冲击导致的高压/高温作用下可以发生化学反应,释放大量的化学能,因此在破片、聚能破甲战斗部等军事领域有广泛的应用潜力。为了实现对活性材料释能过程的设计与控制,推进活性材料武器化应用进程,就必须解答活性材料冲击释能行为中所包含的一系列复杂的力-热-化耦合问题。近40年来,对活性材料的冲击释能行为已开展了大量研究,本文在此基础上系统梳理了活性材料的冲击诱发化学反应机理、动力学以及相关效应的研究现状,重点关注活性材料的冲击释能实验表征技术、冲击诱发化学反应理论模型以及考虑力-热-化耦合的冲击压缩数值模拟方法等3方面的研究进展。总结认为,对活性材料冲击释能行为的研究已经具有一定的积淀,但目前对实验中超快化学反应行为的实时诊断研究还缺乏更加丰富、精细、直观的表征与探索,相关理论与数值模拟研究尚未建立能够完整描述活性材料冲击释能行为的力-热-化理论模型,缺乏能够从宏观尺度描述冲击释能行为的有效方法。因此,超快化学反应实验表征技术、宏观角度的力-热-化机理与模型建立及其数值模拟应用以及具备可调性能的活性材料制备新工艺3方面研究内容将是推进活性材料未来军事化应用的重点关注对象。     

第二届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会报告综述

简要介绍了第二届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会的情况,概况总结了与会学者所做的报告内容. 报告包括 3 个特邀报告、14 个专题邀请报告和 24 个主题邀请报告,其中主题邀请报告分为爆轰和爆炸动力学、结构动力学和多尺度高性能计算、材料动力学和实验测试技术、复合材料结构的动态力学行为、轻质结构的吸能特性和优化设计等 5 个主题.      

落石冲击下隧道大跨度棚洞的动力响应数值分析与抗冲击研究

为研究大跨度棚洞在落石冲击下的力学性能以及轻质土的抗冲击性能,根据所确定的落石冲击能量,利用动力有限元数值方法对山岭隧道大跨度棚洞受落石冲击作用的动力响应进行了分析,研究了棚洞钢筋混凝土结构受落石冲击作用的损伤特性,将不同工况下的冲击深度时程曲线和冲击力时程曲线进行了对比,比较了棚洞顶部回填普通土和轻质土时对落石冲击作用的缓冲效果,并给出了棚洞顶部回填材料及其回填土厚度的建议。     

第三届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会报告综述

简要介绍了第三届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会的情况,概况总结了与会学者所做的报告内容. 报告包括 4 个特邀报告、19 个专题邀请报告和 17 个主题邀请报告,其中主题邀请报告分为爆轰和爆炸动力学、结构动力学和多尺度高性能计算、材料动力学和实验测试技术、复合材料结构的动态力学行为、轻质结构的吸能特性和优化设计等 5 个主题. 研讨会为从事爆炸与冲击动力学的青年学者开展学术交流、建立学术友谊、增强学术合作提供了优秀平台,对学科的建设和发展起到了积极推进作用.      

3D打印点阵夹芯结构冲击损伤的近场动力学模拟

为了有效模拟3D打印点阵材料夹芯结构在弹丸冲击下的损伤破坏行为,在近场动力学微极模型中引入塑性键,构建了适用于点阵材料夹芯结构的模型和建模方法,在验证模型准确性的基础上,模拟分析了低速和高速弹丸冲击下点阵材料夹芯结构的损伤模式与破坏机理。结果表明：低速冲击下3D打印点阵夹芯结构的破坏模式以局部塑性变形为主;高速冲击下,破坏模式表现为溃裂、孔洞贯穿和碎片喷射,并伴随着大范围的塑性变形。低速冲击下塑性变形范围随冲击速度升高而增大,而高速冲击下则相反。高速冲击下,点阵夹芯结构的贯穿过程分为面板接触、局部屈服、芯材压溃、穿透4个阶段,弹丸经历了急-缓-急3段减速过程,并对应2个加速度高峰,第2个加速度峰值低于第1个加速度峰值的50%;低速冲击过程中,弹丸仅有1次减速过程,加速度峰值随冲击速度的升高而增大,最终弹丸反弹。     

多孔金属及其夹芯结构力学性能的研究进展

高孔隙率多孔金属及其夹芯复合结构是一种物理功能与结构一体化的新型、轻质高强材料/结构,具有高比强度、高比刚度和优良的吸能和缓冲性能等多种功能,引起了学术界和工程界众多研究者的极大关注. 本文概述了轻质多孔金属及其夹芯结构的制备方法、多功能特性及其应用,介绍了多孔金属夹芯结构元件(梁、板、壳)遭受准静态和动态冲击载荷下的理论、实验和模拟方面的国内外研究现状,分析和讨论了多孔金属及其夹芯结构力学行为研究中的研究手段和基本问题,重点关注了多孔金属夹芯结构的变形/失效、动态响应和能量吸收.     

首届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会

<正>爆炸与冲击动力学是一个交叉性的力学分支学科,主要研究爆炸、冲击和能量突然沉积等强动载荷下介质、材料与结构的力学响应、效应及工程技术应用。当前,爆炸与冲击动力学的发展重点和学科前沿主要有非平衡爆轰与爆轰波结构,复杂介质状态方程的本构理论与材料动态力学,复杂结构高速撞击与侵彻动力学,超高速碰撞新原理和新方法,多场耦合模型建立与多尺度高精度计算方法以及在武器装备、航空航天和民用安全等领域的应用研究等。爆炸与冲击动力     

结构的塑性大变形和冲击结构力学

由近海工程、核能工程和交通工程中提出了许多结构塑性大变形和结构在冲击作用下的动力响应的问题.本文给出了一些典型例子及其力学模型.描述了能量吸收装置、复合材料结构元件、多孔材料及其他非金属材料研究的重要性.也提到了相关的理论课题.     

冲击载荷下板杆组合结构的动态响应

结构受冲击载荷作用可能会变形甚至失效.合理的结构形式有助于增强结构的抗冲击性能.本文对冲击载荷作用下板杆组合结构的动力学行为进行了分析,采用有限元方法模拟冲击载荷下结构的大挠度变形模式和能量吸收特性,并研究了杆件长度对抗冲击性能的影响.     

能量吸收研究60年——来自何处？走向何方？

本文论述能量吸收这个研究领域的诞生背景、简要历史和发展方向。第二次世界大战之后,以防护结构和运载工具的耐撞性为工程背景,加上塑性力学和结构冲击动力学学科发展的内生动力,结构和材料的能量吸收作为一个新兴研究领域在1960年代初萌生,到1970年代已经基本成形。在期刊和会议平台的支持下,这个新领域的研究在1980年代迎来了第一波热潮,聚焦于薄壁管件塑性大变形时的能量吸收机理。随着蜂窝、泡沫、格栅等多胞材料的兴起,研究和开发它们在能量吸收领域的应用,激发起2000年后的第二波热潮。其间不但揭示出了各种多胞材料的能量吸收机理,而且迅速地同电动车的电池组和新型防护结构等场景的应用结合起来。受生物启发的概念成为设计和开发新型超材料的灵感的源泉。增材制造、结构智能化,以及环保节能的概念,正在深度融入能量吸收系统的原理、设计和优化之中。     

Nonlinear modeling of hysteretic systems with double hysteretic loops using position and acceleration information

This paper presents two new dynamic hysteresis models obtained from the Bouc–Wen model by incorporating position and acceleration information. On the one hand, the model employing position information is rate-independent and it is able to reproduce some kind of double hysteretic loops unable to be reproduced with the original Bouc–Wen model. On the other hand, the model employing acceleration information is insensitive to linear time-scale variations. Moreover, a classification of the BIBO-stable models has been derived for both position and acceleration cases. Double hysteretic loops have been experimentally reported in shape-memory alloys, reinforced concrete structures, wood structures and lightweight steel shear wall structures. The proposed hysteretic models represent a prominent use in the field of structural dynamics and earthquake engineering because they can capture the nonlinear dynamics of the materials and structures presented earlier when they are subjected to dynamic loads as earthquake excitations.     

飞行器非线性气动伺服弹性力学

现代飞行器日益呈现结构轻质化、控制系统宽通带和高权限的发展趋势. 因此, 非定常气动力、柔性结构和主动控制系统三者间的耦合力学成为重要的研究领域. 自20世纪80年代起, 航空界开始关注受控飞行器的气动弹性稳定性以及主动控制问题, 但对气动/结构的非线性效应、控制回路时滞对受控飞行器动力学行为的影响规律研究尚不充分. 研究这些影响规律不仅涉及非线性、高维数、多变参数和时滞效应等难题, 而且必须面对空气动力、飞行器结构、驱动机构、控制系统之间的强耦合问题. 其中的前沿难题是: 发展非线性气动伺服弹性动力学建模理论, 揭示上述因素诱发受控气动弹性振动的动力学机理, 开展气动伺服弹性控制风洞实验. 本文针对非线性气动伺服弹性力学所涉及的非线性非定常气动力建模、非线性结构动力学、气动伺服弹性控制律设计、气动伺服弹性实验, 总结相关研究现状和最新进展, 特别是近年来作者学术团队的研究成果, 并对进一步研究给出若干建议.      

轻质夹层材料的制备和振动声学性能

轻质夹层材料被广泛地用来制备动车组车体和飞机的机身,其结构设计面临着一系列挑战:即同时要求质量轻、力学强度高、散热性能好、动力学性能和隔声性能可调等多功能特性.针对动车组高速运行和飞机飞行过程中经常面临的振动及噪声问题,以及如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料制备、固体力学、流体力学、声学、智能材料和结构、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战.结合近年来围绕"超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究"国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述了有关轻质三明治材料及结构振动和声学特性的国内外研究进展及现状,以及相应的主被动控制技术;针对目前存在的问题,讨论并展望了有关轻质材料和结构动力学性能及隔声性能的研究发展趋势.     

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展,高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势.传统结构研究存在结构设计和制造相互分离,复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题.此外,先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高,亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究,为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持.轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势,在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力.有鉴于此,受多晶体微结构的多尺度力学设计启发,以“点阵超结构力学设计”为主题,开展点阵超结构的节点、杆件组元,胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计,并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法,以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料,但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性,其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法,开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验,获取全场质点速度时程曲线,结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息,进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下,多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系,此时惯性起主导作用;在过渡模式下,惯性的主导作用减弱,单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱;在准静态模式下,多孔材料只能发生微小的变形,其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线,并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加,多孔材料的动态压实应变将变小,而动态塑性平台应力将提高。     

Dynamic limit analysis formulation for impact simulation of structural members

This paper introduces an extended concept of limit analysis to deal with the dynamic equilibrium condition considering the inertia and strain-rate effect for dynamic behavior of structures. The conventional limit analysis method has been applied to only static collapse analysis of structures without consideration of dynamic effects in the structural behavior. A dynamic formulation for the limit analysis has been derived for incremental analysis dealing with time integration, strain and stress evaluation, strain hardening, strain-rate hardening and thermal softening. The time dependent term in the governing equation is integrated with the WBZ-α method. The dynamic material behavior is described by the Johnson–Cook model in order to consider strain-rate hardening and thermal softening as well as strain hardening. Simulations have been carried out for impact analysis of a Taylor bar and an S-rail and their numerical results are compared with elasto-plastic explicit analysis results by LS-DYNA3D. Comparison demonstrates that the dynamic finite element limit analysis can predict the crashworthiness of structural members effectively with less effort and computing time than the commercial code compared. The crashworthiness of a structure with the rate-dependent constitutive model is also compared to that with the quasi-static constitutive relation in order to investigate the dynamic effect on deformation of structures.     

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.      

A Dynamic Inflation Test for Soft Materials

We developed a dynamic inflation experiment to measure the elastodynamic behavior of soft materials. In the experiments, a shock tube was used to apply dynamic pressurization to thin polydimethylsiloxane specimens. Two high-speed cameras were used to image the deforming specimen and three-dimensional digital image correlation was used to determine the three-dimensional displacement field of the specimen surface. We applied dynamic Kirchhoff plate bending theory and concepts from structural dynamics to derive a mathematical expression for the dynamic Young’s modulus. The phase velocity of the initial transverse wave propagation response and the vibration frequency of the long-time response were captured during our experiments and were applied in the calculation of the dynamic Young’s modulus.     

An Experimental Technique for the Dynamic Characterization of Soft Complex Materials

We describe an experimental technique to study the dynamic behavior of complex soft materials, based on high-speed microscopic imaging and direct measurements of dynamic forces and deformations. The setup includes high sensitivity dynamic displacement measurements based on geometric moiré interferometry and high-speed imaging for in-situ, full-field visualization of the complex micro-scale dynamic deformations. The method allows extracting dynamic stress-strain profiles both from the moiré interferometry and from the high-speed microscopic imaging. We discuss the advantages of using these two complementing components concurrently. We use this technique to study the dynamic response of vertically aligned carbon nanotube foams subjected to impact loadings at variable deformation rates. The same technique can be used to study other micro-structured materials and complex hierarchical structures.     

Use of early acoustic emission to evaluate the structural condition and self-healing performance of textile reinforced cements

Textile reinforce cements (TRC) are innovative materials that are used for repair of existing structures or recently as stand-alone lightweight structural members. Fracture and thermal behavior of these materials are very complicated due to multiple failure modes. The undergoing processes cannot be described by the simple constitutive equation. In this perspective the contribution of monitoring techniques is crucial. Acoustic emission (AE) is used to check the behavior of TRC beams and plates in different states of structural health: intact, thermally pre-cracked and self-healed by polymer powder. This is the first time that the AE behaviors of intact, cracked and self-healed TRC laminates are compared in literature.