爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的失效模式与抗冲击性能

采用弹道冲击摆系统开展了爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的变形/失效模式和抗冲击性能实验研究,并配合激光位移传感器得到试件后面板中心点的挠度-时程响应曲线。研究了炸药当量和芯层组合方式对夹芯板试件变形/失效模式和抗冲击性能的影响。实验结果表明,泡沫铝夹芯板的变形/失效模式主要表现为面板的非弹性大变形,芯层压缩变形、芯层拉伸断裂以及芯层剪切失效。在研究爆炸冲量范围内,非梯度芯层夹芯板的抗冲击性能明显优越于所有分层梯度芯层夹芯板。对于分层梯度夹芯板试件,爆炸冲量较小时芯层组合形式对分层梯度芯层夹芯板的抗冲击性能的影响不大,而爆炸冲量较大时,最大相对密度芯层靠近前面板组合形式的分层梯度夹芯板试件抗冲击性能较好。研究结果可为泡沫金属夹芯结构的优化设计提供参考。     

碳化硅颗粒增强铝合金复合材料冲击磨粒磨损行为的研究

为了提示工程实际中处于动载摩擦工况下对磨件的磨损规律，利用单摆划痕法对ＳｉＣ颗粒增强的２０２４Ａｌ复合材料的冲击磨粒磨损行为进行了试验研究。结果表明，在给定的试验条件下，复合材料的抗冲击磨粒损能力比２０２４Ａｌ基体合金的好，而且是随着颗粒含量的增大而提高，颗粒尺寸越小，复合材料的抗磨粒磨损性能越好，经过热处理强化的复合材料的抗磨性比挤压状态的复合材料的好，复合材料的抗冲击磨粒磨损性能主要取决于材料     

爆炸载荷下聚氨酯泡沫材料中冲击波压力特性

采用间接测压法,对爆炸载荷作用下聚氨酯泡沫材料中的冲击波压力特性进行了研究。结果表明,在装药特性相同的爆炸载荷作用下,聚氨酯泡沫材料中的初始冲击波压力随初始孔隙度增大而显著下降;冲击波传播衰减效应受初始孔隙度影响同样显著,但不呈单一加快或减慢趋势;当初始孔隙度在０．２５左右时,聚氨酯泡沫材料对爆炸载荷具有较强的抗冲击减压效能。     

爆炸冲击下复合材料层合扁球壳的动力屈曲

研究计及横向剪切的复合材料层合扁球壳在爆炸冲击载荷作用下的非线性轴对称动力屈曲问题。通过在复合材料层合扁球壳非线性稳定性的基本方程中增加横向转动惯量项并引入R.H.Cole理论的爆炸冲击力,得到爆炸冲击下复合材料层合扁球壳的动力控制方程,应用Galerkin方法得到用顶点挠度表达的爆炸冲击动力响应方程,并采用Runge-Kutta方法进行数值求解,采用Budiansky-Roth准则确定冲击屈曲的临界载荷,讨论了壳体几何尺寸对复合材料层合扁球壳冲击屈曲的影响;数值算例表明,此方法是可行的。     

聚氨酯/钢夹芯结构爆炸载荷下动力学响应的数值模拟

聚氨酯泡沫具有良好的缓冲和吸能性能,以硬质聚氨酯泡沫作为芯体,钢作为面板的夹芯结构在工程中用途广泛。为了研究聚氨酯/钢夹芯结构在爆炸载荷作用下的抗爆性能,利用Ansys/Autodyn非线性有限元程序对聚氨酯/钢夹芯结构在爆炸载荷作用下的动力学响应进行数值模拟分析,并与相同面密度的钢板进行对比。结果表明,加入聚氨酯芯体后,结构的吸收能量为相同面密度钢板的1.49倍,整体结构的抗爆性能得到很大的提高。     

泡沫铝内衬对抗内部爆炸钢筒变形的影响

为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能,研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验,发现在本文的实验条件下,泡沫铝内衬导致钢筒变形增大,甚至发生了严重的破坏;进而建立有限元模型,研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明,添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形,但泡沫铝厚度不足时,则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒,随着爆炸当量增加,泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1,泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷,从而减小钢筒变形。模式2,泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大,钢筒塑性变形增大。模式3,泡沫铝对载荷强度的影响可忽略,泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。     

泡沫镍/聚氨酯双连续复合材料的液滴冲蚀行为研究

利用液滴冲蚀试验装置,开展了泡沫镍/聚氨酯双连续复合材料和纯聚氨酯的液滴冲蚀试验研究,并采用PIV系统,测量了液滴冲蚀中液滴速度和直径. 结果表明:随着冲击能量的增加,复合材料表现出比纯聚氨酯更好的抗液滴冲蚀性能;泡沫镍结构参数对复合材料的液滴冲蚀行为有重要影响,泡沫镍孔径越小、体密度越大,复合材料的抗冲蚀能力越强;密集的金属骨架能有效阻挡高速液滴的破坏作用,并为树脂基体提供较强的阴影保护效应和地毯保护效应,显著提高复合材料的抗冲蚀性能.      

增强颗粒对铝基复合材料摩擦学性能的影响

采用自制的摩擦磨损试验机考察了增强颗粒对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：在基体合金、陶瓷颗粒尺寸和体积分数相同的条件下,SiC增强铝基复合材料的摩擦磨损性能优于Al2O3增强铝基复合材料;增大颗粒尺寸或增加颗粒体积分数均使得SiC颗粒增强铝基复合材料的平均摩擦系数略有降低,耐磨性能提高;在与半金属摩擦材料配副时,颗粒增强铝基复合材料的摩擦系数与基体合金的相近,耐磨性能提高了3个数量级。     

预加载复合材料层合薄板低速冲击理论分析

为更真实地揭示飞机复合材料结构抗冲击性能,开展了面内预载荷作用下的复合材料层合薄板低速冲击行为研究。根据各向异性材料弹性力学和经典薄板理论,采用Sveklo接触律描述了冲击接触刚度和冲击变形,通过面内载荷引入预载荷因素,提出了弹性球体低速冲击预载荷复合材料层合薄板的理论分析模型;并探讨了面内预载荷状态及冲击速度对结构冲击动响应的影响规律。结果表明:面内预载荷对冲击力和冲击变形均有显著影响;面内压缩载荷降低了结构抗弯刚度,使横向抗冲击性能降低,而面内拉伸载荷反之;低速冲击过程中的接触区域面积很小,分布冲击力可简化为集中力处理。作为复合材料层合薄板低速冲击过程的重要影响因素,预载荷状态必须加以考虑。     

多因素耦合作用对甲烷爆炸特性的影响

为了探究多因素耦合作用对甲烷爆炸特性的影响，采用1.2 L圆柱形爆炸装置，结合自主设计和搭建的可燃气体爆炸试验平台，从最大爆炸压力的角度分析了不同当量比φ(0.6～1.4)、初始温度T₀ (25～200℃)和初始压力p₀(0.1～0.5 MPa)耦合条件对甲烷爆炸特性的影响规律。在此基础上，基于实验获得的最大爆炸压力数据，利用1stOpt构建了甲烷最大爆炸压力与当量比、初始温度和初始压力的非线性回归预测模型。结果表明：在初始温度和初始压力耦合作用下，初始压力越高，初始温度对最大爆炸压力的影响越大；初始温度越高，初始压力对最大爆炸压力的影响越小。在初始压力和当量比耦合作用下，在研究的实验条件范围内，当φ<0.9或φ>1.2时，初始压力越高，最大爆炸压力的变化越显著。在初始温度和当量比耦合作用下，在实验条件范围内，当φ>1.15时，初始温度越高，最大爆炸压力的变化越显著。此外，通过将基于1stOpt预测模型的预测结果与实验测试结果相比较，发现二者之间的相对误差均小于10%，表明该预测模型具有较高的精度和适应性。     

基于SPH模型的冰雹高速冲击复合材料结构响应规律研究

作为一种特殊的外来物损伤,冰雹冲击致暴露的复合材料结构损伤的规律值得研究.由于实验需要耗费大量的人力物力,且实际操作中存在着各种难以克服的困难,因此,数值方法就显得尤为重要.针对复合材料层合板结构,在充分考虑了冰雹流体特性下,建立了经与经典实验比对证明具有足够分析精度的冰雹光滑粒子流体动力学SPH模型,利用大型显式动力分析软件LS-DYNA模拟研究了冰雹高速冲击复合材料板壳时结构参数对冲击结果的影响规律,表明:冲击响应随板壳形状、尺寸和铺层方案的变化而变化,板块长宽尺寸越大,抗冲击性能越好;板壳曲率越小,抗冲击性能越好;准各向同性铺层比同厚度的单向铺层和反对称正交铺层抗冲击性能优越.论文进一步展望了其应用前景.     

极端工况双矩形腔静压推力轴承动态特性

静压推力轴承动态特性受润滑油黏度、油膜厚度和油腔面积等因素影响, 极端工况运行过程中经常承受阶跃载荷或正弦载荷作用, 突加载荷将导致静压推力轴承动态特性改变, 表现为轴承的抗冲击能力和恢复平衡所需时间的变化. 为获得高速重载微间隙极端工况条件下双矩形腔静压推力轴承动态特性, 分别在不同油膜厚度、不同润滑油黏度以及不同油腔尺寸条件下对双矩形腔静压推力轴承的动态性能进行理论分析, 探讨了阶跃载荷作用下润滑油黏度、油膜厚度和油腔面积对轴承动态性能的影响, 揭示了油膜动态变化规律, 探究了正弦载荷作用下双矩形腔静压推力轴承的稳定性. 结果表明: 润滑油黏度、油膜厚度和油腔尺寸变化对其动态性能有很大的影响. 润滑油黏度越大、油膜厚度越小、油腔面积越大突加载荷作用下润滑油膜抵抗冲击的能力越强, 旋转工作台受到突加外力作用下恢复至平衡状态所用时间越短. 双矩形腔静压推力轴承油膜具有较大的阻尼系数, 轴承具有极强的抵抗正弦加载作用的能力      

开放空间H2/CH4/空气爆炸实验与数值模拟研究

近年来氢的使用范围逐渐发展到各个领域, 含氢多元混合物气体在工业生产及生活燃料中被普遍使用. 为了保障含氢气体在生产、运输、使用等各个环节的安全性, 构建了开放空间混合气体爆炸测试实验系统, 研究了H₂/CH₄/空气混合气体爆炸压力及火焰传播特性, 给出了不同氢摩尔分数(100%, 75%, 66.67%, 50%, 33.33%)、混合气体当量比(0.8, 1.0, 1.1, 1.2, 1.4)、可燃云团尺寸(1 m3, 4 m3, 8 m3)及障碍物约束等因素对混合气体爆炸压力及火焰的影响规律. 基于经典TNT当量法, 建立了考虑混合气体组分比及可燃云团尺寸的最大爆炸超压预测模型, 修正了爆炸火焰传播半径理论模型. 结合高精度数值模拟技术揭示了加气站内建筑结构对混合气体爆炸的影响. 研究表明, 氢气的加入能够明显增强气体爆炸强度, 最大爆炸超压、火焰传播速度均随氢摩尔分数的增加而增大, 随当量比的增大先增大后减小, 当量比为1.1~1.2时最大; 通过对大尺度混合气体爆炸数值仿真与分析发现, 加气站内不同建构筑物条件下爆炸火焰传播距离、传播速度、最大爆炸超压等关键参数明显不同, 顶部和背部同时约束时, 爆炸伤害范围及事故后果最严重, 因此在划定加气站安全距离时, 应充分考虑不同建筑结构的影响.      

极端工况双矩形腔静压推力轴承动态特性

静压推力轴承动态特性受润滑油黏度、油膜厚度和油腔面积等因素影响,极端工况运行过程中经常承受阶跃载荷或正弦载荷作用,突加载荷将导致静压推力轴承动态特性改变,表现为轴承的抗冲击能力和恢复平衡所需时间的变化.为获得高速重载微间隙极端工况条件下双矩形腔静压推力轴承动态特性,分别在不同油膜厚度、不同润滑油黏度以及不同油腔尺寸条件下对双矩形腔静压推力轴承的动态性能进行理论分析,探讨了阶跃载荷作用下润滑油黏度、油膜厚度和油腔面积对轴承动态性能的影响,揭示了油膜动态变化规律,探究了正弦载荷作用下双矩形腔静压推力轴承的稳定性.结果表明:润滑油黏度、油膜厚度和油腔尺寸变化对其动态性能有很大的影响.润滑油黏度越大、油膜厚度越小、油腔面积越大突加载荷作用下润滑油膜抵抗冲击的能力越强,旋转工作台受到突加外力作用下恢复至平衡状态所用时间越短.双矩形腔静压推力轴承油膜具有较大的阻尼系数,轴承具有极强的抵抗正弦加载作用的能力.     

纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化

本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能,探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型,分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤;建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层;编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板,SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优,其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好,表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层;SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．     

复合装甲抗侵彻性能的数值分析

用数值分析的方法分别对金属、陶瓷、纤维增强复合材料组成的层合板和由陶瓷球填充的金属四边形蜂窝夹芯结构在冲击载荷作用下的抗侵彻性能进行了模拟计算.其中冲击载荷由12.7mm 直径的刚性穿甲弹模拟.研究了不同构型靶板在侵彻过程中对动能量的吸收机理,分析了两种复合靶板各组分材料的吸能特性,并比较了不同靶板的弹道极限速度V50.研究结果表明:在相同面密度条件下,层合复合靶板中具有最强抗弹性能的陶瓷层与纤维层的最佳比例是2.22,其与4340钢均质靶板相比质量减轻了33%;蜂窝填充陶瓷结构的靶板中灌注环氧树脂后其弹道极限速度提高了13%.     

无约束条件下甲烷/空气预混气体燃爆特性研究

为研究无约束条件下甲烷(CH₄)/空气(air)预混气体的燃爆特性,以乳胶气球为反应容器开展了甲烷爆炸实验,结合Chemkin模拟和改进的比色测温技术,研究了不同当量比下甲烷/空气预混气体的火焰传播速度、爆炸超压及温度场分布等特征以及静置时间对预混气体燃爆特性的影响。实验结果表明：甲烷/空气预混气体的爆炸火焰传播速度呈振荡分布,当量比为0.83、1.06、1.30和1.55时的平均火焰传播速度分别为1.554m·s^-1、2.122m·s^-1、1.892m·s^-1和1.428m·s^-1;峰值超压随当量比的增加呈先增大后减小的趋势,当量比为1.06时基元反应CH₃·+O₂?O·+CH₃O·的敏感性系数最大,从而加速了生成二氧化碳(CO₂)的链反应,使得燃烧化学反应最彻底,峰值超压值最大;静置时间对火焰传播速度和爆炸峰值压力影响显著,最佳静置时间为6min;随着当量比的增大,爆炸火焰的平均温度呈现...     

轴向增强战斗部端部惰性填充物对端部破片飞散特性的影响

在当前破片战斗部动态毁伤场设计中,中心盲区效应被视为影响战斗部毁伤效率提高的关键因素。轴向增强战斗部作为消除战斗部动态中心盲区的重要手段,越来越受到相关研究人员的重视。本文中基于光滑粒子流体力学计算方法,建立了一系列轴向增强战斗部（端部分别含有惰性聚氨酯填充物、尼龙填充物和爆炸填充物）在爆炸载荷作用下的破碎和碎片散布过程的数值模型,并用于研究战斗部前端填充物特性对壳体动态响应的影响。数值模拟结果表明,填充物对战斗部前部破片的速度影响显著,但对破片飞散角度影响较弱。通过比较特定碎片的速度历史曲线,分析了惰性填料对碎片速度的影响机理。研究结果表明,聚氨酯泡沫填充物可以显著延缓爆炸冲击波对前破片的加速过程,并在一定程度上降低爆炸载荷,尼龙填充物可以在一定程度上降低前向破片和侧向破片的加速度,从而表明爆炸载荷被引导均匀分布在末端位置周围。结合战斗部自身的牵连速度,使用低密度和低质量填料代替头部装药具有相同的动态毁伤效果,可以提高轴向增强战斗部的能量利用效率。     

考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合材料的有效力学性能

基于Gurtin-Murdoch表/界面理论和广义自洽方法,获得了考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合材料有效反平面剪切模量的闭合形式解。讨论了涂层的壁厚、力学性能和界面性能对复合材料有效性能的影响。结果显示：在纳米尺度范围内,复合材料的有效反平面剪切模量受纳米涂层的尺寸影响显著。纤维体积分数一定时,涂层壁厚越大,纤维半径越小,有效反平面剪切模量与经典结果偏差越大。纤维刚度和涂层界面性能对复合材料有效模量的影响也取决于涂层刚度,非常软或非常硬的涂层都大大限制了纤维刚度对复合材料有效模量的贡献,过高的涂层刚度屏蔽了纳米复合材料表/界面效应的影响。     

PTFE基复合材料在干摩擦和液氮介质中的摩擦磨损性能研究

对比考察了聚苯酯(Ekonol)和PAB纤维增强PTFE复合材料在干摩擦和液氮介质中的摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜观察分析在干摩擦和液氮条件下Ekonol/PAB纤维增强PTFE复合材料的磨损表面形貌及其磨损机理,同时还考察了温度对复合材料冲击韧性的影响.结果表明:在液氮条件下,PTFE的抗犁削能力增强,Ekonol/PAB/PTFE复合材料的磨损量明显比干摩擦下低,复合材料的摩擦系数比干摩擦下大,载荷对复合材料的磨损量影响较小,复合材料的摩擦系数和磨损量随着滑动速度增加基本保持不变,材料的磨损机理主要为轻微犁削和脆性断裂;而在干摩擦条件下,载荷对复合材料的磨损量影响显著,随着滑动速度增加,复合材料的摩擦系数先增后减,磨损量逐渐增大,材料的磨损机理主要以犁削、粘着磨损及疲劳磨损为主.在2种试验条件下复合材料的摩擦系数均随载荷增加而减小;低温时材料的冲击韧性约为常温时的1/2.