壳装炸药殉爆实验和数值模拟

进行了壳装固黑铝炸药殉爆实验,通过观察残留炸药、壳体和见证板变形,判断被发炸药的爆炸情况,得到了炸药临界殉爆距离。建立了壳装炸药殉爆实验计算模型,采用非线性有限元计算方法,对壳装固黑铝炸药殉爆实验进行了数值模拟。计算中采用预设壳体单元破片方法描述主发炸药壳体破片的形成和破片对被发炸药的撞击起爆,炸药临界殉爆距离的计算结果与实验结果基本一致。主要是主发炸药中部的壳体破片撞击到被发炸药,被发炸药起爆位置也在装药中部。炸药壳体厚度主要影响破片速度和质量、被发炸药的防护性能,从而影响炸药临界殉爆距离。 更多还原     

爆炸荷载下网壳结构的动力响应及泄爆措施

以有限元软件ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了40m 跨度K8型单层球面网壳在中心TNT 爆炸荷载作用下的精细化有限元数值分析模型。在网壳结构各组成部分的单元选取、钢材本构关系与参数确定、网格尺寸选择与划分方式、结构对称性应用等方面进行了探索,保证了有限元动力分析的精度与可行性。通过比较网壳结构的塑性应变及其发展程度、杆件应变与位移等结果获得了不同网壳矢跨比、炸点距离以及屋面板厚度下的结构爆炸响应规律;以屋面板作为网壳结构的泄爆方式,研究了屋面板开洞率、开洞数量及洞口分布、洞口位置对结构响应的影响。总结了中心爆炸荷载作用下大跨度单层网壳结构的动力响应结果、最佳的屋面板泄爆布置方案,为网壳结构的合理抗爆及防御设计提供了理论依据。     

板壳结构的应力约束拓扑优化设计

应用ICM 方法求解应力约束板壳结构拓扑优化问题,建立了寻求应力约束下结构重量极小化,每个设计变量控制多个单元的板壳结构拓扑优化近似显式的ICM 模型. 依据畸变能理论,将应力约束转化为畸变能约束,减少了约束数目. 采用精确对偶映射下的序列二次规划算法进行求解. 以MSC.Patran 及MSC.Nastran 软件作为二次开发平台,应用PCL 语言实现本文算法. 算例对于设计变量数等于单元数时的情况进行了计算,表明该方法有效可行.     

局部约束阻尼开口柱壳的减振分析及优化

为了缩减开口柱壳结构的振动,本文基于Lagrange方程以及Sanders薄壳理论建立了局部约束阻尼开口柱壳的动力学模型,分析了粘弹性单元分段数和厚度、阻尼单元占空比以及约束层敷设角和厚度对结构前三阶模态损耗因子和固有频率的影响,得到了各参数对结构振动特性的影响规律.并以前三阶损耗因子为目标,应用NSGA-Ⅱ遗传算法对...     

磁橡胶约束阻尼壳的宽频振动控制能力研究

不同于传统被动约束阻尼处理(PCLD),磁橡胶约束阻尼处理(MRLD)采用磁化的铁-橡胶混合粉末替代PCLD的粘弹性材料,不是通过粘结而是磁力吸附在钢制振动体上,在振动时交界面处发生滑移使部分能量转化为热能,从而降低振动.采用假设模态法计算PCLD的频率响应,再基于周期耗能相等原理.将MRID与PCLD等价,得到MRLD壳的模态损耗因子,研究了MRLD处理对简支壳阻尼的影响.分析结果表明:对于1000～3365Hz间前11阶模态频率的MRLD壳振动,当激振力低于16～20倍的起滑激励力F0时,MRLD均可获得比PCLD更好的阻尼;但各模态的F0的差异仅在3～4倍内;因此在前11阶模态频率范围内,激振力可以存在一个交集,在此交集内可同时引起各阶模态的阻尼层发生滑移,从而能控制壳的宽频振动.     

约束层对金属柱壳膨胀变形影响的数值模拟

对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟,得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面,对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变,实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。

     

爆炸实验水池防护性能及动力学响应分析

针对爆炸实验水池强度设计问题,利用非线性动力学程序LS-DYNA对10 kg TNT爆炸后的水中冲击波传播规律及爆炸水池结构动态响应情况进行了数值模拟, 对空气桶和气泡帷幕削弱水中冲击波的能力进行了定量计算,结果表明:空气桶对冲击波峰值压力削弱作用接近50%,对比冲量削弱作用达到16.2%;气泡帷幕对壁面反射冲击波的削弱作用高达86.2%,对比冲量削弱作用达到75.6%。在此基础上进一步分析了冲击载荷作用以及结构响应机理,指出了内衬钢板和混凝土围堰的危险区域,对爆炸能量在各物质间的分配和传递规律进行了初步探索,为相关爆炸水池的工程设计提供参考。     

TiNi柱壳在不同约束下的横向冲击实验

为了解TiNi柱壳横向压缩力学性能以制造可重复使用抗冲吸能装置, 对有、无侧向约束的TiNi柱壳进行了横向冲击实验。利用改进的霍普金森压杆装置(SHPB), 配套波形分离方法, 实现了较长时间(~3 ms)的波形测量, 获得了TiNi柱壳在动态加载下的载荷压缩量曲线。通过高速摄影, 捕捉了柱壳的动态变形过程。结果表明, 无约束试件具有优良的可恢复变形能力, 承载力平台段特征明显。侧向约束的引入, 可以有效提高柱壳的承载力和耗能能力, 可以承受更高速度的冲击。选择合适的约束组合, 可望同时实现较大压缩行程和高耗能, 制造实用的抗冲吸能装置。     

曲面柱壳单元及柱壳相贯的有限元分析

本文在正交曲线坐标中建立了一个二十四自由度的壳单元,分析了正交柱壳相贯线上两柱壳的位移与转角并建立了相互转换关系,用主从约束的方法联合求解。几个算例表明,该单元具有较高精度,结果整理简便。用于工程计算可节省大量机时。     

高速碰撞下圆柱壳自由梁的穿孔特性

利用二级轻气炮加载,进行了球状2A12铝弹丸垂直撞击圆柱壳自由梁实验。并进行了弹丸速度、圆柱壳直径和壁厚等因素对穿孔直径影响的数值模拟,数值模拟结果和实验结果基本吻合。通过量纲分析和数值模拟结合,推导了穿孔直径与相关影响参数的经验关系式。研究结果表明：当圆柱壳直径和厚度不变时,高速撞击产生的穿孔直径在径向和轴向都随着弹丸速度增大而增大;当弹丸速度和圆柱壳厚度不变时,高速撞击产生的穿孔直径随着圆柱壳自由梁直径的增大而减小;当弹丸速度和圆柱壳直径不变时,穿孔直径随着圆柱壳厚度的增大而减小。

     

薄板坯连铸结晶器内凝固坯壳的数值分析

首先建立三维热传导模型，用差分法计算得到薄板坯连铸结晶器内初生凝固坯壳的几何形状及温度场，并在此基础上采用三维热弹塑性接触有限元方法分析凝固坯壳的应力及变形。针对两种类型的结晶器作了计算分析，对两种拉速下的温度、应力、变形以及成裂指数变化规律进行了比较，所得结果对薄板连铸工艺参数的设计和控制具有指导意义。     

主动约束层阻尼部分覆盖圆柱壳耦合振动控制

采用分布参数建模,从Ham ilton变分原理出发推导了主动约束层阻尼(ACLD)覆盖圆柱壳耦合振动的运动微分方程和边界条件,并扩展适合一维连续结构分析的基于解析解的谱传递矩阵法(STMM)用于ACLD部分覆盖圆柱壳。通过数值计算,研究了ACLD的长度和位置对固有频率和模态耗散因子的影响。STMM能有效克服有限元法单元数目多、动力学方程阶数高及ACLD长度和位置变化时须重复建模的缺点,以最少的单元数目建立低阶控制方程。典型算例显示了STMM的有效性和精确性。     

柱壳约束对散心冲击波空间分布的影响

结合实验和数值模拟,研究了散心冲击波在金属柱壳约束下沿有机玻璃内部的空间分布。进行了点起爆柱状炸药驱动飞片加载实验,采用Polyvinylidence Fluoride (PVDF)测试方法对有机玻璃内部的压力进行测试。实验结果显示:在冲击波传播过程中,在特定传播距离处,离中心轴越近,冲击波第一幅值压力越小,这是因为散心冲击驱动飞片成前凸形状,在飞片飞行过程中与有机玻璃碰撞面积越来越大,在远离对称轴部位冲击压力叠加累积效应更强引起的;但在随后的冲击波传播过程中,由于受到柱壳约束影响,离对称轴越近,冲击波幅值越小,这是由散心冲击波在约束柱壳边界反射与冲击波波阵面叠加的结果。通过对炸药网格大变形溢出柱壳翻转进行合理处理,对实验进行了数值模拟。数值模拟结果所得的冲击压力沿径向分布规律计算结果与实验结果定性相符。最后探讨了不同约束程度对这一规律的影响程度,结果表明,后续的冲击波幅值随着约束的增加而急剧增加。     

应力和位移约束下的板壳结构截面优化

将准则法和数学规划法相结合，根据满应力准则将应力约束化为动态下限，借助单位虚载荷法将位移约束转化为设计变量的近似显函数，建立了满足应力和位移约束的优化模型. 为了解决多变量的大型优化问题，根据对偶理论将上千设计变量的优化模型转化为几个变量的对偶模型，并通过二次规划求解. 以MSC/Nastran软件为结构分析的求解器，借助MSC/Patran软件为开发平台，完成了板壳结构截面优化程序. 程序完全和Patran及Nastran融为一体，在Patran中建立模型，利用Nastran分析计算，根据优化结果对设计变量调整，再用Nastran进行结构重分析，反复迭代直到结构重量收敛. 算例表明程序的合理性和有效性，能够满足工程设计的需要.     

一种区间B样条小波平板壳单元及应用

基于二维张量积区间B样条小波,构造了一种性能良好的小波平板壳单元.在小波单元的构造过程中,用二维区间B样条小波尺度函数取代传统多项式插值,在所构造的区间B样条平面弹性单元和平面Mindlin板单元的基础上组合而成.区间B样条小波单元同时具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的基函数的特点.数值算例表明:与传统有限元和解析解相比,构造的小波平板壳单元具有求解精度高,单元数量和自由度少等优点.     

内爆加载下金属柱壳的冻结回收方法

针对内爆炸载荷下膨胀态金属柱壳的回收问题,设计了冻结回收试验方法,实现了起爆后不同时刻金属柱壳的冻结回收。基于一体式壳体提出了3种改进结构,并分别对4种柱壳结构在内爆载荷下的膨胀断裂过程进行数值模拟。结果表明,两段式结构最有利于减小非起爆端对预期回收中间段壳体的影响。根据选定的最优壳体结构和金属柱壳在起爆后不同时刻的膨胀外形特征,设计与之匹配的冻结回收装置并进行冻结回收试验。试验结果表明,设计的冻结回收试验方法可以实现膨胀态金属柱壳的回收,回收壳体的轴向和径向尺寸与设计理想值符合较好,整体误差可控制在10%以内。

     

复合材料薄壁圆柱壳内共振的受迫响应

采用多尺度法分析复合材料悬臂圆柱壳考虑内共振的受迫振动。建立考虑动态弹性模量、阻尼、几何非线性时系统的振动方程;利用Galerkin方法将时间扣空间变量进行分离,然后应用多尺度法推导出内共振条件下系统的频率．振幅方程;通过算例获得了系统参数变化导致复杂非线性振动响应变化的规律。理论分析发现：由于所采用的两个轴向模态相距较近,引起了能量在两个模态之间相互传递,系统存在1：1内共振现象;相比较而言,激振力大小对系统内共振下的复杂振动响应影响比较大,而阻尼的变化对其影响则很小。     

刚性角隅内圆柱壳结构声辐射特性研究

本文对流场中处于刚性角隅内圆柱壳结构振动-声辐射问题进行研究.基于双反射方法,推导了位于两个垂直刚性壁面角隅区内圆柱壳结构的振动-声辐射方程.以此为基础,开展受线环向激励力作用的圆柱壳结构的振动-声辐射特性的数值计算.研究了刚性角隅内圆柱壳结构布置位置及计算频率对声辐射功率、声指向性的影响.计算结果可为分析含复杂声学边界的结构声振问题提供技术支持.     

功能梯度圆柱壳-内声场耦合系统振声预测

针对功能梯度(FGM)圆柱壳与其内声场的振声特性分析需求,采用特征正交-里兹法研究圆柱壳厚度、材料梯度指数、边界支撑刚度、阻抗边界和简谐力位置等因素对振声系统的影响。圆柱壳的位移及内部声压变量通过特征正交多项式与周向傅里叶谐波函数构建,并以声压做功的方式考虑结构与声场之间耦合条件,进而结合里兹法得到耦合系统的振声模态和稳态响应。研究表明,由该模型所得到的数值解与文献及有限元结果具有较好的一致性。对参数的研究发现,壳体厚度、梯度指数、边界刚度、阻抗边界和激励位置等对振声系统的耦合特性均有较为明显影响,这为该类结构的低噪声设计及其内部声场优化提供了有益的参考。     

阻尼约束的圆柱壳在轴向冲击载荷作用下的屈曲分析

建立并求解了受径向阻尼约束圆柱壳的径向位移控制方程,考虑边界条件及相容条件,得到了应力波传播及反射过程中圆柱壳的动力屈曲分叉条件。通过计算得到了应力波传播及反射过程中屈曲临界载荷与应力波传播时间、径向阻尼的关系,以及有阻尼约束和无阻尼约束条件下圆柱壳的屈曲模态。数值计算结果表明:阻尼约束圆柱壳发生轴对称和非轴对称屈曲情况下,临界载荷关于应力波传播时间、径向阻尼的趋势一致;临界载荷随波传播时间的增加逐渐降低并趋于平缓;径向阻尼使圆柱壳的抗动力屈曲能力增强,且应力波反射后圆柱壳从低阶轴向屈曲到高阶轴向屈曲比反射前更容易;径向加阻尼约束后圆柱壳的屈曲模态形状与不加阻尼约束时保持一致。