超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

小攻角条件下动能弹体高速侵彻混凝土靶的弹体弯曲

将高速侵彻混凝土靶板的弹体简化为自由梁,应用弹体侵彻阻力和梁动态弯曲内力分析了由小攻 角产生的横向载荷导致的弹体弯曲。结果表明,弹体理论弯曲条件受弹体着靶前状态、弹体结构和材料控制。 理论计算证实弹体高速侵彻混凝土靶板时由于小攻角的存在会发生弹体弯曲变形,弹体侵彻实验结果表明 弹体弯曲位置和弯曲条件与理论分析结果相符。     

弹体对钢筋混凝土板-钢板的贯穿计算问题

主要讨论了钢筋混凝土板-钢板中箍筋、纵向钢筋和钢板对弹体贯穿过程的影响。根据钢筋混凝土板-钢板多阶段变形与破坏和能量在时间、空间上的分配差异,提出了钢筋混凝土板-钢板的变形与破坏模型,确定了箍筋和钢板对弹体的阻力公式,并将纵向钢筋网等价为薄钢板厚度,从而给出了弹体和贯穿块的运动方程。并通过与弹体贯穿混凝土板过程中弹体的加速度、速度、位移的对比,说明了钢筋混凝土板-钢板中各联系件对弹体在介质贯穿过程中位移场的影响。     

卵形弹体侵彻混凝土开坑区侵彻阻力计算

为了研究弹体开坑过程中,弹头表面应力的表达形式,采用高速摄影仪记录弹体在开坑区的位移和时间关系,得到卵形弹体在开坑区的速度和侵深关系。采用最小二乘法对开坑区结束时消耗的弹体动能和侵深关系进行分析,提出开坑过程中弹头表面的应力形式。计算结果表明,该应力形式能较好地描述高速条件下开坑区的侵深和速度关系。     

带模拟装药弹体高速冲击岩石靶时的断裂特性

针对高速侵彻过程中的弹体破碎断裂问题,本文中设计2种不同壁厚的试验弹,进行约1 000 m/s着速的高强度岩体侵彻试验,试验表明：在该高着速条件下,两种结构的试验弹体均发生完全破碎且未能有效侵入岩石靶,而岩石靶体仅在表层产生粉碎性破坏;另外,高速侵彻岩石靶的弹体头部破碎情况与侵彻金属薄靶有所区别。在试验基础上,利用Autodyn-3D建立了弹体侵彻岩石靶的物理模型,结合SPH算法与Mott失效模型对弹体破坏过程进行了数值模拟,可有效地揭示弹体破碎机理,并进一步讨论模拟装药和小范围内不同高速对弹体破坏的影响。试验结果和建立的数值模型可为研究高速侵彻中弹体结构安全提供参考。

     

考虑质量磨蚀的高速侵彻弹体的壁厚设计

针对弹体高速正侵彻和斜侵彻混凝土/岩石半无限靶,基于考虑弹头质量磨蚀的弹体轴向阻力计算方法,结合弹体在非对称质量磨蚀及斜侵彻条件下所受的横向作用力,给出了高速弹体在正侵彻和斜侵彻两种状态下弹体结构屈服的分析方法,得到了在给定弹体壁厚条件下保持弹体结构稳定性的弹体极限初始撞击速度的要求,并讨论了不同的弹靶组合条件对弹体极...     

不同速度段弹体侵彻岩石靶体的理论分析

随着撞击速度的增加,弹体对岩石类靶体的侵彻机制会发生显著变化,由刚体侵彻逐步转变为半流体侵彻和流体侵彻,3种侵彻机制各自适用的理论模型完全不同。在半流体侵彻阶段,弹体质量损失开始显著增加,造成侵彻效率严重下降,侵彻深度随撞击速度的增加急剧减小。基于提出的弹体质量与速度的理论模型以及弹体刚体段的侵彻阻抗,推导出考虑弹体质量损失的半流体侵彻深度计算公式。对于超高速撞击时的流体动力学侵彻段,通过对流体区和刚性区进行假定,建立动量守恒和伯努利方程,推导给出该阶段弹体的侵彻阻抗,结合弹体质量变化方程推导出侵彻深度的表达式。最后将3个阶段的理论计算结果与花岗岩侵彻试验数据进行了对比验证,侵深和弹体质量变化规律均吻合良好,而且各阶段模型计算结果反映出的侵彻变化规律与实验结果完全一致。     

撞击姿态对构型弹体非正侵彻多层间隔钢靶弹道特性的影响规律

为深入认识构型弹体非正侵彻多层间隔靶板的弹道偏转规律,结合数值模拟和理论分析,研究了构型弹体在不同撞击姿态下侵彻多层间隔钢靶的弹道特性,其中引入弹体侧向接触力和侧向偏转力矩等参量,着重分析撞击着角和攻角对弹道特性的影响规律。结果表明：构型弹体非正侵彻过程中,在纵向发生阶梯式速度衰减,但变化较小;同时,由于穿靶过程中受到侧向接触力及其偏转力矩的作用,在侧向产生显著弹道偏转。撞击着角决定弹体所受外载荷的非对称程度,着角越大,弹体偏转越严重;撞击攻角则主要影响弹肩穿靶时的径向速度和弹尾穿靶时的触靶位置,二者共同影响弹道轨迹,因而存在使弹体偏转程度发生转折的临界攻角。相比于侵彻单层靶,构型弹体非正侵彻多层间隔靶板的显著特点为弹道偏转存在累积效应,且侵彻前一靶板的弹道偏转情况显著影响到侵彻后一靶板时的弹靶作用特征,进而导致弹道偏转与弹靶接触力互相耦合。相关研究对预测构型弹体侵彻多层间隔靶板性能、优化弹体构型和撞击姿态等具有较好的指导价值。     

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现,使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求.而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性.在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行.随着运行速度的提高,系统间耦合加强,服役模拟也越来越受到重视...     

杆撞击中弹塑性波传播的动态子结构方法研究

通过建立杆弹塑性碰撞的动态子结构模型,推导弹塑性撞击子结构动力学控制方程,采用固定界阶模态综合法和无条件稳定积分法(Newmark隐式积分法)对动力学方程进行求解,成功地将动态子结构方法运用于柔性杆的弹塑性撞击问题。与有限元方法的计算结果和理论解结果的对比表明,动态子结构方法可以应用于柔性杆的弹塑性撞击问题的研究,它能...     

轴对称高速碰撞问题的拉格朗日无结构网格有限体积法的并行计算

给出计算轴对称高速碰撞问题的拉格朗日无结构三角形网格有限体积法的并行格式，并给出以小巨型机ＡｌｉａｎｔＦＸ／４０为目标计算机的算例数值模拟结果和效率分析     

STUDY ON THE RESPONSE TO LOW-VELOCITY IMPACT OF A COMPOSITE PLATE IMPROVED BY SHAPE MEMORY ALLOY

Improvement from the pseudo-elastic effect of shape memory alloy (SMA) on the low-velocity impact (LVI) resistance of a composite plate is investigated by the finite element method (FEM).The stiffness matrix of the dynamic finite element equation is established step by step and the martensite fraction is obtained at each time step.The direct Newmark integration method is employed in solving the dynamic finite element equation,while the impact contact force is determined using the modified Hertz's law.It is found that SMA can effectively improve the performance of a composite structure subjected to low-velocity impact.Numerical results show that the deflection of a SMA-hybrid composite plate has been reduced approximately by thirty percent when the volume fraction of the embedded SMA reaches 0.3.     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

拟弹性SMA对复合材料板抗低速冲击响应性能的影响

以形状记忆合金(SMA)纤维增强复合材料板为研究对象,根据SMA拟弹性曲线的特性,建立了一种SMA拟弹性应力-应变关系的分段线性化模型;在此基础上,采用分步能量平衡法,求解了SMA增强复合材料板受低速冲击时的横向位移和应力,分析了SMA的拟弹性特性对复合材料板低速冲击性能的影响.研究结果表明,SMA的能量吸收特性能有效地增强复合材料板抗低速冲击能力,板的最大位移和最大应力都明显减少.冲击速度为10m/s的情况下,板的最大挠度和应力降低了18%左右;冲击速度为25 m/s的情况下,板的最大挠度和应力降低了42%左右.     

非线性复合材料杂交应力有限元的有效迭代方法

推导了面内剪应力应变关系非线性的复合材料的杂交应力有限元列式,给出了位移迭代和应力迭代的策略和步骤.提出一种非线性应力场迭代格式的改进方案,不仅提高了收敛速度,而且克服了大载荷下简单迭代法循环迭代而无法收敛的关键问题,使得所提出的非线性杂交应力元方法几乎对任意大载荷都能够收敛.数值算例表明该方法是确实可行的.     

碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法

通过建立弹塑性碰撞动态子结构模型, 推导了模态坐标下的控制方程,提出了模拟柔性结构碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法, 并对其中的主模态的存在性和主模态截断的收敛性进行了证明. 通过对柔性杆纵向碰撞和柔性梁横向碰撞两个算例的计算, 并将计算结果与理论解和三维动力有限方法计算结果进行了对比, 验证了该方法的数值收敛性和计算碰撞弹塑性波传播的有效性.      

缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,以空间杆单元模拟缝线的增强作用,建立了缝合复合材料层板在横向低速冲击载荷作用下的渐近损伤分析模型.该模型考虑了缝合层板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层等五种典型损伤形式,采用基于应变描述的Hashin失效准则和Yeh分层失效准则,并将其嵌入ABAQUs/Explicit用户子程序以实现相应损伤类型的判断及其材料性能退化.针对相同铺层的缝合与未缝合层板,模拟了低速冲击作用下的冲击响应和渐进损伤过程,数值结果与试验吻合较好,证明了该方法的合理有效性.同时探讨了冲击速度、缝合密度等对缝合层板冲击响应和损伤的影响.     

DYNAMIC SUBSTRUCTURE METHOD FOR PROPAGATION OF ELASTIC-PLASTIC WAVE INDUCED BY IMPACT

通过建立弹塑性碰撞动态子结构模型,推导了模态坐标下的控制方程,提出了模拟柔性结构碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法,并对其中的主模态的存在性和主模态截断的收敛性进行了证明.通过对柔性杆纵向碰撞和柔性梁横向碰撞两个算例的计算,并将计算结果与理论解和三维动力有限方法计算结果进行了对比,验证了该方法的数值收敛性和计算碰撞弹塑性波传播的有效性.     

高速冲击过程数值分析的再生核质点法

利用新型的无网格方法-再生核质点方法对高速冲击过程进行数值模拟,给出了控制 方程,分析中引入Bordner-Partom本构模型来实现材料高速冲击条件下的大应变和高应变 率的特性,提出了新的接触面处理方法,介绍了速度配点法来实现接触面及其它本质边界的 速度条件. 数值模拟表明,再生核质点法能够准确模拟高速冲击过程,具有较高的计算精度.     

THE DYNAMIC BUCKLING OF ELASTIC-PLASTIC COLUMN SUBJECTED TO AXIAL IMPACT BY A RIGID BODY

I. INTRODUCTIONSince the 1960s the investigation on the dynamic buckling of elastic-plastic structures under impactload has been a very active subject of study in solid mechanics. In this respect the research advanceswere summarized and reviewed from di?erent aspects by some famous scholars[1??4]. The column is themost important structural element in practical engineering. So the dynamic buckling of the column hasattracted much more attention of many researchers. Lindberg H.E. carried ou…