基于饱和响应时间的封闭空间内爆炸载荷等效方法研究

针对舱内爆炸载荷形式复杂、作用时间长、缺乏有效的简化描述方法的问题,首先采用显式动力学计算程序开展了内爆载荷作用下钢板动态响应的数值计算,在与试验结果对比验证的基础上分析了金属板的内爆载荷饱和冲量。通过对216种不同爆炸载荷加载时长与金属板响应关系的分析,提出了内爆炸载荷作用下结构最大变形所对应的饱和时间计算经验公式,并给出了饱和时间的无量纲系数建议值。考虑到内爆载荷初始冲击波的影响,结合爆炸载荷饱和作用时间的规律,提出了封闭空间爆炸载荷的矩形载荷等效方法,对比了18组简化载荷与耦合载荷分别作用下钢板的动力响应,验证了等效方法的有效性。     

在质量块冲击作用下刚架大挠度响应的实验研究

本文报道刚架跨中受到以不同速度运动的质量块冲击时动态大挠度响应的实验研究工作,实验测取了冲击点位移、速度随时间变化的曲线及某些关键点的动态应变历史,由此描述了在响应过程中,质量块与刚架间动量动能的传递过程,找出了塑性区域形成和扩展的规律。研究表明:初始撞击接近于理想非弹性,动态荷载不宜简化为瞬时冲量,此时初始冲击动能与刚架所能吸收的最大弹性能之比即便很大,响应中弹性成分仍占有很大的比例,能量比率作为判断是否宜于采用刚塑性解答的条件已不再充分;刚架在初始撞击中吸收的能量和冲量与初始动能和动量之比,仅与刚架承受初始撞击的相当质量和冲击物质量之比有关,而与冲击速度无关,文中给出了二者的关系式。     

人体落地冲击力冲量的分析和计算

本文根据人体落地受伤是受冲击力的大小、冲击作用时间长短以及冲击力矩(如扭伤)等因素所致的事实出发,将人体着地瞬间看作撞击过程,以冲击力的冲量和冲量矩作为人体和各关节所承受的冲击作用的度量.利用多刚体系统动力学理论及计算方法给出了计算总撞击冲量及关节内冲量、冲量矩的算法;编制了相应的计算程序.以垂直落地为例所作的计算与已有结果一致.     

人体落地冲击力冲量的分析和计算

本根据人体落地受伤是受冲击力的大小、冲击作用时间长短以及冲击力矩(如扭伤)等因素所致的事实出发，将人体着地瞬间看作撞击过程，以冲击力的冲量和冲量矩作为人体和各关节所承受的冲击作用的度量．利用多刚体系统动力学理论及计算方法给出了计算总撞击冲量及关节内冲量、冲量矩的算法；编制了相应的计算程序．以垂直落地为例所作的计算与已有结果一致．     

直角刚架在撞击作用下的塑性大挠度响应

本文研究了悬臂直角刚架在其自由端受到自身平面内的横向撞击时的塑性动力响应在本文报告的实验中,利用空气炮射出的子弹加载使软钢材料制成的直角刚架产生大挠度塑性变形;同时,依据理想刚塑性材料模型,给出了一个大挠度瞬时模态解。理论分析得到的挠度-载荷曲线与实验结果符合得很好。     

泡沫子弹冲击固支单梁的耦合分析模型

使用泡沫金属子弹进行冲击可以模拟爆炸载荷的作用,这一加载技术已被应用于防护结构的抗冲击性能测试中,然而泡沫子弹作用于被测试结构上的真实载荷以及二者间的相互作用过程尚不明晰.本文以泡沫子弹冲击固支梁的情形为例,开展了对该冲击过程的理论分析和数值模拟研究.基于泡沫材料的冲击波模型与固支单梁的结构冲击动力学响应模型,构建了描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型.给出了不同响应阶段下子弹和单梁的动力学控制方程,并采用Runge-Kutta方法得到了方程的数值解.基于三维Voronoi技术,建立了泡沫子弹冲击固支单梁的有限元模型并进行了数值模拟.通过与有限元模拟结果的对比发现,相较于经典的脉冲加载模型,耦合分析模型能更好地预测泡沫子弹和单梁的速度变化规律,也能准确地预测子弹对单梁的真实冲击压强.当泡沫子弹的初始动量相同时,由于子弹自身的压溃行为,子弹的初始冲击速度、密度和长度的改变都会对冲击过程产生影响.最后,通过耦合分析模型分别分析了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响,并针对具有不同特征的目标模拟载荷给出了泡沫子弹的筛选策略.所构建的耦合分析模型为研究泡沫...     

飞机模型高速撞击钢筋混凝土载荷特性实验研究

为得到大型商用飞机撞击的冲击载荷特性及其计算方法,基于火箭橇加载试验平台,搭建了飞机模型撞击钢筋混凝土运动靶体测试系统,开展了两种不同尺寸飞机模型的撞击试验,利用高速摄影技术获得了飞机模型撞靶前的姿态、着速及飞机模型撞靶的破坏过程。采用加速度测试系统和激光干涉测速系统,分别得到撞击过程中运动靶体的加速度和速度历史,据此得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,二者吻合,验证了测试系统的可靠性。通过飞机模型上安装的机载存储过载测试系统,获得了撞击过程中飞机模型的负加速度-时间曲线,由此确定了修正的Riera理论模型中的静载荷项,并进一步计算得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,与通过测试靶体的加速度或速度得到的结果一致,验证了使用修正的Riera理论模型计算飞机模型冲击载荷的合理性及计算方法的正确性,同时确定了适合于本试验中飞机模型的修正系数α。     

碳纤维叶片的鸟弹冲击响应及损伤

通过实验和数值模拟研究了T300碳纤维叶片的抗冲击性能,探讨了碳纤维叶片的变形损伤模式及纤维层数对叶片抗冲击性能的影响。采用明胶鸟弹对不同层数碳纤维叶片开展了冲击实验,基于宏观连续损伤力学理论和Hashin失效准则针对碳纤维材料的失效形式编写了用户材料（vectorized user-material,VUMAT）子程序,采用光滑粒子流体动力学方法模拟明胶鸟弹,运用ABAQUS有限元软件对不同层数碳纤维叶片的动态响应过程进行了数值模拟,在鸟弹冲击过程中叶片变形、鸟流状态、冲击持续时间等方面,模拟结果与实验结果吻合较好。在鸟撞叶片初始冲击阶段,三种不同层数的叶片都有较大的变形,且叶片的变形模式相近;在冲击衰减阶段与恒流稳定阶段,不同层数碳纤维叶片的挠度与断裂位置都有较大差别。在鸟弹冲击叶片过程中,叶片以弯曲和扭转耦合变形模式为主,其中弯曲变形对其损伤破坏起主导作用。实验结果表明,碳纤维叶片损伤模式主要表现为：（1）叶根部边缘损伤,（2）叶根部完全断裂,（3）叶根部与叶顶部完全断裂。碳纤维抗冲击性能受层数的影响较大,通过实验和数值模拟对鸟弹冲击叶片进行机理分析,可为碳纤维叶片的工程设计和应...     

悬臂高梁在静动态载荷作用下侧向失稳的实验研究

本文进行了平头圆柱形弹体对铝合金悬臂高梁自由端正撞击引起侧向失稳的实验研究．通过多种不同尺寸梁的实验，研究了梁在静动态载荷下的侧向失稳临界载荷值及屈曲模态．最后给出一个在撞击载荷下，计算悬臂高梁侧向失稳临界冲击动能值的经验公式．     

烧脑之问：撞击力有多大?

作为冲击加载的一种类型,撞击指的是一个具有质量m 的物体(或结构) 以某一初速度V0 撞到另一个物体(或结构) 的加载行为,以及由之产生的力学和物理现象。动量--冲量定理是求解撞击问题的基本方程,但仅由此定理并不能解出撞击后各物体的速度,所以刚体动力学中通常建议引进一个\恢复系数" 来求得解答。可是,恢复系数" 实际上并不是材料常数,而且仅凭动量-- 冲量定理和\恢复系数" 仍然不能得出撞击脉冲的参数,如峰值力、撞击时长和脉冲形状。本文基于冲击接触力学和结构冲击动力学,对确定撞击脉冲提出了一些思考,并指出工程中沿用的\动载系数" 是缺乏理论根据的,许多撞击问题值得深入探讨。     

用十字形超细药条离散群同步起爆实现超低比冲量加载

余弦分布载荷的化爆加载技术是高空核爆软X射线辐照下空间结构动态响应考核的主要手段。为适应新型空间飞行器结构考核的复杂构型、高同步性和低比冲量载荷设计要求,提出了一种用十字形超细药条离散群同步起爆实现超低比冲量加载的方法。实验结果验证表明：(1)所制作的十字形超细药条,最小截面尺寸为0.33 mm×0.5 mm,传爆性能稳定,并可通过直径0.5 mm的柔爆索直接起爆;(2)与相同布药密度的条状布药方式相比,布药空间均匀度提高了76.7%;(3)所采用的21点柔爆索同步起爆网络,起爆率达100%,起爆不同步性小于1μs。进一步建立了离散片炸药加载数值计算模型,分析了离散片炸药群同步起爆加载的比冲量空间分布和匀化规律,将匀化过程分为扩散段、叠加段和均匀段3个阶段;对比了方形、十字形、短条形3种形状药片阵列的比冲量演化过程,发现十字形药片所需匀化距离最短、均匀度最高,仅需约0.8倍布药间距即可使比冲量均匀度偏差降至10%以下。     

汽车模拟碰撞用液压缓冲器的动态仿真

汽车模拟碰撞(台车试验)用缓冲装置是汽车零部件安全试验中一个非常关键的设备。应用孔口节流理论，建立了汽车模拟碰撞用液压缓冲器的力学模型，同时对主要参数对模型的影响进行了具体的讨论。试验证明，进行参数优化后，计算曲线能够很好地模拟试验曲线。该仿真过程可以为类似液压缓冲器的理论建模和调试提供依据。     

Impact of thermal loads on interfacial debonding in FRP strengthened beams

The effect of thermal loads on the debonding mechanisms in beams strengthened with externally bonded composite materials is analytically investigated. The analytical approach adopts a high-order stress analysis model and a fracture mechanics model that uses the concept of the energy release rate through the thermo-mechanical form of the J-integral. The two models are combined to synthesize the relation between the energy release rate, the mechanical loads, the thermal loads, and the interfacial crack length simulating the thermo-mechanical debonding process. The model is supported through comparison with experimental results taken from the literature. The comparison quantifies and explains various phenomena observed in the experiments and mainly the non-monotonic dependency of the debonding failure load on the temperature. The impact of the temperature on the interfacial stresses and on the stability of the debonding process is also studied. Finally, the effect of an uniform thermal load on the debonding behavior of a strengthened beam is studied revealing the impact of the thermal load on the debonding stability and strength characteristics.     

Dynamic response of shallow buried structures associated with landmine clearing operations

The development of mechanical means of landmine clearing using flail machines requires a good knowledge of load transfer and tool-soil-landmine interaction. Recent research have provided a good understanding of the soil-tool interaction, but load transfer and responses of buried landmines due to loading from the flails remains undefined. Buried landmines act as unsupported buried structures and loads from the flailing motion are considered as impact loading on the soil surface. A 4 degree-of-freedom mechanical model is constructed and corresponding experiments are conducted to better understand the load transfer and dynamic responses of buried structures due to surface impact loading. The model and experiment is limited to a single impact load directly above the structure, and the buried structure is assumed to move only in the vertical direction. Experiments are conducted for various load magnitude and depth of burial for buried structure in two types of soil. The minimum surface impact forces needed to trigger a landmine in prescribed conditions for two different types of soils have been found. This information could be useful in the design optimization of a mine flail. A correction factor to account for nonlinearity in the form of the ratio of Burgers model and Kelvin stiffness and damping constants is introduced. Considering an appropriate correction factor, the response behavior of the model compares well with the experimental results. The model, while simple, is deemed adequate to represent and predict the behavior of a buried landmine in a mine clearing condition - or any other unsupported buried structure - in soil and sand medium subjected to surface impact loads.     

循环神经网络在智能天平研究中的应用

激波风洞地面试验对高超声速飞行器高焓气动特性研究至关重要, 而高精度气动力测量是其中的关键技术. 在脉冲型激波风洞中进行测力试验时, 风洞起动时流场瞬间建立, 对测力系统会产生较大的冲击. 测力系统在瞬时冲击作用下受到激励, 系统的惯性振动信号在短时间内无法快速衰减, 天平的输出信号中会包含惯性振动干扰量, 导致脉冲型风洞测力试验精准度的进一步提高遇到瓶颈. 为了解决短试验时间内激波风洞快速准确测力问题, 发展高精度的动态校准技术是提升受惯性干扰天平性能的关键方法. 因此, 本文采用循环神经网络对天平动态校准数据进行训练和智能处理, 旨在消除输出动态信号中的振动干扰信号. 本文对该方法进行了误差分析, 验证了该方法的可靠性, 并将该方法应用于激波风洞测力试验中, 切实有效降低了惯性振动对天平输出信号的干扰影响. 根据智能模型的样本验证分析, 各分量载荷相对误差比较小, 其中高频轴向力分量处理结果的相对误差约1%. 在风洞试验数据验证中, 也得到了比较理想的结果, 同时与卷积神经网络模型处理的结果进行了对比分析.      

冲击加载下样品软回收过程中的侧向稀疏效应

通过数值模拟, 计算冲击加载下样品经历一维应变加载过程和侧向稀疏过程产生的塑性功, 给出试样内部从冲击加载开始到进入回收桶前全过程的应力随时间变化的历程。结果表明:侧向稀疏过程开始后,样品在径向汇聚波的作用下受循环拉、压载荷作用,拉压循环的振幅在中等冲击压力下达到最大。如果振幅超过了材料的层裂强度,样品中心将发生拉伸破坏不能完整回收。侧向稀疏与一维应变加载产生的塑性功之比随冲击速度的增加而减小。在冲击速度为某临界值时,侧向稀疏产生的塑性功与一维应变加载产生的塑性功相等。在一定的冲击速度下,采用低初始屈服应力的材料可减轻侧向稀疏效应。对理想塑性材料的理论分析表明,侧向稀疏与一维应变加载产生的塑性功之比随冲击速度与屈服强度比值的增大而减小,与数值模拟结果一致。     

平地机牵引架等效加载分析

为研究平地机牵引架的作业负载,分析了平地机最大牵引力及平地机铲刀作用阻力．通过研究工作装置各部件间的运动幅关系,构建了工作装置机构运动简图,建立了工作装置运动坐标系．利用空间坐标系变换理论,将等效铲刀工作负载施加于牵引架上．基于Mechanical APDL及有限元分析理论,对牵引架的Pro/E实体模型进行网格划分．以平地机受最大牵引力作用时的铲刀斜向刮土为例,进行了牵引架静力强度分析．结果表明,牵引架强度在许用强度范围内,经等效加载后的牵引架应力分布与工程实际相符．该工作负载等效方法有效并可简化复杂工况的牵引架受载分析．     

ELASTIC-PLASTIC DYNAMIC RESPONSE OF FULLY BACKED SANDWICH PLATES UNDER LOCALIZED IMPULSIVE LOADING

An analytical model is developed to assess the elastic-plastic dynamic response of fully backed sandwich plates under localized impulse load.The core is modeled as an elastic-perfectly plastic foundation.The top face sheet is treated as an individual plate resting on the foundation.The elastic-plastic analysis for the top face sheet is based on a minimum principle in dynamic plasticity associated with the finite difference technique.The effects of spatial and temporal distributions of the impulsive loading on the dynamic response of sandwich plates are discussed.The model can be used to predict the impulse-induced local effect on fully backed sandwich plates.     

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。