• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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摘要:
目前膨胀环实验技术主要包括爆炸膨胀环和电磁膨胀环实验技术,实验过程中膨胀环均为自由膨胀,加载应变率随着圆环的膨胀迅速降低,给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂带来极大的不便。本文在前期提出的液压膨胀环实验技术的基础上,发展了一种恒应变率加载技术。理论上给出了实现金属圆环恒应变率膨胀所需液压加载曲线的近似表达式,采用有限元流固耦合模拟了冲击膨胀环装置中1060-O铝环的冲击碎裂过程,并研究了加载曲线对碎裂过程中加载应变率的影响规律,仿真结果表明在一定的加载曲线下,圆环在整个膨胀过程中的环向应变率基本在恒定应变率范围上下波动。在液压膨胀环实验装置上对1060-O 铝环开展了冲击膨胀实验,验证了恒应变率加载技术的可行性。
摘要:
陶瓷球作为增强相加入到聚氨酯基体中,能够提高复合材料的抗冲击性能。为研究毫米级陶瓷球对聚氨酯复合材料抗冲击性能的影响,基于LS-DYNA的ALE算法对直径为4.5mm的Al2O3陶瓷球增强聚氨酯基复合材料进行小当量爆炸载荷下的动态响应数值模拟,并探究爆炸当量和陶瓷球尺寸对复合材料性能的影响。结果表明,随着爆炸当量的提高,复合材料挠度/速度增长较为稳定且聚氨酯的吸能效率不断提升;在相同面密度下,陶瓷球尺寸越小,复合材料板受冲击载荷的变化敏感度越低,总体的加速度波动范围也变大。
摘要:
通过有限元软件LS-DYNA建立了舱内爆炸载荷下箱型舱室动响应数值模型,并借助文献试验结果验证了数值模型的可靠性,研究了平板型、内凹型、外凸型、箭头型、箭矢型、背面弧型等6种角隅连接结构对舱内爆炸载荷下箱型舱室变形、特征位置压力和破坏模式的影响,分析了内爆效应下角隅连接结构的失效机理。数值结果表明:舱壁角隅位置是舱内爆炸载荷作用下舱室易发生破坏撕裂的特征位置。相比无连接结构,平板型连接结构对舱壁最大塑性变形改善最大,降低幅度达到了31.9%。背面弧型连接结构能够使箱型舱室角隅等效塑性应变降低约60%。设置连接结构能够改变高塑性应变发生位置,进而改变箱型舱室的破坏模式。采用平板型、内凹型、背面弧型连接结构的箱型舱室能够有效避免发生角隅失效破坏。
摘要:
循环冲击载荷作用页岩形成复杂缝网是燃爆压裂页岩储层的重要科学难题。基于?50 mm霍普金森杆实验系统开展页岩循环冲击实验,研究不同循环冲击载荷作用下页岩动力学响应及损伤演化特征,同时揭示控制入射总能量不变条件下,不同气压梯度循环冲击页岩能量演化规律,主要结论如下:随冲击气压升高,试样破裂所需的冲击次数呈线性降低,峰值应力随循环冲击次数的增加先升高后降低,极限应变先降低后升高,试样循环冲击表现出先压密后损伤的力学机制;基于Weibull分布的统计损伤模型表明,增大循环冲击气压,试样损伤破坏形式由缓慢劣化逐渐转变为骤然破坏;入射总能量恒定情况下,通过控制循环入射能量梯度能够产生不同的损伤效果,降压冲击和升压冲击的能量吸收比均大于恒压冲击,且气压梯度的绝对值与能量吸收比呈现正相关性。研究可对多级燃爆压裂过程中页岩储层力学特性的演化及燃爆压裂的工艺设计提供理论支撑。
摘要:
超高压水射流自驱旋转型喷头是目前广泛应用于船壁除锈的一种装置,其布局方式直接影响船壁除锈的效率和质量,目前喷头布局多依赖工程经验,缺少准确地理论分析和优化技术支持。针对水射流自驱旋转型喷头的布局优化问题,在传统遗传算法(GA)的基础上,提出一种基于“锦标赛选择”的精英策略遗传算法(ESGA),该算法通过采用种群进化过程中精英个体直接保留到下一代的进化策略,从而有效提高算法的全局收敛能力和算法的鲁棒性。结合旋转喷头扫掠冲击性能和轨迹特征,以喷头移动路径垂直打击面上的能量分布均匀度为衡量标准,建立超高压水射流自驱旋转型喷头的螺旋扫掠冲击离散化时间优化模型,并分别利用两种遗传算法对其进行优化改进。对“一”字型水射流自驱旋转型喷头的布局优化研究发现,经ESGA算法优化的旋转喷头其扫掠冲击能量分布均匀度较原喷头布局提升47.2%,其收敛精度也高于GA算法。经对ESGA算法优化后的喷头实验验证发现,ESGA优化方案较原设计方案除锈效率提高42%。改进的ESGA优化算法可行性强,能够在收敛迭代次数较少的情况下得到水动力性能更好的喷头布局方案,为旋转型喷头布局优化设计提供了理论依据和应用支持。
摘要:
摘要:本文借鉴局域共振材料的工作机制,通过在混凝土基体中嵌入滤波单元,设计出具有应力波衰减特性的滤波混凝土。通过将滤波混凝土结构简化为质量弹簧力学系统来分析滤波混凝土对应力波的衰减机制。采用数值模拟的方法,对比研究了冲击荷载作用下普通混凝土模型和滤波混凝土模型中应力波的传播特性与层裂破坏模式。通过参数分析,研究了滤波单元的材料与几何属性对其储能效果的影响。研究结果表明:滤波单元有效地降低了混凝土基体中应力波的传播速度与应力峰值。滤波单元的储能机制有效降低了混凝土基体中的能量。金属球的质量越大,滤波单元的储能效果越好,但弹性层的弹性模量和厚度需要通过适当分析进行设计以实现滤波单元的储能最大化。滤波混凝土基体的局部损伤耗散了荷载中的大量能量,有效降低了结构自由面附近的破坏程度。
摘要:
为研究攻角对不同厚度芳纶层合板抗平头弹侵彻性能的影响,构建了三维有限元计算模型,首先通过对比实验结果验证了其可靠性,然后基于该数值模型,进一步计算了0° ~ 30°攻角范围内,4 mm、8 mm和16 mm靶板的弹道响应,从子弹剩余速度、靶板能量吸收率、极限弹道速度与穿孔能量阈值四个方面,综合评估了芳纶层合板的抗侵彻性能。结果表明:攻角的影响与靶板厚度及子弹入射速度有关,随着攻角的增加,靶板的极限速度和穿孔能量阈值均有所降低,降低的程度随厚度的增加而减小;入射速度接近芳纶层合板弹道极限速度时,子弹剩余速度随着攻角增大而增大,但速度远高于弹道极限速度时,子弹剩余速度随着攻角增大而减小;攻角对芳纶层合板弹道性能的影响机理随靶板的破坏模式不同而改变。
摘要:
为改善杀伤战斗部破片轴向飞散一致性,提高战斗部轴向杀伤威力,提出使用波形控制器控制破片飞散方向。基于爆轰波在波形控制器界面发生反射的规律以及Shapiro公式设计了波形控制器形状,使用LS-DYNA有限元软件和ALE算法对破片的飞散过程进行数值计算,结合战斗部原理样机静爆试验,验证了使用波形控制器改善破片飞散特性方法的合理性。对比了有无波形控制器时破片飞散过程的差异,对无波形控制器以及波形控制器材料分别为尼龙、聚氨酯和PTFE时杀伤战斗部的破片飞散速度和破片飞散角规律进行了分析总结。结果表明:波形控制器可以减小战斗部中心和两端位置的破片飞散速度大小差异,使中心到两端位置的破片飞散方向角变化均匀,破片在轴向分布更加均匀;不同材料的波形控制器对破片飞散特性影响不同,波形控制器的使用减小了破片飞散角,增大了破片分布密度,改善了破片飞散一致性。破片飞散角数值计算值与试验计算值误差在6.53%之内,与无波形控制器的杀伤战斗部原理样机相比,含波形控制器且材料为尼龙、聚氨酯和PTFE的战斗部原理样机破片飞散角分别减小40.00%、 44.00%和46.67%。
摘要:
在炸药爆轰驱动含间隙双层钢飞片情况下,两层钢飞片间的间隙会影响外层飞片的首次、二次入射波波形及强度,进而影响外层飞片自由面速度等。为了更好地认识爆轰加载条件下金属飞片的运动特征,需要深入研究间隙对该动力学过程影响的规律性。首先,开展了爆轰驱动含初始间隙双层钢飞片的简化建模及数值模拟,通过模拟与实验结果的对比,验证了简化建模的合理性。之后,对该模型的加载动力学过程进行了深入分析,给出了首次、二次加载的来源。最后,开展了不同间隙厚度对该动力学过程影响的模拟分析研究。自由面速度结果表明,随着间隙厚度由0.1 mm增加至1 mm以上,外层飞片自由面的首次起跳速度峰值先逐渐降低后基本保持恒定、二次起跳速度峰值由逐渐增加至基本不变。动力学分析结果表明,可将不同间隙大小影响分为两个阶段,其分界判据是在爆轰加载后内层金属飞片是否能够在间隙部位发展为脱体层裂片:在间隙较小的情况下内层飞片在间隙一侧无法发展为层裂片,在此阶段内随着间隙厚度增加外层飞片的首次加载峰值压力降低、二次加载峰值压力增加;在间隙较大情况下内层飞片在间隙一侧可以形成厚度不变、速度稳定的层裂片,在此阶段内随着间隙厚度增加外层飞片的首次加载与二次加载的峰值压力均基本不变,但首次-二次加载时间间隔降低。本文认识对爆轰驱动含间隙飞片的自由面速度曲线解读具有指导意义,从而能够更好地认识工程实验中由间隙造成的一些非预期物理现象。
摘要:
为研究瓦斯煤尘复合爆炸影响因素的耦合规律,对煤粉质量浓度、甲烷体积分数、煤粉粒径、煤粉种类四种影响因素进行了多因素与单因素实验分析。通过对影响因素开展正交实验,将各因素对爆炸影响程度进行了定量分析,结果表明四个因素对Pmax的影响程度依次为:甲烷体积分数>煤粉质量浓度>煤粉种类>煤粉粒径;对(dp/dt)max的影响程度依次为:甲烷体积分数>煤粉质量浓度>煤粉粒径>煤粉种类。甲烷体积分数对Pmax和(dp/dt)max有高度显著的影响,煤粉质量浓度对(dp/dt)max有显著影响。对于9%、11%浓度的甲烷,复合体系的Pmax随煤粉的质量增加而减小,甲烷浓度接近当量比时复合体系的爆炸强度更高。当煤粉质量浓度增加到100g/m3、200g/m3时,在与6%体积分数的甲烷耦合作用下,会产生更强的“激励”作用,且煤粉浓度较大时,挥发分低的煤种会降低最佳瓦斯浓度。甲烷浓度存在某临界值会改变挥发分因素的影响方式,低于此值,高挥发分煤尘体系的(dp/dt)max更高,(dp/dt)max来临时间更短,而高于此值时低挥发分体系具有更高的爆炸强度。粒径牵制了挥发分的影响,粒子直径越大,挥发分因素产生的差异越明显。在11%甲烷浓度下,挥发分高的煤尘更容易受粒径大小的影响,直径小的煤尘体系Kst值更小;在甲烷浓度接近当量时,低挥发分煤粉受粒径因素影响更明显。
摘要:
船体水下近距非接触爆炸产生的破口计算过程复杂,涉及到船体板架、武器装药、爆距方位等诸多因素,工程实践中通常应用经验公式求解。基于舰船遭受“定向型”战斗部攻击、毁伤面近似垂直于毁伤轴、爆炸过程瞬时发生满足近似“能量守恒”基本条件,根据爆炸冲击波初始动能与爆炸作用区域结构塑性变形能等量传递的假设,给出了计算方法。考虑了附着加强筋的船体壳板等效厚度对抵御冲击波毁伤的影响,运用爆炸冲击波作用下船体壳板产生的极限应变超过板材动态极限应变导致壳板开裂这一基本原理,设计了“两步迭代法”计算流程,给出了一种简捷易用的迭代计算表格。针对4种典型装药当量冲
摘要:
为了控制并预防原油的储存及输运过程中挥发气体造成的安全风险,在20L球形爆炸容器内开展了由原油中挥发轻烃CH4、C3H8、C2H4构成的三元可燃混合气体的爆炸极限实验,提出并验证了基于Le Chatelier定律及Chemkin中一维层流预混火焰模型预测三元可燃混合气体爆炸极限的方法。结果表明,三元可燃混合气体爆炸极限始终位于三种纯组分的爆炸极限内,随着某一纯组分增加呈现出接近其爆炸极限的趋势。三种纯组分对爆炸上限(UEL)的影响要明显于爆炸下限(LEL),其中C2H4对爆炸上限影响尤为明显。两种预测方法均与实验规律性一致。Le Chatelier定律预测混合气体爆炸下限较准确,但爆炸上限随着C2H4的增加预测偏差增大,修正后偏差明显减小;Chemkin预测爆炸下限虽存在一定偏差,但在实验偏差的允许范围内,故可作为一种预测三元可燃混合气体爆炸下限的新方法。
摘要:
为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性,通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体,建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型;分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律,基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数;通过将模型和试验数据进行对比,并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析,验证了模型的适用性和准确性。结果表明,损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响,而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著,本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征,且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应;不同负温和主动围压条件下,模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。
摘要:
为探索低强度冲击波的柔性测量技术,对PVDF压力传感器开展冲击波加载和灵敏度标定实验,评估其测量可靠性。然后基于微结构设计改进薄膜传感器,获得适用于低强度冲击波压力测量的高灵敏柔性传感器,结果表明:单一压电工作模式的薄膜传感器测量低强度冲击波时有效输出电荷量和信噪比较低,测量结果容易受压电膜力电响应非线性、结构表面变形振动以及封装因素的影响,灵敏度系数不稳定、个体差异性大。采用周向固支的微结构设计能够将作用于薄膜传感器表面幅值较低的冲击波转换为较高幅值的面内拉应力,产生的复合压电效应可大幅提高传感器名义灵敏度系数、降低个体差异性。研制的柔性传感器在0.2-0.7MPa压力范围内名义灵敏度约900-1350 pC/N,相对测量误差不大于±13%。提供的低强度冲击波柔性测量方法可为适用于人员装备表面冲击波监测提供有效技术思路。
空孔对直眼掏槽参数及爆破效果的影响
张召冉
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摘要:
摘要:
柔性导爆索(mild detonating fuse, MDF)爆炸分离装置加工相对容易、装置结构简单、成本低、可靠性高,是目前中国广泛应用的一种火工分离装置。为深入研究柔性导爆索在爆炸分离装置中的作用过程和机理,本文提出一种改进的光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics, SPH)与有限单元法( finite element method, FEM)耦合算法,新方法中不仅包含导爆索模拟的SPH方法与分离装置模拟的FEM方法之间的接触算法,同时将完全损伤失效后的单元采用转化算法动态转化成SPH粒子继续参与计算,转化后的粒子与未转化的有限单元之间采用接触算法计算。采用该方法对环形和平板形两种爆炸分离结构的分离过程进行了数值模拟,验证了新方法的准确性与问题适用性;分析了分离板的变形断裂及损伤碎片的飞溅过程,得到了分离装置表面不同时刻的应力分布、损伤因子的变化趋势、von Mises应力的变化趋势;探讨了炸药不同比内能情况下单元的屈服损伤速度、碎片的飞溅位移速度。结果表明:分离装置表面削弱槽处应力最大,最先达到屈服;von Mises应力随时间呈震荡上升趋势;随着初始比内能的增加,单元的屈服损伤速度、碎片的飞溅位移速度明显增大。
摘要:
台阶爆破技术广泛应用于矿山、交通、建筑开挖等各个领域,数值模拟在台阶爆破技术中参数的选择及优化方面扮演着越来越重要的角色。考虑到在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,本文提出了一种一维轴对称爆源模型。该模型利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点振动速度峰值 (Peak particle vibration velocity, PPV)衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态;数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了本文所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。
水中金属丝电爆炸动力学过程的零维模型
薛创
当前状态:
PDF(53)
摘要:
金属丝电爆炸包含丰富的物理内容,近年来国内的实验和理论研究取得了重要进展,理解该过程有助于完善Z箍缩及磁加载等离子体动力学过程的物理建模,校验物性参数。在自相似运动假设条件下,发展了冷启动计算的水中电爆炸丝零维动力学模型。从一维磁流体模型出发,推导了描述丝等离子体膨胀的零维动能方程和内能方程,采用实际气体状态方程和修正的李-莫尔电导率参数作为封闭条件,根据质量守恒及水中激波雨贡纽关系式获得了丝等离子体的边界条件。应用于水中铜丝电爆炸动力学过程和能量转化分析,结果表明:该零维模型的物理假设合理,在一定范围内改变丝直径等参数可产生不同的放电模式,与一维模型及实验结果符合较好,能够为同类实验的优化设计和数据分析提供参考。
摘要:
为研究低熔点金属锡遇水爆炸机理及能量转化过程,搭建了一套由高频熔融炉、高速摄像机、信号采集仪等组成的可视化实验平台,监测锡与水的质量比为 5、10、15、20 时熔融锡液与水接触反应过程,并选取中高熔点金属铝进行同工况下的对比实验。同时,结合能量守恒定律、爆炸冲击理论建立数学计算模型,用于定量分析爆炸冲击波能量。研究结果表明:质量比为 5 时熔融锡液与水反应触发两次蒸汽爆炸;对比同工况下的熔融铝液遇水爆炸实验得到,爆炸时反应剧烈程度和持续时间分别与金属碎化程度、金属热扩散率有关。此外,高温熔融锡液遇水爆炸过程中约有 0.45%~10.91%的热能转化为冲击波能量。随着质量比的增加,冲击波能量转化率呈现先增后减的变化趋势;当质量比为 10 时,冲击波能量转化率最大。基于锡、铝遇水爆炸实验所得冲击波压力曲线得到,当质量比小于 12.69时,锡液遇水爆炸实验所得冲击波能量转化率高于铝液遇水爆炸实验所得冲击波能量转化率。
摘要:
高聚物材料具有成型快和膨胀性能好的特点,其与碎石、钢筋的复合结构应用于地基处理和城市道路脱空除险加固中具有明显优势。本文设计并制作了高聚物碎石板和钢筋高聚物板,开展了接触爆炸冲击下的试验研究,通过毁伤尺寸和所测冲击波数据研究两种板的毁伤特性。基于ANSYS/AUTODYN非线性显式有限元程序,建立了试验中毁伤更为严重的钢筋高聚物板的接触爆炸全耦合模型,并通过与试验结果的对比,验证了所建耦合模型的准确性和适用性。参数化分析了钢筋高聚物板对炸药量和板厚的敏感性,并利用多参数非线性回归分析方法,提出钢筋高聚物板迎爆面和背爆面破坏直径的预测公式。结果表明:接触爆炸作用下,高聚物碎石板的毁伤模式以接触部位的局部震塌冲切破坏为主,除此之还有一些毁伤裂纹;钢筋高聚物板的破坏模式主要是迎爆面爆坑毁伤、背爆面剥落损伤和中心冲切贯穿破坏;高聚物碎石板和钢筋高聚物板对爆炸冲击波都具有良好的衰减作用,表明其具有应用到抗爆炸冲击防护领域的潜能。
摘要:
为研究药型罩对聚能射孔弹侵彻页岩储层的射孔和损伤致裂效果的影响机理,建立了“射孔弹-空气-页岩”三维模型,设置药型罩的锥角分别为50°、60°、70°、80°,壁厚分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm,材料分别为铜、钢、钛、钨。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算,分别从射流速度与形态、页岩射孔效果及页岩孔裂隙形成规律特征等进行系统性分析。研究结果表明:在射孔弹结构中随着药型罩锥角的减小,射流速度增大、杵体速度减小、侵彻深度增大同时开孔孔径减小。在一定范围内适当减小药型罩的壁厚,可以增大射流速度、减小杵体质量、增加侵彻深度和开孔倾斜度。药型罩材料对射流速度、杵体结构和页岩射孔效果均有显著影响,其中钨药型罩射孔弹的侵彻深度最大但开孔孔径最小、钛药型罩射孔弹的侵彻深度最小但开孔倾斜度最大、铜比钢药型罩射孔弹的侵彻深度略大但开孔孔径略小。通过研究不同对照组的页岩孔裂隙形成规律特征发现,页岩孔裂隙发育主要发生在杵体对页岩的再扩孔阶段,减小射流初始扩孔孔径、提高杵体直径、提高杵体速度可以促进页岩孔裂隙发育程度。
摘要:
采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究,分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗冲击性能,结合相应的三点弯曲实验,研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明:密度梯度对结构失效过程和失效模式有着明显的影响,且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用。均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形,其他梯度形式的芯层随着冲击强度的变化均会出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度较低时,梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力。随着冲击强度的提升,低强度芯层的快速压实使得均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理的设计密度梯度的逐层压缩吸能,能够有效的提升防护结构的抗冲击性能,对轻量化功能梯度结构的优化设计具有一定的参考价值。
摘要:
为研究在GPa、10μs级缓前沿斜波作用下压装PBX炸药基体中微介观热点点火行为,本文设计了一种强约束压装PBX炸药非冲击点火反应驱动的斜波加载装置,基于炸药层流燃烧的燃速模型和自编的二维轴对称有限差分程序对装置输出的压力波形特性进行了分析,讨论了燃烧过程中加载炸药破碎程度和装置结构参数(壳体和隔层厚度)对输出波形的影响。计算结果表明,加载炸药破碎形成的燃烧比表面积大小是影响非冲击点火反应压力演化的关键因素,燃烧比表面积越大,输出的斜波压力越大,峰值压力可达GPa以上,对应的压力上升前沿可从数十μs降至数μs。加载炸药外部壳体厚度即约束强度对非冲击点火反应产生的压力大小影响显著,壳体越厚输出的斜波压力越大。加载炸药与受试炸药之间的隔层厚度直接关系到输出至受试炸药处的斜波压力大小,随着隔层厚度的增大,输出的斜波压力以近似指数的关系衰减。参考计算结果完成了装置的结构设计,对受试PBX炸药进行了斜波加载实验,采用PVDF测得受试炸药入射界面处的压力为1.6GPa、前沿宽度为25μs,初步证明了采用强约束压装PBX炸药非冲击点火反应实现GPa、10μs级斜波压力输出的可行性。
摘要:
针对某光学舱所采用的泡沫铝夹层防护结构在破片冲击下的抗冲击性能问题,采用Monte Carlo方法创建了泡沫铝结构的二维细观模型,在常规态型近场动力学理论中引入了Mises屈服准则和线性各向同性强化模型,建立了近场动力学塑性本构的数值计算框架。基于近场动力学计算程序模拟了低速冲击作用下泡沫铝夹层结构的塑性变形以及有机玻璃背板的裂纹扩展形态,分析了泡沫铝芯材孔隙率对该夹层结构抗冲击性能和损伤模式的影响规律。结果表明:泡沫铝夹层结构良好的塑性变形能力是其发挥缓冲与防护作用的主要因素,并且在一定范围内,泡沫铝芯材孔隙率越高,则夹层结构具有更好的抗冲击性能;当泡沫铝孔隙率从0.4提升到0.7时,泡沫铝对冲击物的动能吸收率从90%提高到99%;仿真结果与实验结果具有较好的一致性,验证了仿真结果的准确性和分析结论的有效性。通过数值仿真预测了有机玻璃背板的裂纹扩展形态,结果表明,提高泡沫铝的孔隙率能获得更好的防护效果。
摘要:
绝热剪切是材料在高速冲击加载下一种常见的变形、破坏形式,普遍存在于高速碰撞、冲压成型、弹丸侵彻、高速切削和爆炸破碎等高速变形过程中。使用二辊轧机对TA2工业纯钛进行多道次大应变冷轧处理,制备了冷轧总变形量为70%的TA2纯钛板。通过对冷轧TA2纯钛板进行500°C加热、不同保温时间的退火处理,获得了具有不同再结晶组织的钛板。基于帽型试样和限位环变形控制技术在分离式霍普金森压杆装置上对不同再结晶组织的试样进行动态冲击“冻结”实验,结合光学显微镜和扫描电子显微镜表征试样冲击前后微观组织的变化差异,研究了再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响。结果表明,随着退火保温时间的增加,试样再结晶晶粒占比逐渐增加,晶粒分别由分散向局部聚集转变;在相同应变及应变率下,所有试样中都观察到了绝热剪切带,再结晶晶粒占比高的试样更易诱发绝热剪切带中裂纹形核扩展。对比分析变形前后试样再结晶组织和几何必需位错变化,结合剪切区整体温升分析表明,再结晶晶粒作为材料软化点能够诱发剪切带的形成,绝热温升效应主要发生在剪切带发展后期,促进剪切带内材料发生二次再结晶,提高剪切带内材料的韧性,延缓剪切裂纹的形成。
摘要:
为深入认识跌落冲击条件下构型弹体内部的载荷传递规律及结构响应特征,促进战斗部装药安定性评估和结构设计,本文结合数值仿真和应力波分析手段,研究了构型弹体在跌落过程中的冲击响应特征,主要关注内部药柱的变形和损伤特性,并讨论跌落姿态、装药构型和跌落高度等因素的影响。结果表明,在跌落冲击条件下,构型弹体装药的变形并非由药柱同壳体的直接撞击作用主控,而主要受到弹体内部应力波传播的影响。装药结构最大变形和损伤区域并不位于药柱外侧同壳体相接触的位置,而是位于内部区域。冲击应力波在壳体和药柱之间的透射特征、在壳体和装药内部的反射和叠加特性等决定了药柱的主要变形区域及其变形程度。跌落姿态对药柱的响应特征和变形形貌具有重要影响,导致装药安定性风险从大到小排序的跌落姿态依次为:尾部向下垂直跌落、水平跌落、头部向下垂直跌落、倾斜跌落。药柱构型也具有重要作用,其中药柱分段界面容易使得药柱变形程度增大,但对装药过载以及变形分布特征的影响相对较小;隔板结构则容易增大装药过载,同时导致药柱的局域变形位置和变形程度均发生改变。跌落高度对药柱变形区域分布特征的影响较小,对载荷幅值、变形程度和分布范围大小等则具有重要作用,随跌落高度增加,药柱的变形和过载逐渐增大。本文基于数值仿真结合应力波传播来阐释复杂构型弹体结构响应特征的研究手段,较好地搭建了基本理论与实际工程应用之间的分析桥梁。
摘要:
基于iSALE-2D仿真代码对依兰陨石坑的形成过程进行了研究,采用欧拉算法开展数值模拟,研究了依兰陨石坑的撞击条件,统计分析了成坑过程中熔化层的形成与分布规律,结合点源成坑相似律模型,拟合得到强度机制下的成坑半径关系式。研究结果表明一颗直径120 m、撞击速度12 km/s的花岗岩质小行星垂直撞击地表形成一个与依兰陨石坑形态相似的陨石坑。再现了成坑形成的三个阶段:接触与压缩阶段、开坑阶段、后期调整阶段。大部分熔体在坑底呈分层堆叠分布,少量熔体随抛射物沉积在靶体表面,呈离散状分布,完全熔化材料质量约为撞击体质量的24倍。直径120m、撞击速度12km/s工况模拟结果与拟合的成坑半径关系式结果相对误差10.3%。
摘要:
为了考察受超高车辆撞击装配式钢筋混凝土箱梁跨线桥的冲击动力和破坏行为,本文以一起近来发生的实际工程事故为案例进行精化有限元数值分析,并提出了双质量-并联弹簧(double mass-parallel spring, DM-PS)简化车辆模型,以有效地模拟超高车辆与桥梁的非对心碰撞行为。所建议DM-PS简化模型的有效性通过与两种广泛使用的车辆模型包括全尺(full scale, FS)模型和简单刚体(simple rigid, SR)模型的比较而得到充分地评估。计算结果表明:采用F-S模型可得到与事故现场照片基本一致的跨线桥撞击区域破坏特征;SR模型高估结构的局部破坏,弱化结构的整体变形;DM-PS模型对于预测结构破坏具有较高的准确性。因此,所提出的DM-PS模型为超高车辆撞击桥梁结构防护设计提供了一个简单有效的分析手段。在此基础上,利用DM-PS模型进行了详细的结构行为参数分析,深入考察了车辆撞击速度、质量、位置以及结构形式等效应。所得到的结论为:相比撞击质量,结构的冲击动力行为对于撞击速度有更高的敏感性;跨中受撞和边跨受撞的变形和破坏模式有较大差异,边跨受撞对于单侧支座损伤更为严重;箱梁内的箱板以及底板可以有效提高结构的抗冲击性能。
摘要:
为探究聚能张开角对双线型聚能药包结构炸药有效利用率和聚能效应的影响,通过瞬时爆轰假说理论对有效聚能炸药边界方程进行推导,分析不同聚能张开角聚能装药结构炸药的有效利用率。通过水泥砂浆物理模型试验,研究不同聚能张开角预裂孔成缝规律。采用LS-DYNA数值模拟软件,建立不同聚能张开角数值模型,揭示不同聚能张开角的双线型聚能结构药包射流的侵彻过程。研究结果表明聚能张开角为75°时,炸药产生聚能效应的有效利用率最大。聚能结构药包聚能槽张开角为75°时,预裂孔成缝效果明显优于聚能槽张开角为60°的聚能结构药包,沿聚能槽方向应力集中效应和侵彻深度最佳,炮孔壁上岩石单元最先达到应力峰值。针对聚能张开角为75°的双线型聚能结构药包开展了不同岩性预裂爆破现场试验,板岩和白云岩两种不同岩性在孔距增大20%的条件下,双线型聚能预裂爆破效果优于常规预裂爆破。
摘要:
为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应,并探讨是否存在“最优爆距”,基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600mm,炸药量为2.2g,重力坝模型几何比尺为1/80,包含5组爆深(50~250mm),每组爆深对应12组爆距,爆距范围为10到200mm,相应比例爆距范围为0.077到1.54 m/kg1/3。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明,对于重力坝整体结构破坏,如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏,水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低。定量结果同样表明,随着爆距增加,重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同,5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40mm附近,表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。
摘要:
为研究蜂窝钢管混凝土的抗侵彻性能,采用125mm口径滑膛炮开展了6发蜂窝钢管混凝土靶侵彻试验,获得不同工况下靶板破坏形态及侵深数据,分析了蜂窝钢管混凝土的典型破坏形式,对比了不同弹靶尺寸比值系数下靶板破坏形式的区别以及着靶点和钢管壁厚对蜂窝钢管混凝土抗侵彻能力的影响;同时,对7组不同壁厚的六边形钢管混凝土与3组六边形无钢管混凝土柱进行了单轴压缩试验,研究了不同壁厚下,六边形钢管对核心混凝土强度及延性的增强效应,拟合了核心混凝土强度增强系数同围箍系数的关系,并改进普通混凝土侵深计算经验公式,得到了适用于蜂窝钢管混凝土的最大侵深计算公式。结果表明:钢管壁厚是影响侵深的重要因素,壁厚越大,侵深越小;着靶点位置对侵深的影响较为复杂,具有离散性;着靶点位置对靶体表面破坏形式影响较大;钢管的存在可以有效增加核心混凝土的强度和延性;改进后的侵深计算公式可以预测弹体对蜂窝钢管混凝土靶的最大侵深。
摘要:
建筑结构上爆炸荷载的确定是进行结构动态响应和损伤破坏分析,以及结构抗爆设计和加固的前提。考虑到空气爆炸冲击波远距离传播数值模拟计算效率和精度,以及软硬件能力的平衡问题,通过确定和优化网格尺寸,从而为大型复杂街区爆炸冲击波荷载的数值模拟网格尺寸选取提供合理建议。针对汽车炸弹和弹药库等典型近地面爆炸场景,首先,使用AUTODYN软件分别开展了比例距离为0.2~5 m/kg1/3和0.2~39 m/kg1/3的空中爆炸自由场和地面爆炸入射场超压和冲量的单一尺寸网格敏感性分析,并考虑软硬件对单元网格数量的限制,给出了一组依赖比例距离的渐变网格尺寸建议。其次,基于映射算法和建议的渐变尺寸网格对地面爆炸入射场超压和冲量进行数值模拟,提出了比例距离大于10 m/kg1/3的峰值超压误差修正方法,并得到了UFC 3-340-02规范的验证。最后,基于足尺房屋爆炸荷载分布试验共71个测点的超压和冲量时程数据,对提出的优化网格尺寸的计算精度和效率进行了验证。
摘要:
为了探究空孔间距对巷道掘进掏槽爆破效果的影响,基于大红山铜矿某巷道建立有限元数值模型,计算双大直径空孔不同布孔间距条件下的掏槽爆破成腔断面积,并对最优方案开展现场验证。研究结果表明:空孔间距dv=25cm时,槽腔断面积为0.2116m2,当dv增加到35cm时,断面积增大15.1%,但当dv增大到45cm时,断面积减小17.8%。对成腔断面积最大的空孔间距dv=35cm的布孔方案进行现场试验,测得槽腔断面积比模拟结果小4.98%,槽腔断面宽度比模拟结果小4.0%,槽腔断面高度比模拟结果小3.4%,本次二维数值模拟的爆破成腔断面积大小与现场试验误差在5%以内,为地下巷道掏槽爆破成腔体积预测的数值方法构建奠定了基础。
摘要:
在良好破碎效果的前提下,通过降低孔底冲击波峰值压力来减小上向扇形深孔孔底以上岩体振动,是降低振动保护上部建筑的有效措施。为确定合理的孔底空气柱长度,采用理论研究与现场模型爆破动态测试试验相结合的方法,研究了孔底空气不耦合装药时,空气柱长度对孔壁冲击压力的变化规律,得到了炮孔底部空气间隔不耦合装药条件下轴向不耦合系数与孔壁冲击压力随时间的变化曲线;基于岩石动态抗压强度,确定了适用于软、中、硬岩石的合理底部轴向空气间隔长度范围,研究结果表明:空气间隔层的存在,使得冲击压力作用时间显著增加,而冲击压力峰值有明显减小;当K=1.5,空气柱长度200mm时,孔底峰值压力衰减比例为73.4%,当K=4,空气柱长度1.2m时,孔底峰值压力衰减比例达到96.7%。当空气间隔层大于60cm时,炮孔底部出现压力值较低的区域。现场工业试验验并对爆破后采场顶板成型和爆堆块度的观察和拍照表明:合理的底部空气间隔长度,不仅能保证良好的爆破块度,同时也能通过减小孔底峰值压力降低爆破振动以达到保护采场顶板及其它保护对象的目的。
摘要:
摘要:
阻火器是一种广泛应用的爆炸阻隔装置。为了深入理解影响阻火器性能的因素,本文通过实验方法探究了不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性。结果表明,可燃气活性、体积分数和初始压力均会影响火焰速度稳定性、传播模式以及淬熄难度。实验发现火焰传播具有三种模式:直接淬熄、穿过阻火单元后逐渐淬熄、淬熄失败。其次,可淬熄的最大初始压力Plim用以表征火焰淬熄难度,虽然其最小值位于化学计量比,但仍在一定体积分数范围内保持恒定。此外,基于传热作用得到了密闭管道中丙烷-空气预混气爆燃阻火速度公式,并通过实验验证。
摘要:
爆炸荷载下钢框架结构原尺模型的实验难度较大,通常利用缩比模型预测其动态响应和破坏过程,然远距离爆炸荷载作用下钢框架结构的相似律研究仍十分匮乏。为此,本文开展了远距离爆炸荷载作用下钢框架结构的相似律研究。根据Π定律推导了远距离爆炸荷载作用下钢框架原型结构与缩比模型的几何相似律表达式。基于已有的钢框架子结构爆炸实验,采用AUTODYN建立钢框架子结构数值模型,验证了流固耦合方法在结构爆炸响应分析中的可靠性。在此基础上,对比流固耦合方法和解析爆炸边界方法在钢框架远距离爆炸数值模拟中的准确性和计算效率,结果表明解析爆炸边界方法可合理地模拟远距离爆炸荷载作用下钢框架的动态响应,且计算效率较高。最后,采用该方法分析了具有不同相似比的两层三跨钢框架结构在远距离爆炸荷载作用下的动态响应及毁伤效应,结果表明:该结构的动态响应和毁伤效应符合几何相似规律。该研究可为远距离爆炸荷载作用下钢框架结构的缩比实验提供参考。
摘要:
基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先基于已有实验数据对材料模型参数及数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上对球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律进行分析,借助量纲分析手段并利用数值模拟数据拟合出球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式;进一步分析装药埋深对混凝土中装药正下方爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深之间的定量关系。结果表明:Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;通过定义混凝土中装药质量系数和耦合常数可定量描述装药埋深及测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可实现对不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度下爆炸波峰值应力较为准确的快速预测。上述研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供依据。
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摘要:
成层式防护结构通常由伪装层、遮弹层、分散层和主体结构四部分组成,现已被广泛应用于地面、浅埋以及坑道口部的防御工事中。其中分散层作为降低侵彻后爆炸毁伤效应的功能单元,作用机理主要包括:藉助波阻抗失配效应以降低向下部结构传播的能量占比、延长应力波传播路径;利用分层界面产生面波以改善荷载集中状态;通过基体材料不可逆塑性破坏以吸收耗散冲击波能量;增大结构阻尼以减轻主体结构震动效应。开展分散层的相关研究,对提高工程整体防护水平具有重要的现实意义。基于此,从分散层材料与结构型式两个方面较为系统地介绍了国内外成层式防护结构中分散层的研究现状,分析了分散层的结构及物性参数对其防护效能的影响,提出分散层选型及设计需关切的几点问题,并对目前分散层研究存在的问题进行了探讨与展望,以期为今后分散层的研究发展提供参考。
摘要:
本次实验选取了一个300 mm×300 mm×1000 mm、顶部设有250 mm × 250 mm泄爆口的管道,用不同厚度的铝箔密封泄爆口,注入氢气-甲烷-空气混合气体,进行泄爆实验,研究了在0~44 kPa的爆破压力(\begin{document}$ {p}_{\mathrm{v}} $\end{document})对火焰演化和管道内外压力变化的影响。研究发现,\begin{document}$ {p}_{\mathrm{v}} $\end{document}会显著影响管道中火传焰播过程以及压力-时间变化曲线;所有实验中均观察到了内部压力的亥姆霍兹振荡,振荡频率随着\begin{document}$ {P}_{{\rm{v}}} $\end{document}的增加而增大;当\begin{document}$ {p}_{\mathrm{v}} $\end{document}≥12 kPa时会出现频率约为1200 Hz的声学振荡。对于某一确定的\begin{document}$ {p}_{\mathrm{v}} $\end{document},管道内最大内部超压随至泄爆口距离增加而增大;研究结果表明靠近泄爆口处和管道中心的最大内部超压几乎随着\begin{document}$ {p}_{\mathrm{v}} $\end{document}呈线性增加;但是靠近底部处的最大压力与\begin{document}$ {p}_{\mathrm{v}} $\end{document}呈非线性递增关系;外部爆炸所产生的压力峰值随\begin{document}$ {p}_{\mathrm{v}} $\end{document}的增加而增大。
摘要:
考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸(接触爆炸、封闭爆炸)载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构(包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等)以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。
摘要:
为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的增大而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO2。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好的解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。
摘要:
研究典型战斗头盔对爆炸冲击波致颅脑冲击伤的防护效能。首先开展了50 g TNT距有无头盔防护下头部模型1 m处爆炸的抗爆试验,采集了有无防护下头部前额、颅顶、颅后冲击波超压并进行了对比分析;建立了具有典型颅脑结构的头部有限元模型并进行爆炸冲击波加载,对试验工况进行了仿真再现,通过试验结果验证了仿真模型有效性;同时利用数值仿真对不同工况下冲击波流场压力变化规律进行分析;进一步利用数值仿真研究了泡沫衬垫对头盔防护能力的影响。研究结果表明,典型战斗头盔可使前额空气超压衰减为无防护时的54.5%,但是会使颅后空气超压增强为无防护时的2.19倍,对颅后冲击波防护产生负面效果;头盔悬挂中泡沫衬垫能消弱头盔对颅后防护的负面效果,提高头盔对冲击波的防护能力。
摘要:
为探究立式拱顶油罐内油气体积分数、点火位置和液位对爆炸超压特性参数与火焰发展的影响规律,开展了一系列的实验研究,结果表明:(1)1.7%是任一工况下的最危险油气体积分数,内场超压发展都可以分为超压上升、超压泄放和振荡衰减3个阶段。爆炸过程中CH、C2、OH等自由基的生成和空间分布,使得不同初始油气体积分数下或不同爆炸阶段的火焰呈现不同的颜色变化。(2)点火位置对油气爆炸超压特性参数的影响较大,位置越靠下,爆炸威力越大。罐底中心点火时,内外场平均升压速率取得最大值,分别为0.46 MPa/s和0.05 MPa/s。(3)液位变化对油气爆炸内外场超压的影响较大,油罐侧壁上部位置点火时,50%液位是最危险的液位。任意液位下外场超压随比例距离的增大都呈现幂指数衰减规律,不同液位下油气爆炸外场冲击波超压峰值与距离和油气混合物体积的关系可以用一个公式统一表示。相比于气相空间,液相空间的超压变化具有延后性、负压增强和振荡衰减更快的特点。
摘要:
基于30 mm口径弹道炮平台,开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验,获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上,建立了相应的数值模型,结合实验结果验证了所建模型的有效性,并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明:弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素,而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱;在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致,空间分布均匀,而在椭圆横截面弹体侵彻下,随着弹体横截面长短轴长度比的增大,靶体背部形成的花瓣数量增加、尺寸变小,且在短轴方向的花瓣数量和靶体表面隆起高度均大于长轴方向的;靶体在圆形横截面弹体侵彻下的径向位移、径向应力和切向应力与其在椭圆横截面弹体侵彻下的显著不同,前者沿周向方向各点的变化规律基本一致,靶体处于简单的压缩状态,切向应力为零,而后者各点的应力状态与弹体横截面长短轴长度比和周向角密切相关,靶体受到压缩和剪切应力的耦合作用。
摘要:
研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对三个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。
摘要:
为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立了爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行了分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行了进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。
摘要:
采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径(50、75和100 mm)和5种长径比(0.4、0.5、0.6、0.8和1.0)的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。
摘要:
中空夹层钢管混凝土(concrete-filled double-skin steel tubular,CFDST)构件作为超高输电塔、海上平台等重要结构的承重构件,其抗撞性能是设计阶段需考虑的关键问题。因此,在前期试验研究的基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了200个圆CFDST柱力学模型,并进行了轴力与撞击耦合作用下的抗撞机理分析,研究了在0~0.7轴压比下不同名义含钢率、空心率、截面直径、材料强度对构件抗撞性能的影响规律;基于动力放大系数和等效单自由度方法提出了构件抗撞承载力计算公式,并预测了撞击作用下构件的跨中动力响应。结果表明:在0~0.7轴压比下,名义含钢率、外径、外钢管强度、撞击速度与撞击质量对构件跨中挠度峰值和撞击力平台值影响显著,空心率与混凝土强度影响较小;提出的简化计算方法能较好地预测圆CFDST构件的抗撞承载力和跨中位移响应。
摘要:
通过主动控制进行提前点火是发动机慢速烤燃中有效的降低反应剧烈程度的途径。为研究主控点火对复合推进剂慢速烤燃响应特性的影响,设计并开展了典型复合推进剂装药慢速烤燃实验,结合数值计算和推进剂热分解失重及形貌演化过程,探讨点火前推进剂内的温度分布情况及推进剂细观结构热损伤规律。研究发现:针对复合推进剂装药的慢速烤燃中,在推进剂发生自热点火前温度较低时进行主控点火可以有效降低反应剧烈程度;随着加热温度的升高,推进剂中部分组分发生分解,导致推进剂内部温度高于壳体温度,同时推进剂中粘结剂及AP的分解会导致推进剂装药形成多孔状的结构,在点火后更易导致对流燃烧,加剧反应烈度;当壳体温度仅138 ℃时,推进剂温度最高点达到150 ℃,最高点首先出现在靠近喷管的尾部,考虑到粘结剂及AP部分分解导致的孔隙结构会加剧反应的响应烈度,主控点火温度应设定在138 ℃之下。
摘要:
ABAQUS中最常用的混凝土损伤塑性(concrete damage plasticity, CDP)模型无法实现损伤因子与应变率相关。为了准确描述混凝土材料在高应变率下的损伤特性,基于CDP模型定义了新的应变率场变量,编制了VUSDFLD用户子程序,开发了能够考虑损伤因子率相关性的改进的CDP模型(modified CDP model,MCDP)。MCDP模型采用能量法求解混凝土拉压损伤因子,主求解程序能够随着应变率场变量的变化而自动更新不同应变率对应的损伤参数,计算得到的混凝土单轴静态加载结果与CDP模型吻合较好。MCDP模型对高应变率下动态压缩性能的模拟结果表明:混凝土材料在不同应变率下的拉压损伤对其动态力学性能有显著影响,编制的VUSDFLD子程序和MCDP模型能够有效地解决损伤应变率相关的模拟难题,可以准确地模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁的动态响应,为预测爆炸冲击等强动载作用下混凝土结构的响应和破坏提供了更可靠的技术途径。
摘要:
为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,本文提出了一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,并建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)对其进行了多目标优化设计。结果表明:NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47 %,有效压溃长度降低了12.4 %,质量减少了20.18 %。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管耐撞性和轴向抗变形能力,本研究为薄壁吸能结构的设计提供了新思路。
摘要:
针对爆炸冲击波与建筑物结构相互作用过程,分析了冲击波与结构碎块作用机理,发展了一种能够模拟建筑物结构破坏及冲击波传播过程的计算模型和方法。采用建筑物结构工程毁伤载荷作为判据,处理结构在冲击波作用下的破坏问题;利用流固耦合界面算法处理结构运动引起的泄压效应,利用“虚拟网格通气技术”处理结构碎块对冲击波的阻碍作用,模拟了冲击波作用下典型建筑物的毁伤过程及冲击波传播过程。结果表明,该模型在模拟冲击波与结构的作用过程中,压力计算结果与非结构动网格模拟结果符合较好;在典型建筑物毁伤过程的数值模拟中,计算得到的建筑物毁伤效果和冲击波超压分布与建筑物物理毁伤特点符合。
摘要:
空间碎片超高速撞击是典型的高温、高压、高应变率的极限力学问题,涉及材料复杂的动态响应,对传统的数值方法提出了巨大挑战。最优运输无网格(OTM)方法通过有机结合最优运输时间积分理论、局部最大熵无网格近似、物质点抽样、基于物理的裂纹扩展算法以及大规模并行计算策略,克服了传统数值方法瓶颈,在理论上保证了不同形式能量耗散的自主耦合分配,为超高速撞击仿真预测提供了高效的解决方案。采用基于OTM方法自主研发的极限力学仿真软件ESCAAS,对不同质量(3 g, 10 g)的铜飞片以不同撞击角度(5.4°, 11.7°)和不同撞击速度(5.55 km/s, 5.12 km/s)撞击铝合金靶板的过程进行仿真,获得碎片云形貌、靶板穿孔孔径等结果数据,与实验测量数据吻合良好,显示出OTM方法及ESCAAS软件可以作为超高速撞击的有力数值分析手段。
摘要:
对激光冲击强化(laser shock peening, LSP)后的压力容器材料Q345R钢的耐腐蚀性能和抗疲劳性能进行研究。通过电化学实验,并结合扫描电子显微镜分析其耐腐蚀性。结果显示,有吸收层保护和无吸收层保护激光冲击后,相较于原试样,耐腐蚀性分别提升5.8倍和2.6倍;微观实验结果表明经过激光冲击后腐蚀试样表面裂纹明显少于未处理试样。但随着冲击次数增加,耐腐蚀性有所下降。疲劳试验结果显示,相同应力条件下,腐蚀1 h和2 h的疲劳寿命相较于原试样降低36.8%和56.4%,经过一次或三次激光冲击后试件的疲劳寿命分别提升43.8%和198.2%,经XRD检测,激光冲击能在表面形成一定深度的残余压应力层并抑制裂纹扩展。
摘要:
采用氯仿粘结聚碳酸酯(polycarbonate, PC)板和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)板模拟含异质界面模型;在PC介质中布置柱状炮孔并与界面呈一定角度,根据炮孔端部与界面相对位置,分别于柱状炮孔两个端部设置起爆点,起爆点远离界面端部时定义为孔口起爆,靠近界面端部时定义为孔底起爆;借助数字图像相关实验系统,研究爆炸应力波通过异质界面后PMMA介质应变场演化过程及炮孔底部区域拉、压应变变化规律。实验结果表明:异质界面改变了爆炸应力波过界面后的传播形态。孔口起爆时,异质界面受爆破荷载作用后易形成应力集中区,界面处产生开裂,横向拉伸波作用是造成异质界面开裂的主要原因。起爆方式对过界面后介质PMMA的横/纵向拉、压应变场作用贡献不同,主要体现在应变场强度、拉/压应变场位置分布2个方面。在炮孔底部区域,起爆方式对应变场时程特性的影响主要体现在作用时效长短和应变强度2个方面。孔口起爆时,横/纵向应变体现出短时效、高强度的变化特征。就应变强度而言,起爆方式对横向压应变的影响显著强于其对纵向拉应变的影响。对空间分布特性影响主要体现在衰减程度,起爆方式对纵向应变衰减程度影响较大。无论采用何种起爆方式,爆炸应变场在PC介质中衰减速度较快,进入PMMA介质后衰减速度显著降低。
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数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术作为一种非接触、非干涉的全场无损光学量测技术,可获取材料表面的动态变形信息和破坏过程。为了评估装甲钢的抗弹性能并探索高速三维数字图像相关(3D-DIC)技术在钢板贯穿试验测试中的应用,基于氢氧爆轰驱动弹道枪开展了7发15 mm口径可变形弹体以不同速度(255~568 m/s)冲击不同厚度(5、8和10 mm)高强高硬装甲钢板的试验,并结合帧率为144 000 s-1的高速3D-DIC测试技术获取了靶板的离面位移和应变时程。随后,基于前期标定并验证的装甲钢本构模型参数,对上述试验进行了数值模拟。通过对比弹体残余速度和长度验证了有限元分析方法的可靠性。进一步通过对比试验与数值模拟得到的靶背离面位移时程曲线和不同时刻靶背的应变云图,验证了高速3D-DIC测试结果的准确性。最后,对比分析了靶板最大离面位移与弹体冲击速度和装甲钢板厚度的关系。高速3D-DIC测试技术的应用可为相关试验测试提供参考,靶板最大离面位移分析结果可为屏障类防护结构的分析验证和优化设计提供试验依据。
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为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了三种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。
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针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明:扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡脉动持续时间较短,并且收敛喷管对透射冲击波压力和气泡脉动压力均具有明显的抑制作用。
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建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合仿真方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部“褶皱”的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的“硬”芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的“软”芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦系数对夹芯梁的动态响应无显著影响。
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为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标,构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟,通过改变爆炸当量与距离,使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用,肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应,提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明:在爆炸载荷作用下,胸前壁高速撞击胸腔脏器,导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下,胸前壁持续挤压胸腔脏器,并造成胸腔变形。应力波是造成肺部损伤的主要原因,胸腔变形挤压肺部造成的损伤风险较低。肺部损伤集中在靠近胸前壁及心脏的区域。胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值可作为肺部爆炸伤的评价指标。胸部压缩量及黏性响应系数不能反映应力波对肺部造成的损伤,不适合评价肺部爆炸伤。
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为提高薄壁管结构耐撞性,以雀尾螳螂虾螯为仿生原型,结合仿生学设计方法,设计一种含正弦胞元的多胞薄壁管结构。以初始峰值载荷、比吸能和碰撞力效率为耐撞性指标,通过有限元数值模拟分析了不同碰撞角度(0º、10º、20º和30º)条件下,仿生胞元数对薄壁管耐撞性影响,通过多目标的复杂比例评估法获取仿生薄壁管最优胞元数。基于不同碰撞角度权重因子组合,设置了4种单一角度工况和3种多角度工况,采用多目标粒子群优化方法获取了不同工况下薄壁管结构最优胞元高宽比和壁厚。复杂比例评估结果表明,胞元数为4的薄壁管为最优晶胞数仿生薄壁管。优化结果表明,单一角度工况下,最优结构参数高宽比的范围为0.88~1.50,壁厚的范围为0.36~0.60 mm,碰撞角度为0º和10º的最优高宽比明显地小于碰撞角度为20º和30º的;多角度工况下,最优高宽比范围为1.01~1.10,壁厚范围为0.49~0.57 mm。上述结果可为探索新型缓冲薄壁管结构轻量化设计,促进其在需要缓冲吸能/耐冲击领域的应用提供新思路。
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三分量冲击力载荷的同步激励与输入输出间的精准建模是三轴冲击力传感器标定所面临的主要挑战。为了实现对三轴冲击力传感器的有效标定,使其能够准确测量空间中的三维冲击力载荷。首先,基于Hopkinson杆与矢量分解原理建立了一种高幅值(104 N量级)、窄脉宽(10-1 ms量级)可计量三分量冲击力载荷的同步激励方法,实现了对三轴冲击力传感器的同步加载。基于最小二乘原理与矩阵微分构建了三轴冲击力传感器的线性标定模型,并通过改变子弹结构与冲击气压揭示了线性解耦标定模型中传感器主灵敏度系数与轴间耦合灵敏度系数并非固定常数而均与冲击力载荷脉冲构型(幅值、脉宽)相关的冲击特性。将能够反映载荷构型信息的传感器各轴输出电压脉冲的幅值与脉宽作为影响因素,并以神经元的形式添加到人工神经网络(artificial neural network, ANN)的输入层,建立了基于ANN的三轴冲击力传感器输出电压与输入载荷间的代理模型,实现了数据驱动的三轴冲击力传感器非线性解耦标定。结果表明,ANN相对最小二乘模型标定精度更高,采用ANN进行三轴冲击力传感器标定具有可行性和有效性。
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为研究双折线抗力模型对空爆荷载梁式构件振动位移的影响,提出了柔性、刚性两类梁式构件正向弹塑性振动及回弹阶段弹塑性振动的分析法。应用等效单自由度法建立了各阶段振动方程并依据不同的初始条件推导出了各阶段的理论解。采用此理论解和代表性塑性强化系数,开展了双折线抗力模型中不同塑性强化程度对两类梁式构件正向弹塑性振动及回弹阶段弹塑性振动位移的典型工况验证。研究结果表明:基于双折线抗力模型位移理论解的适用范围更广;随着双折线抗力模型塑性强化系数的增大,两类梁式构件的最大弹塑性位移、残余变形均逐渐减小,且残余变形降低程度高于最大弹塑性位移;塑性强化系数增大到一定程度,梁式构件回弹阶段将出现塑性振动位移,进一步降低残余变形,无塑性回弹位移的理想弹塑性抗力模型会高估空爆荷载下梁式构件的残余变形。
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在侧限约束条件下,混凝土材料的抗侵彻性能可得到较大提高,在此基础上施加预应力围压,其抗侵彻性能可进一步提高,但现有预应力方法对约束混凝土施加预应力较为困难。基于此,提出了一种相对简便的锥台嵌挤预应力约束方法,采用楔形块楔紧的原理,将锥面倾角为3°和直径微大于约束环的锥台形混凝土靶体挤入与之匹配的约束钢环内,通过锥面配合契紧的方式对混凝土靶体沿径向施加预应力,以锥台靶体的下压深度、盈差以及压入力的大小等指标控制预应力大小。采用LS-DYNA软件验证了该方法施加预应力的可行性,并通过重启动算法开展了预应力约束混凝土靶的抗侵彻性能研究。数值计算结果表明,靶体预应力随着其下压深度或盈差的增大近似线性增加,且混凝土靶体的抗侵彻性能随预应力增大而提高,但预应力过大时靶体内部发生损伤,导致其抗侵彻性能反而快速下降。对钢环强度、混凝土强度、含钢率和弹体速度等参数进行敏感性分析,结果表明,合理匹配钢环强度和混凝土强度,并选择合适的靶体含钢率,可有效提高靶体的预应力、抗侵彻性能以及钢材利用率;且弹体初速度越高,预应力对提高靶体抗侵彻性能的作用越明显。提出的锥台嵌挤预应力约束方法可为提高混凝土等脆性材料的抗侵彻性能提供一种新思路和方法。
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针对高海拔或高空的低温、低压环境对炸药爆炸冲击波传播的影响问题,利用量纲分析理论和AUTODYN有限元软件,研究了低温、低压及海拔高度对炸药爆炸冲击波参量(峰值超压、比冲量和波阵面运动轨迹)的影响规律,建立了相应的计算公式,并通过数值模拟和试验数据进行了对比验证。结果表明,该计算公式可以有效预测低温和低压环境下炸药爆炸冲击波参量。环境压力降低,爆炸冲击波峰值超压和爆炸远场(对比距离Z>0.2 m/kg1/3)比冲量减小,冲击波传播速度增大。环境温度降低,冲击波比冲量增大,传播速度减小,峰值超压影响不大。海拔高度在0~9 000 m范围内,每升高1000 m冲击波峰值超压和爆炸远场比冲量平均降低约3.9%和3.2%。海拔高度升高,爆炸近场冲击波传播速度增大,爆炸远场则减小。高海拔环境下低压对冲击波峰值超压和比冲量的影响大于低温,爆炸近场冲击波传播速度取决于低压的影响,爆炸远场取决于低温的影响。
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城市地下浅埋管沟燃气爆炸事故会造成严重的灾害后果,然而目前针对长直空间内的爆炸荷载通过泄爆口向外传播规律的研究较少。以此类事故为基础,基于前期进行的长直泄爆空间可燃气体爆炸试验,利用FLACS软件,对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波超压通过泄爆口到达地面后的分布进行了数值模拟,揭示了管沟内燃气爆炸冲击波在地面的传播规律。结果表明:传播到地面的爆炸冲击波会产生2个特征超压峰值(Δp1和Δp2;Δp1较小,主要由压缩波引起,Δp2为最大超压峰值,主要由火焰波引起;Δp2随着与泄爆口之间的距离d的增大而逐渐减小,且各方向上数值的差异性较大,其中在沿管沟截面的短边方向上,呈对称衰减的趋势;Δp2d大致满足指数函数关系,且拟合度均在98.8 %以上。
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2022, 42(9).  
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材料动态本构关系专刊
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金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟,建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中,总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理,回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络,分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐,基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量,从而涵盖更大的应变范围,更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。
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金属材料的塑性流动行为依赖于温度和应变率,温度和应变率敏感性是金属材料塑性流动的最重要的本质特性之一,建立合适的热黏塑性本构关系来准确描述金属塑性流动行为的温度和应变率依赖性,是金属材料能被广泛应用的必要前提。为此,对金属热黏塑性本构关系的最新研究进展进行了综述,介绍了常见的几种金属热黏塑性本构关系并进行了详细讨论,给出了各本构关系的优势与不足,最后系统介绍了包含金属塑性流动行为中出现的第三型应变时效、或K-W锁位错结构引起的流动应力随温度变化出现的反常应力峰以及拉压不对称等行为的金属热黏塑性本构关系的研究进展。
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基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型,实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度,从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为,并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下(0.0005~15 s−1)力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明,单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生,未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中,NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积,拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示,在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性,应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。
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工程应用中,金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响,要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为,必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而,由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离,给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试,提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型,并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明,新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势,而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此,该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。
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为了开展激光选区熔化(SLM)增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。
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为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量(绝对值)。
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采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001~100 s−1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响,并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据,得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数,并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明,在拉伸载荷作用下,6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性,其流动应力随应变率的升高而提高,修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为,建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。
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对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。
摘要:
岩石类材料的动态力学模型的建立及相应模型参数的确定,对岩石动态力学性能研究及相关仿真计算具有重要意义。以山东五莲地区花岗岩为例,基于Kong-Fang流体弹塑性损伤材料模型(KF模型),通过准静态单轴压缩、劈裂、常规三轴实验及动态分离式霍普金森杆压缩(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验对模型中的强度参数进行了确定,并利用基于分离式霍普金森杆的巴西圆盘(split Hopkinson pressure bar-Brazilian disk,SHPB-BD)实验对应变率相关参数的有效性进行了验证;同时,根据平板撞击实验结果对模型中的状态方程参数进行了拟合。利用实验获得的材料参数值,采用KF模型对花岗岩侵彻实验进行数值模拟,计算得到的弹体侵彻深度及成坑尺寸与实际实验结果误差均小于15%,验证了材料模型及参数值的适用性。
摘要:
采用Instron 9350落锤试验机研究了中低应变率下软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对材料应变率敏感性指数和能量吸收特性的影响,并基于实验结果建立了可准确描述其压缩力学响应的率相关本构模型。结果表明,软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应具有典型的三阶段特征,且呈现出明显的应变率强化效应。准静态加载下,材料具有较高的吸能效率但能量吸收值较小,应变率对最大吸能效率和比吸能的影响较小;动态加载下,随着应变率的增加,最大吸能效率显著减小而比吸能明显增大。考虑应变率影响的修正Sherwood-Frost模型和修正Avalle模型都能够很好地表征软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应,但修正Avalle模型的参数较少,更便于工程应用。研究结果可为软质聚氨酯泡沫抗冲击结构的设计和优化提供指导。
摘要:
以典型冻土为研究对象,通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验,综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明,冻土存在冻融循环效应,随着冻融循环次数的增加,冻土的峰值应力有一定程度的降低,但在达到临界冻融循环次数后,峰值应力将维持稳定;同时,冻土表现出明显的应变率效应和温度效应,其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子,推导满足Weibull分布的冲击损伤,提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为,为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。