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基于双折线抗力模型的空爆荷载梁式构件振动位移研究
耿少波, 陈佳龙, 赵洲, 牛艳伟
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0524
摘要:
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。
锥台嵌挤预应力约束混凝土的抗侵彻性能
王子国, 王松涛, 孔祥振, 孙宇雁
, doi: 10.11883/bzycj-2022-0030
摘要:
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。
混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析
党发宁, 李玉涛, 任劼, 周玫
, doi: 10.11883/bzycj-2022-0444
摘要:
动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。
低温和低压环境下炸药爆炸冲击波的传播特性
李瑞, 李孝臣, 汪泉, 袁玉红, 洪晓文, 黄寅生
, doi: 10.11883/bzycj-2022-0188
摘要:
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。
钢筋混凝土烟囱爆破拆除的下坐及早期断裂预测
孙金山, 谢先启, 贾永胜, 姚颖康, 刘昌邦, 韩传伟, 王洪刚, 黄小武
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0316
摘要:
为分析钢筋混凝土烟囱在爆破拆除时发生下坐与空中断裂现象的机制并对其进行预测,对一高180 m烟囱的下坐和空中断裂过程进行了观测和分析。基于混凝土的压缩全应力-应变曲线特征,分析了烟囱支撑区的破坏过程,构建了烟囱失稳下坐的判别模型。通过建立烟囱下坐冲击作用下爆破切口以上烟囱的动力响应模型,分析了下坐冲击附加动应变波在烟囱中的传播特征。研究结果表明,考虑混凝土全应力-应变曲线特征和支撑区横截面应力和应变分布特征时,倾覆力矩与抵抗力矩的比值f可作为失稳下坐的判别条件之一;烟囱发生下坐的必要条件是支撑区最小残余承载力小于烟囱的重量。烟囱在下坐结束阶段,获得一定初速度的烟囱冲击基础时将产生冲击荷载,并在烟囱中部引起大于底端应变的应变,即产生动应变高程放大效应,该效应是导致烟囱发生早期断裂的主要原因。烟囱越高,下坐冲击历时越短,动应变高程放大效应越显著,发生断裂的风险也越大。随着烟囱高度的增加,烟囱最危险截面的位置也越高:由烟囱中下部移至烟囱中上部。
爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究
张世文, 金山, 陈艳, 郭昭亮, 但加坤, 刘明涛, 汤铁钢
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0456
摘要:
采用多普勒光纤探针测速技术(Doppler pins system,DPS,又称全光纤位移干涉测速技术)和高速摄影技术,研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响,获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比,垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程,导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位,最终低于无垫片区域约0.34 mm,该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂;实验结果还表明,在垫片与间隙交界处两侧(沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°)处各增加了一条裂纹,该断裂模式既不同于环向拉伸断裂,也不同于45°的剪切断裂,而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致,这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明,装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应,还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异,以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。
二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源的研制
郭纬, 徐小辉, 李干, 李杰, 蒋海明, 李志浩
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0343
摘要:
针对当前大当量地下爆炸真空室模拟试验中爆源起爆方式高度依赖火药制品等问题,基于地下爆炸相似理论和二级气炮原理,自主研制了二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源装置。装置利用二级高压气体驱动弹珠同步击碎玻璃球壳,释放球内高压气体,以模拟真实爆炸气体生成物的推出。整套爆源装置的发射参数:高压气室充气压力4 MPa,玻璃球壳内残余稳态气体压力约为3 kPa,能够用于0~20 kt当量地下爆炸成坑效应的真空室模拟。爆源适用性试验验证表明,该爆源装置的爆破机制和爆破效果满足大当量地下抛掷爆炸真空室模拟试验的功能需求,且具有较高的安全性、可控性和可操作性,为开展相关模拟试验提供了新的技术方法。
软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能和本构模型
苏兴亚, 周伦, 敬霖, 邓贵德, 赵隆茂
, doi: 10.11883/bzycj-2022-0201
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。
应力作用下NiTi形状记忆合金微结构演化的相场模拟及其本征应变率敏感性
席尚宾, 苏煜
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0461
摘要:
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计算模拟。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,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载过程中,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-应变关系表现出较为明显的应变率相关性,应变率的增加导致材料相变应力的提升。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。
12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶的数值模拟
王凯雷, 李明净, 董雷霆
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0336
摘要:
针对12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶时可能出现子弹保持完整或发生破碎的情况,过去的数值模拟仅限于模拟单一模式的子弹侵彻行为。为了克服这种数值模拟的局限性,开展了模型算法、网格尺寸对模拟结果影响的研究,并将模拟结果与实验结果进行了对比,提出了一种能够用于模拟子弹保持完整或破碎的弹靶模型。研究结果表明,为模拟子弹保持完整状态,子弹和靶板应分别采用基于Lagrange算法的有限元法和光滑粒子算法,而且子弹网格尺寸和靶板粒子间距之比应至少保持在5.3左右,否则弹头会产生与实验结果不符合的异常变形。但是,在模拟子弹发生破碎侵蚀时,该比例的网格/粒子尺寸比会引起计算中止。为了克服该问题,进一步建立了一种弹体表面采用大尺寸网格,内部采用细化小尺寸网格的有限元/光滑粒子法耦合弹靶模型。计算结果表明,改进的弹靶模型可模拟子弹保持完整或者发生破碎的情况。
一种水下爆炸冲击波压力调控方法
黄超, 张磐, 曾繁, 徐维铮, 王杰, 刘娜
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0450
摘要:
起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力有较为显著的影响,这使得利用小当量装药在局部方向形成与大当量装药一定程度等效的冲击波成为可能。为了能够在小当量装药条件下开展舰船结构及设备抗水下爆炸冲击实验,基于细长装药结构和参数优化设计,设计了一种冲击波压力幅值和持续时间可调的装药方法。首先,基于简单波理论给出了水下爆炸冲击波压力调控的原理,以及装药参数优化设计的目标函数和约束条件;然后,采用自主数值模拟软件研究了细长装药的水下爆炸能量输出规律,通过实验验证了数值模拟的置信度,研究发现起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力峰值和持续时间的影响是显著的,在炸药爆速一定的情况下,长药柱水下爆炸冲击波压力的持续时间可通过几何近似确定;最后,为了进一步考察该方法的有效性,以1000 kg TNT和100 m爆距的水下爆炸冲击波压力-时间曲线作为原型,设计了2种与该原型冲击波压力等效的装药方案,并通过数值模拟进行了验证。研究结果表明:设计的装药能够在预定的持续时间内,在装药起爆端一侧形成与原型等效的冲击波压力-时间曲线。由于没有考虑对气泡载荷的等效,因此该调控方法仅适用于中远场爆炸冲击问题。
地面和埋置爆炸土中地冲击作用分区数值模拟及试验研究
刘琦, 翟超辰, 张跃飞, 曲建波, 吴祥云
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0326
摘要:
为研究爆炸条件下土中应力波的时空分布,基于黄土中接触爆炸和半埋爆炸试验,验证了ANSYS/AUTODYN软件建立的计算模型,并在此基础上开展了土中爆炸地冲击效应研究。结果表明:随着土介质深度的增加,感生地冲击峰值减小,而直接地冲击峰值增大,最终,压力和竖向应力时程曲线中的2个峰值减少为一个峰值,据此特征可将土中应力波场分为3个区域,即地表区、近地表区和中心区;当装药比例埋深为-0.05~0.075 m/kg1/3时,随着装药比例埋深的增大,中心区迅速扩大,地表区迅速缩小,近地表区逐渐扩大;当装药比例埋深为0.1~0.4 m/kg1/3时,地冲击作用区的分布趋于稳定;爆炸耦合进入空气和土介质中的动能受炸药类型影响,但在一定范围内,地冲击作用区角度与地面空气冲击波超压冲量和直接地冲击应力冲量之比呈线性相关关系。
下穿铁路隧道爆破振动衰减规律研究
单仁亮, 赵岩, 王海龙, 董捷, 仝潇, 李兆龙, 王东升
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0324
摘要:
基于Heelan短柱药包理论,引入等效作用半径的概念,得到内部瞬时激励荷载作用下爆破峰值振动速度的衰减模型方程,并通过量纲分析进行验证。结合下穿隧道爆破工程,研究不同雷管段位及不同炮孔类型对应的爆破峰值振动速度的衰减规律。此外,讨论球形装药、柱状装药条件下改进公式的药量形式表达式,结果显示,利用等效作用半径作为拟合参考变量可以综合考虑不同雷管段位及不同炮孔类型对爆破振动规律的影响。统计数据表明,利用改进公式得到的拟合效果最优,可以为类似隧道爆破振动研究提供参考。
弹体侵彻厚混凝土靶迎弹面成坑效应
李明, 王可慧, 邹慧辉, 段建, 古仁红, 戴湘晖, 杨慧
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0294
摘要:
为研究弹体侵彻厚混凝土靶的迎弹面成坑效应,总结了侵彻试验中的成坑现象,分析了经验公式对成坑深度、成坑直径和成坑角等成坑效应的预测效果;考虑了撞击速度、靶板强度、配筋以及弹体直径和质量等因素的影响,采用量纲分析方法建立了新型成坑效应计算公式及成坑阶段耗能计算公式;基于新型成坑效应计算公式,对成坑效应的影响因素和成坑耗能进行了参数化分析。结果表明:无量纲成坑深度受靶板强度、配筋率和弹体质量的影响较大;对于钢筋混凝土,成坑深度随撞击速度提升呈先增加后减小再增加的变化规律;在常见的侵彻速度和质量范围内,成坑角约为15°~24°,质量对成坑角影响较小;迎弹面成坑耗能占弹体总动能的10%~25%,且配筋率和靶板强度对成坑耗能比例的影响较小;弹体质量越小,成坑阶段耗能占比越大。新型成坑效应计算公式对成坑深度、直径和角度的计算结果与实验数据吻合较好,可为侵彻弹体设计和工程防护提供参考。
高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理
胡朝磊, 孙海亮, 王志鹏, 包兆鹏, 崔天宁, 秦庆华
, doi: 10.11883/bzycj-2022-0045
摘要:
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。
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
李国杰, 王成龙, 郭志威, 李响, 黄广炎
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0281
摘要:
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。轴向强化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在爆炸载荷作用下,端部含有非填充聚氨酯填充物、尼龙填充物和爆炸填充物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有显著影响,但对破片飞散角度影响较小。通过比较特定碎片的速度历史曲线,分析了非反应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。因此,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,可以提高轴向强化战斗部的能量利用效率。
碳纤维/环氧树脂复合材料3.0~6.5 km/s超高速撞击成坑特性研究
周智炫, 王马法, 李俊玲, 马兆侠
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0251
摘要:
为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径1.0~3.0 mm的铝球以3.0~6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶材的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料的成坑形貌特征并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶材的无量纲成坑深度p/dp、无量纲坑径系数Dh/dp、表面损伤面积De等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/dp和无量纲坑径系数Dh/dp均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积De与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。
城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应(Ⅰ):冲击波在地面的传播
杨石刚, 蔡炯炜, 杨亚, 孙文盛, 门敬敏
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0502
摘要:
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。
基于动力放大系数与等效单自由度体系的圆中空夹层钢管混凝土抗撞设计方法
王帅峰, 王蕊, 赵晖, 郭志辉
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0467
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。
爆炸载荷下仿贝壳结构的动态响应
李志洋, 雷建银, 刘志芳
, doi: 10.11883/bzycj-2022-0145
摘要:
贝壳珍珠层是一种具有高强度和高韧性的天然材料,这种优异的性能主要来源于多尺度、多层级的“砖泥”结构。本文受贝壳特殊结构的启发,构建了仿贝壳砖泥结构的有限元模型,并进行了爆炸实验。通过实验发现:在爆炸冲量为0.047 N·s时,试件发生灾难性破坏,使得中心处发生掉落,且伴随着试件夹持端的剪切破坏,与数值模拟结果具有良好的一致性。在实验基础上,对仿贝壳砖泥结构在爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。研究发现,在爆炸载荷下仿贝壳砖泥结构会产生五种不同的破坏模式,包括Ⅰ:结构整体无损伤,Ⅱ:结构前表面无明显破坏,后表面发生破坏,Ⅲ:结构发生掉落型贯穿破坏,夹持端无剪切破坏,Ⅳ:结构发生小块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏,Ⅴ:结构发生大块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏;并且给出了不同破坏模式的临界阈值,单层砖泥结构的破坏阈值为0.019 Ns,五层砖泥结构的破坏阈值为0.047 N·s,当冲量超过破坏阈值时,试件发生灾难性破坏。文章研究分析了堆叠层数对仿生结构的力学响应,在同一冲量下,随着层数的增加,结构的破坏模式发生改变,由贯穿型破坏逐渐变为仅发生一定塑性变形;随着层数增加,结构的损伤阈值增加;最后提出仿贝壳砖泥结构的增韧机理主要有裂纹偏转和微裂纹。
冻融循环冻土的冲击动态力学性能
李斌, 朱志武, 李涛
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0475
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。
基于Hopkinson杆和人工神经网络的三轴冲击力传感器同步解耦标定方法
王清华, 郭伟国, 徐丰, 高猛, 王志浩
, doi: 10.11883/bzycj-2022-0015
摘要:
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。
金属材料在复杂应力状态下的塑性流动特性及本构模型
秦彩芳, 许泽建, 窦旺, 杜雨田, 黄风雷
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0308
摘要:
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J-C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。
修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用
马坤, 李名锐, 陈春林, 沈子楷, 周刚
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0315
摘要:
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)。
混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应
刘锋, 李庆明
, doi: 10.11883/bzycj-2022-0037
摘要:
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。
金属热黏塑性本构关系的研究进展
王强, 王建军, 张晓琼, 张天辉, 王怀坤, 吴桂英
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0443
摘要:
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。
花岗岩Kong-Fang流体弹塑性损伤材料模型参数研究
聂铮玥, 丁育青, 宋江杰, 彭永, 林玉亮, 陈荣
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0363
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模型对花岗岩侵彻试验进行数值模拟,计算得到的弹体侵彻深度及成坑尺寸与实际试验结果误差均小于15%,验证了材料模型及参数值的适用性。
金属材料的率-温耦合响应与动态本构关系综述
袁康博, 姚小虎, 王瑞丰, 莫泳晖
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0416
摘要:
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。
激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系
朱磊, 刘洋, 孟锦晖, 李治国, 胡建波, 李国平, 王永刚
, doi: 10.11883/bzycj-2021-0227
摘要:
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的研究,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理论基础。