2025年 45卷 第3期
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2025, 45(3): 031001.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0307
摘要:
生物软材料大多是高含水率的超软材料，其力学性能在宽应变率范围内随着应变率的提高而非线性增强。然而由于实验条件的限制，在中应变率下对超软材料进行大变形测试显得比较困难。设计并建造了长15 m的双子弹电磁驱动长分离式霍普金森压杆（long split Hopkinson pressure bar, LSHPB）系统，可用于超软材料的大变形中应变率测试。使用该LSHPB系统和高速SHPB系统分别对硅橡胶进行了测试，比较两者的实验结果，验证了系统的可靠性。应用LSHPB系统测量了聚乙烯醇（polyvinyl alcohols, PVA）水凝胶在中应变率下的力学性能，并且结合已有的低和高应变率的数据分析，说明了中应变率动态性能测试的必要性。
生物软材料大多是高含水率的超软材料，其力学性能在宽应变率范围内随着应变率的提高而非线性增强。然而由于实验条件的限制，在中应变率下对超软材料进行大变形测试显得比较困难。设计并建造了长15 m的双子弹电磁驱动长分离式霍普金森压杆（long split Hopkinson pressure bar, LSHPB）系统，可用于超软材料的大变形中应变率测试。使用该LSHPB系统和高速SHPB系统分别对硅橡胶进行了测试，比较两者的实验结果，验证了系统的可靠性。应用LSHPB系统测量了聚乙烯醇（polyvinyl alcohols, PVA）水凝胶在中应变率下的力学性能，并且结合已有的低和高应变率的数据分析，说明了中应变率动态性能测试的必要性。
2025, 45(3): 032101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0224
摘要:
为合理描述机械约束下炸药装药点火后的反应演化行为，深入分析壳体变形运动特征，将壳体响应变化过程分为弹塑性准静态阶段、完全屈服运动阶段和壳体破裂后惯性运动约束阶段。考虑装药燃烧裂纹网络反应演化与壳体变形运动的耦合作用，建立了反映壳体运动惯性约束效应的装药反应演化模型，通过与典型实验结果进行对比，验证了模型及参数的适应性。壳体运动速度和内部压力的变化本质表征了装药能量释放与产物气体对外做功的关系，考虑壳体运动惯性约束效应可以更全面地表征装药反应演化过程，利用该模型，可以根据壳体壁面运动速度历史计算得到弹内压力、反应速率和反应度变化历史，可为约束装药在意外刺激下的安全性设计与评估提供理论支撑。
为合理描述机械约束下炸药装药点火后的反应演化行为，深入分析壳体变形运动特征，将壳体响应变化过程分为弹塑性准静态阶段、完全屈服运动阶段和壳体破裂后惯性运动约束阶段。考虑装药燃烧裂纹网络反应演化与壳体变形运动的耦合作用，建立了反映壳体运动惯性约束效应的装药反应演化模型，通过与典型实验结果进行对比，验证了模型及参数的适应性。壳体运动速度和内部压力的变化本质表征了装药能量释放与产物气体对外做功的关系，考虑壳体运动惯性约束效应可以更全面地表征装药反应演化过程，利用该模型，可以根据壳体壁面运动速度历史计算得到弹内压力、反应速率和反应度变化历史，可为约束装药在意外刺激下的安全性设计与评估提供理论支撑。
2025, 45(3): 033101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0152
摘要:
为深入研究深部地层中砂岩在冲击荷载作用下的动态力学特性，建立了一种改进的霍普金森压杆实验系统，对灰砂岩长杆试件开展了不同加载速率的动态压缩实验，并结合高速数字图像相关技术（DIC）监测试件表面位移场和应变场的演化过程，探讨了灰砂岩在近场冲击加载下的拉伸破坏的规律。从 DIC 分析得到的位移场中提取出不同质点位移时程曲线，进行了拉格朗日反分析算法计算，获得了灰砂岩材料的全场应力-应变规律。结果表明：灰砂岩长杆试件以拉伸破坏为主，且出现了近加载端破碎、远离加载端层裂的现象；灰砂岩长杆试件的动态抗压强度因子随应变率增大而增大，有明显的应变率效应；随着加载速率升高，各测点应力峰值与应变峰值均呈增大趋势；在同一加载速率下，灰砂岩长杆的应力-应变曲线呈现出近端测点曲线包络远端测点曲线的现象。
为深入研究深部地层中砂岩在冲击荷载作用下的动态力学特性，建立了一种改进的霍普金森压杆实验系统，对灰砂岩长杆试件开展了不同加载速率的动态压缩实验，并结合高速数字图像相关技术（DIC）监测试件表面位移场和应变场的演化过程，探讨了灰砂岩在近场冲击加载下的拉伸破坏的规律。从 DIC 分析得到的位移场中提取出不同质点位移时程曲线，进行了拉格朗日反分析算法计算，获得了灰砂岩材料的全场应力-应变规律。结果表明：灰砂岩长杆试件以拉伸破坏为主，且出现了近加载端破碎、远离加载端层裂的现象；灰砂岩长杆试件的动态抗压强度因子随应变率增大而增大，有明显的应变率效应；随着加载速率升高，各测点应力峰值与应变峰值均呈增大趋势；在同一加载速率下，灰砂岩长杆的应力-应变曲线呈现出近端测点曲线包络远端测点曲线的现象。
2025, 45(3): 033102.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0138
摘要:
采用激光选区熔化技术制备AlSi10Mg合金并对其进行去应力退火处理，利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术研究了合金的微观组织。为了解宽应变率和宽温度耦合作用对AlSi10Mg合金力学行为的影响，通过配有环境温箱的万能试验机和分离式霍普金森压杆分析了AlSi10Mg合金在极端条件下的力学行为。结果表明：AlSi10Mg合金具有精细的胞状-枝晶微观结构，主要包含α-Al相和Si相，经退火处理后，微观组织由断续的、呈链状分布的共晶Si颗粒构成。AlSi10Mg合金在室温、应变率为0.002～4 800 s−1时，呈现出应变率强化效应，且在不同的应变率范围内具有不同的敏感性；在173 K下具有更高的屈服强度和流动应力；当温度为173～243 K时，流动应力对温度不敏感；而温度为293～573 K时，温度敏感性显著提高，合金软化效应随着温度的升高而加剧。基于实验结果拟合得到修正的J-C本构模型并对其进行了验证，该模型可较好地反映材料在高、低温和不同应变率下的力学行为。
采用激光选区熔化技术制备AlSi10Mg合金并对其进行去应力退火处理，利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术研究了合金的微观组织。为了解宽应变率和宽温度耦合作用对AlSi10Mg合金力学行为的影响，通过配有环境温箱的万能试验机和分离式霍普金森压杆分析了AlSi10Mg合金在极端条件下的力学行为。结果表明：AlSi10Mg合金具有精细的胞状-枝晶微观结构，主要包含α-Al相和Si相，经退火处理后，微观组织由断续的、呈链状分布的共晶Si颗粒构成。AlSi10Mg合金在室温、应变率为0.002～4 800 s−1时，呈现出应变率强化效应，且在不同的应变率范围内具有不同的敏感性；在173 K下具有更高的屈服强度和流动应力；当温度为173～243 K时，流动应力对温度不敏感；而温度为293～573 K时，温度敏感性显著提高，合金软化效应随着温度的升高而加剧。基于实验结果拟合得到修正的J-C本构模型并对其进行了验证，该模型可较好地反映材料在高、低温和不同应变率下的力学行为。
2025, 45(3): 033103.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0069
摘要:
针对包含高密度、高热值元素的高熵合金材料在聚能战斗部药型罩上的应用问题，选取Ta-Hf-Nb-Zr体系高熵合金为研究对象，采用INSTRON材料试验机、分离式霍普金森压杆试验平台，探寻该高熵合金在应变率为10−3～103 s−1、温度为25～900 ℃以及应力三轴度为0.33～0.89条件下的力学响应规律，基于静动态力学性能试验结果，获取该合金的Johnson-Cook（J-C）本构方程参数及损伤失效模型参数，并建立爆炸加载下高熵合金爆炸成型弹丸（explosively formed projectile，EFP）数值模型。开展EFP成型脉冲X射线验证试验，结果显示：117 μs时，高熵合金EFP成型较为完整，EFP长度为51.1 mm，直径为12.27 mm；187 μs时，EFP尾部产生3处断裂，头部长度为24.3 mm，直径为12.27 mm，EFP速度为2496.3 m/s。模拟与试验的EFP长度、直径以及速度的误差均小于8.2%，模拟的断裂形态与试验结果基本一致，J-C模型有效预测了爆炸加载条件下高熵合金EFP的成型状态。
针对包含高密度、高热值元素的高熵合金材料在聚能战斗部药型罩上的应用问题，选取Ta-Hf-Nb-Zr体系高熵合金为研究对象，采用INSTRON材料试验机、分离式霍普金森压杆试验平台，探寻该高熵合金在应变率为10−3～103 s−1、温度为25～900 ℃以及应力三轴度为0.33～0.89条件下的力学响应规律，基于静动态力学性能试验结果，获取该合金的Johnson-Cook（J-C）本构方程参数及损伤失效模型参数，并建立爆炸加载下高熵合金爆炸成型弹丸（explosively formed projectile，EFP）数值模型。开展EFP成型脉冲X射线验证试验，结果显示：117 μs时，高熵合金EFP成型较为完整，EFP长度为51.1 mm，直径为12.27 mm；187 μs时，EFP尾部产生3处断裂，头部长度为24.3 mm，直径为12.27 mm，EFP速度为
2025, 45(3): 033104.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0083
摘要:
为了研究聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的抗爆性能，对聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构开展不同装药量下的接触爆炸实验，并对其整体及局部的破坏特征进行分析。利用LS-DYNA有限元仿真软件探究了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的损伤过程及机理，并进一步分析了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的破坏模式及特征。实验及有限元结果表明：接触爆炸载荷作用下的聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构呈现6种破坏模式，即正面成坑；层裂破坏；层裂鼓包；震塌破坏，聚脲涂层鼓包大变形；爆炸贯穿，聚脲涂层严重鼓包变形；贯穿和撕裂破坏。在钢筋混凝土厚板背面涂覆聚脲有效增强了复合结构的抗爆性能。
为了研究聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的抗爆性能，对聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构开展不同装药量下的接触爆炸实验，并对其整体及局部的破坏特征进行分析。利用LS-DYNA有限元仿真软件探究了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的损伤过程及机理，并进一步分析了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的破坏模式及特征。实验及有限元结果表明：接触爆炸载荷作用下的聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构呈现6种破坏模式，即正面成坑；层裂破坏；层裂鼓包；震塌破坏，聚脲涂层鼓包大变形；爆炸贯穿，聚脲涂层严重鼓包变形；贯穿和撕裂破坏。在钢筋混凝土厚板背面涂覆聚脲有效增强了复合结构的抗爆性能。
2025, 45(3): 033201.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0343
摘要:
人工智能方法是预测爆炸荷载的新手段，但现有方法主要用于预测爆炸冲击波的超压峰值或冲量，而用于预测反射超压时程的研究不多。针对这一问题，以平面冲击波绕射桥梁主梁为对象，提出了一种基于主成分分析（principal components analysis, PCA）和误差反向传播神经网络（backpropagation neural network, BPNN）的桥梁爆炸冲击波反射超压时程预测模型。该预测模型利用PCA降维处理时程数据，基于多任务学习的BPNN算法，提出了考虑超压峰值和冲量峰值影响的损失函数，使模型能有效预测不同入射超压下的桥梁冲击波荷载时程。通过分析多任务学习模型、多输入单输出模型和多输入多输出模型等3种BPNN模型，发现多任务学习模型的预测精度最高，而多输入多输出模型难以有效适应当前预测任务需求。采用多任务学习模型预测得到的桥梁表面各测点位置的反射超压时程、超压峰值精度较高，决定系数R2分别为0.792和0.987，作用在箱梁上的合力时程和扭矩时程预测值也与数值模拟值较为吻合。同时，该模型对内插值预测的表现优于外推值预测，但其在预测外推值方面同样展现出了一定的能力。
人工智能方法是预测爆炸荷载的新手段，但现有方法主要用于预测爆炸冲击波的超压峰值或冲量，而用于预测反射超压时程的研究不多。针对这一问题，以平面冲击波绕射桥梁主梁为对象，提出了一种基于主成分分析（principal components analysis, PCA）和误差反向传播神经网络（backpropagation neural network, BPNN）的桥梁爆炸冲击波反射超压时程预测模型。该预测模型利用PCA降维处理时程数据，基于多任务学习的BPNN算法，提出了考虑超压峰值和冲量峰值影响的损失函数，使模型能有效预测不同入射超压下的桥梁冲击波荷载时程。通过分析多任务学习模型、多输入单输出模型和多输入多输出模型等3种BPNN模型，发现多任务学习模型的预测精度最高，而多输入多输出模型难以有效适应当前预测任务需求。采用多任务学习模型预测得到的桥梁表面各测点位置的反射超压时程、超压峰值精度较高，决定系数R2分别为0.792和0.987，作用在箱梁上的合力时程和扭矩时程预测值也与数值模拟值较为吻合。同时，该模型对内插值预测的表现优于外推值预测，但其在预测外推值方面同样展现出了一定的能力。
2025, 45(3): 033301.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0217
摘要:
为研究弹体在侵彻钢筋混凝土受到阻力的问题，分析了现有钢筋有限长度固支梁理论模型的局限，根据钢筋屈服准则研究和耗能分析，提出了弹体直接命中钢筋剪切-塑性铰链模型，以及弹体与钢筋侧面接触时的塑性弦模型，通过耗能分析得到了弹体直接阻力函数；以空腔膨胀理论模型为基础，根据弹体侵彻深度经验公式计算结果，得到了钢筋间接影响下混凝土的阻力方程。通过与已有试验数据对比，验证了理论模型的合理性。通过分析钢筋屈服强度、直径、网眼尺寸等配筋方式，以及弹体命中部位对遮弹层抗侵彻性能的影响，给出了遮弹层配筋设计建议：相邻两层钢筋网错孔设置；钢筋网眼与弹体直径之比宜设为0.5～0.8；应结合钢筋极限塑性应变进行高强钢筋选择。
为研究弹体在侵彻钢筋混凝土受到阻力的问题，分析了现有钢筋有限长度固支梁理论模型的局限，根据钢筋屈服准则研究和耗能分析，提出了弹体直接命中钢筋剪切-塑性铰链模型，以及弹体与钢筋侧面接触时的塑性弦模型，通过耗能分析得到了弹体直接阻力函数；以空腔膨胀理论模型为基础，根据弹体侵彻深度经验公式计算结果，得到了钢筋间接影响下混凝土的阻力方程。通过与已有试验数据对比，验证了理论模型的合理性。通过分析钢筋屈服强度、直径、网眼尺寸等配筋方式，以及弹体命中部位对遮弹层抗侵彻性能的影响，给出了遮弹层配筋设计建议：相邻两层钢筋网错孔设置；钢筋网眼与弹体直径之比宜设为0.5～0.8；应结合钢筋极限塑性应变进行高强钢筋选择。
2025, 45(3): 033302.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0158
摘要:
基于钨纤维和金属玻璃基体的实际分布特性，建立复合材料弹体的细观有限元几何模型，采用修正的热力耦合本构模型来描述金属玻璃基体的高强度和高剪切敏感性，结合相关的斜侵彻/穿甲试验，开展复合材料长杆弹斜侵彻/穿甲钢靶的三维有限元模拟，与钨合金弹进行对比分析，讨论弹靶变形和破坏特征，分析了撞击倾角、撞击速度等因素对复合材料弹体侵彻/穿甲“自锐”行为以及弹道特征的影响。结果表明，在斜侵彻/穿甲条件下，由于弹体头部受力的非对称特征，弹头逐渐锐化为非对称的尖头构型，同时弹道偏转，复合材料弹体的“自锐”性能以及侵彻/穿甲能力下降。撞击速度对斜侵彻/穿甲条件下弹体的“自锐”特征及弹道行为有显著影响，低速撞击条件下，撞击倾角越大，弹体侵彻性能越弱；当倾角增大到50°时，撞击速度小于900 m/s的弹体均难以有效侵彻靶板；倾角进一步增大时，弹体容易跳飞。
基于钨纤维和金属玻璃基体的实际分布特性，建立复合材料弹体的细观有限元几何模型，采用修正的热力耦合本构模型来描述金属玻璃基体的高强度和高剪切敏感性，结合相关的斜侵彻/穿甲试验，开展复合材料长杆弹斜侵彻/穿甲钢靶的三维有限元模拟，与钨合金弹进行对比分析，讨论弹靶变形和破坏特征，分析了撞击倾角、撞击速度等因素对复合材料弹体侵彻/穿甲“自锐”行为以及弹道特征的影响。结果表明，在斜侵彻/穿甲条件下，由于弹体头部受力的非对称特征，弹头逐渐锐化为非对称的尖头构型，同时弹道偏转，复合材料弹体的“自锐”性能以及侵彻/穿甲能力下降。撞击速度对斜侵彻/穿甲条件下弹体的“自锐”特征及弹道行为有显著影响，低速撞击条件下，撞击倾角越大，弹体侵彻性能越弱；当倾角增大到50°时，撞击速度小于900 m/s的弹体均难以有效侵彻靶板；倾角进一步增大时，弹体容易跳飞。
2025, 45(3): 033303.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0096
摘要:
为了研究椭圆类截面弹体侵彻多层间隔钢靶的弹道特性，开展了典型弹体侵彻多层间隔Q355B钢靶试验，基于LS-DYNA软件开展有限元仿真研究，得到了弹体在侵彻过程中的姿态偏转和弹道参数，分析了弹体的偏转机制，获得了截面形状、截面压缩系数、初速、滚转角和着角等弹靶参数对椭圆类截面弹体侵彻弹道特性和姿态偏转特性的影响规律。研究结果表明：滚转角为0°时，圆截面弹体侵彻弹道的稳定性优于椭圆类截面弹体；弹体截面压缩系数越大，弹体侵彻弹道稳定性越好；弹体初速越大，弹体姿态偏转越小，侵彻弹道越平稳；滚转角为90°时，椭圆截面和非对称椭圆截面弹体在入射平面内的侵彻弹道最稳定，并且两种弹体在水平面内的弹道偏移量分别在滚转角为45°和90°时达到最大，非对称椭圆截面弹体在滚转角为钝角时的侵彻弹道稳定性优于锐角时的情况；弹体着角在[0°，50°]范围内时，侵彻弹道稳定性随着角的增大先减弱后增强，着角在30°左右时姿态偏转和弹道失稳最严重；弹体以较正姿态贯穿薄钢靶时，在弹头部侵彻阶段就已经与靶体分离；弹体以较大攻角贯穿薄钢靶时，弹靶接触主要发生在弹体的上表面。
为了研究椭圆类截面弹体侵彻多层间隔钢靶的弹道特性，开展了典型弹体侵彻多层间隔Q355B钢靶试验，基于LS-DYNA软件开展有限元仿真研究，得到了弹体在侵彻过程中的姿态偏转和弹道参数，分析了弹体的偏转机制，获得了截面形状、截面压缩系数、初速、滚转角和着角等弹靶参数对椭圆类截面弹体侵彻弹道特性和姿态偏转特性的影响规律。研究结果表明：滚转角为0°时，圆截面弹体侵彻弹道的稳定性优于椭圆类截面弹体；弹体截面压缩系数越大，弹体侵彻弹道稳定性越好；弹体初速越大，弹体姿态偏转越小，侵彻弹道越平稳；滚转角为90°时，椭圆截面和非对称椭圆截面弹体在入射平面内的侵彻弹道最稳定，并且两种弹体在水平面内的弹道偏移量分别在滚转角为45°和90°时达到最大，非对称椭圆截面弹体在滚转角为钝角时的侵彻弹道稳定性优于锐角时的情况；弹体着角在[0°，50°]范围内时，侵彻弹道稳定性随着角的增大先减弱后增强，着角在30°左右时姿态偏转和弹道失稳最严重；弹体以较正姿态贯穿薄钢靶时，在弹头部侵彻阶段就已经与靶体分离；弹体以较大攻角贯穿薄钢靶时，弹靶接触主要发生在弹体的上表面。
2025, 45(3): 033401.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0395
摘要:
螺旋桨是舰船推进系统的核心部件，其运动稳定性和效率直接影响舰船的性能。当前推进轴系抗冲击研究大多将螺旋桨等效成均质圆盘，忽略其结构特征，不能准确得到水下爆炸瞬态冲击下螺旋桨的瞬态毁伤特征。本文中针对螺旋桨的结构特征，基于湿模态分析法得到实体建模优于壳体建模，开展了远场冲击波作用下螺旋桨物面空化冲击动响应及毁伤特征分析，并结合螺旋桨高速旋转状态下产生的水动力空化现象，进一步分析螺旋桨瞬态毁伤特征规律。结果表明：在0°与90°攻角下，冲击波入射波作用于螺旋桨表面的物面载荷更高，但存在一个上限值，其与螺旋桨结构特征有关。在计及水动力空化状态下，桨叶的应力水平变化较为一致；桨叶主要塑性损伤区为叶根处，存在局部塑性和完全塑性两种模式。探讨了远场爆炸下螺旋桨毁伤与空化特征，研究结果可为推进轴系及螺旋桨抗冲击防护提供参考。
螺旋桨是舰船推进系统的核心部件，其运动稳定性和效率直接影响舰船的性能。当前推进轴系抗冲击研究大多将螺旋桨等效成均质圆盘，忽略其结构特征，不能准确得到水下爆炸瞬态冲击下螺旋桨的瞬态毁伤特征。本文中针对螺旋桨的结构特征，基于湿模态分析法得到实体建模优于壳体建模，开展了远场冲击波作用下螺旋桨物面空化冲击动响应及毁伤特征分析，并结合螺旋桨高速旋转状态下产生的水动力空化现象，进一步分析螺旋桨瞬态毁伤特征规律。结果表明：在0°与90°攻角下，冲击波入射波作用于螺旋桨表面的物面载荷更高，但存在一个上限值，其与螺旋桨结构特征有关。在计及水动力空化状态下，桨叶的应力水平变化较为一致；桨叶主要塑性损伤区为叶根处，存在局部塑性和完全塑性两种模式。探讨了远场爆炸下螺旋桨毁伤与空化特征，研究结果可为推进轴系及螺旋桨抗冲击防护提供参考。
2025, 45(3): 034201.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0073
摘要:
为了提高基于罚函数法的显式有限元对大变形接触-碰撞问题仿真的精确性和健壮性，基于前增量位移中心差分方法，发展了一种新的大变形接触非侵入算法。将动力方程求解步分解为不考虑接触的预估步和考虑接触的修正步，在当前时刻，采用罚函数法施加接触惩罚力，使其满足非侵入条件，从而提高显式接触计算的精确性；在仅能获得下一时刻位移的情况下，为了精确计算下一时刻的大变形内力，基于任意参考构型大变形理论，将动力学方程内力项映射到已知的参考构型求解，避免使用相关物理量的中间构型近似值，从而降低由大变形计算引入的数值误差。更严格的几何非线性算法以及接触算法可有效抑制实体间的非物理穿透和大变形碰撞过程中的单元畸变，提高计算程序的健壮性。对典型碰撞及侵彻算例进行仿真，并与商业软件的结果进行对比，验证了所发展的大变形接触-碰撞显式算法的正确性，并证明了在高速大变形碰撞仿真方面，当前接触-碰撞显式算法比基于蛙跳格式中心差分和罚函数法的经典接触-碰撞算法更加健壮。
为了提高基于罚函数法的显式有限元对大变形接触-碰撞问题仿真的精确性和健壮性，基于前增量位移中心差分方法，发展了一种新的大变形接触非侵入算法。将动力方程求解步分解为不考虑接触的预估步和考虑接触的修正步，在当前时刻，采用罚函数法施加接触惩罚力，使其满足非侵入条件，从而提高显式接触计算的精确性；在仅能获得下一时刻位移的情况下，为了精确计算下一时刻的大变形内力，基于任意参考构型大变形理论，将动力学方程内力项映射到已知的参考构型求解，避免使用相关物理量的中间构型近似值，从而降低由大变形计算引入的数值误差。更严格的几何非线性算法以及接触算法可有效抑制实体间的非物理穿透和大变形碰撞过程中的单元畸变，提高计算程序的健壮性。对典型碰撞及侵彻算例进行仿真，并与商业软件的结果进行对比，验证了所发展的大变形接触-碰撞显式算法的正确性，并证明了在高速大变形碰撞仿真方面，当前接触-碰撞显式算法比基于蛙跳格式中心差分和罚函数法的经典接触-碰撞算法更加健壮。
2025, 45(3): 035101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0150
摘要:
采用数值模拟方法开展了8 000 kJ能级被动柔性防护网的抗落石冲击分析与设计工作。首先，基于显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对典型被动柔性防护网单环和三环环链拉伸试验、网片顶破试验以及2 000 kJ能级落石冲击足尺防护网试验进行数值模拟复现，通过与网环最大破断力、破断位移和破坏特征、落石冲击全过程以及防护网钢丝绳内力时程等试验数据进行对比，验证了所采用数值模拟方法的可靠性。然后，分析了钢柱倾角、跨距、高度以及消能装置规格等参数对落石冲击下防护网动力行为的影响，结果表明：消能装置规格是控制防护网内力与位移的关键参数；钢柱倾角建议取10°；增大钢柱跨距会降低结构的面内刚度，而对横向锚固力的影响较小；增加钢柱高度会显著提升柱底支反力；改变钢柱高度和跨距需同时合理调整各钢丝绳的锚固位置。最后，通过调整防护网几何尺寸、消能装置规格和添加横向辅助支撑绳等措施给出了2种8 000 kJ能级防护网设计方案，均通过EAD 340059-00-0106标准检验。
采用数值模拟方法开展了8 000 kJ能级被动柔性防护网的抗落石冲击分析与设计工作。首先，基于显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对典型被动柔性防护网单环和三环环链拉伸试验、网片顶破试验以及2 000 kJ能级落石冲击足尺防护网试验进行数值模拟复现，通过与网环最大破断力、破断位移和破坏特征、落石冲击全过程以及防护网钢丝绳内力时程等试验数据进行对比，验证了所采用数值模拟方法的可靠性。然后，分析了钢柱倾角、跨距、高度以及消能装置规格等参数对落石冲击下防护网动力行为的影响，结果表明：消能装置规格是控制防护网内力与位移的关键参数；钢柱倾角建议取10°；增大钢柱跨距会降低结构的面内刚度，而对横向锚固力的影响较小；增加钢柱高度会显著提升柱底支反力；改变钢柱高度和跨距需同时合理调整各钢丝绳的锚固位置。最后，通过调整防护网几何尺寸、消能装置规格和添加横向辅助支撑绳等措施给出了2种8 000 kJ能级防护网设计方案，均通过EAD 340059-00-0106标准检验。
