基于SPH-FEM方法的水下近场爆炸数值模拟研究

针对结构水下近场爆炸载荷作用响应求解难点,通过改进的三维轴对称光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)计算获得近场爆炸载荷后传输给非线性有限元软件ABAQUS,利用声固耦合模型对结构响应进行时域非线性计算,形成预报水下近场爆炸载荷对结构毁伤的SPH-FEM模型,实现从药包起爆、结构大幅变形、局部撕裂直至完全剪切破坏的全过程模拟,对载荷时历曲线进行试验验证。计算背空矩形钢板在近场爆炸载荷的响应表明,数值结果与试验值吻合良好。SPH-FEM模型计算效率高、可操作性强,易推广至大型复杂结构受水下近场爆炸毁伤的分析与评估。     

水下爆炸作用的单双层圆柱壳结构冲击损伤特性研究

针对圆柱壳结构受水下爆炸载荷冲击损伤问题用双渐近方法进行研究。通过大量工况分析发现,圆柱壳结构损伤模式按产生原因可分为直接冲击损伤引起局部结构强度破坏、局部构件横向冲击失稳、壳体环向冲击失稳及鞭状运动引起壳体纵向总体失稳4种,爆距较近时气泡脉动载荷占主要成分,较远时冲击波占主要成分。     

固支方板在水下爆炸气泡射流作用下动态响应

为研究水下爆炸气泡溃灭发生射流时对水中结构的影响,借助于商用瞬态动力学有限元软件MSC. Dytran,对固支方板在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行研究。对底部爆炸和侧面爆炸两种典型情况进行计算,将气泡运动过程与试验结果进行对比分析,两者吻合较好,验证所建立方法的可行性。在此基础上,对射流发生时流场情况以及固支方板的响应特点进行分析,认为射流载荷是局部载荷,可以引起严重的局部破坏,在近场水下爆炸研究中必须予以重视。     

敷设不同覆盖层圆板结构水下抗爆响应特性

在舰船壳体湿表面敷设柔性覆盖层是一种能有效提高其抗冲击性能的方法。多孔蜂窝覆盖层受爆炸冲击波载荷作用后胞元孔壁易于压溃,有效地分散冲击波能量,大幅度减少响应前期阶段的入射冲量,屈曲变形会吸收大量能量。水下爆炸试对于揭示模型的抗冲击机理起着重要的作用。总结对敷设不同覆盖层-圆板结构的水下爆炸响应特性的试验研究。考察有无柔性覆盖层对结构响应的影响,同时解释水下冲击波、气泡对柔性覆盖层的作用过程及覆盖层的抗冲机理。     

水下爆炸载荷作用下加肋圆柱壳应变响应研究

采用加肋圆柱壳结构模型模拟潜艇结构,对其在水下爆炸冲击载荷作用下的响应过程进行试验研究。结果表明:采用应变测量的方法对结构进行模态分析是可行的;受附连水质量的影响,加肋圆柱壳结构的低阶湿模态频率较干模态频率显著下降;在爆炸载荷作用下,距离爆炸点越近结构承受的冲击作用越严重,越容易产生塑性破坏;应变的最大响应是冲击波载荷和一次脉动压力载荷共同作用的结果,第二次脉动压力对结构的动态应变响应贡献不明显。     

典型舰船舱室水下爆炸响应特性

以典型舰船舱室结构为目标,研究炸药水下爆炸载荷输出特征和舱室结构的动态响应特性。给出舱室水下爆炸实验的试验装置、测点布设,测量炸药水下爆炸的自由场载荷和舱室所受载荷,分析舱室所受爆炸载荷的作用特征,研究舱室结构在水下爆炸作用下的响应特征,并讨论药量、爆心距对舱室结构动态响应的影响。该研究可以为反舰导弹作用下舰船目标易损性评估提供技术支持,也可为舰船目标防护提供理论参考。     

水下爆炸载荷作用下细长体圆柱壳结构鞭状响应

采用2阶DAA流固解耦技术,对水下爆炸载荷作用下细长体圆柱壳结构的鞭状响应进行分析研究。经模型试验验证后,对细长体圆柱壳梁模型随不同药包爆炸方位、不同爆距及不同低频振动频率耦合程度变化时的鞭状响应进行计算,揭示圆柱壳梁模型在水下爆炸载荷作用下的总体低频运动特性及鞭状响应规律,为研究细长体圆柱壳结构在水下爆炸载荷作用下的鞭状效应总体损伤提供试验基础及理论方法。     

水下爆炸气泡载荷在加筋板塑性变形中的作用

水下爆炸产生的冲击波载荷和气泡载荷都会对水中结构产生毁伤作用。为研究水下爆炸气泡载荷在加筋板塑性变形挠度中所占的比例,利用通用有限元软件Abaqus/Explicit对加筋板模型在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行了一系列数值仿真。载荷计算采用了Geers-Hunter模型,材料本构采用了Johnson-Cook模型,将部分计算工况与试验结果比较,两者吻合较好。通过分析计算结果可以看出在气泡载荷在加筋板塑性变形中的比重主要受爆距影响,爆距越小,所起的作用越大。所以,在水下近场爆炸计算中,气泡载荷引起的塑性变形不容忽视。     

水下爆炸作用下潜艇冲击环境影响因素研究

潜艇结构在其生命周期内不可避免会遭受水下爆炸冲击载荷作用,水下爆炸载荷引起的潜艇板架结构冲击响应往往是引起舰载设备破坏的主要因素,为保证潜艇结构安全性和舰载设备正常使用,有必要对潜艇设备冲击环境进行深入研究。潜艇在水下爆炸载荷作用下冲击环境计算涉及到攻角、炸药类型、冲击因子、水深以及舰载设备安装位置等多方面因素影响。采用数值仿真方法,对影响潜艇设备冲击环境的多方面因素分别进行研究,为潜艇结构抗冲击设计提供参考。     

不同攻角舰船结构动态响应的数值模拟

运用通用有限元分析软件ABAQUS对某型舰进行全船冲击响应数值模拟,分析水下爆炸攻角对舰船结构动态响应的影响,并得出以下结论:水下爆炸载荷作用下舰船结构响应具有局部性,船体的受冲击范围和强度随爆炸攻角的增大而减小;在研究舰船冲击环境时,攻角在30°～60°范围内的测点应该多取;舰船外底板中心部位节点的垂向加速度峰值随爆炸攻角的增大而减小,且加速度响应的衰减速度随爆炸攻角的增大而下降。     

油垫可倾式静动压混合支承摩擦副变形

液体静压支承在高速重载工况下运行时,由于强挤压和高速剪切联合作用,微间隙油膜温度和油腔压力分布不均匀,导致静压支承摩擦副发生热固耦合变形,影响液体静压支承的承载能力和高精度稳定运行。为了解决该难题,提出一种新型油垫可倾式静压支承结构,其运行过程中可实现任意方向微摆,产生附加动压,形成静动压混合支承,达到高速重载工况条件下静压支承高精度稳定运行的目的。依据流热固耦合理论,采用ANSYS Workbench对支承摩擦副变形进行流热固耦合分析,探讨承载0 t~32 t极端工况条件下旋转工作台、可倾油垫和底座的流热固耦合变形规律。提取变形数据,并经MATLAB编程处理后得到摩擦副变形关系,发现油腔外侧封油边边角处变形最大,此处间隙油膜最薄,最易发生摩擦学失效,成果为进一步控制摩擦副变形和摩擦学失效机理研究提供新方法。     

张弦双向网格型单层柱面网壳稳定性及可靠度分析

在双向网格型单层柱面网壳面外布置弦杆和拉索形成张弦结构体系,有效地增强了结构的承载能力。该文针对40 m、50 m、60 m跨度网壳,分析了网壳随预应力、矢跨比、初始缺陷以及拉索强度等参数变化对结构静力稳定性能的影响,并结合100 m和120 m大跨度网壳算例,论证了该结构体系的实用性。基于ANSYS和MATLAB响应面法,分析了网壳在承载力失效和变形失效两种失效形式下的的可靠度,获得了失效概率、可靠指标及其灵敏度和相关性。结果表明,布置弦杆和拉索后结构稳定承载力最大可提高744%。100 m跨度网壳的稳定承载力的失效概率为1.026 54×10?1,其可靠度相对较低。跨度小于60 m网壳的稳定承载力和变形的失效概率极小。网壳中拉索强度是影响结构稳定承载力的主要因素,大跨度网壳中拉索的影响相对减弱。拉索强度及弦杆内、外径对结构变形均产生一定影响。     

Residual stress prediction in submerged arc welded spiral pipes

Submerged arc welding (SAW) is generally the preferred method for joining the seam edges of large diameter spiral pipes. The quality control of the welded pipes usually consists of a hydrostatic test in which water is pumped into the pipe. High pressure hydrostatic tests can moderate tensile residual stress caused by the welding process.In this paper, three-dimensional finite element (FE) simulations of double SAW and hydrostatic test processes of spirally welded pipes are carried out in two simulation steps using the ANSYS commercial software. In the first step, i.e., welding, a new method, namely, unfurl-mapping (UM) is introduced to overcome the geometrical difficulties of defining the Goldak double ellipsoidal heat source of the welding process. UM virtually opens the pipe into a flat surface, and therefore, the spiral seam is mapped to a straight line. To discretize the pipe, fine brick elements are utilized for meshing the main computational zone. The rest of the model is meshed by coarse shell elements by applying the multi-point constraint technique. This non-uniform mesh structure reduces the computational requirements significantly and provides the ability to simulate the entire pipe. Therefore, in the second step, the hydrostatic test is easily simulated by defining a ramped internal pressure. The method is validated using hole drilling measurements performed before and after hydrostatic test for this research. It is observed that obtained results from the FE simulations are in good agreement with the experimental measurements.     

Experimental research on dynamic mechanical properties of PZT ceramic under hydrostatic pressure

An experimental technique for initially applied hydrostatic pressure in specimens subjected to axial impact has been developed to study the dynamic mechanical properties of materials. The technique was employed for the purpose of examining the dynamic mechanical properties of lead zirconate titanate (PZT) at zero to 15 MPa hydrostatic pressures. Experimental results unambiguously exhibit the ductile behavior of PZT when hydrostatic pressure is involved. The compressive strength is demonstrated sensitive to the initial hydrostatic pressure and the strain-rate. The fracture modes are analyzed by means of scanning electron microscopy (SEM). Moreover, a failure criterion based on Mohr-Coulomb failure theory is suggested to explain the brittle and ductile failure of PZT.     

On the architecture and function of cuttlefish bone

The internal shell of the cuttlefish, which acts as a rigid buoyancy tank, is structured to combine high compressive strength — since it must withstand the external hydrostatic pressure — with minimum weighT. The micro-architecture of cuttlebone has been examined by electron microscopy and the relevance of the structure to the mechanical duties required of the shellin vivo are briefly discussed. The inorganic calcareous structure is associated with an organic component which may act as a template for mineralization.     

一起低温液体贮槽制造过程爆裂事故分析

通过一起固定式低温绝热液体贮槽夹层气压试验时内壳发生失稳变形 ,导致外壳爆裂的事故原因分析 ,证明此类容器在制造过程应严格控制内壳的成型尺寸和焊缝残余应力 ,并加强对夹层气压试验、抽真空检漏的工艺程序监控。     

The buckling of FGM truncated conical shells subjected to combined axial tension and hydrostatic pressure

The purpose of this paper is to investigate the elastic buckling of FGM truncated thin conical shells under combined axial tension and hydrostatic pressure. Here axial tensions are separately applied to small and large bases of the truncated conical shell, respectively. It is assumed that the cone is a mixture of metal and ceramic, and that its properties changes as the power and exponential functions of the shell thickness. After giving the fundamental relations, the stability and compatibility equations of an FGM truncated conical shell, subject to combined axial tension and hydrostatic pressure, have been derived. Applying Galerkin’s method general formulas have been obtained for the critical combined and separate loads of FGM conical shells. The appropriate formulas for homogenous and FGM cylindrical shells are found as a special case. Effects of changing shell characteristics, material composition and volume fraction of constituent materials on the critical combined and separate loads of FGM shells with simply supported edges are also investigated. The results obtained for homogeneous cases are compared with their counterparts in the literature.     

静压支承摩擦副变形流热力耦合求解与实验

摩擦副变形对静压支承摩擦学性能有显著影响,不均匀变形会引起润滑油膜破裂和干摩擦,严重时导致静压支承摩擦失效。针对环形缝隙节流静压支承,运用计算流体动力学、弹性理论和有限元法对静压支承摩擦副变形进行流热力耦合求解,得到了旋转速度和工作台自重对支承摩擦副变形的影响规律和摩擦失效机理。并进行了实验验证,数值模拟结果和实验值吻合较好,验证了数值模拟方法的正确性。研究结果表明:随着旋转工作台转速增加,间隙油膜温度升高,热变形增大。工作台自重产生摩擦副的弹性变形对热变形有均匀化作用,但其挤压效应会加大热变形,造成工作台和底座的变形为内边靠近外部开口的喇叭状。工况继续恶劣,润滑油黏度急剧下降,局部油膜迅速变薄,出现干摩擦润滑,导致静压支承摩擦失效。     

两端用圆板封口的环肋柱壳振动声辐射性能分析

研究两端用圆板封口的环肋圆柱壳结构在流场中的振动声辐射特性,着重分析了由环肋圆柱壳和端部圆板所围空腔的内部声场对整个系统结构振动和声辐射的影响.基于扩展的Rayleigh-Ritz法,利用Hamilton变分原理推导出圆柱壳与圆板的耦合振动方程.考虑了静水压力的影响,环肋圆柱壳与端部圆板之间采用二自由度弹簧模拟弹性连接的等效刚度.环肋圆柱壳声辐射的研究中,用Helmholtz波动方程和流固交界面上的速度相容条件求得壳体表面辐射声压的表达式,该表达式对有限长圆柱壳进行Fourier积分变换得到壳体外表面辐射声压的解;用Green函数法来求解环肋圆柱壳和端板所围空腔的内部压力场.     

复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析

对完整复合材料圆柱壳轴向压缩性能进行了试验研究,得到了圆柱壳结构的破坏载荷和各测量点的载荷-应变曲线,通过分析得出结构的破坏形式为屈曲破坏。利用ANSYS有限元软件建立了模型,对复合材料圆柱壳进行屈曲分析,将有限元计算的结构变形和屈曲载荷与试验结果进行对比,计算结果与试验结果一致,验证了模型的有效性。利用建立的有限元模型,分析了开口尺寸和铺层角度对含矩形开口的复合材料圆柱壳屈曲载荷的影响。在开口处加装复合材料口盖对结构进行补强,补强后的柱壳结构满足强度设计要求。