基于火药燃气压力空间变化的火炮发射动力学研究

针对身管振动对弹丸内弹道时期运动形态的激励作用,建立以振动理论为基础的弹丸与身管相互耦合问题的有限元动力学模型。通过用户自定义子程序实现了模块装药下弹丸膛内运动与火药燃烧规律相互关联的动力学过程,并实现了火药燃气压力作用于身管内壁并随弹丸运动而变化的荷载条件,解决了以往燃气压力径向效应加载不准甚至无法加载的问题,得到了在相同射击条件下试验测试数据和仿真计算结果的对比曲线,以及不同数值模拟环境下身管动力学时程曲线。结果表明该非线性动力学模型更能反映火炮实际发射环境,可以较真实地再现身管结构动力学响应过程,为火炮设计以及故障分析提供了更接近实际的参考数据。     

弹带挤进过程内弹道特性研究

将弹带应变能和摩擦耗散能引入到经典的内弹道能量平衡方程。考虑药室锥度计算膛内火药气体压力的分布规律,得到弹丸起始运动内弹道方程,并将其解作为力边界条件,利用显式方法对三维弹带挤进过程进行热力耦合计算;同时,采用改进库伦模型,考虑温度对摩擦力的影响计算弹带身管之间的摩擦力。分析了典型火炮挤进过程中挤进阻力、膛压以及弹丸速度的变化规律,对火炮设计、射击精度提供了有效的参考。     

快速液压冲击试验台研究

针对矿山岩体力学研究及防冲支护装备、吸能结构承载能力研究中,缺少静载荷和动力载荷复合加载试验设备的问题,提出一种高压快速冲击试验台。该试验台采用液压加载方式,可以对不同结构的被试件进行冲击拉伸和冲击压缩试验。分析了试验台的结构组成及工作原理,阐述了试验台的静态加载、冲击动态加载、静-动复合加载三种加载方式,通过AMEsim软件分析了试验台的响应特性,并用ABAQUSE软件对试验台架进行了有限元分析。样机试制成功后,分别对锚杆等被试件进行了试验研究,结果表明,该试验台的三种加载方式可行,加载系统提供的加载力能够很好的模拟被试件实际工况。该试验台的研制为防冲支护装备的动态特性研究提供了平台,为进一步研究超高能级液压冲击试验台奠定基础。     

公铁两用隧道动态响应的并行计算分析

具有复杂结构和多种用途的隧道正受到广泛运用。为了分析隧道结构在多种载荷下的响应特性,在LS-DYNA环境下,建立了列车-隧道-土体的动力耦合三维有限元计算模型,采用基于负载均衡的并行计算技术,解决了该大规模非线性有限元模型的求解难题。结果表明：运用动力松弛法加载静应力场可以取得较好的效果;加载静应力场时,隧道与土体接触计算更准确,且应力响应分布规律不同;列车及公路车辆载荷的影响远大于轨道不平度的影响,隧道衬砌在公路车道准静态载荷下的垂向位移约1.15mm,在列车动载荷作用引起的垂向位移峰值约0.8mm;基于接触负载均衡的并行计算方法提高了约15%的计算效率,而对于CPU数量的选择,需要综合考虑模型的规模和空间拓扑结构。     

铝合金薄板的铣削动力响应特性仿真与实验研究

铣削加工时铣削力周期性变化,引起的工件动态应力和应变对残余应力及振动有重要影响,明确铣削过程中的动力响应规律可以有效调控残余应力的产生与再分布。以铝合金工件为例,基于ABAQUS仿真软件建立了三维动态铣削仿真模型,获得了不同铣削时刻工件应力场的分布规律,分析了铣削不同位置时工件的动力响应特性。通过铣削实验测量了工件的动态应变和铣削力,并分析了加载频率对动力响应的影响。结果表明:铣削加工边缘时更易出现应力波峰和应力集中现象;不同加载频率下应变的波动频率恒定为267 Hz,应变波动的最大范围为40με;工件的动力响应与铣削位置紧密相关。     

圆锥薄壳体瞬态动力响应分析

运用有限元分析软件ANSYS／LS-DYNA对在余弦脉冲载荷作用下某圆锥薄壳体的瞬态动力响应过程进行分析，得出了不同时刻下壳体等效应力场的分布，考察了该壳体结构的动强度性能。同时通过对一些典型节点位移、速度和应力响应曲线的分析，归纳总结出了在余弦脉冲加载条件下圆锥薄壳体瞬态响应的规律，对该壳体的结构设计和改型提出了合理化建议，并定性地分析了该脉冲加载对壳体内部电子设备的影响。最后，将理论计算和试验结果进行对比分析，验证了计算模型的正确性。     

循环载荷下层间界面反平面剪切破坏的解析解:2.再加载及综合响应分析

本研究利用“剪切梁”模型,研究了在定常侧压力和周期性的反平面剪切载荷共同作用下,层间界面的破坏规律。本文为本研究的第二部分。对应一个完整的载荷周期,解析地给出了界面层上剪应力及位移场在再加载过程中的分布规律及演化规律。计算结果表明,由于裂纹前方损伤过程区的存在,当再加载过程不能覆盖卸载过程造成的损伤区时,会产生新的“应力锁死”现象。文末对结构整体的载荷－位移行为的分析,揭示了周期载荷作用下的两种结构响应模式：１）　接触塑性安定;２）　增量破坏。     

循环荷下层间界面反平面剪切破坏的解析解：2.再加载及综合响应分析

本研究利用“剪切梁”模型,研究了在定常侧压力和周期性的反平面剪切载荷共同作用下,层间界面的破坏规律。本文为本研究的第二部分。对应一个完整的载荷周期,解析地给出了界面层上剪应力及位移场在再加载过程中的分布规律及演化规律。计算结果表明,由于裂纹前方损伤过程区的存在,当再加载过程不能覆盖卸载过程造成的损伤区时,会产生新的“应力锁死”现象。文末对结构整体的载荷-位移行为的分析,揭示了周期载荷作用下的两种结构响应模式：1)接触塑性安定：2)增量破坏。     

基于有限元与光滑粒子耦合的弹丸挤进过程分析

基于有限元（FEM）与光滑粒子（SPH）耦合算法,建立弹丸身管耦合系统动力学模型。通过对某大口径火炮弹丸挤进过程进行数值模拟,弥补弹丸挤进过程有限元分析方法无法有效模拟弹带大变形缺陷,成功模拟出弹丸挤进阶段弹带塑性流动过程,在此基础上深入研究弹带的应力应变变化规律。分析弹丸初始装填角、弹炮间隙、弹丸装填不到位等因素对挤进过程中弹丸动力响应影响。结果表明,仿真与实弹射击的弹带变形一致性较好。     

不同冲击载荷下水中砼破坏机理的初步研究

在水中爆炸冲击载荷的作用下,混凝土的动态响应和破坏模型与在地面上有很大的不同,加载应用率大小和作用历史对混凝土破坏历程有着更复杂的影响,冲击超压不是决定发生破坏的唯一因素,对此采用不同种类炸药,进行不同压力峰值和作用历史的爆炸载荷冲击实验,并初步提出了水中混凝土的动态破坏模型,给出了混凝土材料的临界破坏条件。     

重载铁路路基足尺模型试验研究

以朔黄重载铁路为工程背景,通过构建重载列车模拟加载系统和路基足尺模型,开展路基动力响应试验,分析了在循环加载条件下路基的动力响应特性。试验结果表明,路基中不同深度动应力峰值均随着轴重的增加而增加,轴重越大,动应力的影响深度越大,路基中动应力随深度的增加呈负指数衰减趋势。路肩处动位移峰值随轴重的增加而线性增加。当轴重增加到30 t后,路基达到临界破坏状态,可见按照原朔黄铁路路基建造标准,其最大运行列车轴重约为27 t,如再增加列车轴重,路基需预先采取强化措施。试验结果对建造运行列车模拟加载系统及足尺路基模型具有借鉴参考意义,同时有助于深刻理解列车轴重对路基动力响应特性的影响。     

冲击荷载作用下岩石破碎分形特征

为探究冲击荷载作用下岩石破碎分形特征,选取花岗岩和砂岩开展分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动力学试验,得到了不同应变率下岩石的应力-应变曲线、破碎特性、强度参数和能量参数;利用标准筛对破碎后的岩块进行筛分,获取了岩石破碎块度分布曲线,并基于碎块粒径分布的质量分形模型计算出分形维数D;最后分析了分形维数与加载参数、破碎特性和耗能特性之间的关系。结果表明,岩石在冲击荷载作用下的破碎块度分布符合分形规律;动态抗压强度随应变率增大而增大,两者满足乘幂函数关系;加载过程中岩石应变率越大,岩石破碎程度越深,分形维数越大;分形维数与岩石破碎耗能密度之间满足乘幂函数关系。采用分形维数可实现对岩石在冲击荷载作用下的破碎特性、力学特性和破碎耗能特性的定量研究。     

倾斜荷载下内凹三角形负泊松比材料的面内冲击动力学性能

倾斜荷载在汽车碰撞事故中无法避免,严重影响多胞材料的力学响应。以内凹三角形负泊松比材料为研究对象,通过显式动力有限元软件LS-DYNA具体分析了冲击倾角(0°~10°)与冲击速度(20~70 m/s)对内凹三角形负泊松比材料面内冲击的变形模态和动力响应的影响,并构造了完整的变形模式分类图。引入最佳承载角的概念,当冲击倾角β=4°时,诱发了稳定有序的变形模式,使得抵抗变形的形式主要以结构胞壁的压缩与弯曲为主,平台应力值与吸能值得到了较大的提升,进一步发挥了结构的抗承载能力,甚至超过了理想的轴向冲击工况。这一特征与六边形蜂窝结构有所不同,对汽车吸能构件的设计具有重要的指导意义。     

模块面板式土工格栅加筋土挡墙动态特性试验研究

为了研究模块面板式土工格栅加筋土挡墙在高速铁路列车荷载作用下的动力响应规律,分析其作用机理,结合室内模型试验进行了包括加筋土挡墙墙面变形、墙体加速度、动土压力、残余土压力及土工格栅拉伸应变等分布规律的研究。结果表明：墙面累积水平位移沿墙高呈单峰值分布,最大值位置靠近墙顶;挡墙内竖向加速度受频率影响较大,8 Hz时加速度出现大幅增长,加筋体内加速度沿墙高出现衰减;动土压力主要受荷载幅值及加载次数的影响,在加筋体内沿墙高逐渐衰减,垂直动土压力的衰减速率逐渐增加,水平动土压力的衰减速率逐渐减小;随加载次数的增加,残余土压力逐渐增大,沿墙高墙体中部的残余土压力稍大;筋材累积应变随加载次数的增加略微减小,沿筋长呈单峰值分布,峰值位置距墙脚水平距离从高到低逐渐减小。     

含焊接残余应力的结构模型参数修正研究

提出考虑焊接残余应力的结构模型参数修正方法。在预应力分布模型基础上建立含焊接残余应力的结构刚度矩阵方程,分析了焊接残余应力对结构刚度及结构振动特性的影响;以消除焊接残余应力对数值计算规模和计算精度的影响为目标。应用结构优化算法,以结构固有频率残差最小化为目标,开展有限元模型的结构参数修正研究;最后,以圆柱壳结构为例,实施基于结构模型参数修正的优化计算,验证方法的可行性。     

高速铁路路基模型列车振动荷载模拟

针对高速铁路轨道-路基实尺试验模型提出了列车振动荷载模拟装置,该装置由反力架、作动器及分配梁等组成。参照实尺模型,建立了轨道-路基三维有限元数值模型,以运行速度为350km/h的CRH380型动车组、CRTSⅡ型无砟轨道为研究对象,计算并分析了列车移动荷载加载和作动器加载时路基的竖向动应力和竖向动位移,结果表明采用作动器联动加载可较好地模拟列车动力荷载。为获得动力加载时程曲线,采用数值模型建立相邻车厢的两个相邻转向架经过轨道时扣件点反力时程曲线,结合分配梁体系的传力特性和MTS伺服加载试验机对输入时程曲线的要求,通过对扣件点反力时程曲线进行叠加和傅里叶变换得到了作动器的输入时程曲线。     

Residual strength prediction of composite materials: Random spectrum loading

The goal of this project is to identify if and how load order impacts residual strength in an E-glass/vinyl ester composite laminate subjected to variable amplitude fatigue loading. This paper presents results for constant amplitude loading data which, are used to fit parameters for a phenomenological model that can then applied to the spectrum loading cases. The residual strength distribution shape, in addition to median values, is modeled using Weibull statistics. Three cases are run experimentally and modeled for a 735,641 cycle spectrum containing 22 stress levels. The first two are ordered block loading, from highest stress to lowest and from lowest stress to the highest. In both cases, the model predicts the resulting residual strength distribution very accurately. A final case where the entire spectrum was randomized produced unexpected results with every specimen failing after 200,000-400,000 cycles while the model predicts identical residual strength when compared with the block loading case. This work points to a dire need for focus on developing a better understanding of load order impacts in design of composite structures based on constant amplitude fatigue tests.     

近场爆炸时斜拉索抗爆性能分析

In order to study dynamic response of a stay cable of cable-stayed bridges under blast loading, based on the basic blast theory, the anti-explosion performance of the cable under near field blast loading was analyzed.Stress and damage of the cable were analyzed, and further the parametric analyses for different scaled distances were performed.Results showed that under near field blast load, fracture does not appear on the cable, and its failure mode presents a failure caused by its stress exceeding yield one;its weakest position is the cable-girder anchorage zone where the stress of the cable is larger than that of the cable near explosion point due to reflection of blast wave; the safe scaled distance to keep the cable from failure is 0.287 m/kg1/3,if the scaled distance is larger than this critical scaled distance, the cable can’t fail.     

动载荷激励下板壳结构加筋自适应成长方法

自适应成长法是基于自然界分支系统形态形成机理的一种高效结构拓扑优化设计方法。通过引入等效静态载荷法理论,运用自适应成长法解决板壳加筋结构在承受动载荷激励下的动态响应拓扑优化设计问题。根据板壳结构所受的动载荷边界条件,构建以动柔度为目标的优化数学模型,推导迭代公式,使板壳结构的加强筋从"种子"开始,沿着使结构最佳力学性能方向成长,从而形成最优加强筋分布形态。研究在简谐载荷和冲击载荷作用下的板壳结构加强筋设计例,并与静态载荷作用下的设计结果进行比较。研究结果表明,板壳结构在动态载荷作用下,其主加强筋布局形态和在静态载荷作用下相同,但在靠近载荷作用点附近出现与主加强筋平行的截面积较小的加强筋,以增加抵抗动态载荷的作用;而冲击载荷作用下的加强筋与一般简谐载荷作用下的加强筋相比,多出一层较复杂的框型筋板抵抗瞬时冲击力。