爆炸荷载对天然气管道(空管)的破坏作用研究

利用有限元计算软件ANSYS/LSDYNA中的ALE算法对爆炸荷载作用下天然气管道(空管)的破坏情况进行了数值模拟,分析了爆炸荷载下管道的变形情况、管道破坏过程以及管道内部应变的发展过程.最后与实验结果进行了比较.结果表明:误差在允许的范围内,ALE算法能够很好地模拟管道的破坏变形情况.     

基于不同算法的Ti/SS316爆炸焊接数值模拟研究

目的 研究不同基复板间隙对爆炸焊接质量的影响,对钛(Ti)/不锈钢(SS316)的爆炸焊接过程进行数值模拟研究。方法 利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,结合光滑粒子流体动力学-有限元耦合法(SPH-FEM耦合算法)和拉格朗日-欧拉耦合法(ALE算法),对钛(Ti)/不锈钢(SS316)爆炸焊接过程进行三维数值模拟,通过不同算法得到不同基复板间隙下的碰撞速度、碰撞压力及碰撞角,并将模拟结果与试验及理论计算结果进行对比。结果 当间隙为5、10、15 mm时,SPH-FEM耦合算法和ALE算法的复板碰撞速度均落在爆炸焊接窗口内,表明纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)均能成功实现焊接,没有脱落与鼓包。与SPH-FEM耦合算法相比,ALE算法下的碰撞速度、碰撞压力和碰撞角的模拟结果和理论计算结果更加吻合,可信度更高。结论 ALE算法的模拟结果与试验结果吻合,且与理论计算结果的误差更小,表明ALE算法用于纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)爆炸焊接是有效的。     

舰载超近程反导弹药冲击引爆战斗部的研究

建立了舰载超近程反导智能弹药毁伤元撞击反舰导弹战斗部的理论模型和有限元模型,计算了不同速度下舰载超近程反导智能弹药毁伤元冲击引爆反舰导弹战斗部的可能性,然后利用有限元方法进行了仿真计算,仿真结果与理论分析吻合较好。研究结果表明:当毁伤元材料采用93#钨、速度大于1.80km/s时,撞击产生的冲击波压力理论计算值和数值模拟结果均大于5.63GPa,说明舰载超近程反导智能弹药毁伤元的高速撞击可以引爆加装Comp.B炸药的反舰导弹战斗部。     

舰载超近程反导弹药冲击引爆战斗部的研究

建立了舰载超近程反导智能弹药毁伤元撞击反舰导弹战斗部的理论模型和有限元模型,计算了不同速度下舰载超近程反导智能弹药毁伤元冲击引爆反舰导弹战斗部的可能性,然后利用有限元方法进行了仿真计算,仿真结果与理论分析吻合较好。研究结果表明:当毁伤元材料采用93#钨、速度大于1.80km/s时,撞击产生的冲击波压力理论计算值和数值模拟结果均大于5.63GPa,说明舰载超近程反导智能弹药毁伤元的高速撞击可以引爆加装Comp.B炸药的反舰导弹战斗部。     

典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究EI北大核心CSCD

设计满足鸟撞适航条款要求的飞机薄壁结构,必须进行典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究。对某飞机机头上壁板薄壁结构进行了鸟撞试验,并采用光滑粒子流体动力学-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM),基于商用显式有限元分析软件PAM-CRASH,建立了鸟撞上壁板薄壁结构数值计算模型。计算结果表明,上壁板结构损伤模式主要包括蒙皮撕裂和铆钉断裂,计算结果与试验结果良好的一致性验证了该数值计算模型及方法的合理性。在此基础上,建立了鸟撞典型薄壁结构数值计算模型,研究了鸟弹不同撞击角度和速度下典型薄壁结构蒙皮极限厚度值,结果表明,随着撞击速度的增大,蒙皮极限厚度的变化对撞击角度十分敏感。拟合了典型薄壁结构蒙皮极限厚度与鸟弹撞击角度和速度之间的数学关系,为飞机薄壁结构抗鸟撞设计提供技术支撑。     

驳船撞击作用下双柱式桥梁的动力行为分析

桥梁结构在其服役期内可能受到偶然性船舶撞击的威胁。针对双柱式桥梁在驳船撞击作用下的动态响应和损伤破坏，开展了下部结构缩比模型试验和数值仿真研究。分别进行了1∶5缩尺驳船船艏和刚性体侧向撞击双柱式桥墩(double-column RC bridge pier, DCBP)模型试验，获取了撞击力时程、船艏压溃深度和桥墩的动力行为；基于LS-DYNA有限元分析软件，开展试验的数值仿真，通过对比预测结果与试验数据，验证了采用的数值模拟方法、材料模型和参数的适用性；分别建立了精细化和简化的原型驳船-桥梁撞击有限元模型，对比验证了采用纤维梁单元表征桩的简化模型的可靠性，并对驳船-桥梁撞击过程，以及驳船质量、撞击速度和角度对桥梁动力行为的影响进行了讨论。结果表明：相同撞击能量下，撞击速度对驳船船艏的永久压溃深度影响更为显著；撞击角度对撞击持时和桥梁动力行为影响更大，增加了桥梁整体倒塌风险。该研究可为双柱式桥梁抗驳船撞击评估与设计提供一定参考。     

子弹药落地冲击响应的数值模拟及实验验证

采用数值模方法开展了子弹药以不同落角和攻角撞击混凝土介质的冲击响应的研究,对一定质量、速度的子弹撞击混凝土介质进行仿真计算和实验验证。获得了子弹在落速15m/s、落角60~90°和攻角不大于5°范围内撞击混凝土介质冲击峰值过载和碰撞作用时间的影响规律。数值模拟结果与实验结果吻合较好,研究结果对子弹落地冲击响应理论模型的建立及子弹结构部件的结构强度设计具有参考价值。     

船撞设计冲击谱研究

针对桥梁船撞设计规范中所用等效静力法忽略船桥碰撞动力本质及有限元数值模拟方法要求高、计算量大等缺点,借鉴地震反应谱概念提出船撞设计冲击谱方法。用有限元模拟不同吨位船舶在不同速度下撞击刚性墙,获得81条撞击力时程。计算不同周期、不同阻尼比单自由度体系在撞击力时程作用下位移放大系数。通过寻找位移放大系数统计规律,给出用于桥梁船撞工程设计冲击谱及具体使用步骤。     

7A04-T6高强铝合金板对平头杆弹抗侵彻行为的试验与数值模拟研究

为了解高强铝合金对动能杆的抗侵彻性能,在一级轻气炮上开展了直径5.98 mm的平头刚性弹侵彻6mm厚7A04-T6铝合金靶板的打靶试验,撞击速度范围为73.9~446.5 m/s。获得了弹体贯穿靶板后的剩余速度以及靶板的断裂行为,通过拟合初始-剩余速度数据得到了弹道极限。同时,在ABAQUS/Explicit中建立了三维有限元模型对打靶试验进行了数值计算,7A04-T6的力学行为通过Johnson-Cook本构模型和修正的Johnson-Cook断裂准则描述。试验结果表明,7A04-T6高强铝合金靶板在平头弹撞击下发生剪切冲塞,塞块表面有明显裂纹产生,弹道极限为156.0 m/s,剪切冲塞可在撞击速度不低于约0.90倍弹道极限时形成。数值仿真发现,有限元计算可成功再现靶板的剪切冲塞及冲塞表面的断裂;预报的弹道极限为168.8 m/s,比试验结果高约9%;撞击速度不低于0.92倍弹道极限时靶板发生剪切冲塞破坏,与试验结果十分接近。     

射孔弹聚能射流侵彻钢靶的数值仿真与实验分析

应用ANSYS/LS-DYNA3D显式非线性有限元软件,采用ALE多物质算法对某型石油射孔弹装药结构下聚能射流形成、侵彻钢靶过程进行了数值模拟及分析,并与实验数据作了对比。结果表明,数值仿真与实验结果均值间的穿深误差为8.31%,孔径误差为15.16%,这完全满足设计需要,为今后数值计算在射孔弹装药结构优化设计方面的应用提供了参考依据。     

船舶-自升式海洋平台碰撞相似率研究

海洋平台作为海洋能源勘探开发的主要组成部分,是海洋油气探井、钻井、开采的主要作业基地。船舶碰撞致使平台结构损伤破坏一直是威胁海洋平台安全的主要因素之一,开展海洋平台碰撞性能研究,揭示平台结构在碰撞过程中的损伤变形机理,对提升平台安全性具有重要意义。评估平台结构耐撞性能最可靠的方法是实船碰撞试验,然而因其耗资巨大而不易开展。按一定相似关系进行比例模型试验成为现实条件下的首选。本文基于相似第二定理,运用量纲分析法推导船舶-自升式海洋平台碰撞过程中各物理量的相似关系,为平台碰撞模型试验的开展及试验参数的确定提供重要依据。结合有限元仿真技术,以平台典型的T型和K型管节点为研究对象,建立不同缩尺比下的简化碰撞模型,比较验证相似理论的可靠性。研究结果表明,缩尺模型在碰撞冲击载荷下的结构损伤变形、碰撞力和能量吸收等动态响应与实尺度模型结果一致性较好。本文研究成果可以为大型平台结构碰撞模型试验设计提供技术支撑。     

船-桥梁浮式钢套箱碰撞数值模拟中的流场处理方法对比研究

本文采用Ansys/Ls-dyna对1000吨级船舶与浮式桥梁钢套箱的碰撞过程进行了数值仿真,为了较精确地分析流场处理方法对于数值计算结果的影响,分别采用了流固耦合方法和附加质量系数法来模拟碰撞过程中流场的作用,并对比分析了两种方法下浮式钢套箱的碰撞力、撞深、竖向位移、内能变化等计算结果。研究结果表明,与采用附加质量系数法的结果相比,考虑流固耦合时防撞钢套箱的最大撞深较小而最大撞击力较大,且随着碰撞能量的增加,最大撞击力明显大于采用附加质量系数法的结果。因此对于桥梁的防撞钢套箱设计,常规附加质量系数法偏于危险,有必要用流固耦合方法来考虑流场的作用。另外,船体的撞击能量越大时,浮式钢套箱的竖向位移约束也越重要,可以通过设计浮式钢套箱的压载水,减小钢套箱在碰撞过程中的竖向位移,以提高其吸能效果。     

无风环境下振动薄平板断面的非线性气动效应研究

基于随机拉格朗日-欧拉(ALE)法和弱耦合方法,建立了断面风振响应计算的数值模型。提出了无风环境下振动断面的气动力数学表达式,模拟了薄平板断面在无风环境下的自由振动响应,进而计算了断面的非线性振动频率和阻尼比。结果表明:提出的气动力模型能够有效的描述无风环境下作用在振动断面上的非定常气动力;无风环境下振动中的主梁断面,竖向振动比扭转振动对周围空气的干扰作用更大;若忽略无风环境下的气动效应,将会带来一定的误差;初始激励对无风环境下主梁断面的气动效应有较大的影响。     

高层建筑顶部横梁的风效应

结合CFD数值方法和风洞试验分析了高层建筑顶部横梁的气动力和风荷载特性。CFD数值结果显示建筑顶部绕流会显著增大横梁处的气流风攻角;横梁气动力的数值计算结果和风洞试验结果均证实横梁为驰振稳定截面;风振分析显示横梁的峰值升力大于峰值阻力,通过进一步分析广义力功率谱密度函数和频率比对峰值升力的影响,证实横梁在50年重现期强风作用下处于涡激共振状态。     

两类船-桥碰撞力差异及桥梁结构响应分析

 船桥碰撞是跨航道桥梁需考虑的重要问题。本文以美国AAHSTO规范推荐两类船舶为例,研究了驳船和散装货轮撞击桥梁后碰撞力、船艏刚度和碰撞能量的变化过程,讨论了导致两类船舶碰撞力、船艏刚度和碰撞能量变化差异的原因,分析了两类船桥碰撞桥梁结构的主要响应,并将本文动力模型计算响应与已有规范计算得到响应进行了对比。结果表明,两类船舶不同的船艏外形及内部构造会对碰撞力造成较大影响;同等吨位和碰撞速度下,驳船碰撞峰值荷载比散装货轮大,驳船碰撞的墩顶位移比散装货轮小,基底剪力和弯矩比散装货轮大,驳船与散装货轮作用下桥梁结构响应的动力反应系数存在较大差异;不同规范对于碰撞荷载规定差异较大,欧洲规范计算得到响应总体较大,中国公路规范荷载对于内河船舶撞击计算得到的响应最小,中国铁路规范计算得到的响应与其他规范海轮撞击响应进行对比最小。     

带可更换连梁的超高层结构抗震性能研究

近年来,国内外的部分学者提出了在剪力墙中设置可更换连梁,即在连梁的跨中设置一个耗能构件,称之为保险丝,通过保险丝的塑性变形耗散能量,而且震后易于对保险丝进行修复更换。本文根据之前提出的可更换连梁实用设计方法,将作者开发的一种可更换连梁保险丝安装在一个超高层Benchmark模型的部分连梁中,对带可更换连梁的结构和带传统连梁的结构分别进行地震反应分析,比较两个结构在大震下的层间位移角、基底反力以及损伤状况,研究表明：带有可更换连梁的超高层结构层间位移角会有所减小,剪力墙的损伤也会有所减轻,基底反力变化不大,而且可更换连梁的损伤集中在保险丝,易于震后修复更换。     

非线性时变结构随机地震响应最优多项式控制

以随机地震动作用下具有Bouc-Wen滞回特性的非线性结构系统为受控对象,开展了最优多项式控制算法研究：包括系统矩阵中Maclaurin展开取初始零值衍生的具有时不变增益矩阵的控制律,和系统矩阵中Maclaurin一阶展开衍生的具有时变增益矩阵的控制律。研究表明,受控结构层间位移响应的变异性明显降低,结构的安全性显著提高。同时,基于时不变增益矩阵的控制律的控制效果在一定程度上受制于控制力施加的大小与系统稳定性之间的平衡关系,而考虑了每一个时间步位移和速度对增益矩阵影响、基于时变增益矩阵的控制律则能以较小的控制出力获得较好的控制效果。     

电磁力对双分裂导线舞动的影响

基于一种计算导线间电磁力的数值方法,利用ABAQUS软件的用户自定义子程序UEL,编写计算子导线间电磁力的单元,实现考虑电磁力的双分裂导线舞动数值模拟方法。利用算例验证了方法和程序的正确性,进而对不同档距覆冰双分裂导线在不同电流强度下的舞动过程进行数值模拟,分析电磁力对线路舞动特征的影响。结果表明,档距较小时电磁力对线路舞动影响很小;档距较大时,电磁力对舞动的影响明显,甚至可能造成两子导线的碰撞。因而,在研究较大档距线路舞动时,有必要考虑电磁力的影响。     

带有移动末端执行器的柔性机械臂的动力学分析

为了分析带有移动末端执行器的柔性机械臂的振动特性,将该系统建模成一个带有移动质量的在竖向平面内作伸缩和旋转运动的柔性悬臂梁。为了方便研究,引入了两个坐标系:随悬臂梁旋转的局部坐标系和固定不动的整体坐标系;结构在局部坐标系下的物理量转化到整体坐标系中,并给出总动能和总势能,利用拉格朗日方程和假设模态法导出了结构的动力学方程;当机械臂以匀速旋转时,系统动力学方程为线性;当机械臂变速旋转时,系统动力学方程为非线性;通过数值算例分析了机械臂和移动末端执行器在不同运动状态下的动力响应;此外还讨论了移动末端执行器和机械臂间的摩擦力对机械臂振动特性的影响。所得结论为相关机器人及其装备的设计提供了理论依据。