钢质管道弯曲破坏时材料曲线的确定试验

依据ASTM-A370-13规范,对API 5LX52无缝管道钢进行了单轴拉伸试验。得到了不同取样形式下拉伸试样的应力-应变关系曲线,据此分析拉伸试样取样形式对材料特性的影响规律。利用数值仿真软件ABAQUS,以得到的材料应力-应变关系曲线作为有限元计算输入曲线,对复杂荷载作用下X52管道全尺寸弯曲破坏试验进行数值模拟并与试验结果进行对比。结果表明:采用轴向圆棒试样对应的材料曲线得到的数值计算结果与试验结果吻合最好,该取样形式下的材料曲线可以更加准确地表达钢质管道弯曲破坏时的材料特性。     

钢/铝薄板热无铆连接接头力学性能研究

目的 针对目前车用高强钢和高强度铝合金板料在无铆连接工艺上出现的成形接头效果不佳及接头强度难以满足实际工况等问题,提出一种钢/铝异种材料热无铆塑性连接工艺,以有效提高22MnB5高强钢与7050铝合金铆接接头性能。方法 通过软件Abaqus建立钢/铝异种材料无铆塑性连接有限元模型,对塑性连接接头尺寸特性进行分析;进一步通过仿真分析研究高强钢初始铆接温度对接头截面颈厚与自锁值的影响,并采用拉伸试验研究铝板在不同初始温度下及成形接头在不同冷却方式下对无铆塑性连接接头性能的影响。结果 将有限元仿真分析结果与试验的金相图进行了对比研究,得出二者成形接头的尺寸基本吻合,并产生了有效的机械自锁,证明了仿真模型的准确性。随后,经仿真分析确定,钢加热至700 ℃时,接头颈厚值与自锁值均最大,分别为0.402、0.357 mm,该成形温度下接头特征尺寸最佳。最后,通过试验分析发现,常温铆接、阀冷、室冷、水冷的拉力峰值分别为2.076 3、5.314 0、2.411 1、2.024 0 kN。由此可得,热处理后接头的抗剪切强度较常温铆接提高了28.5%,在3种冷却方式处理下,阀冷的接头强度最佳,水冷的接头强度最差。结论 通过对比分析,确定了22MnB5钢加热至700 ℃且铝仅经热传导并采用阀冷时进行无铆塑性连接的接头强度最佳。     

循环荷载下钢材本构模型的应用研究

为进一步验证循环荷载下钢材本构模型的适用性及广泛性,分别从材料及构件层次选取了国内外典型的循环试验结果对模型进行充分验证,包括钢材循环低周疲劳试验、钢构件循环加载试验、钢节点以及组合节点循环加载试验。并通过对比分析循环荷载下钢材本构模型与常用的两折线模型在构件及体系层次应用效果,充分说明了循环特性显著影响抗震性能,在今后的设计计算中需要引起重视。在此基础上,将钢材循环本构模型应用于一个十层钢框架结构抗震性能分析之中,验证了其用于钢结构体系在地震作用下弹塑性时程分析时的可行性,为钢结构的抗震分析提供了有力的工具。     

炸高对侵彻效应影响试验和数值模拟研究

为了研究炸高因素对聚能装药侵彻深度影响,文章建立了柱锥结合罩型聚能装药侵彻靶板仿真计算模型,研究了不同炸高条件下射流侵彻45#钢靶板的作用过程,并与试验结果进行了对比分析。结果表明,试验与数值模拟结果较吻合;柱锥结合罩型聚能装药的有利炸高与装药直径之比为1.4～1.8,最大破甲深度约为装药直径的4.6倍。     

炸高对侵彻效应影响试验和数值模拟研究

为了研究炸高因素对爆炸成型弹丸(EFP)成型性能及侵彻深度的影响,利用有限元软件LSDYNA,建立了球缺罩型聚能装药仿真计算模型。研究了十种不同炸高条件下,EFP着靶时性能参数和侵彻45#钢靶过程,并与该装药静破甲试验结果进行了对比分析。结果表明:试验与数值模拟结果较吻合,最大误差为10%,EFP装药的有利炸高与装药直径之比为3.9~4.4,最大破甲深度约为装药直径的0.92倍。     

钢材破坏条件与极限分析法在钢结构中的应用探索

该文基于极限应变点破坏的概念提出了钢材的破坏条件,给出了破坏函数与破坏曲面。利用FLAC~(3D)软件以钢简支梁为例,尝试将数值极限分析方法中极限应变法应用到钢结构。该方法利用数值极限分析法求取材料的极限应变,将其作为材料点破坏判据。无论受拉或受压均视钢材为弹塑性材料,钢材达到屈服荷载下的弹性极限应变为屈服,达到弹塑性极限应变为破坏。首先对钢梁材料进行直拉试验,得到钢材的力学参数,进而用数值极限方法求得该钢材的极限应变值,然后对简支钢梁进行纯弯试验直至破坏,用FLAC~(3D)模拟该试验过程,最后将数值计算结果跟实验结果进行对比验证,结果显示钢梁的破坏形态,极限承载力都吻合较好,初步证明极限应变法可用于钢结构,并对基于极限应变的钢梁破坏标准与现行规范破坏标准进行了比较。     

Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料平压性能

设计了一种新型Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料,以复合材料柱作为Z向点阵增强材料,并对不同分布密度Z向点阵增强材料的泡沫夹芯复合材料试验件进行了平压试验,探究了其平压力学性能和破坏方式。研究结果表明,当点阵间距为30 mm时,试样密度增加了2.8%,压缩强度和压缩模量分别提高了6.2倍和7.4倍。基于ABAQUS有限元软件建立了Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料平压试验仿真模型,对其平压力学性能和破坏模式进行了模拟与分析。试验件平压强度有限元计算结果与试验结果偏差为10%左右,破坏方式与试验基本相同,验证了有限元模型的合理性和可靠性。     

脆性材料微裂缝无序度与尺寸效应

假定在某些脆性无序材料内含有相同的微裂缝随机分布概率密度,但具有不同无序度的情况下,建立了模拟材料力学行为的二维不连续位移法边界元数值计算模型.实现了材料微裂缝生长、扩展到最终破坏的全过程数值仿真.根据分形几何理论确定了材料断裂表面几何形貌的分形维数.得到了材料的断裂强度随微裂缝长度随机分布无序度的增加而降低的规律性.数值模拟结果符合Bazant尺寸效应定律,并进一步证实了脆性或准脆性无序材料产生尺寸效应的微观机理.     

Ti-C纤维金属层压板自由振动试验和数值分析

为研究由钛合金和碳纤维增强复合材料交替铺设而成的Ti-C纤维金属层压板(FMLs)的制备及自由振动,首先,使用有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN对不同尺寸Ti-C FMLs的自由振动进行了二维有限元建模计算,确定了尺寸效应对FMLs固有频率的影响;然后,采用电磁激振器和非接触式激光扫描仪进行自由振动试验,比较了数值仿真结果和试验结果;最后,计算了相同尺寸的纯碳纤维复合材料层压板和不同钛合金层压板层数的Ti-C FMLs的固有频率,研究了钛合金层压板层数对FMLs固有频率的影响。结果显示:试件的尺寸越小,固有频率的计算误差越大,即当结构面内尺寸相对于厚度的倍数较小时,模型的计算误差大;数值仿真结果和试验结果总体吻合较好,有限元模型有效;FMLs的固有频率随着钛合金层压板层数的增加而减少。所得结论可为提高Ti-C FMLs自由振动的可设计性提供参考。      

地震模拟振动台试验模型相似设计中的材料弹性模量取值问题研究

为了提高结构地震模拟振动台试验的精度,采用实常用模型材料的力学性能试验与规范计算理论分析相结合的方式,对混凝土结构、砌体结构及钢结构地震模拟振动台试验模型相似关系设计中的材料弹性模量取值方法进行了系统研究,推荐了混凝土结构、砌体结构及钢结构地震模拟相似关系设计中材料弹性模量的合理取值方法。试验与分析结果表明：模型材料弹性模量的试验值与原型材料弹性模量的规范值可能会存在较大差异,造成模型相似关系中的模型与原型弹性模量比过小,使振动台试验结果失真。因此,当混凝土结构振动台试验模型采用微粒混凝土或砂浆材料浇筑时,模型材料与原型混凝土材料的弹性模型应统一采用规范提供的拟合公式根据材料立方体抗压强度计算得到;当砌体结构振动台试验模型采用小型混凝土砌块制作时,模型材料弹性模量应采用规范拟合公式由材料试验确定的砌体抗压强度设计值计算得到;钢结构地震模拟相似关系中的弹性模量比可采用1.0。以上结论可为不同结构地震模拟振动台试验的模型相似关系设计提供理论依据。     

纤维增强复合材料三明治板破片穿甲数值仿真

研究破片对（由钢板、纤维增强复合材料板及钢板叠合而成）纤维增强复合材料三明治板穿甲过程中能量转化规律。进行破片模拟弹丸(FSP)对不同结构三明治板高速穿甲数值仿真,获得FSP破片对16种三明治板的弹道极限,并与实验结果对比验证数值仿真的可信度。通过分析数值仿真结果,进一步研究破片临界贯穿条件下纤维增强复合材料三明治板各组成部分吸能比率与结构尺寸相关性。结果表明,不同厚度夹层板的吸能比率恒定(芳纶纤维10.41%,玻璃纤维2.68%),夹层板内能随厚度的增加呈二次函数增加。由此获得破片对纤维增强复合材料三明治板弹道极限速度计算方法。     

A numerical study of the behaviour and failure modes of axially compressed steel columns subjected to transverse impact

In this study a numerical simulation of the behaviour and failure modes of axially compressed steel column subjected to transverse impact by a rigid mass at different impact speeds and locations is presented. Firstly, the capability of the present numerical model to trace the response and to predict different failure modes of transversely impacted beams and columns with and without axial compressive force has been validated. These failure modes include plastic global failure, tensile tearing failure and transverse shear failure. The validation was performed by comparing simulation results in term of the contact force, deformation shape, failure mode and the maximum transverse displacement with available published experimental test results by others. The progressive damage and failure model available in ABAQUS/Explicit has been utilized in the present numerical models to account for material shear and tensile tearing failure under impact. Comparisons between the experimental and simulation results confirmed that the numerical models were able to accurately predict the aforementioned failure modes. Thereafter, a parametric study has been conducted to investigate the effects of several parameters on the response of axially loaded steel column, based on the results of which simplifying assumptions on column behaviour under impact can be made to develop appropriate design calculation methods for steel columns under such loading conditions.     

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。     

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。     

钢纤维混凝土抗侵彻材料研究进展

对近年来钢纤维增强混凝土材料的国内外研究进行了综述。总结了钢纤维混凝土的抗侵彻理论和试验研究的研究成果,包括增强理论、新材料的研制、抗侵彻经验公式和数值模拟计算方法的成果。在此基础上,对钢纤维混凝土抗侵彻材料技术的发展趋势进行了分析。     

Experimental testing of wood‐concrete and steel‐concrete composite elements in comparison with numerical testing

The paper presents the results of experimental tests with a numerical comparison of some typical composite element systems. Two different kinds of elements were tested: composite steel‐concrete and composite wood‐concrete elements. Deflections at midspan under monotonously increasing static load on simply supported beams were measured. The affects of different types of composite connections on the results were researched. In numerical tests the structure was modeled with two‐dimensional plane elements. The composite surface was modeled with two‐dimensional contact (interface) elements for the continuous connection simulation and modified beam elements for the discrete connection simulation. The applied material models include the most important nonlinear effects of concrete, steel and wood behavior, as well as the nonlinear behavior of the composite surface at the connection. The achieved results of the developed numerical model were compared with the results obtained through the experimental test.     

钢纤维混凝土抗侵彻材料研究进展

对近年来钢纤维增强混凝土材料的国内外研究进行了综述。总结了钢纤维混凝土的抗侵彻理论和试验研究的研究成果,包括增强理论、新材料的研制、抗侵彻经验公式和数值模拟计算方法的成果。在此基础上,对钢纤维混凝土抗侵彻材料技术的发展趋势进行了分析。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20¹/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/21/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2¹。     

钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响研究

“9·11”事件发生后,火灾下钢结构倒塌研究得到了世界各国学者的广泛关注。钢材的物理、力学性能在高温下会显著降低,从而钢结构极易发生倒塌。因此,该文基于平面钢框架在单柱受火条件下的倒塌试验,应用大型商业有限元软件ABAQUS的显式动力分析模块,并采用梁单元对试验进行数值模拟,重点研究了钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响,提出了适用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的钢材高温应力-应变本构模型和热膨胀系数模型的建议。该文列举了常用的三种高温应力-应变本构模型,同时考虑应变率效应的影响,通过模拟结果与试验结果的差异对比,分析了各个模型应用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的有效性。理想高温应力-应变本构模型,会导致临界温度与失效模式模拟不准确,应用存在一定局限性;EC3高温应力-应变本构模型可较为准确地模拟准静态失效模式,但对于动力失效模式的模拟存在一定局限性;因此,对于准静态失效模式倒塌模拟,建议采用EC3或改进的EC3高温应力-应变本构模型;对于动力失效模式的倒塌模拟,建议采用改进的EC3高温应力-应变本构模型,并采用应变率效应增大系数（DIF）的方法以考虑应变率效应的影响。此外,通过四种钢材热膨胀系数模型的对比,进一步研究了钢材“相位变换”现象对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响。结果表明,虽然欧洲规范EC3给出了精细的热膨胀系数模型,但采用GB 51249取值的计算结果与试验符合更好,建议采用中国规范GB 51249的相关规定。