螺栓法兰连接结构的拉压不同刚度动力学模型

由于螺栓法兰连接结构轴向拉压刚度不同,针对这一特性引入拉压刚度不同的双线性弹簧单元,提出两自由度拉压不同动力学机理模型,使用区域法进行了动力学响应的解析推导;同时开发了自适应递归过零检查算法对模型的冲击响应进行数值计算.理论分析与数值模拟结果均表明,拉压不同刚度动力学模型在横向冲击荷载作用下产生横纵耦合振动响应,且输出了比线性梁模型更大的变形以及内力响应,说明线性梁模型获得的荷载结果可能偏小,这一结论对于提高螺栓法兰连接结构的安全可靠性具有重要意义.     

2,4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸药动态力学性能

炸药动态力学性能是影响其安定性的重要因素。为揭示2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基不敏感熔注炸药的动态力学性能特征,采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验对DNAN基不敏感抗过载熔注炸药的动态力学性能进行研究。通过入射波整形技术,实现了低阻抗、低强度的熔注炸药材料在SHPB实验中的应力平衡和恒应变率加载,得到65 s^-1、130 s^-1和200 s^-1等3种应变率下炸药的应力应变曲线;基于炸药应力应变数据,利用改进的Lesuer标定方法,获得该炸药的Johnson- Cook本构模型参数。结果表明：随着应变率的提高,该炸药失效应力逐渐增加,具有明显的应变率效应;拟合得到的Johnson-Cook动态本构模型能较好地预测该炸药在冲击载荷作用下的力学响应。     

加载速率和加载位置对炸药缝隙扩展过程影响的数值模拟

为研究弱载荷作用下炸药起裂、裂缝扩展过程,分析加载条件对缝隙扩展的影响规律,研究基于钝感炸药的三点弯曲试验,采用考虑了材料的拉压异性、应变率效应,以及损伤失效的本构模型,开展了炸药起裂和裂缝演化过程的数值模拟研究,拟合了主要的计算参数,计算结果与试验数据符合较好,校验了计算模型及其适用性;数值模拟获得了炸药样品中裂缝产生和扩展过程的典型特征图像,分析了加载速率和加载位置对炸药裂缝扩展演化规律的影响。研究表明,初始裂缝尺寸越大,起裂越早;随着加载速率增大,起裂荷载也增大,反映了炸药样品的应变率效应;加载位置偏离初始裂缝位置时,对于不同加载速率情况,样品中的裂缝扩展演化路径差异很大,存在4种破坏模式。     

一维应力动态加载下战斗部装药力学响应预报模型

为获得战斗部装药在高过载侵彻下的动力学行为,对战斗部装药（黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX)）在高应变率下的动态力学响应特性进行了研究。采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB) 实验技术对RDX基PBX炸药动态力学性能展开研究、压电传感器监测试件两端应力状态、高速相机拍摄实验中的试件变形过程,确保实验试件变形在动态应力平衡和常应变率加载条件下进行,保证实验数据的有效性。结果表明,该RDX基PBX炸药具有明显的密度效应及应变率效应,当应变超越0.075时应变率效应显著增强。基于应变能函数,建立该RDX基PBX炸药在一维应力状态下修正的Rivilin本构模型,模型拟合结果与实验结果基本相符,仿真结果得到的应变时间信号及试件变形模式与实验结果基本吻合。     

基于Johnson-Cook本构模型的高强度装甲钢动态力学性能参数标定及验证

具有高屈服强度的某装甲钢广泛应用于我国装甲车辆。为准确模拟该装甲钢的动态力学行为,开展基于Johnson-Cook（J-C）本构模型的动态本构参数标定及验证。采用万能材料试验机对该装甲钢进行不同温度下的准静态拉伸试验,同时采用分离式霍普金森压杆开展不同应变率下的压缩性能测试。基于实验数据和J-C本构模型,拟合得到该装甲钢的本构参数。基于轻气炮开展泡沫铝弹丸冲击均质梁的实验研究,分别采用J-C本构模型和理想弹塑性模型进行有限元仿真计算,并将冲击实验与数值结果进行对比分析。结果表明：该装甲钢具有应变率强化效应,且温度软化效应显著;采用J-C本构模型仿真的均质梁峰值挠度与试验结果的相对误差为1.7%~6.1%,残余挠度相对误差为0.6%~7.6%。     

2A12铝合金本构关系和失效模型

通过万能材料试验机、扭转试验机、霍普金森拉杆和Taylor 撞击实验研究高强铝合金 2A12 在常温至250 益的准静态、动态本构关系和失效模型。基于实验结果,修改了Johnson-Cook 强度模型中的应变强化项以及Johnson-Cook 失效模型中的温度软化项,并结合数值仿真得到了模 型参数。实验结果表明,2A12 铝合金的应变强化效应和温度软化效应显著,而应变率硬化效应不 显著;失效应变随温度的增加、应力三轴度的减小和应变率的增加而增加。     

高应变率下弹道明胶的本构模型研究

为了更好地进行枪弹和破片终点效应的数值模拟工作,综述了弹道明胶物理性质的实验研究现状;分析了应变率相关超弹性本构模型和流体弹塑性本构模型的特点,结合相关实验数据推导得到了弹道明胶的状态方程系数;进行了球形杀伤元高速侵彻弹道明胶的实验,并建立了对应的有限元模型;两种不同本构模型得到的数值结果与实验数据的对比表明,在高应变率下流体弹塑性本构模型能更好地模拟弹道明胶响应。弹道明胶虽然是一种应变率敏感材料,但在高应变率下由高压导致的材料可压缩性占主导,其物理响应可以用一定形式的动载本构关系（流体弹塑性本构）予以近似。     

基于改进的损伤本构模型中深部难动用铁矿回采累积损伤规律研究

随着难动用矿产资源爆破回采的不断进行,爆炸荷载的多次重复作用会引起采空区矿柱和围岩的累积损伤。基于爆炸荷载作用会导致岩石性质劣化的特点,结合岩石爆破中的高应变率效应和岩石损伤理论,建立改进的损伤本构模型。采用Fortran语言嵌入动力有限元分析软件中,建立模型通过与已有理论和现场实测数据进行对比,验证本构模型以及程序的适用性。最后以程潮铁矿西区保安矿柱爆破回采工程为背景,得到中深部采空区中多次爆破作用下中远区和爆破近区岩体累积损伤的规律,分析得出了较佳的回采顺序,并探讨了动静力组合作用诱发围岩累积损伤规律。     

高应变率下导弹战斗部装药动态力学响应 及细观损伤模式

应用改进的SHPB实验技术实现了常应变率加载,激光测量系统监测实验试件轴向工程应变,高速相机拍摄试件变形过程,确保实验数据的可靠性,进而对导弹战斗部装药在高应变率下的动态力学响应及损伤形式进行实验研究,并结合扫描电子显微镜探索其细观损伤模式与高应变率加载条件的内在关联。结果表明,该导弹战斗部装药具有明显的应变率效应,当其应变值超越0.05时应变率效应显著增强,随着加载应变率的提高,其应力应变曲线应变硬化效应显著增强,由上凸形式变为线性硬化;在860～1 380 s~(-1)加载应变率下,其主要细观损伤形式为颗粒表面与粘结剂剪切脱粘,当加载应变率在1 380～2 300 s~(-1)区间时,充足的冲击波能量迫使晶体颗粒表面产生损伤裂纹,并沿应力集中薄弱路径不断扩展,传播路径错综复杂,进而产生晶体颗粒破碎现象。     

DNAN 基高固含量熔铸炸药力学性能研究

为了解2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基高固含量熔铸炸药(20%DNAN/15%HMX/32.5%NTO/31%Al/1.5% 功能助剂,固含量78.5%)的动态力学性能,对其进行分析。使用万能材料试验机及分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对DNAN 基熔铸炸药样品进行准静态与动态加载,获取炸药样品在准静态加载与动态加载条件 下的应力应变曲线;依据应力应变曲线,标定炸药的Maxwell 模型参数,并通过数值仿真对模型及标定参数进行验 证。验证结果表明：DNAN 基熔铸炸药失效应变低于1.6%,脆性大,随着加载应变率增大,材料失效应力随之增加, 机械响应应变率相关;Maxwell 模型标定参数准确,能较好地反映炸药在不同应变率加载下的力学性能。     

气锤冲击作用下含螺栓连接组合结构加速度响应研究

为了获得组合结构在高过载环境中的加速度响应规律,进行了气锤过载冲击实验,得到带螺栓连接组合结构不同位置的加速度响应,并使用AbAqUS有限元软件对实验动态冲击过程进行仿真研究,验证了数值仿真的可靠性。利用验证的有限元模型对高过载环境中螺栓预紧力、气锤冲击速度对组合结构不同位置加速度的影响进行仿真分析。结果表明螺栓预紧力较小时,组合结构对加速度“削弱”明显,当1#和2#位置螺栓预紧力达到10 kN和15 kN 时,组合结构对加速度“削弱”作用减小并趋于稳定;初始冲击速度增加,相邻位置加速度差值增加,差值基本呈线性关系,斜率分别为0.02566和0.01357。以上结论为实际工程应用抗过载设计提供参考依据。     

基于Hopkinson杆试验技术的PA-GF50复合材料动态力学行为

为研究纤维含量50%短玻璃纤维增强聚酰胺复合材料PA-GF50的动态力学性能及其应变率效应,利用准静态液压试验机及分离式Hopkinson压杆、Hopkinson拉杆对标距段尺寸为6~10 mm的试样,进行了应变率范围0.000 5~1 600 s^-1的准静态压缩、准静态拉伸、动态压缩和动态拉伸试验。对试样的应力-应变曲线和最终破坏形态,材料在不同应变率下失效破坏过程的微结构力学机理进行了分析。研究结果表明：动态载荷下,材料强度明显高于准静态载荷（压缩载荷下材料在400 s^-1、900 s^-1和1 600 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强31%、25%和29%;拉伸载荷下材料在400 s^-1、800 s^-1和1 200 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强46%、47%和28%）,且失效应变有所降低;试样变形和最终破坏形态为压缩载荷下试样经历缺陷压实过程再进入弹性变形最终达到强度后失效,拉伸载荷下试样经历弹性变形达到强度后失效断裂;材料在不同应变率下的微结构机理为准静态载荷下微观裂纹扩展组合成为宏观裂纹,动态载荷下微裂纹分别扩展成为宏观裂纹;试样的宏观断口和扫描电子显微镜结果证实,材料在准静态压缩加载条件下断口较为平整,动态压缩载荷形成纤维拔出、纤维断裂等特征,准静态拉伸载荷下纤维拔出明显,而动态拉伸载荷下主要表现为纤维断裂。     

冲击载荷下复合材料干涉连接的应力分析

针对复合材料在某地面机动武器系统中的应用,对冲击载荷下复合材料干涉连接的应力进行分析.在复合材料经典层合板理论假设的基础上,建立冲击载荷下复合材料层合板、金属板与螺栓3种不同干涉量的干涉连接有限元模型,并利用有限元分析软件对其进行应力分析.分析结果表明:3种不同干涉量下,模型受到冲击载荷时的应力集中情况,根据复合材料层合板Tsai-Wu破坏准则,确定在冲击载荷下复合材料与紧固件的最佳干涉量值为1.4％.     

基于接触理论的螺栓联接接触面力学特性研究

运用多微凸体粗糙接触表面由弹性、弹塑性至塑性变形转化过程的连续光滑可导原理,论证了载荷作用下接触面接触强度及实际接触面之间的连续性和区域性。用混合单元法创建实际螺栓结构接触压力模型,求解出螺栓结构的实际接触面积与接触压应力分布。对比超声波实验数据,有限元分析（FEA）结果与超声波实验结果相吻合,验证了模型的正确性和有效性。通过系列模型,分析压应力沿螺栓方向的传递作用,证明螺栓联接结构接触应力在环形区域内分布的连续性,并探讨了改变预紧力和结构几何参数对螺栓联接接触强度、接触应力范围的影响规律。     

含Cohesive单元的舱门蒙皮低速冲击有限元仿真

利用3D Hashin失效准则预测复合材料气密性舱门蒙皮4种层内损伤模式:纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸和基体压缩,进行低速冲击有限元仿真分析;使用Cohesive单元结合QUADS失效准则代替VCCT技术模拟分层失效;比较不同网格密度、冲击位置以及冲击能量下对数值分析的影响.仿真结果表明:冲击点越接近筋条缘条中央位置,冲击损伤面积越大,应作为舱门健康监测研究中重要监测对象之一.     

基于弹塑性本构的单股钢丝绳受力分析

针对单股钢丝绳在受到冲击载荷作用下的失效问题,采用有限元法开展了其结构弹塑性分析。利用钢丝绳单丝试验数据,拟合得到了相应的弹塑性本构模型参数,根据钢丝绳钢丝几何空间构型,建立了钢丝绳的三维有限元模型。在静载荷和冲击载荷下分别对钢丝绳内部钢丝的受力进行了计算,得到了在各层钢丝的Von Mises应力和等效塑性应变分布。结果表明,各层钢丝内侧接触部位的Von Mises应力和等效塑性应变均相对较大,是引发钢丝绳结构失效的关键部位。     

碳化硅与聚脲纳米复合材料拉伸力学性能和本构模型

聚脲作为一种涂层或夹层材料被用在爆炸冲击领域,对目标结构具有良好的防护作用。为研究聚脲材料的力学性能,利用万能试验机和分离式霍普金森拉杆试验装置对聚脲材料分别进行准静态和动态拉伸加载试验。得到碳化硅与聚脲纳米复合材料在低应变率（0.001~0.1 s^-1）和高应变率（1 260~4 500 s^-1）范围内的真应力-真应变曲线,并分析了应变率强化效应和纳米碳化硅颗粒含量对聚脲力学性能的影响。结合超弹性理论构建了含有应变率效应的准静态和动态本构模型,对试样的模型参数进行了拟合。结果表明：应变率越高,试样的流动应力越大,且动态加载下的流动应力要显著大于准静态,表现出明显的应变率强化效应;碳化硅与聚脲纳米复合材料的力学性能优于纯聚脲材料;碳化硅与聚脲纳米复合材料流动应力与相对应变率的对数在一定应变率范围内基本上满足线性关系;通过对聚脲动态拉伸力学性能数值模拟,仿真结果和试验结果吻合性很好,验证了拉伸试验应力-应变结果的准确性;本构模型拟合结果和试验结果吻合较好,说明所构建的本构模型能够较好地描述碳化硅与聚脲纳米复合材料的力学行为。     

TC4钛合金三种动态本构模型的对比分析

基于TC4合金的应变率和温度相关单轴应力-应变曲线试验数据,优化估计了Johnson-Cook、修正Zerilli-Arm-strong和Bammann黏塑性三种动态本构模型的材料参数,对比分析了三种本构模型对TC4单轴变形试验数据的描述能力。结果表明:在TC4变形试验参数范围内,Bammann黏塑性模型可以较好地描述TC4合金的应变率和温度相关变形行为;Johnson-Cook模型和修正Zerilli-Armstrong模型的单轴应力-应变曲线计算结果比较接近,但与试验数据的相关性相对较差,均不能如实反映TC4室温动态压缩试验的应变率敏感性。     

高应变率下的芳纶纤维增强复合材料拉伸试验研究

利用爆炸膨胀环实验技术对芳纶纤维增强复合材料（KFRC）进行高应变率（104s-1）下的力学特性研究,用铜丝汽化引爆装药的方法对驱动环进行能量加载,采用激光位移干涉仪测试试样环自由膨胀时的质点速度,实现了KFRC在104s-1应变率下的一维拉伸破坏,获取该材料的速度-时间曲线和应力-应变关系,并与在准静态、中高应变率下试验得到的数据进行比较。结果表明,KFRC具有较为明显的应变率效应,其在高应变率下的拉伸强度比常规试验下的提高近30%。