液压自紧炮身(半精加工)的应力与强度

本文研究的对象是开端液压自紧圆筒(Ni-Cr钢)。用考虑材料应变硬化的最简单解法计算加压过程中圆筒的应力分布及内压-外表面应变关系。将材料单向拉伸-压缩曲线中的鲍兴格效应线性化;以圆筒塑性区中的切向应变代替相当应变,求卸压过程应力变化及内压-外表面应变关系的解。进而可由加压与卸压两个过程应力分布的代数和求残余应力。由于上述近似计算,所以这种解是最简单的。文中用试验和理论分析验证了这种近似的合理性,并用自紧过程内压-外表面应变的实际测定和自紧圆筒残余应力的测定证明这种理论解有相当满意的准确性。在上述残余应力理论分析的基础上,本文初步探讨了液压自紧炮身强度设计和自紧工艺参数设计的有关问题。     

受冲击内压作用的厚壁圆筒的动力分析

本文给出了一种分析受冲击内压作用的厚壁圆筒中位移和应力的解析方法。为了验证所获得的理论,用本文给出的方法,对具有半径比为R_2/R_1=2的钢质圆筒中的位移和应力进行了计算。计算结果表明,所得的理论是正确的。     

T-250钢薄壁圆筒环缝电子束焊接数值模拟

利用ANSYS软件采用三维锥体热源模型对T-250钢薄壁圆筒环缝电子束焊接进行数值模拟。结果表明,三维锥体热源模型适合于电子束焊接的数值模拟,由此得出的温度场分布与实际焊接情况吻合良好。残余应力在距焊缝中心轴向4 mm区域内会发生突变或者达到最大值。这个区域正好对应实际焊接的焊缝区和热影响区,说明数值模拟与实际焊接有较好的对应性。     

基于三种强度准则的PBX Ⅰ型裂纹尖端失效区研究

为了描述高聚物粘结炸药(PBX)裂纹尖端失效区域,采用Mohr-Coulomb、Twin-shear和Drucker-Prager强度准则,对PBXⅠ型裂纹尖端失效区进行研究,得到了描述PBX拉压不对称的裂纹尖端失效区表达式。研究表明,Drucker-Prager强度准则综合考虑了材料拉压比、平均应力及偏应力等因素,求解的裂纹尖端失效区相对最大。材料拉压比对裂纹尖端失效区有着显著影响,拉压比越小,材料拉压不对称越严重,裂纹尖端失效区越大。温度对PBX材料综合力学性能影响很大,60℃下裂纹尖端失效区较20℃下显著增大。     

基于随动边界的火炮身管热力联合效应数值分析

为探索高温高压火药燃气瞬态冲击效应对身管刚度和强度响应的影响,采用有限元方法建立了某大口径火炮身管三维数值模型,并定义了热力载荷边界随弹丸运动而变化的动态过程。通过数值计算得到了首发弹射击条件下身管温度分布演变过程,进一步分析了热冲击载荷、压力载荷以及热力联合效应对身管动态应力响应的影响。计算结果表明：轴向不同位置热冲击载荷的差异性引起轴向非均匀温度分布,使得出现较大的轴向温度梯度,带来显著的轴向温差应力;在温度响应剧烈区域,周向表现为压应力的温差应力与周向表现为拉应力的载荷应力相互叠加,使得内壁质点周向应力分量表现为拉应力与压应力的交替作用,与压力激励作用结果相比,内壁高应力区应力幅值得到一定减弱并随温度响应呈现先下降、后上升的趋势。     

考虑T应力的PBX裂纹尖端失效区和起裂行为

为了研究高聚物粘结炸药(PBX)结构在复杂应力状态下裂纹的起裂特征,针对中心贯穿斜裂纹的无限大平板模型,基于考虑T应力的裂纹尖端应力场和Drucker-Prager强度准则,理论上给出了考虑材料拉压比、泊松比、静水压力、应力状态、裂纹面闭合摩擦以及T应力的PBXⅠ-Ⅱ复合型裂纹尖端失效区隐式控制方程。利用裂纹尖端失效区最小半径起裂准则,研究了T应力对PBX裂纹尖端失效区和起裂行为的影响。理论研究表明,远场拉伸下,T应力导致裂尖失效区增大(0°β45°)或减小(45°β90°),T应力使裂纹起裂角减小;远场压缩下,裂纹处于纯Ⅱ型状态,裂纹面闭合摩擦效应减小了裂尖失效区,但不影响起裂角。T应力使压剪裂纹起裂角增大并减小了失效区。同时,T应力使最危险裂纹倾角β0明显增大。因此,研究PBX裂纹起裂行为,需要充分考虑裂纹尖端T应力的影响。     

拉压异性材料厚壁圆筒和厚壁球壳极限载荷分析

利用库仑屈服准则,研究了拉压异性材料厚壁圆筒和厚壁球壳的弹性极限载荷和塑性极限载荷,得出了新的结果和重要的结论。计算结果表明,考虑了材料的拉压异性之后,厚壁圆筒和厚壁球壳的极限载荷均有明显提高。     

AZ31B镁合金双弧焊接温度场及残余应力有限元分析

为获取AZ31B镁合金薄板非熔化极气体保护双弧焊(double-electrode gas metal arc welding,DE-GMAW)焊接残余应力场分布,用ANSYS软件对焊接过程进行数值模拟,探索焊前预热对镁合金残余应力的影响规律。建立双弧热源模型,通过热应力耦合法,先计算焊接温度场进而计算应力场。获得焊件残余应力的分布规律,沿着焊缝纵向残余应力最大值约为41 MPa,焊缝两端即起弧和熄弧处受较大横向压应力作用,最大值达55.6 MPa;采用盲孔法进行试验测量,测量结果与模拟结果一致。通过实测数据与模拟结果分析,表明镁合金DE-GMAW焊接残余应力的分布特点;镁合金焊前预热温度为100℃时,能够有效降低焊件的残余应力。     

喷丸对2219铝合金TIG焊接残余应力的影响

用不同喷丸参数对2219-T8铝合金TIG焊接接头进行强化处理。用X射线衍射仪(XRD)、盲孔应力仪(MTS3000)检测试样喷丸前后残余应力场。结果表明:喷丸处理前,垂直于焊缝的横截面,纵向应力呈不规则"几"字型分布,表现为焊缝附近区域存在较大残余拉应力,远离焊缝的母材区接近零应力状态,随试样厚度增大,残余应力峰值增大;喷丸处理后,垂直于焊缝的横截面表面应力呈不规则"V"型分布,表现为焊缝附近区域产生较大残余压应力。在相同丸径情况下,玻璃丸较钢丸表面压应力更大。喷丸处理后,焊缝内部有限范围内压应力呈不规则"S"型分布。对相同材质弹丸,随弹丸直径增大,压应力层深度逐渐增大。在相同丸径下,钢丸较玻璃丸压应力层和峰值更大,且随钢丸直径增大,残余压应力峰值所在位置逐渐内移,其值逐渐增大。     

厚壁圆筒动态强度的有限元分析和实验研究

传统的火炮身管设计基于静态应力分析和数值计算,而实际上身管承受的是动态载荷.针对此问题,运用动态线性和非线性有限元分析软件ANSYS建立厚壁圆筒的有限元模型,并对其进行了动态强度分析,求解相应的动态强度极限;设计了借助密闭爆发装置模拟火炮身管发射的实验方案,对厚壁圆筒进行了动态强度极限实验研究.理论分析和实验研究结果表明,厚壁圆筒的动态强度极限比静态计算数值高35%左右.     

盲孔法测定径向锻造身管表面残余应力方法研究

为了找到一种准确简便的测定径向锻造身管表面残余应力的方法,将盲孔法测定平板表面残余应力的理论应用到径向锻造身管表面残余应力的测量中。应用有限元软件计算盲孔释放系数的方法,对比在相同材料、受力情况与钻孔条件下的身管表面盲孔的释放系数与平板表面盲孔的释放系数,得到了盲孔法测定径向锻造身管表面残余应力的适用性范围;结合有限元法计算释放系数的优越性,提出了一种通过直接修正释放系数来修正由钻孔偏心所引起的误差方法。并应用盲孔法测定了某锻后身管表面的残余应力。     

爆炸冲击载荷下固支单向加筋板的动响应及破损特性研究

以半穿甲反舰战斗部舱内爆炸的毁伤与防护问题为背景,研究多根单向加筋板结构在爆炸冲击波载荷作用下变形破坏特点及规律。利用有限元软件LS-DYNA开展爆炸冲击波对固支单向加筋板的毁伤作用数值仿真计算,分析近距离爆炸条件下单向加筋板的破坏过程,得到了在爆炸冲击波载荷作用下单向加筋板的变形破坏模式和典型爆炸冲击波载荷下加筋板变形规律。结果表明：加筋板在整体剪切或塑形大变形条件下,其最大无量纲挠度分别与无量纲冲击载荷和加强筋相对刚度之间呈明显的线性关系;在载荷确定情况下,通过改变加强筋相对刚度和无量纲冲击载荷可以确定加筋板失效模式以及失效模式之间转化的临界区域。     

UHMWPE板对平头和卵形弹撞击试验研究

为研究超高分子聚乙烯板的抗冲击性能,以不同厚度超高分子量聚乙烯平板为靶体,用一级轻气炮分别发射平头和卵形弹开展打靶试验。通过分析靶板厚度、弹体头部形状对靶板弹道极限及能量吸收的影响,分析靶板损伤形貌及机理特征。结果表明:随靶板厚度增加,弹道极限非线性递增;弹体头部形状对弹道极限影响明显;卵形弹撞击靶板时破坏由"盘形凹陷"转为"延性扩孔"。随弹体初始动能增大,头部形状对靶板能量吸收率的影响越来越显著。平头弹侵彻靶板过程为先延性扩孔侵彻,压缩弹体前方靶材料,弹体周围剪切变形,最终形成冲塞和弹出。     

步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制研究

为研究步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制,采用有限元分析软件ANSYS/ LS-DYNA建立步枪弹侵彻复合靶标的数值模型。通过该模型模拟了侵彻过程中的钝性冲击现象和明胶瞬态响应,并进行了试验验证。研究结果表明：步枪弹侵彻陶瓷板过程中消耗了弹头大部分能量;明胶内瞬时空腔呈现椭球形基本形态,空腔最大凹陷深度和膨胀速度分别为25.6 mm和35.7 m/s;压力波在明胶内以球面波形式向外传播,在弹着点处峰值压力最大,且压力幅值随着传播距离的增大而不断减小;弹头速度先有一段明显的下降过程,而加速度绝对值则先增大,随后它们都逐渐衰减至0 m/s和0 m/s²;陶瓷板的破坏主要是由拉应力和压应力的反复作用造成的;数值计算结果与试验结果的一致性较好,验证了数值模拟模型的准确性。     

弹丸对加筋板穿甲的数值模拟研究

根据舰船上加筋板壳结构在强冲击载荷作用下的变形以及破坏过程,结合加筋板受弹丸穿甲的实验研究,采用数值模拟方式,对加筋板受到弹丸攻击时,靶板破坏模式、弹丸过靶姿态以及靶板抗穿透能力等进行了研究。结果表明,筋板的存在,使得靶板强度和刚度都得到了较大提高,靶板整体结构性能以及破坏模式发生了较大变化,"一""T""十"字加筋使弹丸极限穿靶速度的提高量随筋板和弹丸的不同在35%～80%之间变化,弹丸的最大偏转角达到了35°～40°。     

金属靶板扩孔冲塞穿孔弹头临界锥角分析

研究了刚性锥头弹垂直贯穿金属靶板扩孔冲塞型穿孔模式,在理想弹塑性材料两阶段工程模型的基础上,考虑靶板为硬化材料,得到扩孔冲塞型穿孔弹头临界半锥角及相应的弹道极限.分析了弹头长度、弹丸质量和靶板材料参数对临界半锥角的影响.计算结果与已有试验结果吻合较好.     

微观组织对Ti6321钛合金靶板爆炸断裂失效的影响

通过不同热处理工艺获得不同组织的Ti6321钛合金靶板,研究微观组织对Ti6321钛合金靶板在爆炸加载过程中变形和断裂行为的影响。结合光学显微镜和扫描电子显微镜,对爆炸回收后的靶板进行微观断口和失效分析。结果表明：等轴组织靶板具有较高的抗变形能力,魏氏组织靶板具有较高的抗层裂破坏能力和较低的厚度减薄率,断裂模式包括塑性变形及中心颈缩环、沿颈缩环部分断裂、沿颈缩环全部断裂和中心完全撕裂;在200 g TNT爆炸加载下,双态组织靶板发生拉伸和剪切断裂;在300 g TNT爆炸加载下,等轴组织靶板发生拉伸、剪切断裂和层裂,双态组织靶板发生剪切断裂和层裂,断口均为韧性断裂;魏氏组织靶板在两种TNT药量加载下均产生剪切断裂,断口为韧性和脆性的混合型断裂,靶板的层裂和剪切断裂均为绝热剪切失效。     

结构间隙对芳纶纤维增强复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由5 mm厚的前置钢板、60 kg/m²面密度的芳纶纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、10 mm厚的后置钢板构成的夹芯式复合装甲结构,模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间有无50 mm的间隙,将复合装甲结构分为无间隙式、后间隙式、前后间隙式3种结构型式。开展了复合装甲结构在质量40 g、最高初速约为1 630 m/s的高速圆柱体弹丸冲击下的抗侵彻性能实验,提出了钢质面板和芳纶纤维增强复合材料层合板芯层的破坏模式,研究了复合装甲结构的抗侵彻机理,对比分析了同一穿甲载荷冲击下3种复合装甲结构的抗弹性能。结果表明：前置面板的破坏模式主要为剪切冲塞;面板与芯层之间的间隙对芳纶纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形量影响较大、对前置面板影响较小;同一穿甲载荷冲击下,间距的存在有利于复合装甲结构综合抗侵彻性能的提高。     

功能梯度热障涂层热负荷下的有限元分析

针对ＺｒＯ２－ＮｉＣｒＡｌ材料体系制备的功能梯度热障涂层，采用有限元方法研究了在热负荷下的残余应力，隔热工作应力和循环状态下的瞬态温度和瞬态热应力，为该材料体系在制备和使用过程中的性能评价，破坏机理的分析等提供重要的理论依据。     

复合材料座钣动态响应分析及结构优化

为研究迫击炮座钣轻量化问题,提出了一种碳纤维复合材料座钣设计方案。采用碳纤维增强树脂基复合材料作为座钣主体,以大变形分散吸收后坐能量; 采用钛合金驻臼和边角承受后坐力,防止局部冲击损坏。基于三维Hashin准则开发了VUMAT材料子程序,模拟复合材料的失效行为。建立了复合材料座钣与土壤耦合的全炮非线性动态有限元模型,通过仿真计算获得了座钣最大应力和最大位移,分析了不同土壤类型对炮口扰动的影响。通过最优拉丁超立方试验设计,建立了座钣5层BP神经网络代理模型和多目标优化模型; 利用BP神经网络与带精英策略的非支配排序遗传算法对座钣进行了多目标优化设计。优化后炮口扰动显著降低,座钣质量比初始设计减少了11.38%。