高过载下颗粒增强复合材料能量释放行为

为正确认识战斗部装药代用材料爆炸毁伤作用机制,对颗粒增强复合材料在不同冲击载荷速度下的能量释放行为进行研究。基于爆炸试验装置,对颗粒增强复合材料在高过载下的能量释放特性进行试验,监测高压爆炸测试舱内的爆炸应力波,明确能量释放、存储、排放间的规律,探索冲击载荷速度对能量释放量及释放率之间的内在关联。结果表明:当颗粒增强复合材料质量相同,且起爆环境空间体积恒定,装药结构形式相同时,临界起爆速度为273 m/s;继续增大冲击载荷速度,载荷压力使更多的质量起爆,当冲击速度增至637 m/s时,外载荷压力使所有质量起爆,舱内爆炸压力达到最大值。建立的冲击载荷速度对能量释放量及释放率的影响机制模型较好描述颗粒增强复合材料能量释放行为,为深化能量释放特性的多尺度机理研究提供一定的量化依据。     

复杂应力动态加载下颗粒增强复合材料失效模式研究

为解决战斗部颗粒增强复合材料因装药损伤引起局部"热点"而发生提前起爆问题,对颗粒增强复合材料在复杂应力动态加载下的损伤特性进行研究。基于一级轻气炮,对颗粒增强复合材料在三轴向冲击载荷作用下的损伤失效模式进行试验研究,分析轴向和径向边界约束条件对颗粒增强复合材料宏观损伤形式的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)探索冲击载荷与细观损伤模式的内在关联。结果表明:颗粒增强复合材料宏观损伤特性主要表现为挤压变形;晶体颗粒表面与黏结剂剪切脱黏强度约为0.3 MPa,在较小冲击载荷作用下,颗粒表面与黏结剂已产生剪切脱黏,随冲击载荷的增大,出现晶体颗粒"孪晶带",大尺寸颗粒易受到应力集中影响,先于小尺寸颗粒发生断裂破坏,急剧冲击波能量迫使颗粒表面微裂纹发生断裂,从而演变成整个颗粒破碎情况,甚至部分出现融化现象。     

高g值冲击下泡沫铝填充铝壳轴压特性

针对弹载测控装置因承受高g值冲击而发生失效的问题,将不同厚度铝壳和不同密度的泡沫铝填充结构用于其缓冲保护,采用含有偏心率因子的直链塑性铰模型分析了铝壳在轴向高g值冲击加速度作用下的压溃特性,通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟了结构在轴向冲击下的动力屈曲行为,讨论了铝壳厚度以及泡沫铝密度对泡沫铝填充铝壳结构力学性能的影响。仿真结果表明:在铝壳内填充泡沫铝,提高了结构的平均压溃力,改善了轴向压溃载荷波形。铝壳的偏心率因子不随铝壳厚度变化而变化。     

结构应力对飞机壁板冲击损伤影响的仿真分析

为了明确飞机壁板中存在的结构应力对于冲击损伤的影响,基于ANSYS/LS-DYNA隐式-显式连续求解方法,建立了预加载荷飞机壁板受射弹冲击的动力有限元模型,对存在结构应力的壁板受冲击的损伤响应进行了计算分析,分别比较了壁板在受周向拉伸载荷、压缩载荷和无载荷三种应力条件下以及在不同水平应力条件下受到射弹高速冲击和极限速度冲击的响应情况,结果表明:压缩应力对促进结构的屈曲变形、拉伸应力对增大冲击损伤的孔径和程度影响明显。     

大开口对船体结构抗冲击性能的影响

舰艇在设计过程中不可避免地会出现大开口部位,这类部位对舰艇的结构强度、稳定性等都有比较严重的影响。特别是在舰艇遭受到水下非接触爆炸冲击载荷作用以后,会引起拉伸/压缩的交变载荷,在船体结构大开口角隅处产生应力集中现象。本文通过建立舰艇船体结构冲击响应有限元分析模型,计算分析了在不同海况下舰艇遭受到水下非接触爆炸冲击后结构大开口角隅处的应力及其储备系数。研究结果表明,结构大开口部位公共角隅处的安全储备系数较小,应力集中现象明显,在进行舰艇船体结构抗冲击设计与评估等研究过程中需要予以考虑;此外,对于相同爆距,遭受水下爆炸冲击的舰艇船体结构在静水弯矩工况下的安全储备系数一般大于六级海况下的情形,这说明波浪弯矩导致的舰艇中拱或中垂加剧了结构大开口部位角隅处的应力集中现象。     

高超音速侵彻引信中的泡沫铝垫片

应对高速侵彻高冲击的主要措施之一是加垫片,而已有垫片材料并不理想。为此,提出以新型材料泡沫铝制造高超音速侵彻引信垫片,泡沫铝自身内部多孔结构有利于抗高过载冲击。ANSYS/LS-DYNA有限元仿真表明,6 mm泡沫铝垫片能起到较好的抗高过载冲击作用,但计算得出的垫片厚度仍不理想,可能需要从衰减应力波角度进一步研究。     

复合材料天线结构低速冲击损伤与剩余强度

共形承载复合材料天线结构兼具力学承载和微波通信功能，由于其高度集成化和多功能化特点，应用前景广阔，但在制造和维修过程中极易受外来物的低能量冲击产生损伤。本文采用热压罐成型和二次胶结工艺制备以玻璃纤维增强复合材料为面板、以PMI泡沫为芯材并嵌入天线器件的复合材料天线结构。并对其开展低速冲击及冲击后压缩试验研究，对比含天线和不含天线两种结构的损伤特性与冲击后剩余压缩（CAI）强度。结果表明：与普通泡沫夹芯结构相比，复合材料天线结构的凹坑深度、冲击位移和背面纤维束拔出高度均减小，表明损伤阻抗能力增强；峰值载荷显著增加，100 J冲击能量下的峰值载荷为5.79 kN，增加了25.32%；压缩强度和CAI强度显著提高，压缩强度提高了28.87%,CAI强度提高超过113.08%；冲击破坏模式由整体贯穿及芯体大面积断裂变为芯体局部压溃、天线单元塑性变形及与泡沫夹芯大面积脱胶。     

多次模拟弹射载荷作用下水泥混凝土路面动态响应

道路结构作为承载基础,与发射装备构成了动力耦合系统,冲击载荷作用下路面的响应特性将直接影响到导弹发射安全性。为研究多次弹射载荷下水泥混凝土道路结构的动态响应,以压缩空气为动力源搭建模拟弹射载荷生成装置,在三维试槽中铺筑水泥混凝土路面,面层中铺设应变传感器,土基中埋设土压力传感器,通过多次冲击加载试验获取模拟弹射载荷作用下土基压应力和面层应变变化规律,分析土基内压应力与深度及载荷作用面中心点距离间的关系,得到多次模拟弹射载荷下面层破坏形式及破坏机理。研究结果表明：冲击压力与土基峰值压应力呈线性关系;距离载荷中心点3 300 mm处,不同模拟弹射载荷下各深度处的土基压应力峰值已经非常小,模拟弹射载荷的径向影响范围为3 300 mm以内;模拟弹射载荷较小时面层为弹性变形,模拟弹射载荷增加到0.77 MPa时混凝土面层产生辐射状贯穿裂缝;弹射载荷作用下路面出现整体沉降。     

冲击载荷作用下多孔材料符合结构防爆理论计算

多孔材料具有减震和吸收冲击能量的特点，但是单一的多孔材料强度较低，为降低爆炸冲击载荷对结构的破坏，在混凝土墙壁或者两层装甲钢板中间添加一层或者几层多孔吸能材料（多孔聚氨酯、泡沫铝、铁等）构成多层复合抗爆结构，实现防爆和衰减冲击波的功能。当炸药爆炸驱动飞片高速冲击多层复合结构时，多孔材料产生塑性变形被压实。由于多孔材料冲击波阻抗很低，能够大大地削减应力波的强度。在这个过程中，飞片的冲击能量被减小，和单层结构相比，防爆能力被提高。为研究多层复合结构的防爆机理，应用冲击载荷下的材料动态本构关系，对冲击波在“钢板一多孔材料一钢板”3层介质中的传播规律和各层介质中的冲击载荷进行甘算，并对应力波在多孔材料复合结构中的衰减变化过程进行一维理论分析。     

泡沫铝部分填充铝管的弯曲性能研究

对泡沫铝合金部分填充方形铝管三点弯曲性能进行研究。研究发现:泡沫铝部分填充管承受的弯曲载荷和吸收的能量与空铝管相比有显著的提高,变形模式从单褶皱模式变为多褶皱模式;泡沫铝部分填充管承载能力和能量吸收能力随着泡沫铝孔隙率的减少而提高,但是达到极限载荷的位移变短;与全填充管相比,泡沫铝部分填充管仍然可以承受较高的载荷,同时有效降低结构的总质量,只有当填充长度大于有效填充长度时,泡沫铝提高铝管承载能力的作用才能充分发挥;部分填充管对空铝管的弯曲载荷相对提高量随铝管壁厚减小而增大。     

连续电磁发射过程中轨道受力分析

获取电磁轨道发射器轨道受力特性是分析轨道材料失效机理及极限安全连续发射边界的前提。通过建立电磁-温度-应力多物理场耦合计算模型,得到了动态发射过程中包括电磁力、温度应力和预紧力的多成分轨道应力载荷时空分布特性。分析结果表明：轨道受到的电磁力载荷在脉冲电流平顶沿电枢经过位置基本上均为峰值;轨道热量主要集中于电枢运动起始段,且热量密度在脉冲电流上升段结束时刻附近电枢经过位置达到最大值;轨道在脉冲电流上升段结束时刻附近电枢经过位置受力最为严酷;喷淋冷却可有效降低轨道中的温度应力;最优的预紧力大小以恰好满足动态发射时轨道与绝缘支撑体不分离使身管保持整体式稳定结构为判据。     

基于流体-固体耦合的液压滑阀开启过程仿真分析与优化

为改善液压滑阀开启过程中阀芯的工作性能,基于流体-固体耦合理论和动网格技术,建立滑阀开启过程三维流体-固体耦合数值分析模型,对阀芯在驱动力、弹簧力及液动力作用下的动作过程进行了模拟分析。针对阀芯受力分析结果,改进滑阀内部流道结构;以改进后阀芯槽口和凸台的4个结构参数为优化对象,利用最小二乘拟合和反向传播神经网络构建最大冯米塞斯应力与液动力峰值的目标函数,借助遗传算法确定了槽口和凸台的4个结构参数最优值。研究结果表明：优化后阀芯所受液动力和最大冯米塞斯应力的峰值分别减小了16.3%和22.0%;优化设计阀芯的结构参数可明显提高滑阀开启性能。     

瞬态热载荷下身管热防护涂层表面开裂行为

火炮身管在服役中受剧烈瞬态热载荷作用,对身管热防护涂层表面裂纹的形核与扩展有重要影响。为探究不同热力学参数和几何参数对镀铬层-钢基底系统表面裂纹在瞬态热载荷下扩展的影响,进行含周期性表面裂纹镀铬层-钢基底系统在瞬态热载荷作用下的裂纹扩展行为研究。结果表明:随对流强度增大,涂层内瞬态热应力增大,表面裂纹扩展驱动力提高;随裂纹长度增加,裂尖能量释放率峰值先增后减;裂纹间距越大,裂尖能量释放率越大。表面裂纹能量释放率越大裂纹越易扩展,引起防护层开裂并过早剥落,降低身管寿命。     

爆破冲击边坡稳定性非连续变形分析模拟研究

非连续变形分析(DDA)是针对块体系统大变形大位移求解最有效的数值计算方法之一。结合应力波理论分析爆破冲击作用对边坡岩体的损伤破坏作用,采用DDA方法模拟了台阶爆破过程中边坡岩体的破坏滑移,与工程实际有较好的吻合。阐述了台阶爆破应力波对边坡块体系统位移、速度和应力变化的控制,讨论了影响边坡块体系统稳定性的关键因素,建立新的数学模型,给出了DDA计算中评价边坡稳定性指标的建议。     

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。     

螺栓紧固式轨道炮后坐规律研究

轨道炮两条平行导轨在发射过程中受到向外侧的扩张力,为了约束导轨扩张,采用螺栓紧固形式的外层封装结构。为研究螺栓紧固式轨道炮的后坐规律,建立发射系统模型,对发射过程中后坐部分的受力进行分析,并建立后坐复进运动微分方程。结合两种反后坐装置方案,对螺栓紧固式轨道炮的后坐规律进行了仿真计算和试验测试。仿真计算结果与试验结果表明：与常规火炮相比,螺栓紧固式轨道炮具有后坐行程短、后坐速度低的特点;在螺栓紧固式轨道炮上使用的节制杆式驻退机需要具有更小的流液孔面积,以提高驻退机力。     

动静组合加载下岩石的吸能特性研究

地下工程中的岩体多处于复杂应力状态下,采用100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了不同应力状态的砂岩在冲击荷载作用下的动态力学性能,将不同应力状态下砂岩的冲击力学性能进行对比分析。结果表明:砂岩的强度和比能量吸收(SEA)随平均应变率的增长而近似线性增长,具有显著的应变率相关性;在同一应变率水平下,围压对砂岩的动态力学性能有显著影响,砂岩的SEA大幅提高;围压作用下砂岩的损伤度与SEA成非线性正相关。     

基于有限元分析的磁流变阻尼器动态响应

针对阻尼器特殊的结构特点,通过静态磁场仿真确定阻尼器的磁路结构。利用ANSYS 软件对阻尼器进 行瞬态磁场有限元仿真,获得阶跃电压作用下阻尼器的瞬态磁场响应过程,通过与简化数学模型的对比得出涡流对 阻尼器电磁响应时间的影响,并由磁场有限元仿真结果获得流道内磁流变液的剪切屈服应力时程曲线。通过阻尼器 动态响应时间测试实验获得激励电流作用下阻尼力的实测响应时间。结果表明：计算获得的剪切屈服应力时程曲线 与阻尼力的实测响应过程基本吻合,说明电磁响应是影响磁流变阻尼器动态响应的主要因素。     

低温切削奥氏体304不锈钢残余应力研究

为了改善奥氏体304不锈钢的加工质量,采用预冷工件低温切削方法切削奥氏体304不锈 钢,研究其残余应力变化情况。通过有限元软件ANSYS分析液氮浸泡工件温度场分布,指导实际预冷工件试验。实施在不同预冷温度下的低温车削试验,使用测力仪器测量切削过程中的切削力,并通过有限元软件DEFORM模拟不同低温条件下的车削过程,利用后处理功能观察车削过程温度分布。研究结果表明：低温切削可以增加切削过程的切削力,同时减少切削过程中工件表层的温度差,使得残余拉应力减小或者残余压应力增大,且温度越低这种效果越明显。     

水下航行体充气上浮仿真方法研究

为研究气囊展开对水下航行体充气上浮过程中的姿态变化以及运动轨迹的影响,提出一种多学科协同仿真方法。建立水下气囊的展开动力学模型,基于控制体积算法获得气囊充气展开过程的体积膨胀率曲线;在保持气囊体积膨胀率等效的条件下,建立可以同时耦合航行体6自由度刚体运动和气囊局部变形的水动力模型,并基于Navier-Stokes方程进行计算。通过仿真计算,得到水下航行体充气上浮的精细化过程,并获得水下航行体上浮时合力分量的时间历程曲线和姿态变化数据。结果表明：气囊的增浮作用能有效实现航行体的上浮回收;在上浮过程中,由于漩涡结构的不对称性使得航行体受到一定侧向力的作用,上浮时处于螺旋上升过程;上浮时,航行体会受到水流提供的竖向力作用,因此为加快上浮,上浮前应尽量调整航行体的攻角为正。