舰载飞机机体主传力结构拦阻冲击动力学试验与仿真分析

舰载飞机拦阻着舰过程中,在多系统相互耦合条件下复杂的拦阻动载荷通过拦阻钩作用于机体结构,对机体结构安全性提出挑战。研究此过程中拦阻动载荷在结构上的传播规律及主传力结构的动响应特性具有极为重要的意义。通过地面拦阻冲击模拟试验,对舰载飞机拦阻减速过程中机体主传力结构动响应进行分析研究,并基于刚柔耦合动力学模型对试验过程进行数值模拟仿真分析。研究得到了拦阻过载和应力应变在结构上的响应特征,获取了过载和应变峰值沿机体传力路径的分布规律,可以作为舰载飞机结构强度设计的重要参考依据。研究表明拦阻冲击过载峰值沿主传力路径顺航向,呈现出明显的衰减趋势。靠近拦阻钩接头结构过载峰值较高,但由于冲击时间短,应变响应较小,不会对机体结构造成损伤和破坏。拦阻载荷在机翼隔离框位置会产生应力集中效应,结构设计时应注意对相应结构作局部加强。     

多孔石墨泡沫材料内流动阻力的扩展Ergun方程

近年来,金属泡沫、石墨泡沫等多孔功能材料因具有低密度、高导热、耐高温和耐腐蚀等特点而被广泛关注和研究。为了简化石墨泡沫内流动阻力的预测计算,根据石墨泡沫材料微孔的空间几何结构,对比颗粒填充床流动模型的Ergun型方程,建立面心立方(Face centered cubic,FCC)泡沫模型,以流速、孔隙率和比表面积分别相等则流动阻力相等为假设,推导了多孔泡沫孔径与颗粒床粒径间的对应关系,提出了适用于多孔泡沫介质内流动阻力预测的扩展Ergun方程。用所得方程进行了验证计算,并与数值模拟结果作了比较分析。     

纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能

为研究纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能,采用Voronoi随机泡沫模型对闭孔泡沫材料的细观几何结构进行模拟,并将纳米纤维随机分布在泡沫材料的胞壁中,利用改进的自动搜索耦合（ASC）技术将纤维单元与基体单元进行耦合,建立了能够反映纳米纤维增强闭孔泡沫材料细观结构的数值模型。在此基础上,进一步研究了泡沫模型随机度、相对密度以及纳米纤维长径比和质量分数对纳米纤维增强闭孔泡沫材料弹性模量与屈服强度的影响规律。结果表明:由所建立的数值模型得到的纳米纤维增强闭孔泡沫材料的弹性模量和屈服强度与实验值吻合较好;提高泡沫模型的随机度会使复合泡沫材料的弹性模量和屈服强度增加,而当随机度达到0.450以后,材料的弹性模量和屈服强度几乎不再发生变化;当相对密度在0.05~0.30范围内变化时,复合泡沫材料的弹性模量与屈服强度几乎随相对密度的增加呈线性增长;提高纳米纤维长径比和质量分数也会使材料的弹性模量和屈服强度得到提高,但当纤维长径比达到500以后,纤维长径比的增强作用逐渐减弱。所得结论对纳米纤维增强闭孔泡沫材料的制备具有重要意义。      

偏心拦阻过程最优拦阻索运动速度的设计

综合考虑空气动力、发动机推力以及摩擦力等因素对舰载机拦阻过程的影响,以拦阻索释放速度作为拦阻过程的控制输入,建立计及拦阻索质量的舰载机偏心拦阻过程的系统状态方程。针对存在边值及过载约束的轨迹优化问题,采用高斯伪谱方法求解理想轨迹,基于GPOPS对飞机存在着舰质量、着舰速度偏差进行算例仿真。仿真结果表明：计及拦阻索质量可以更真实地反映拦阻索输出载荷的变化过程;利用高斯伪谱法可以获得偏心拦阻系统理想的最优轨迹。     

高孔率泡沫金属材料疲劳表征模型及其实验研究

通过基于高孔率开口泡沫金属材料结构特点的简化结构模型和受力状态分析,建立了此类材料在循环载荷作用下的负载结构-疲劳模型,分析得出了对应疲劳性能的衡量指标。在上述模型的基础上,运用由该模型得出的高孔率开口泡沫金属疲劳性能的衡量指标,以电沉积法所得泡沫镍为例,对此类材料的疲劳性能进行了相关的实验研究。通过压-压循环和弯曲循环两种载荷作用的实验,验证了理论分析所得疲劳性能衡量指标的可行性。结果表明:泡沫镍在压-压循环载荷作用下的类应力疲劳性能随孔率增大而降低,而在弯曲循环载荷作用下的类应变疲劳性能则随孔率增大和孔径减小而提高。     

基于黏塑性理论的碾压混凝土动态剪切本构模型

由于碾压混凝土大坝是逐层碾压而成,坝体层面处的静动抗剪强度均低于其本体强度,在地震、振动或冲击作用下,坝体层面(包括坝基界面)有可能发生沿层面的动态滑移失稳破坏。基于Perzyna黏塑性连续理论,提出了一个用于描述碾压混凝土层面动态剪切断裂行为的本构模型。该模型的特点有：混凝土材料的软化塑性和扩容特性直接与界面处断裂失效过程相联系;使用Carol率相关界面方程作为屈服判据来描述碾压混凝土材料的率相关性;使用经典塑性断裂理论来描述剪切面上的断裂失效和摩擦滑动过程,并且只需要较少的模型参数。利用该模型与含层面碾压混凝土的动态强度试验结果进行了对比分析,包括在不同的应力路径如单轴拉、压和压剪状态下和不同加载速率下的试验结果。结果表明模型与试验得出的结论吻合较好,这种弹-黏塑性动态剪切本构模型对预测包含薄弱层面的碾压混凝土动力破坏性能是有效的,这为相关工程问题的研究提供有益的思路和有效的工具。     

囊式空气弹簧载荷建模与实验研究

以囊式空气弹簧为研究对象,在深入分析囊体受力及材料特性的基础上,建立了空气弹簧载荷模型。采用几何图解的方法对该模型进行了仿真计算,并设计实验系统对空气弹簧的特性进行测试。实验和仿真结果有较高的吻合度,验证了模型正确性。研究表明,囊体材料特性对空气弹簧的载荷力尤其是拉伸状态下的输出力有较大影响;模型中通过引入囊体材料特性系数,能够更准确的描述空气弹簧载荷特性。该模型为空气弹簧载荷计算提供一种简单准确的方法。     

汽车座椅聚合物泡沫座垫非线性弹性-阻尼特性建模研究

该文探讨了汽车座椅聚合物泡沫座垫的非线性弹性-阻尼特性的一种建模方法及过程。首先进行了泡沫座垫的动态力学特性实验测试,根据座垫的非线性动态特性特征选择了模型的表达式,再通过大量实验数据对其进行了参数辨识,建立了座垫的一种非线性弹性-阻尼特性数学模型,表达了座垫的动态载荷与变形位移、速度的关系。另一方面,进行了实际人体在座垫上的正常坐姿体压分布测试,参考体压分布状态进行了座垫的离散化,建立了泡沫座垫的垂向非线性弹性-阻尼特性的离散化模型,可更好地模拟座椅-乘员系统的人体角振动响应特性。最后进行了所建立的聚合物泡沫座垫动态特性模型在座椅-乘员系统多体动力学响应模拟分析中的应用验证。     

复合材料飞轮破坏转速的算法和高速旋转破坏实验

分别基于平面应力型全弹性模型和三维数值模型建立了计算复合材料飞轮破坏转速的二维和三维算法。这两个算法均采用了正交各向异性材料的最大拉应力(材料主方向) 准则, 其中三维算法还采用了两种强度判据, 即基于轴向大部分区域每层应力的平均值判据和轴向边界区域每层应力的最大值判据。对张紧力缠绕的3个实验复合材料飞轮成功实施了高速旋转破坏实验, 破坏均发生在径向强度最弱的飞轮与金属芯轴的界面处。实验结果表明, 飞轮的实际破坏转速与理论破坏转速十分接近, 证实本文中建立的二维和三维算法是可靠的;二维算法得到的理论破坏转速偏高, 而飞轮的实际破坏转速落在三维算法分别按最大值判据和平均值判据得到的两个理论破坏转速之间, 说明三维算法的精度更高。      

基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型

根据碾压混凝土材料的力学特性和损伤拉压显著不同的特点,分别在拉应变和压应变空间建立了碾压混凝土的本构关系和损伤演化方程.在拉应变空间,碾压混凝土的变形特性表现为脆弹性,考虑弹性与损伤耦合,应用正交各向异性损伤理论描述碾压混凝土的刚度退化和应变软化;在压应变空间,考虑弹塑性与损伤耦合,应用内时理论来描述碾压混凝土的弹塑性特性,正交各向异性损伤理论来描述微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化,内时理论没有屈服面,使模型的参数和方程大大减少,从而简化了非线性计算过程.计算结果表明,该模型能够较好地描述碾压混凝土在单轴和多轴加载下的性质.     

秸秆板轻钢高强泡沫混凝土剪力墙轴心受压性能研究

通过对7片秸秆板轻钢高强泡沫混凝土剪力墙（SSRC剪力墙）足尺试件的轴心受压试验,考察了其在轴心荷载作用下的受力性能、破坏模态和承载力,分析覆盖秸秆板、是否填充泡沫混凝土、泡沫混凝土强度和墙体厚度等因素对剪力墙试件轴心受压性能的影响。试验结果表明：剪力墙的破坏模态主要表现为轻钢立柱的局部屈曲和泡沫混凝土的局部压碎;与未填充泡沫混凝土墙体相比,填充A05级泡沫混凝土的竖向承载力和竖向刚度分别提高1.6倍和2.2倍,填充A07级泡沫混凝土可以提高2.2倍和3.1倍;是否覆盖秸秆板对墙体竖向承载力的影响很小;轻钢立柱截面宽度由89 mm增加到140 mm,墙体厚度由205 mm增加到256 mm,墙体竖向承载力提高了60%~70%。针对覆盖新型材料秸秆板的剪力墙受力性能和破坏模式,总结中、美两国规范及已有研究文献中的轴心受压构件承载力计算公式,提出SSRC剪力墙轴心受压承载力简化计算公式,其计算值与试验值基本一致。     

起落架落震试验飞机机轮三向冲击位移的动态测量

为了研究飞机起落架受冲击载荷时的功量吸收状况，须在起落架落震试验中，对飞机着陆瞬间起落架机轮在空间三个方向上冲击位移的动态变化量进行测量。为此，本文设计了四自由度空间定位装置，并使其与计算机连接，实现了落震试验过程中，起落架在高速冲击状态下机轮三向位移的有效测量与记录。     

车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究

某和谐型电力机车车轮运营中表现出较为严重的多边形磨耗,对机车的零部件失效、乘坐舒适性和运行安全性产生较大影响。为研究车轮多边形态下机车轮轨动态响应规律,基于SIMPACK软件建立了考虑机车牵引行为和轮对、钢轨等部件柔性的刚柔耦合动力学模型,利用机车振动试验结果对模型进行验证。研究了典型车轮多边形阶次、幅值和运行速度等对轮轨力和振动响应的影响,并分析了机车牵引行为对轮轨蠕滑率/力和车轮磨耗的影响。结果表明,速度等级为70 km/h时,车轮18阶多边形态下激发了轮对一阶弯曲共振,出现了轮轨力波动大和机车异常振动的现象;机车牵引状态下显著增大了纵向蠕滑率的波动幅值,并提高了纵向蠕滑力,导致轮轨磨耗指数相比无牵引工况下大幅增加,加剧车轮多边形磨耗的发展。     

掺合料粉体种类对泡沫混凝土性能的影响

以普通硅酸盐水泥为结合剂,用粉煤灰和硅灰取代砂和部分水泥,研究掺和料种类对泡沫混凝土抗压强度、吸水率以及抗冻性的影响。结果表明:泡沫混凝土的性能不仅与孔隙率有关,还与基体材料中掺合料的种类有关。加入硅灰可引起泡沫混凝土的成型水胶比增加,显著提高了泡沫混凝土的早期强度,但同时引起吸水率的增加,也不利于抗冻;当掺合料为粉煤灰时,提高了泡沫混凝土的抗冻耐久性,当将原状粉煤灰磨细,使泡沫混凝土的后期强度增长较快,并大幅度的降低了吸水率,但对抗冻性影响不大。     

Production and properties of foamed reservoir sludge inorganic polymers

The feasibility of using reservoir sludge as a raw material in the production of foamed inorganic polymers with different densities is investigated in this work. Reservoir sludge is first crushed, ground down and then calcined at the temperature of 850 °C for 6 h to become calcined reservoir sludge (CRS) powders. A mixture of 30% blast furnace slag and 70% CRS powders is alkali-activated by mixing with different alkaline activating solutions of water, sodium hydroxide and sodium silicate. The viscosities and compressive strengths of the resulting inorganic binders are measured and compared with each other. Furthermore, the inorganic binder paste that has the maximum compressive strength and best workability is mixed with various amounts of preformed air bubbles to produce foamed reservoir sludge inorganic polymer (FRSIP) specimens with different densities. The effects of density on the water absorption, pore size distribution, compressive strength, bending strength and transmission loss of the FRSIP specimens are evaluated.     

钢骨超高强混凝土框架节点恢复力模型

为了研究钢骨超高强混凝土框架节点的恢复力特性,设计制作了12个试件,进行了低周反复加载试验。观察、记录了试件的受力过程和破坏形态,基于受力过程中试件表现出的典型特征,提出了三折线骨架曲线模型和恢复力模型,并与试验结果进行了对比分析。研究结果表明,试件从受力至破坏的过程可归纳为开裂、通裂、失效3个阶段;在通裂和失效阶段,试件加载、卸载刚度退化明显,出现明显的卸载残余变形;所建议的三折线骨架曲线模型与骨架曲线试验结果吻合较好,直接反映出了试件的受力破坏过程。由建议的三折线恢复力模型计算得到的滞回曲线与试验得到的滞回曲线变化趋势大致相同,吻合程度较高,很好地描述出了钢骨超高强混凝土框架节点的滞回性能。所建议的恢复力模型可供钢骨超高强混凝土框架结构非线性地震反应分析应用。     

混凝土圆柱体试件在低速冲击下动力效应的研究

为研究混凝土圆柱体试件在冲击荷载作用下的动力效应,利用落锤冲击试验机,对混凝土圆柱体试件在应变率100~101/s范围内进行轴向冲击试验,并采用混凝土连续面盖帽模型（CSCM）对试验过程进行数值模拟。试验中测量不同冲击速度及冲击边界下的锤头冲击力、试件轴向应变时程曲线,获取了试件破坏形态及破坏过程的高速影像,比较分析了不同冲击速度及边界条件下,试件应力、应变峰值,应变率及动力增强系数（DIF）的变化规律。结果表明：随冲击速度的增加,试件的应力、应变峰值,应变率及动力增强系数都呈增加的趋势,冲击力作用时间则减小。混凝土平均强度与冲击速度呈抛物线关系,应变率则与冲击速度呈线性关系。模拟结果表明,CSCM混凝土本构模型在低速冲击范围内,有很好的计算精度,模拟破坏形态与试验结果吻合良好。     

Limitations and potential improvement of the aircraft pavement strength rating system to protect airport asphalt surfaces

A pavement strength rating system is internationally adopted in order to protect aircraft pavements from inadvertent overload. The system has two elements. The primary element is designed to protect the pavement against subgrade rutting and the second is intended to protect asphalt pavement surfaces. The surface-protection element is arbitrary and empirical, placing category-based limits on aircraft tyre pressures. In 2008, increases in the tyre pressure limits were proposed by aircraft manufacturers and these were approved in 2013. The research reported in this paper assesses the impact of tyre pressure and individual wheel load increases on calculated flexible pavement stress indicators, as well as identifying an improved surface layer protection element. Stresses were calculated near the surface, at the surface layer interface and at the subgrade. Tyre pressure and wheel load combinations included current (18 t and 1.35 MPa), imminent (33 t and 1.75 MPa) and future (40 t and 2.15 MPa) aircraft. Surface layer stress increased significantly (20–30%) with increases in both tyre pressure and wheel load. The subgrade stress increased near-equally (97%) with wheel load but was insensitive (<1%) to tyre pressure changes. The ability of the current aircraft pavement strength rating system to protect pavements from the increasing demands of aircraft was demonstrated to be limited to the subgrade. It is recommended that the tyre pressure rating be amended to reflect the combined impact of both tyre pressure rating and individual wheel load. It is also recommended that ongoing efforts to incorporate additional asphalt surface failure modes into routine pavement design be given high priority. The importance of these issues is reinforced by the limited availability of remedies to counter any negative impacts of increased surface layer stresses, especially in hot climates.     

预应力钢绞线网加固钢筋混凝土柱恢复力模型研究

基于16根采用新型预应力钢绞线网张拉锚固技术加固的钢筋混凝土柱和2根对比柱在反复荷载作用下的试验结果, 进行了恢复力模型研究。结合之前相关试验研究, 确定出材料的本构关系, 建立了预应力高强钢绞线网约束加固钢筋混凝土的应力-应变关系方程;考虑构件轴力的二次矩效应, 提出了在反复荷载下预应力加固钢筋混凝土柱骨架曲线的计算方法, 建立了相应理论模型;结合Clough滞回规则, 建立了相应的恢复力模型。研究表明：对试验的材料本构关系适当简化, 通过合理的假定, 由基本的内外力平衡方程和简单的滞回规则, 可得到构件从加载到破坏全过程与试验吻合良好的骨架曲线和滞回曲线, 由此建立的恢复力模型简单、适用, 可为预应力高强钢绞线网加固钢筋混凝土柱设计和施工提供参考。     

新型抗拔不抗剪连接件的滑移性能及其滞回模型

新型抗拔不抗剪T型连接件能有效改善组合梁负弯矩区受力性能,该连接件可以保证钢构件与混凝土板不发生分离,允许两部分产生滑移从而降低传递至混凝土板的剪力,避免混凝土开裂。为研究该新型连接件的滑移性能,对6个试件进行了拟静力推出试验。试验结果表明该连接件在较低荷载作用下可以产生较好的滑移效果,连接件外包泡沫塑料的尺寸对滑移特征影响显著。试验的荷载-位移曲线反映出试件的刚度随加载历史发生了明显变化,滑移作用引起了曲线的捏拢现象。该文基于Richard-Abbott曲线提出了针对该新型连接件的滑移滞回模型,模型参数物理意义明确,并通过试验结果验证了该滞回模型的合理性。