某陶瓷/钢复合装甲抗大质量破片侵彻能力研究

陶瓷/金属复合结构装甲具有质量轻、抗弹性能优异的特点,广泛应用于各类轻质装甲中。为得到某陶瓷/钢复合装甲抗大质量破片的侵彻能力,在与已有试验结果对比验证的基础上,运用ANSYS/LS-DYNA软件对大质量破片侵彻该陶瓷/钢复合装甲过程进行数值模拟,分析破片初速、装甲倾角对破片极限穿透速度和后效威力的影响,以及侵彻过程中破片能量变化,获得了该复合装甲的抗侵彻规律,并利用工程算法计算得到装甲防护系数。结果表明：随着装甲倾角的增加,破片极限穿透速度先减小后增大,剩余速度和剩余质量先增大后减小,装甲存在一个“最易侵彻角”;随着破片初速的增加,破片剩余速度呈线性递增,剩余质量呈线性递减;通过工程算法得到该装甲面密度为普通装甲钢的74%,对破片的防护系数达到1.5。     

星型拉胀蜂窝材料在压剪复合加载下的力学特性研究EI北大核心CSCD

拉胀蜂窝材料由于其良好的力学特性以及稳定的吸能特性,广泛地应用于各类防护结构。该文针对星型拉胀在压剪复合加载下的力学特性开展了研究工作。基于有限元技术建立星型拉胀蜂窝材料的数值模型,并基于增材制造技术和万能试验机开展验证试验,开展了星型拉胀蜂窝材料在不同压剪复合加载角度和速度下的仿真研究,对星型拉胀蜂窝材料在各个加载工况下的力学特性与变形模式开展研究,结果表明,星型拉胀蜂窝材料在准静态复合加载下依托胞元旋转发生整体变形,并产生倾斜变形带压溃,随着加载速度提升,由于惯性效应的增强,细观结构间的挤压变形更加充分,材料变形模式由整体变形向局部变形转变,形成冲击波。基于椭圆方程对星型拉胀蜂窝材料初始屈服应力进行拟合,建立星型拉胀蜂窝材料的准静态/动态屈服面,随着速度的提高,屈服面呈现出明显强化;最后通过对星型拉胀蜂窝材料的吸能特性研究表明,随着加载角度的增大,材料法向和切向总吸能分别呈现出下降和提高的趋势,且切向吸能特性对角度的改变相对法向方向更加敏感。     

浮冰碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应研究EI北大核心CSCD

采用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合混凝土冰材料数值模型,建立了楔形冰碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应数值仿真模型,得到了碰撞过程的冲击力时间曲线和冲击力位移曲线、蜂窝金属夹芯板的变形以及冲击能量分配情况,并开展了楔形冰-蜂窝金属夹芯板碰撞冲击试验验证。研究结果表明,楔形冰碰撞下蜂窝金属夹芯板上面板表现为局部凹陷与整体弯曲的耦合变形模式,下面板表现为整体弯曲变形模式,冲击能量转化为蜂窝金属夹芯板的变形能和楔形冰的回弹动能以及冰体破碎耗散能量,数值仿真与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型的准确性。在此基础上,研究了浮冰碰撞冲击位置以及蜂窝芯层厚度对其动态响应及能量分配的影响规律。     

平稳随机载荷的灵敏度分析识别方法EI北大核心CSCD

提出了一种基于灵敏度分析的平稳随机动载荷分段时域识别分析技术。将平稳随机动载荷样本分为若干小段,把每一小段内的平稳随机动载荷表示为正弦级数叠加的形式,通过灵敏度迭代分析来确定相应正弦级数的幅值,从而确定该时间段内结构所受的平稳随机动载荷。最后将各个时间段组合,即得到平稳随机动载荷样本的识别结果。试验结果表明,灵敏度分析识别方法能够很好地识别出作用在结构上的随机动载荷,并具有良好的抗噪性。     

加速度载荷信息部分缺失下船舶机械噪声快速预报EI北大核心CSCD

为解决加速度载荷信息部分缺失时船舶机械噪声预报误差较大的问题,提出了基于设备等效载荷模型的快速预报方法。该方法基于设备载荷对机械噪声的影响规律,将设备的力学模型等效为F_(z)M_(xy)模型(设备力学模型由F_(z),M_(x)和M_(y)构成),通过能量叠加原理实现船舶机械噪声的快速预报。设备载荷以平均加速度表征时,若能确定出激振力的各个分量的载荷系数,则根据该方法可以准确地预报船舶辐射声功率;若无法确定各个激振力分量,通过等效载荷模型确定水下辐射噪声的变化范围。模型试验结果表明:设备激振载荷以完整的加速度载荷信息给出时,基于该方法的辐射声功率的计算误差在1 dB以内;若设备加速度载荷以平均加速度形式给出时,该方法可以给出水下辐射声功率的变化范围。     

面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构研究进展与挑战EI北大核心CSCD

高超声速飞行器技术是航空航天领域发展的重要方向,对国防安全起着重要作用。高超声速飞行器能在极端环境中安全服役的关键在于飞行器的热防护材料与结构。一方面,热防护材料与结构必须能够经受恶劣的气动热环境;另一方面,热防护材料与结构还要在承载的同时尽可能降低质量以提高飞行器有效载荷。因此,需要研发兼具耐高温、轻量化、承载特性的热防护结构。本文首先综述了C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构及其制造方法,对其在室温、高温环境下的力学行为与传热行为的研究现状进行了总结,并具体讨论了基于C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构的耐高温、轻量化、承载、一体化热防护结构研究进展情况。最后,在新设计理论与方法、新制造技术、服役特性、多功能一体化设计与实现四个方面对面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构的研究挑战进行了展望。本文为高超声速飞行器新型热防护结构的发展提供一定借鉴与思考。     

新型CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性研究EI北大核心CSCD

点阵夹芯结构因其优异的力学性能、出色的能量吸收能力、独特的功能性,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而,传统点阵夹芯结构在面外压缩载荷下存在应力分布不均匀、节点应力集中等缺点。为了解决上述问题,该研究基于体心立方结构(body-centered cubic,BCC)提出了一种新型的余弦函数单元基(cosine function cell-base,CFCB)点阵结构。为了研究CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性,制备了CFCB点阵夹芯结构,开展了准静态压溃试验,并与BCC点阵夹芯结构的试验结果进行对比。结果表明,CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下的承载与能量吸收能力明显优于BCC点阵夹芯结构。随后,基于有限元模型,系统揭示了芯子单胞直径、幅值、周期长度等胞元参数及厚度方向上的单胞层数对CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下吸能特性的影响。相关研究成果有望为新型CFCB点阵夹芯结构设计提供参考。     

纤维多孔陶瓷的研究进展EI北大核心CSCD

纤维多孔陶瓷是利用黏结剂将随机分布的陶瓷纤维进行黏接,形成具有鸟巢形态的多孔材料,内部具有大量三维联通孔,其具有轻质、高气孔率、高比表面积、高效隔热的特性。纤维多孔陶瓷为飞行器提供良好热防护效果的同时,可明显减轻其质量,降低发射成本,是航天器大面积热防护系统极具潜力的候选材料。本文主要对近年来纤维多孔陶瓷材料有关纤维骨架、黏结剂、制备方法,以及其在性能优化等方面的研究工作进行了梳理、总结,展望纤维多孔陶瓷在多重热防护方式、集成化及工程化等方面的发展。     

陶瓷基高温自润滑复合涂层的制备及摩擦学性能研究进展EI北大核心CSCD

摩擦磨损大多数情况下不利于机械设备,我国作为机械制造大国,降低摩擦磨损对工业进步及可持续发展有重大意义。陶瓷基高温自润滑复合涂层作为工业应用中常见体系之一,主要以硬质陶瓷为基体,并掺杂润滑材料作为第二相组成,使其一方面继承陶瓷相优异的高温稳定性及强度,另一方面提高在常见摩擦环境下的润滑性能,因此被广泛应用于船舶、航空航天、生物科技、高速列车等领域,受到研究人员的广泛关注与探索。本文以陶瓷基高温自润滑复合涂层为中心,首先阐述复合涂层及固体润滑材料的基本分类;其次综述不同制备方法的最新研究进展,重点关注工艺参数对制备陶瓷基高温自润滑涂层性能的影响及改善方法;然后归纳改善陶瓷基高温自润滑复合涂层表面摩擦学性能的关键因素,探讨了提升减摩耐磨性能的可行性和研究潜力;最后总结目前陶瓷基高温自润滑复合涂层存在的问题,主要有以下2点:(1)对复合涂层的物相分析仍以解释现象为主,没有完整的理论基础;(2)对不同制备工艺下复合涂层结构和摩擦学性能的改善手段较单一。因此提出相应的解决办法以及未来可能的发展方向:(1)研究陶瓷基体和不同润滑相、附加组元、高温环境的协同作用机理,建立系统的理论基础;(2)针对不同制备工艺的成型机理,重点研究工艺参数的协同作用对复合涂层微观结构形成的影响,扩展制备工艺的改善方法。     

复合运动激励下吊装多体系统振动分析与联合控制EI北大核心CSCD

建立了针对吊装系统在复合运动激励下的多体动力学模型,并给出了系统振动抑制的联合控制方法。以回转和变幅角速度为系统输入,分别利用做大范围运动的弹簧质量阻尼系统和空间悬吊系统描述吊臂弹性振动和吊物摆动,基于拉格朗日方程,采用递推列式法推导并给出了吊装多体系统5自由度空间运动方程。分别采用输入整形法和比例微分反馈控制法对吊物空间摆动及吊臂弹性振动进行振动控制,根据系统耦合振动特性,设计了能同时抑制吊臂振动和吊物摆动的联合控制器。系统振动分析及联合控制结果表明,所构建的动力学模型能有效分析回转和变幅复合运动激励下吊装多体系统的动力学特征,相比传统输入整形控制法,所设计的联合控制器对吊装多体系统的振动抑制效果得到较大提升。     

轴向压力和分布载荷联合作用下压杆屈曲问题的实用算法EI北大核心CSCD

采用渐进积分法研究了压杆在轴向集中力和轴向分布载荷联合作用下的弹性屈曲问题。推导出了在各种边界条件下,承受轴向集中力和轴向分布载荷时临界力的计算公式。建立了轴向集中力和轴向分布载荷联合作用下压杆的四阶微分方程,用均布载荷作用下梁的四阶微分方程比拟压杆,得到压杆屈曲函数的初函数。将挠度函数代入压杆的四阶微分方程进行积分得到下一次迭代挠度函数。利用相邻两次迭代屈曲模态函数最大挠度相等准则,推导出了临界压力公式。与集中力和分布载荷单独作用下的欧拉临界力公式和贝塞尔函数精确解相比,二、三次迭代就可以达到令人满意的工程要求精度。在轴向压力和分布载荷联合作用下,经过三次迭代,可得到临界力的简洁表达式,对实际工程中的压杆具有重要的指导意义。     

负泊松比内凹蜂窝结构梯度设计与动态冲击响应EI北大核心CSCD

根据负泊松比内凹蜂窝结构的变形机理,提出了一种变截面内凹蜂窝结构构型,利用ABAQUS软件研究了三维结构的动力学特性,分析了变截面负泊松比蜂窝结构在准静态压缩时的变形模式,并进行了实验验证,实验结果与有限元吻合良好。讨论了在不同冲击速度下梯度变截面内凹蜂窝结构的能量吸收性能,结果表明,在中低速下双向负梯度的能量吸收效果优于其他3种结构。所得结果为研究负泊松比力学超结构在动态冲击作用下的能量吸收提供了参考。     

正交梯形蜂窝铝抗冲击力学性能及核装备防护应用仿真模拟EI北大核心CSCD

为保证运输途中核乏燃料运输容器的安全,会在运输容器两端安装减震器,减震器内部填充减震材料,以防止运输容器内部穿刺破坏。首先制备了一种正交梯形蜂窝铝材料,并对制备的三种不同结构材料进行不同速度加载获得相关结果,结合试验获得的材料本构模型使用有限元方法进行仿真模拟,对比两者误差。为探明尺寸对材料性能的影响作用,用仿真手段对比两种不同尺寸正交梯形蜂窝铝的力学性能,发现两者之间的吸能存在一定函数关系。为了进一步缩小仿真所用时间,提出用等效模型模拟冲击过程。最后,用仿真手段模拟运输容器减震器的穿刺过程,评估正交梯形蜂窝铝作为减震填充材料的可行性。     

AZ31B镁合金压-压循环载荷下变形行为及变形机制演化EI北大核心CSCD

为探讨AZ31B挤压态镁合金棒材沿径向取样的循环变形特征,开展了0.75%,1.0%,2.0%和4.0%应变幅下应变控制的非对称压-压循环变形实验。结果表明:在小应变幅(0.75%,1.0%)下,循环变形的滞回曲线表现出较好的对称性;在大应变幅(2.0%,4.0%)下,滞回曲线对称性差,且在滞回曲线上出现拐点;随着循环周次增加,塑性应变幅呈现下降趋势,材料均表现出循环硬化行为,在小应变幅下循环拉伸阶段对材料硬化率远大于压缩阶段的硬化率,而在大应变幅下这种区别并不明显。分析表明,沿径向取向的〈1120〉丝织构镁合金,小应变幅下位错滑移在整个寿命周期内作用更大;大应变幅下,随着塑性变形的增加,循环过程中变形机制发生演化,较低临界剪切应力(critical resolved shear stress,CRSS)的基面位错和拉伸孪生不能完全满足变形要求,较高CRSS滑移系启动及残余孪晶使得滞回曲线出现拐点;循环变形过程中不完全的孪生-去孪生过程使基体中存在大量残余孪晶,影响了循环变形过程的硬化率,同时降低了疲劳寿命。     

内部激励下高速列车齿轮箱振动行为及轴承载荷特性实验研究EI北大核心CSCD

内部激励是影响高速列车齿轮箱振动及齿轮箱轴承动载荷的重要因素。借助齿轮箱传动系统试验台架,在多种扭矩与转速工况下,开展了高速列车齿轮箱箱体振动响应及齿轮箱轴承载荷测试试验。对各工况下齿轮箱不同部位的振动信号进行分析,发现特定转速下的齿轮啮合频率能够激发齿轮箱箱体的模态共振,而扭矩能够影响系统的频响特征。对加速工况下的齿轮箱振动加速度进行了阶次跟踪,并通过基于阶次的工作模态识别方法获取了齿轮箱箱体的模态参数,发现齿轮箱的工作模态振型导致了齿轮箱在不同转速下振动行为的差异。通过对比不同工况下齿轮箱振动加速度均方根和实测轴承载荷变异系数,建立了齿轮箱轴承载荷动态特性与齿轮箱振动行为间的对应关系。     

冲击载荷下航空发动机转子振动特性试验方法EI北大核心CSCD

以某舰载涡桨发动机动力涡轮转子为研究对象,基于动力学相似设计原则设计了与真实转子动力特性一致的模拟转子,并验证了动力学相似设计的正确性。提出一种冲击载荷下转子振动特性试验方法,在振动台上开展高速电机抗冲击性能和转子在冲击载荷下的振动特性试验研究,验证了高速电机具备不低于10 g的垂向抗冲击性能,提取了转子在冲击载荷下的瞬态振动响应,获取了冲击时振动响应主要频率成分。研究表明,模拟转子动力特性与真实转子具有良好一致性,冲击时振动响应基频不变,但存在较复杂的其他频率成分。研究为某舰载涡桨发动机的研制提供了技术支持,为转子在冲击载荷下的动力学试验提供了方法。     

陶瓷/纤维复合装甲抗弹丸侵彻性能的试验与数值模拟研究

本工作研究了由碳化硼(B4C)/碳纤维(CF)/超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)组成的复合装甲对抗7.62 mm穿甲燃烧弹的抗侵彻性能.通过实验和数值模拟,系统地研究了陶瓷复合装甲各层对弹丸的作用机理.首先将模拟与实验结果进行比较,验证了模拟方法的可靠性.在此基础上,开展了陶瓷复合装甲的陶瓷面板的材料/厚度数值模拟研究,分别采用氧化铝(Al2 O3)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4 C)作为陶瓷面板,研究了不同厚度陶瓷板的吸能效率,结果表明,以B4 C陶瓷作为面板,当其厚度为10 mm时所得复合装甲的防弹性能最佳.     

蜂窝微穿孔结构的宽频吸声优化设计与分析EI北大核心CSCD

单层微穿孔板结构有着吸声频带较窄、吸声性能不佳等缺点。为提高单层微穿孔板结构的降噪效果,依据微穿孔板结构的背腔高度改变时,结构的共振频率会发生移动的特点,结合声电类比原理和粒子群优化算法,从理论模型、仿真计算以及试验测试三方面设计分析了一种拥有宽频高吸声性能的单层蜂窝微穿孔结构,并且从结构相对声阻抗率的实部和虚部入手,对利用不等腔深提高结构吸声性能的原理进行了分析。研究结果表明:结构在1140~3000 Hz内的吸声系数均在0.9以上,验证了利用粒子群优化算法设计宽频吸声体的可行性。     

GCr15SiMo钢的动态及高温力学行为EI北大核心CSCD

以GCr15SiMo钢为对象,研究热处理工艺对其微观组织的影响规律,并利用霍普金森杆和GNT100-2型高温拉伸试验机,分析不同组织结构GCr15SiMo钢的动态及高温力学行为。结果表明:淬火温度由800℃升高至920℃,GCr15SiMo钢中M_(3)C型碳化物颗粒的质量分数由2.319%减少至0%;动态压缩过程中,GCr15SiMo钢的失效应变均随应变速率的增加而增大,在真应变分别为0.2和0.8时,随着淬火温度的升高,GCr15SiMo钢流变应力分别下降13.45%,21.44%,27.49%和31.79%,流变应力迅速下降主要与组织结构和动态压缩变形时的绝热剪切机制有关;在高应变速率条件下,GCr15SiMo钢的宏观变形由镦粗转变为沿45°方向的剪切破坏,绝热剪切机制是导致变形行为变化的主要原因之一,且组织结构是影响材料绝热剪切敏感性的关键因素之一;GCr15SiMo钢动态压缩变形过程中形变升温在117~333℃之间,M_(3)C碳化物颗粒回溶是其高温性能呈现抗拉强度增加、屈服强度降低的关键因素之一;淬火温度为920℃时,GCr15SiMo钢的组织为均匀一致的孪晶马氏体,孪晶马氏体中的亚晶界可有效阻碍位错运动,在拉伸应力作用下表现出明显的应变硬化现象,应力-应变曲线较淬火温度800℃时呈现更显著的上升趋势。