水中聚能战斗部毁伤双层圆柱壳的数值模拟与试验研究

为研究聚能战斗部的水下作用特性,基于光滑粒子流体动力学-有限元方法耦合算法,模拟了聚能战斗部对双层圆柱壳结构的毁伤过程。分析金属射流的形成和射流速度衰减规律,研究高速金属射流、强冲击波与气泡载荷联合作用下对双层圆柱壳结构的毁伤模式和毁伤特性,并进行了海上模型试验验证。数值模拟与试验结果吻合良好。研究表明：水中聚能战斗部对双层圆柱壳结构的破坏载荷主要有金属射流、冲击波载荷及气泡载荷3种,金属射流穿透力强,造成结构的局部小尺寸破口;冲击波载荷及气泡载荷作用面积大,引起结构的大面积破口及塑性凹陷。     

铝合金薄壁圆管动态膨胀剪切断裂的实验研究

采用电磁驱动金属圆管膨胀技术对6063薄壁铝合金圆管的动态膨胀断裂过程进行实验研究,圆管膨胀速度可达140~200 m/s,应变率为4 500~6 500 s-1,并对剪切局域化形成过程、应变率影响及试样温升等进行讨论。结果表明:铝合金薄壁圆管动态断裂经历了均匀膨胀、剪切局域化变形及裂纹沿剪切局域化带发展过程,剪切局域化变形带与圆管径向呈45°或135°的分布。分析表明:碎片特征尺寸随加载率提高而减小,断裂应变随着加载率提高而增大。     

火炮身管疲劳断裂试验和数值模拟研究

烧蚀磨损和疲劳是影响火炮身管寿命的主要因素,前者使内膛表面产生了随机的烧蚀坑或微裂纹,形成了大量的应力集中区,在疲劳作用下,微裂纹沿身管径向由内向外扩展形成宏观裂纹,一旦其深度达到临界值,继续发射则可能导致身管断裂。针对身管疲劳断裂问题,根据火炮发射过程中载荷作用特点,自主设计了液压冲击疲劳试验装置,在实验室条件下再现了身管服役条件下的疲劳断裂现象。试验结果表明：冲击载荷作用下,身管疲劳断口包括裂纹源、扩展区和瞬断区3个部分,扩展区呈现典型的“海滩条纹”特征;身管外壁面周向应变的演化规律与裂纹的扩展速率变化规律之间存在内在的映射关系,从而可为身管健康监测、发射安全性评估提供新的技术手段。数值模拟采用J-C方程描述炮钢材料的动态本构关系,将材料的应变率效应纳入仿真计算过程中,模拟结果与试验结果之间具有较好的一致性。     

高g值冲击下阶梯形金属壳缓冲吸能特性研究

为了对测控电路进行更好的缓冲保护,提出阶梯形金属壳的几何构型。利用LS-DYNA对3组不同厚度的阶梯形壳在不同载荷作用下进行仿真模拟,从屈曲模态、比吸能、加速度缓冲效果等方面进行缓冲吸能特性评估,并通过落锤试验进行验证。结果表明:阶梯形壳屈曲模态为轴对称叠缩模式,且相比等效厚度的圆柱壳,阶梯形壳具有更好的比吸能与加速度缓冲效果。     

高应变率下金属柱壳动态变形及形成破片特性研究

针对高应变率下金属柱壳动态变形及断裂响应问题,以50SiMnVB钢和40CrMnSiB钢壳体材料为研究对象,应用超高速摄影技术以及Autodyn数值模拟软件研究了壳体在高应变率下的动态变形过程。获得了壳体外壁自由面径向位移以及速度变化规律,并对回收所得破片的尺度分布规律以及断裂特性进行了分析。结果表明:壳体内部裂纹贯穿整个壁厚发生在20~25μs之间;40CrMnSiB钢壳体达到的稳定速度比50SiMnVB钢壳体提高了8.1%;试验回收所得壳体环向方向断裂形成的破片宽度变化呈正态分布,且40CrMnSiB钢壳体形成的破片质量在0.1 g以上数目比50SiMnVB钢壳体增加了49%,破碎程度更加严重。     

高性能管线钢动态断裂性能的试验与数值模拟研究

采用不同锤高对X90管线钢试样进行落锤撕裂试验,利用GTN微观损伤模型对试验过程进行有限元模拟,详细研究裂纹稳态扩展速度与临界裂尖张开角的关系,并对试验和模拟结果进行分析和对比。结果表明:试样的断裂韧性随稳态断裂速度的增大而减小;有限元计算的断裂速度、裂尖张开角与试验结果吻合较好,GTN微观损伤参数能较好地应用于X90管线钢的动态断裂分析;现有的DWTT方法在评估试样的断裂韧性时存在缺陷,应考虑试样的起裂和冲击变形对评估的影响。     

端面起爆驱动圆柱壳体的分析

文中通过对基本的爆轰理论推导,并考虑稀疏波的影响,根据实际情况推导了端面起爆驱动圆柱壳体的破片速度分布,可以看出其速度值的最大分布区域与通常的观点有差异,并提出了三种爆轰场等场强作用的形成方法.该理论分析结果可为爆轰加载研究及战斗部工程设计提供有益的参考.     

内充压圆柱壳体抗激光临界旋转周期的研究

从数值模拟的角度研究了连续激光辐照内充压圆柱壳体的温度场分布,对旋转状态内充压圆柱壳体和不旋转圆柱壳体的温度场进行综合和比较,结合激光对材料破坏机理,分析了旋转圆柱壳体的抗激光能力与圆柱体旋转速度的关系,提出适用于工程应用的具有良好抗激光能力的临界旋转周期.     

响应面法在圆柱壳体结构优化设计中的应用

以爆炸过程使金属圆柱壳体结构内层分离时所需炸药量最小为目标,其某些尺寸为设计变量,外层结构上最大值为约束,对圆柱壳体结构进行优化.利用有限元显式程序模拟圆柱壳体的高度非线性爆炸行为.采用中心对称试验方法选取样本点,运用响应面法建立优化模型.利用Matlab中QUADPROG优化模块得到该响应面的最优解.上述优化过程不断重复,直到圆柱壳体结构最优的一组几何尺寸得到为止.研究结果表明响应面法应用于在侧向爆炸冲击作用分离的圆柱壳体结构优化问题上是可行的,具有提高计算效率、缩短设计周期等优点.     

轴压弹性圆柱壳中的包络孤立子及其存在条件

采用环向对数应变,详细推导了支配圆柱壳横向轴对称运动的非线性方程。利用约化摄动法从非线性运动方程中导出了非线性Schrdinger方程。由此表明,在一定条件下受轴压弹性圆柱壳中存在包络孤立波;随着载荷参数λ和波数k的取值不同,可给出亮孤子解和暗孤子解。     

回火温度对50SiMnVB钢壳体形成破片性能的影响

为了获得不同回火温度条件对壳体形成破片性能的影响规律,选取3种回火温度下的50SiMnVB钢作为壳体材料,通过破片初速测定试验与水井静爆破片回收试验研究了50SiMnVB钢壳体形成破片的速度及质量分布等性能,并应用AUTODYN-3D有限元软件仿真研究了50SiMnVB钢壳体膨胀破碎形成破片的过程及破片速度、质量变化规律。研究结果表明,随着回火温度的不断升高,50SiMnVB钢壳体的破碎程度随之降低,形成破片的总数逐渐减少,但质量在1.0 g以上的有效破片数目逐渐增加,相对提高了77.4%,而不同回火温度条件对50SiMnVB钢壳体形成破片初速影响不大。