基于改进桥联模型的CFRP层合结构抗冲击载荷动态力学性能研究

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在冲击载荷下的力学响应,本文基于桥联模型,采用含应变率效应的动态本构方程以及屈服准则,对CFRP层合板进行了优化设计和动态压缩强度分析.利用相关文献中的层合板准静态及动态试验结果,对改进的桥联模型程序进行验证,结果吻合良好.在此基础上,对比分析了几种CFRP层合板铺层设计方案,优选并制备其中一铺层的层合板,实施了中等应变率的压缩试验,前期理论计算结果与试验结果有较好一致性.本文工作可用于抗高冲击载荷CFRP层合结构的优化设计及性能预测.     

二次边界载荷下脆性材料动态拉伸承载能力

结合有限结构-时间准则,得到了二次边界载荷下脆性材料动态拉伸承载能力的解析表达式. 分析说明:脆性材料的动态拉伸承载能力可以由外载荷的特征和材料的准静态材料参数相互作用完全决定,因此脆性材料动态强度的应变率效应并不是材料的内禀性质. 此外,不同的外部载荷所导致的材料动态拉伸承载能力有所不同,这是以前动态实验数据中具有内在离散特性的原因.      

大长细比动能弹体弹塑性动力响应数值模拟

针对侵彻体结构动态响应问题,利用有限元程序得到Lagrange六面体常应力积分单元应力张量σij值,建立了获得侵彻体截面轴力、剪力、弯矩等广义载荷的方法.求解并分析了垂直侵彻和斜侵彻实验的大长细比弹体弹塑性动力响应.结果表明,基于最大惯性载荷的垂直侵彻弹体截面载荷分析对弹体强度设计是安全的,斜侵彻时轴向载荷与侧向载荷的交互作用可采用线性交互作用屈服面求解.     

考虑含水率干密度的土壤动态球形空腔膨胀理论

为研究土壤含水率、干密度对弹体侵彻阻力的影响,通过引入含水率及干密度对土壤摩尔-库伦屈服条件进行修正,完成材料的动态球形空腔膨胀理论推导,获得考虑含水率及干密度的靶体阻力函数. 在此基础上对文献中的实验进行计算,并与实验数据及其他经验公式计算结果进行对比和分析. 结果表明,侵彻过程中材料空腔表面径向应力会随着含水率的增加而降低,随干密度的增加而增高;与经验公式及其他模型计算结果相比,考虑含水率干密度的计算模型具有更好的预测精度,可用于低速侵彻土壤的侵深计算.      

异形头部弹体中低速侵彻混凝土的实验研究

针对混凝土的脆性特点,设计了有预先破坏功能的异形头部弹体,进行了侵彻混凝土实验. 利用高速摄影仪记录了隧道区初始阶段的速度,通过比较隧道区的平均侵彻阻力,分析了异形头部弹体和卵形弹体的侵彻阻力. 基于Forrestal公式分析了卵形弹体静态侵彻阻力与异形头部弹体的差别. 实验和计算结果表明,异形头部弹体能有效减小侵彻阻力.      

悬臂梁端部受质量块撞击的弹塑性动力响应数值解

针对Parkes梁问题,基于LS-DYNA的Lagrange六面体常应力积分单元的数值模拟结果,利用连续介质力学基本原理建立了获得截面弯矩、剪力等特征量的方法,研究了截面弯矩分布发展规律并讨论了撞击过程、黏塑性对悬臂梁瞬态动力响应结果的影响,计算结果与Parkes理论解和Reid等的数值解定性一致. 结果表明,在弹塑性弯曲波作用早期,由于高速撞击产生的动力响应明显强于施加单元初速度的响应,后者的做法对于结构抗动载设计而言更为危险.     

椭圆截面杀伤战斗部破片初速沿周向分布规律

为研究异形结构杀伤战斗部破片速度及其分布规律,选择了椭圆截面柱状战斗部结构为研究对象,首先应用有限元数值方法,得到了不同短长轴之比、不同装药质量C与壳体质量M之比β的战斗部壳体加速规律,并且模拟得到了与各椭圆截面战斗部具有相等C/M的圆柱状战斗部的破片初速,近而得到了与圆形截面战斗部破片初速相等时的椭圆截面战斗部方位角δ,δ随短长轴之比和C/M变化;基于Gurney公式,通过对其β以及能量损耗进行修正,得到了椭圆截面战斗部壳体破片初速沿周向分布规律和破片初速计算公式.计算结果表明,破片初速在周向上沿短轴方向最大,沿长轴方向最小.     

考虑应变率效应的结构响应相似律的研究

基于量纲分析方法,讨论了冲击载荷条件下应变率效应对结构响应相似律的影响,提出速度修正方法来缩小由于应变率效应而导致的变形不相似现象.进行反弹道Taylor碰撞模型试验和原型试验,利用速度修正方法指导反弹道Taylor碰撞修正模型试验,并与原型和模型试验结果进行对比.结果表明,本文方法可有效改善材料应变率效应所致的原型试验与模型试验之间的结构响应差异.     

椭圆截面弹体侵彻混凝土阻力特性研究

为研究椭圆截面异构型弹体侵彻混凝土过程中的弹体头部受力特性,开展圆形及等截面积不同长短轴之比的椭圆截面弹体侵彻混凝土过程数值模拟计算,对不同弹体侵彻过程中头部表面所受法向应力与法向速度关系进行了分析.获得了不同长短轴之比情况下的椭圆截面弹体头部表面所受法向应力与法向侵彻速度、单元所在位置角度之间的关系表达式,并进一步得到了椭圆截面弹体侵深计算公式.结果表明:与等截面积的圆形截面弹体相比,在相同法向速度情况下,椭圆截面弹体表面所受法向应力大小随着头部表面单元位置到椭圆中心距离的增大而增大;在侵彻速度相同时,弹体侵深随着截面长短轴之比的增大而增大.      

正反弹道Taylor撞击变形等效性研究

反弹道撞击试验在材料与结构的动力学响应研究领域已有广泛应用,相比正向Taylor试验,反弹道条件下Taylor撞击试验可获得更全面的弹/杆结构响应数据及量化测试结果.为研究正反弹道结构响应的等效性条件,开展不同长径比Taylor杆的正反撞击试验,获得了试件微秒量级的实时动态响应数据.利用数值模拟方法研究了不同撞击速度下结构变形、能量变化与塑性波的传播规律,从能量角度建立了两种撞击条件下结构变形的等效关系,在靶弹质量比大于20的条件下,正反撞击塑性功偏差小于5%.