不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究

泡沫金属在实际工程中往往承受复杂多轴加载工况,且受到突发性爆破等极端动荷载的影响,处于多轴动态复杂应力状态。目前,受实验条件限制,泡沫金属难以实现任意比例的真三轴动态实验。本文采用数值模拟方法,采用霍普金森杆和解析刚体,分别施加冲击荷载和侧限荷载,实现了泡沫金属真三轴动态实验,且实验过程中满足应力均匀性条件,同时,探究了不同侧限条件和侧向预压力比例对泡沫金属多轴冲击性能的影响。结果表明:沿着冲击方向施加2 MPa的预压力对应力幅值为200 MPa的梯形应力波双向冲击的泡沫金属冲击性能无明显影响;侧限约束的增强能提高泡沫金属抗冲击承载能力;当冲击变形模式主导胞孔结构变形时,泡沫金属三向预压力比例对其抗冲击能力无明显影响。     

侧向冲击载荷下金属薄壁圆管内填充泡沫铝的吸能特性研究

运用有限元软件Ls-dyna对泡沫铝填充金属薄壁圆管受侧向冲击载荷进行了数值仿真分析。通过模拟结果与实验结果的对比,验证了有限元模型的有效性与计算结果的精确性;进而研究了管的几何参数、泡沫铝的密度与冲击速度等因素对其变形与吸能特性的影响。研究结果表明:在侧向冲击载荷作用下泡沫铝填充管的压溃可以分为3个阶段,初始碰撞阶段、塑性变形阶段和密实化阶段;与空管相比,泡沫铝填充管的侧向冲击载荷、总吸能与比吸能显著增大。管的几何尺寸、泡沫铝密度、冲击速度等对泡沫填充管的吸能性能影响较大。当冲击速度超过一定数值时,填充管的变形模式发生改变,由对称变形变为非对称的变形。     

基于3D Voronoi模型形状不规则度组合梯度泡沫金属的动态冲击力学性能研究

泡沫金属的力学性能与其细观结构参数密切相关.四个形状不规则度参数梯度组合的3 D Voronoi结构模型被用于开展动态冲击数值仿真实验,探究不同冲击速度下形状不规则度梯度组合类型对泡沫金属的变形特性、荷载-位移和能量吸收特性的影响.结果表明,冲击速率仅在临界速度范围内时对形状不规则度梯度组合模型的力学性能有明显影响,沿...     

冲击荷载作用下地基土变形及动力特性

为研究冲击荷载作用下地基土变形及动力特性,在ABAQUS框架内,采用Mohr-Coulomb模型、刚体冲击荷载、非线性大变形有限元算法及ALE(arbitrary lagrangian eulerian)自适应技术,计算了变形、应力和加速度。计算与现场试验结果基本一致,验证了模型的合理性。以该模型为基础,研究了不同能级、不同冲击次数、不同土体弹模对地基土体变形、应力、速度及加速度的影响。结果表明:夯沉量、隆起高度与夯击能呈线性关系,夯沉量和弹性模量近似呈线性关系;冲击荷载作用下土体呈弹塑性变形→弹性变形逐渐恢复→仅剩塑性沉降变形;冲击能量沿40°～45°向下传递且不断衰减,在施工过程宜合理确定夯间距,分遍错位夯实,确保土体得以有效处理;竖向应力时程曲线呈近似三角形形状,仅出现一次峰值应力。     

不同加载条件下泡沫杆的冲击动力响应

基于一维非线性质量弹簧模型,研究了不同冲击加载条件下泡沫材料杆的冲击动力响应特性. 在保证初始冲量相同的条件下,对比讨论了矩形载荷、正弦载荷、三角形载荷和倒三角载荷作用下泡沫杆内弹塑性应力波的传播过程,以及杆的动态变形特征. 给出了不同载荷作用下的冲击应力增强因子和临界冲量. 研究结果确定了不同冲击加载条件下泡沫材料的动力响应特征,对不同工况下泡沫结构的动力学性能设计具有重要的理论指导意义.      

气动冲击对顶板-U肋焊接残余应力的影响

为研究气动冲击技术对钢桥面板焊接结构残余应力场的影响,建立气动冲击处理顶板-U肋焊接有限元模型.首先对顶板-U肋焊接进行模拟,得到顶板-U肋焊接残余应力场的分布.焊接结果表明:顶板-U肋连接焊缝区域存在较大的残余应力,焊趾及焊根中部位置处存在较大的横向拉应力.在此基础上,建立气动冲击处理焊缝的动力学模型,研究冲击速度、角度和冲击头大小对焊趾附近横向应力的影响.气动冲击结果表明:气动冲击可以将焊缝处的残余拉应力转为残余压应力,形成半椭球形的压应力区,并通过试验对模型进行了验证.冲击参数中,冲击速度和冲击头尺寸对横向应力的影响较大,冲击速度及冲击头尺寸的增大,能提高压应力值大小及压应力区的范围.     

冲击载荷作用下的锻锤热力耦合分析

以用于径向锻造且由基体、过渡层、耐磨层三部分构成的材料复合锻锤为研究对象,分析瞬态热流、循环冲击载荷和热载荷导致的锻锤裂纹失效问题。通过构建热力耦合模型确定锻锤的裂纹危险区域,探讨冲击载荷、温度场与变形的传递关系,进而得到锻锤分别在冲击载荷、温度场和热力耦合作用下的应力和变形分布特征。研究结果表明,锻锤温度场分布不均匀,热影响区主要位于耐磨层工作面,温度随工作面纵向深度的增加而降低;耐磨层的机械应力远大于热应力,是产生疲劳裂纹的主要原因;锻锤变形主要是机械应力和热应力共同作用的结果,最大变形区域位于耐磨层工作面靠近预变形区一侧。仿真分析结果与锻锤实际失效情形一致,可为锻锤的优化设计提供参考。     

超声冲击改善S30403不锈钢表面状态的数值模拟

基于Johnson-Cook方程建立超声冲击处理的三维有限元模型,研究超声冲击处理奥氏体不锈钢S30403的动力学过程,分析冲击速度、覆盖率对残余应力分布和表面应力集中因子Zi的影响。结果表明:冲击处理后的表面在冲击凹坑边缘存在4个月牙状高拉应力区。随着冲击速度的增加,月牙状区域的形状与面积基本不变,但是随着覆盖率的增加,月牙状区域逐渐融合。冲击速度对表面残余压应力值、最大残余应力深度和残余应力厚度的影响较大,但对最大压残余应力值的影响较小。冲击处理后的应力集中系数Zi随着冲击速度的增加开始增幅较大,后逐渐趋于平缓。覆盖率低于100%时,覆盖率对残余应力层的厚度以及最大残余应力的深度影响很小,但是表面残余压应力值则随着覆盖率的增加明显变大;当覆盖率达到200%,残余应力的深度显著增加,显著提高了残余压应力区域的应力水平。     

开孔泡沫金属动态力学性能及能量特性

泡沫金属材料在防护吸能领域有着重要的应用前景,深入研究泡沫金属及其相关结构的冲击力学性能十分必要。通过Φ50 mm的分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对开孔泡沫金属Fe、Ni、Fe-Ni合金(50 mm×10 mm)进行动态冲击试验。试验分析了应变和应变率对其力学性能及吸能特性的影响,通过对其峰值应力、波动应力、理想吸能效率等参数的对比分析多种冲击速度下不同泡沫金属材料的抗压强度与吸能性,为建筑、航天等工程的使用提供理论基础。研究结果表明：高冲击速度下峰值应力增大且Fe-Ni合金抗压强度最高,不同材料泡沫金属均存在波动应力且压密阶段时间各不相同。应变率介于600～1 150时泡沫金属Ni吸能性最优,该区间外Fe-Ni合金更优。当应变率大于1 000时,Fe-Ni合金理想吸能效率增幅较大,相较于700时提高了48%、为最优理想吸能材料。     

链传动啮合冲击理论分析及有限元模拟

啮合冲击是引发链传动产生振动、噪声以及链条零部件发生疲劳损坏的主要原因,因此,精确地分析与计算啮合冲击载荷是进行轮齿强度计算以及链传动系统动力学研究的重要内容.为此,建立了链轮轮齿滚子间啮合冲击动力学模型,计算了啮合冲击力幅值;采用赫兹接触理论,对齿面接触应力进行了静态条件下的理论计算;建立了套筒滚子链传动系统有限元模型,采用三维弹性接触问题有限元分析方法,对轮齿滚子间的啮合冲击效应进行了精确模拟,分析了具有标准齿廓形状轮齿滚子瞬时啮合时,冲击载荷变化规律及应力分布情况.计算结果表明:在动态条件下轮齿滚子作为弹性体发生冲击接触时,接触区域变形并非理想的长方形区域;轮齿齿面的冲击接触力分布是不均匀的;在理论接触区域两侧冲击应力较大;在考虑了链轮齿形、间隙及弹性变形等多种影响因素的条件下,动态冲击载荷远大于静态条件下的理论计算值.     

山区输电塔滚石撞击响应分析及撞击力计算

为了掌握滚石撞击作用下山区输电塔受力特性,以某山区800kV特高压输电线路T型输电塔为对象,采用非线性显式动力学分析软件,建立了输电塔滚石撞击有限元模型,研究了输电塔撞击区域杆件变形、应力及其时程变化,分析了滚石撞击位置、角度、速度以及滚石直径对输电塔撞击响应的影响规律,给出了输电塔滚石撞击力峰值计算公式,并与其它算法对比验证。结果表明：输电塔滚石撞击力呈现三角脉冲形态,持续时间短、冲击力大;输电塔撞击区域塔杆变形和内力较大,撞击时塔杆应力水平瞬时达到峰值,随后迅速振荡衰减,并逐渐稳定;滚石撞击后塔杆发生塑性变形,出现残余应力,但残余剪应力水平小于残余轴向应力;滚石撞击位置处于1/6到1/8塔高时,滚石撞击力峰值和杆件的残余轴向应力相对较大,撞击角度为0°时,输电塔的撞击响应最为剧烈,撞击速度和滚石直径对输电塔撞击响应影响较大;④撞击力峰值拟合公式可用于输电塔滚石撞击力的估算。     

基于ABAQUS的游离磨粒对单晶锗表面冲击作用仿真分析

为研究固液两相流方法加工原理,建立ABAQUS冲击仿真模型,分别分析单晶锗材料变形过程中应力变化、不同速度冲击作用、不同角度冲击作用。仿真结果表明:加工过程中被加工材料表面在受到水平切削力和竖直挤压力共同作用下,产生塑性变形;不同速度冲击作用下,材料表面塑性形变量随速度增加而增大,最大接触应力值呈先增大后减小的趋势;不同角度冲击作用下,单晶锗弹性模量各向异性与冲击角度共同影响最大接触应力值,弹性模量各向异性不影响材料变形量,冲击角度影响材料变形量及是否会在材料表面产生应力集中现象。     

泡沫塑料吸能特性的试验研究

相比于泡沫金属,泡沫塑料有如隔热、绝缘、回弹性好、成本低等优点. 泡沫塑料在压缩变形过程中经历3个阶段:初始弹性区、平台区和压实区,平台区对应的应变很大而应力较低,是主要的吸能阶段. 在平台区内泡沫塑料同时发生弹性变形和塑性变形,塑性变形使泡沫塑料产生损伤,而呈现出应力软化的现象. 通过对3种不同密度的泡沫塑料进行不同压缩速度和压缩量的多循环单向压缩试验,对比研究了泡沫塑料的吸能特性与残余变形和应变率、密度以及变形历史的相关性.     

球状飞射物对屋面瓦片冲击效应的数值模拟

选取典型的球状混凝土飞射物,研究其对一种典型屋面陶土瓦片的冲击破坏作用.基于ANSYS/LS-DYNA平台,参考落球冲击试验方法建立冲击碰撞的有限元计算模型.选取Johnson-Holmquist-Ceramic本构模型模拟陶土瓦片材料,引入单元应变失效准则模拟瓦片破坏情况,采用显式动力学方法研究落球冲击试验中瓦片应力、应变、变形的时变机理.对冲击速度、球块质量、瓦片倾角进行参数分析,结果表明,瓦片最大等效应力与冲击速率及球块质量大致成正比,与瓦片倾角相关性不大.冲击过程是一个能量显著转移的过程,根据损伤方程计算出陶土瓦片能承受不超过34.35m·s~(-1)的来流风速下球状混凝土飞射物的冲击破坏作用.     

冲击荷载下Ⅰ型裂纹与圆孔缺陷相互作用

采用数字激光动态焦散线和超动态应变测试系统,对含圆孔缺陷的有机玻璃板三点弯曲梁进行冲击断裂实验,开展Ⅰ型扩展裂纹与不同直径圆孔缺陷相互作用实验研究。结果表明：冲击载荷下预制裂缝尖端焦散斑不断增大,圆孔缺陷左、右边缘应变片测点表现出竖直受压、水平受拉的应力状态。裂纹起裂后沿直线扩展,主要表现为Ⅰ型断裂。初始裂纹扩展速度和动态应力强度因子大小相似,变化趋势相近,应变片测点水平和竖直方向均表现出拉应力状态。初始裂纹与圆孔缺陷贯通时止裂,贯通瞬间应变片测点的水平和竖直拉应力均达最大值。随着圆孔缺陷直径增大,次生裂纹起裂速度和起裂韧度均变大,起裂难度增高。研究结果为揭示动荷载下含缺陷岩石断裂机理提供借鉴。     

冲击载荷下金属薄壁圆柱壳动态响应特性研究

为探讨薄壁结构金属件在冲击载荷作用下的变形模态、受力特征等动态力学响应特性,对3种材料的薄壁圆柱壳体进行了不同速度的落锤冲击实验,获得了相同冲击条件下不同材料圆柱壳体的变形模态、吸能方式和轴向缩短率,以及冲击速度和径厚比对圆柱壳体吸能和轴向缩短率的影响规律. 研究结果表明:薄壁圆柱壳的轴向缩短率随着冲击速度增加而增加,由于应变率效应吸能能力也随着冲击速度增加而增加;薄壁圆柱壳体的轴向缩短率随着径厚比的增加而增加;动态冲击条件下的平均后屈曲载荷远大于准静态条件下的理论载荷,除了与圆筒直径、厚度以及材料特性相关外,还与冲击速度相关;通过非轴对称屈曲折皱变形来抗冲击A6060铝合金适合用于薄壁结构件.      

金属微粒与电极碰撞恢复系数的理论和实验研究

金属微粒是降低气体绝缘金属封闭输电线路(GIL,gas insulated transmission lines)绝缘强度的关键因素之一,研究金属微粒与电极的碰撞恢复系数可为微粒陷阱等金属微粒抑制措施提供理论基础。基于弹塑性变形理论,给出了法向恢复系数和切向恢复系数计算公式,并通过碰撞恢复系数测量平台研究了微粒材质特性、微粒直径以及碰撞速度对碰撞恢复系数的影响规律,实验测量结果验证了理论计算公式的可靠性。理论计算和实验测量表明:按金属材质铝、铜、钢的顺序,法向碰撞恢复系数逐渐减小,切向碰撞恢复系数逐渐增大;法向碰撞恢复系数和切向碰撞恢复系数均与微粒直径呈负相关;同一斜碰撞角度下,法向碰撞恢复系数随碰撞速度的增加而减小,切向碰撞恢复系数随碰撞速度的增加先减小后增加,并且不同斜碰撞角度下的法向碰撞恢复系数或切向碰撞恢复系数变化规律类似。文中关于碰撞恢复系数的计算方法可为微粒陷阱等工程设计提供理论支撑。