泡沫金属的力学性能研究

利用Gibson-Ashby模型,对泡沫金属的基本参量(弹性模量和泊松比)进行了理论分析,建立了泡沫金属在弹性范围内的弹性模量和泊松比随相对密度变化的关系式,通过与Nieh等人的实验结果和Roberts等人的有限元分析结果比较表明,得到的关系式能较好地反映泡沫金属特性.研究表明,对于同一模型中,在相对密度相同的情况下,开孔泡沫金属材料的筋条截面惯性矩越大,其弹性模量越大,而泊松比越小.     

聚乙烯泡沫塑料的静态压缩性能研究

研究了聚乙烯泡沫塑料在静态压缩状态下，不同密度、不同压缩厚度、不同压缩次数所表现出的相似或相异的应力一应变曲线．结果表明，通过对不同密度的聚乙烯泡沫塑料的实验分析，可以发现相同应变时，密度越大应力越大；相同应力时，密度越小，应变越大；厚度不同的2种试样的应力-应变曲线并无明显差异．     

冲击波在泡沫金属材料中传播特性的研究

泡沫金属材料由于其较长的应力平台能吸收较多的能量,在结构耐撞性设计中有广泛的应用,然而实验研究表明当承受强冲击载荷时,泡沫金属材料中可能发生应力增强现象,从而对被保护物造成较严重的损伤.应用二维弹塑性质量-弹簧-连杆模型对这一现象进行了系统研究.给出了泡沫金属的本构关系及其加、卸载准则,建立了非线性动力平衡方程,采用显式积分算法对压缩冲击波在铝泡沫材料中的传播特征进行了模拟,并考察了铝泡沫材料非均匀性对冲击波传播特性的影响.结果表明,在较低的脉冲载荷下,铝泡沫材料通过其胞壁的渐进坍塌耗散大量的能量,从而减缓被保护物所受的冲击.当脉冲载荷达到一定强度时,在铝泡沫材料中应力传递可能会出现增强现象,特别是在局部非均匀泡沫材料中,会产生相当高的峰值应力.压缩冲击波在铝泡沫材料中的传播特征及其所产生的峰值应力的大小和位置与铝泡沫材料特性、脉冲载荷强度、载荷作用时间以及材料的不均匀程度等因素密切相关.本研究可为泡沫金属材料用于防护装置中的可靠性分析提供一定依据.     

高压水射流破岩应力波效应的数值模拟

高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的复杂的非线形动力学问题,利用非线形有限元法,采用动态接触模拟高压水射流对岩石冲击作用.结果显示岩石内部最初受到冲击时的不稳定性由强变弱,反映了岩石的动态响应特性;模拟了在不同冲击速度下应力波在岩石中的传播和衰减过程,结果表明应力波的传播速度与冲击速度成正比,射流速度越大,应力波衰减越快;同时还模拟了以相同的速度分别冲击砂岩和煤时的应力波效应,计算表明在相同的冲击速度下,射流冲击煤的局部性效应比冲击砂岩时更为显著,应力波在砂岩中的传播范围要广泛一些.     

不同密度泡沫铝的静动态压缩力学性能

采用电液伺服万能试验机和改进SHPB直接撞击系统对不同密度梯度泡沫铝进行了准静态和动态压缩试验,获得了3种相对密度泡沫铝在不同应变率下的单轴压缩应力-应变曲线,分析了相对密度和应变率对泡沫铝力学性能、吸能特性的影响。结果表明：在同一种应变率下,随着相对密度的增加,泡沫铝弹性阶段屈服应力和平台应力显著提升,而致密应变则会提前。相对密度高的泡沫铝其单位体积吸收能量越多,两者呈现正相关性;相对密度低的泡沫铝其吸能效率越大,两者呈现负相关性。随着应变率的增加,泡沫铝单位体积吸收能量逐渐提高,吸能效率变化不大。     

泡沫铝夹心板静态三点弯曲变形行为及力学性能

采用焊接方法制备了泡沫铝夹心板,通过对制备出的泡沫铝夹心板进行三点弯曲实验,测量其整体的抗弯特性.应用数字图像相关方法计算了弯曲过程中试样表面的全场变形响应,结合对载荷-位移曲线的分析,讨论了2种不同孔结构夹心板的变形行为.结果表明:由于夹心材料结构上的不同,导致其破坏方式的不同;以闭孔泡沫铝为夹心的夹心板弯曲吸能比夹心为开孔泡沫铝的多,而开孔泡沫铝夹心板的弯曲刚度则更高些,这对泡沫铝夹心板的设计及工程应用具有实际指导意义.     

冲击速度对开孔泡沫金属冲击动力学性能影响

利用有限元软件ANSYS中的LS-DYNA模块,建立起了泡沫金属胞元方孔模型,采用能更好反应实际情况的幂函数塑性模型,研究了冲击速度对泡沫金属冲击动力学性能的影响,对泡沫金属在冲击载荷作用下的应力传递和分布以及变形过程进行了数值模拟,分析了冲击速度对泡沫金属应力传递和分布以及变形的影响。研究表明,随着初始撞击速度的提高,泡沫铝屈服强度有所提高,应力传递速度和接触端面处的泡孔变形速度加快。     

冲击荷载下钙质砂侧限压缩及颗粒破碎试验研究

海洋动力环境中钙质砂受荷载时的压缩变形特性是工程建设考虑的重要因素。对1~2 mm粒径钙质砂在侧限条件下进行静荷加载、冲击加载、冲击后静荷加载试验,分析试样在三种加载方式下的e-P曲线,运用Hardin模型中的相对破碎率Br值对其颗粒破碎进行度量。试验结果表明:相同荷载幅值水平下,相对静荷加载,试样对冲击加载较为敏感,其压缩变形更加明显,颗粒级配变化更显著;冲击加载时,存在临界冲击次数N_(cr),此时试样孔隙比趋于稳定;且冲击荷载幅值越大,相应临界冲击次数N_(cr)值越大;同时发现冲击加载会影响试样压缩性,冲击加载时试样颗粒破碎程度越高,冲击加载后静荷加载时表现的压缩性越低,颗粒相对破碎率B_r值变化越小,试验结论对工程建设具有一定参考意义。     

泡沫铝芯体夹层板的抗侵彻性能试验研究

本文研究了不同冲击速度下泡沫铝芯体夹层板的动态压缩应力-应变响应特性和抗侵彻性能。试验结果表明:泡沫铝夹层板的动态应力应变曲线也具有泡沫材料的应力应变曲线的"三阶段"特征(elastic region,collapse region and densification region)。泡沫铝芯体夹层板与泡沫铝相比,具有更高的屈服极限和更好的缓冲吸能特性。     

泡沫铝填充钢管横向压缩吸能特性试验

为了解填充泡沫铝对钢管吸收能量的影响及其能量吸收特性,通过试验方法研究了单个空钢管与泡沫铝填充钢管的准静态横向压缩性能及吸能特性。研究结果显示:空钢管在横向压缩作用下,其名义应力应变曲线关系与多孔金属材料比较相似。相同壁厚的钢管在横向压缩下,管径越大,其名义屈服应力越小,平台段越长。填充泡沫铝能改变其变形机制,提高钢管在横向压缩下的屈服应力值,较大地提高其能量吸收性能。泡沫铝密度对这种性能的提高影响较小,而钢管的直径对其影响较大。     

超高速武器对地打击效应数值仿真

 以流体弹塑性模型为基础, 采用SPH 无网格方法, 对超高速武器打击花岗岩靶体进行数值仿真分析。结果表明:随着靶速度提高, 将依次呈现固体侵彻、半流体侵彻、流体侵彻3 种现象;出现流体侵彻后, 直接侵彻深度大幅减小并趋向固定值, 总弹坑深度增幅缓慢, 弹体前端形成静高压区, 并伴随以塑性冲击波为主的动应力区;亚音速流体侵彻应力波形为双波结构, 而超音速流体侵彻应力波形与空气冲击波类似为强冲击波, 但衰减指数>2.5, 且着靶速度越高, 衰减越快。     

基于机器学习的梯度点阵材料优化设计

点阵材料具有轻质、抗冲击、高能量吸收等特性，因而在航天飞行器承载部件设计等领域有广阔应用前景. 通过对点阵材料内部杆径进行合理的梯度设计，可以提高点阵材料在高速冲击载荷作用下的动态力学性能. 利用仿真模拟数据，基于随机森林模型实现了梯度点阵材料的动态力学响应预测和结构参数优化. 以面心立方（face center cubic，FCC）结构梯度点阵材料为研究对象，通过对杆径参数的调整实现点阵材料密度的梯度化设计. 通过LS-DYNA软件计算了密度分布不同的梯度点阵材料受到冲击载荷作用时的动态力学响应，包括冲击端面与支撑端面接触应力随时间的变化曲线. 基于随机森林模型，以各层胞元的相对密度为输入，实现对点阵材料端面峰值应力的预测，并基于Gini指数分析出对不同端面处峰值应力影响最大的胞元层. 将网格搜索算法与训练好的随机森林对接，分别以两个端面上的峰值应力最高作为优化目标，获得点阵材料各层胞元相对密度的最优值. 模型对梯度点阵材料端面峰值应力的预测误差在5%以内. 数值模拟验证结果表明，优化后所得梯度点阵材料相应端面上的峰值应力高于仿真数据集内任何结构.      

复合材料广义热弹性问题格点型有限体积法研究

基于Lord-Shulman(L-S理论)、Green-Lindsay(G-L理论)及经典热弹性耦合理论(T-C理论),本文发展了一种适用于二维复合材料广义热弹性问题的格点型有限体积法(CV-FVM).运用交错网格技术,待解变量存储在单元节点,物性参数存储在单元中心,控制方程空间项采用双线性四边形单元进行离散,时间项采用欧拉隐式进行离散.针对均质无限大方板热冲击问题,本文对CV-FVM进行了数值验证,计算结果表明,本文发展的数值方法可以很好地捕捉热波波前和弹性波前的温度阶跃特性及热弹耦合特征.本文采用CV-FVM进一步研究了不同梯度系数p下钛合金/氮化硅复合板的热冲击问题,发现L-S理论复合板p=1时预测的功能梯度界面应力最小;T-C、G-L理论下,复合板p=10时预测的功能梯度界面应力最小,不同耦合理论选系数p对界面热弹性行为影响规律并不相同,并非材料线性分布(p=1)时界面应力幅值最小.本文发展的CV-FVM可作为复合材料热波问题和广义热弹性问题求解的一种备用工具.     

聚酯材料状态方程的实验研究

在单级轻气炮上对聚酯材料的激波状态方程进行了实验研究。最高撞击速度为526 m/s,相应在靶中得到的最高撞击压力为2.14 GPa。压力测试采用锰铜计,PVDF产生的压电信号用于判读激波速度。由实验结果拟合得到了聚酯材料的Hugoniot线性关系和多项式状态方程以及Grüneisen状态方程。     

基于Goodman单元的顺层边坡爆破动力响应数值模拟

为了研究爆炸荷载作用下顺层边坡岩体的动力响应,采用数值模拟的方法对边坡坡面及岩体内部质点振速、应力场的分布规律进行分析,采用Goodman单元模拟岩体内部软弱结构面.结果表明：边坡台阶处坡形的变化会导致质点振速和应力值波动明显,台阶突出部位"鞭梢效应"显著,但质点振速与应力并非在边坡坡面的同一位置达到峰值,因此将质点峰值振速或应力值作为评价边坡稳定性的单一指标并不合理;岩体内部质点的动力响应规律主要与介质阻尼、结构面以及边坡形状等因素有关,结构面的存在会造成爆炸应力波的反射叠加,质点振速和应力值在结构面之前也有一定程度的放大;边坡自由面对应力波的反射叠加效应不应忽视.     

水下爆炸作用下近岸场地动态响应数值模拟

以某近岸场地为研究背景,通过选取合理的材料本构模型及状态方程,建立水下爆炸荷载作用下近岸场地动力响应数值分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA进行近场水下爆炸荷载作用下动态响应分析.研究爆炸冲击作用下冲击波在近岸场地的传播特性以及近岸场地动态响应的变化规律.研究表明:在冲击波传播过程中,其传播特性会受到边界面的影响;...     

小应力扰动下岩石弹性波速变化的波形检测

弹性波速变化能够反映岩石内部结构和应力的变化,成为工程结构监测的重要基础,其关键是实现小应力扰动下的高精度检测。在室内建立一套试验测量系统,对3类岩石的6块样品进行单轴压缩试验,同步记录小应力作用下岩石的应变、声发射及超声波波形。分析岩石非均质引起的多次散射波(尾波)特性,利用尾波干涉测量实现波速变化的高精度波形检测,发展小应力扰动下岩石弹性波速变化的检测方法,并对尾波波速随应力的变化规律进行分析。结果表明:尾波干涉测量可以实现小应力扰动下的高精度动态监测,具有对岩体扰动小、灵敏度高、稳定性好、操作简单的优点;所提方法应用的条件是介质散射强度高,尾波较为发育,观测系统重复性好;尾波波速随应力的相对变化率dv/v是岩石损伤状态的一种表征,尾波波速变化具有记忆效应;与声发射相比,所提方法稳定,易识别,可用于岩心地应力测试。     

装药背板对破片冲击引爆的影响研究

为研究背板对破片冲击起爆屏蔽装药的影响,运用数值仿真方法分析了破片冲击起爆有无背板装药的情况. 数值仿真表明,由于背板对冲击波的反射作用使背板附近处冲击波压力幅值增加,从而使装药的临界起爆速度下降. 随着装药厚度的增加,背板对于装药的冲击起爆影响逐渐下降;背板材料对于反射冲击波幅值有所影响,但不同背板材料间装药临界起爆速度相差并不大.     

聚乙烯纤维增强复合材料的动态力学响应特性

采用一维平面应变动加载技术及拉氏分析,研究聚乙烯纤维增强复合材料（Dyneema UD66层合板）在强应力脉冲载荷作用下的动态响应特性,得到了流场中各状态参量沿时－空的分布规律,应用冲击动力学理论分析其力学响应特征,并由实验及拉氏分析结果拟合了该材料的动态本构方程,结果表明,该材料具有良好的冲击波能量吸收特性及明显的应变率相关特性。