2011年 31卷 第6期
2011, 31(6): 561-566.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0561-06
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本文被引
摘要:
针对舰载旋转机械的水下非接触爆炸冲击动力学响应问题,提出了一种基础冲击转子-轴承系统 建模理论。结合牛顿运动定理、动量矩定理和Timoshenko梁理论,推导出了系统动力学微分方程,方程综合 考虑了转子的旋转惯性力、剪切力、陀螺效应、轴向力、轴向扭矩以及轴承的油膜力。通过在时间域和空间域 分别采用直接积分法和Galerkin有限单元法求解方程,得到了系统冲击响应的时间历程。验证了建模理论 的准确性。最后,通过实际工程应用考察了陀螺效应对冲击响应的影响,得到了冲击激励和工作载荷共同作 用下的系统响应。得到的结论为:建模理论和计算方法是正确的;陀螺效应对响应的影响不可忽略;工作载荷 会增大响应,但考虑工作载荷时的冲击总响应不是工作载荷下稳态响应与不考虑工作载荷时的冲击响应的 绝对值相加,两者存在较大差异。
针对舰载旋转机械的水下非接触爆炸冲击动力学响应问题,提出了一种基础冲击转子-轴承系统 建模理论。结合牛顿运动定理、动量矩定理和Timoshenko梁理论,推导出了系统动力学微分方程,方程综合 考虑了转子的旋转惯性力、剪切力、陀螺效应、轴向力、轴向扭矩以及轴承的油膜力。通过在时间域和空间域 分别采用直接积分法和Galerkin有限单元法求解方程,得到了系统冲击响应的时间历程。验证了建模理论 的准确性。最后,通过实际工程应用考察了陀螺效应对冲击响应的影响,得到了冲击激励和工作载荷共同作 用下的系统响应。得到的结论为:建模理论和计算方法是正确的;陀螺效应对响应的影响不可忽略;工作载荷 会增大响应,但考虑工作载荷时的冲击总响应不是工作载荷下稳态响应与不考虑工作载荷时的冲击响应的 绝对值相加,两者存在较大差异。
2011, 31(6): 567-572.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0567-06
摘要:
基于纤维增强复合材料连续介质力学理论及粘弹性理论,提出了猪后腿肌肉的率相关本构模型。 通过拟合以往研究中猪后腿肌肉的SHPB和SHTB实验应力应变曲线,确定了本构模型的相关参数。结果 表明:提出的本构模型既能描述猪后腿肌肉沿纤维方向的动态压缩力学性能又能描述其动态拉伸性能,理论 模型与实验模型有较好的一致性。该结果可为安全防护数值模拟提供一定的理论依据。
基于纤维增强复合材料连续介质力学理论及粘弹性理论,提出了猪后腿肌肉的率相关本构模型。 通过拟合以往研究中猪后腿肌肉的SHPB和SHTB实验应力应变曲线,确定了本构模型的相关参数。结果 表明:提出的本构模型既能描述猪后腿肌肉沿纤维方向的动态压缩力学性能又能描述其动态拉伸性能,理论 模型与实验模型有较好的一致性。该结果可为安全防护数值模拟提供一定的理论依据。
2011, 31(6): 573-578.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0573-06
摘要:
针对药室长度超过3m 的长药室装药设计问题,设计了以电点火具为点火源的多点点火系统,在 点传火模拟实验装置上进行了多点点火的实验研究。同时,建立了点传火模拟实验装置中多点点传火过程的 数学物理模型,采用MacCormack差分格式进行了数值求解,得到了点传火模拟装置中传火管的压力分布、固 相和气相速度以及空隙率等数值解,分析了多点点传火系统的点传火过程。计算结果与实验结果吻合,比较 准确地描述了点传火过程,表明该数值模拟方法合理可行。
针对药室长度超过3m 的长药室装药设计问题,设计了以电点火具为点火源的多点点火系统,在 点传火模拟实验装置上进行了多点点火的实验研究。同时,建立了点传火模拟实验装置中多点点传火过程的 数学物理模型,采用MacCormack差分格式进行了数值求解,得到了点传火模拟装置中传火管的压力分布、固 相和气相速度以及空隙率等数值解,分析了多点点传火系统的点传火过程。计算结果与实验结果吻合,比较 准确地描述了点传火过程,表明该数值模拟方法合理可行。
2011, 31(6): 579-584.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0579-06
摘要:
进行了速度在35~160m/s的平头、卵形和截卵形弹体入水实验,利用高速相机记录了弹体入水 和空泡扩展的详细过程,得到了3种弹体在入水初期的水中弹道轨迹和空泡形状,并比较分析了弹体头部形 状对入水弹道稳定性的影响。结果表明,平头弹体在水中飞行有良好的弹道稳定性,截卵形弹体往往由于受 力不均衡在入水后期发生偏转,卵形弹体则在入水前期即发生偏转。假定弹体入水过程中的阻力系数为非定 值,修改了柱形弹体水中速度衰减数学预报公式,同时根据能量守恒建立了平头弹体入水的空泡形状模型,计 算结果与实验结果吻合良好。
进行了速度在35~160m/s的平头、卵形和截卵形弹体入水实验,利用高速相机记录了弹体入水 和空泡扩展的详细过程,得到了3种弹体在入水初期的水中弹道轨迹和空泡形状,并比较分析了弹体头部形 状对入水弹道稳定性的影响。结果表明,平头弹体在水中飞行有良好的弹道稳定性,截卵形弹体往往由于受 力不均衡在入水后期发生偏转,卵形弹体则在入水前期即发生偏转。假定弹体入水过程中的阻力系数为非定 值,修改了柱形弹体水中速度衰减数学预报公式,同时根据能量守恒建立了平头弹体入水的空泡形状模型,计 算结果与实验结果吻合良好。
2011, 31(6): 585-591.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0585-07
摘要:
发展了固定腔结构的角色散FP干涉测速系统,干涉仪结构紧凑,采用固定腔标准具,实现了干涉 条纹永久免调,并且条纹常数的标定非常简单。该系统可用于靶面反射光强动态变化很大的场合,在电炮驱 动Mylar膜飞片实验中,光强变化达100倍时仍然获得了很好的结果。分析了标准具厚度误差、标准具端面 不平行、干涉条纹动态展宽和扫描图像畸变等因素对系统测量精度的影响以及系统的速度和时间分辨能力。
发展了固定腔结构的角色散FP干涉测速系统,干涉仪结构紧凑,采用固定腔标准具,实现了干涉 条纹永久免调,并且条纹常数的标定非常简单。该系统可用于靶面反射光强动态变化很大的场合,在电炮驱 动Mylar膜飞片实验中,光强变化达100倍时仍然获得了很好的结果。分析了标准具厚度误差、标准具端面 不平行、干涉条纹动态展宽和扫描图像畸变等因素对系统测量精度的影响以及系统的速度和时间分辨能力。
2011, 31(6): 592-599.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0592-08
摘要:
改造落锤撞击仪器,在落锤与撞击底座中增加光学系统和压力测试部件,利用高速摄像仪,拍摄了 HMX颗粒炸药受撞击加载过程中微秒量级时间的变形-熔化-点火-燃烧过程图像。研究了下落高度、颗粒松 散程度对变形和点火时间长短及燃烧剧烈程度的影响。结果表明,落锤下落高度越高,塑性扩展持续时间越 短,易发生点火而不易发生喷射现象;较低的落锤下落高度易导致剧烈的喷射,而不易发生点火。颗粒排列越 松散的样品,塑性扩展时间越短,更容易形成多个点火位置,从而使热点聚合导致燃烧的机会越大。
改造落锤撞击仪器,在落锤与撞击底座中增加光学系统和压力测试部件,利用高速摄像仪,拍摄了 HMX颗粒炸药受撞击加载过程中微秒量级时间的变形-熔化-点火-燃烧过程图像。研究了下落高度、颗粒松 散程度对变形和点火时间长短及燃烧剧烈程度的影响。结果表明,落锤下落高度越高,塑性扩展持续时间越 短,易发生点火而不易发生喷射现象;较低的落锤下落高度易导致剧烈的喷射,而不易发生点火。颗粒排列越 松散的样品,塑性扩展时间越短,更容易形成多个点火位置,从而使热点聚合导致燃烧的机会越大。
2011, 31(6): 600-605.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0600-06
摘要:
以碳酚醛靶中的一维应变热击波为例,讨论本构模型对热击波数值模拟结果的影响。数值模拟采 用3种本构模型,即各向同性理想弹塑性本构模型、各向异性理想弹塑性本构模型及各向异性动态弹塑性本 构模型。结果表明:与各向同性理想弹塑性、各向异性理想弹塑性本构模型相比,利用各向异性动态弹塑性本 构模型获得的热击波应力峰值较小、应力峰值衰减较快,与实验结果更接近。
以碳酚醛靶中的一维应变热击波为例,讨论本构模型对热击波数值模拟结果的影响。数值模拟采 用3种本构模型,即各向同性理想弹塑性本构模型、各向异性理想弹塑性本构模型及各向异性动态弹塑性本 构模型。结果表明:与各向同性理想弹塑性、各向异性理想弹塑性本构模型相比,利用各向异性动态弹塑性本 构模型获得的热击波应力峰值较小、应力峰值衰减较快,与实验结果更接近。
2011, 31(6): 606-611.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0606-06
摘要:
对隔振系统中引入泡沫铝冲击吸能器进行探讨。首先,在综合考虑最大加速度和最大相对位移这 2个影响舰船设备防护的重要指标情况下,对舰船单层隔振系统中引入泡沫铝冲击吸能器进行了理论分析, 在此基础上进行了实验验证。通过实验结果可知,泡沫铝冲击吸能器能有效消除舰船设备的二次冲击。实验 结果与理论结果吻合较好,可为泡沫铝冲击吸能器的应用提供理论和实验指导。
对隔振系统中引入泡沫铝冲击吸能器进行探讨。首先,在综合考虑最大加速度和最大相对位移这 2个影响舰船设备防护的重要指标情况下,对舰船单层隔振系统中引入泡沫铝冲击吸能器进行了理论分析, 在此基础上进行了实验验证。通过实验结果可知,泡沫铝冲击吸能器能有效消除舰船设备的二次冲击。实验 结果与理论结果吻合较好,可为泡沫铝冲击吸能器的应用提供理论和实验指导。
2011, 31(6): 612-618.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0612-07
摘要:
针对碳酸盐岩中化学爆炸地震勘探激发地震波能量弱、频率高、信噪比低的现状,为对炮孔装药结 构提出合理的改进措施,建立了耦合与不耦合装药孔壁爆炸载荷及透射波能量的计算模型,并借助MATLAB 编程计算得到解析解。同时在灰岩场地进行了装药不耦合系数Kd 对地震波能量影响的现场实验,应用 基于功率谱的能量分析方法对实验数据进行了分析。理论计算和现场实验研究均表明:地震波信号总能量随 着Kd 的增大而减小;但是当Kd=1.5时,采集的地震波信号主频低、信噪比最高。因此在实际碳酸盐岩储层 中,可采用Kd=1.5的装药结构形式,同时通过加大炮孔装药量以弥补地震信号总能量,从而改善地震勘探 激发效果。
针对碳酸盐岩中化学爆炸地震勘探激发地震波能量弱、频率高、信噪比低的现状,为对炮孔装药结 构提出合理的改进措施,建立了耦合与不耦合装药孔壁爆炸载荷及透射波能量的计算模型,并借助MATLAB 编程计算得到解析解。同时在灰岩场地进行了装药不耦合系数Kd 对地震波能量影响的现场实验,应用 基于功率谱的能量分析方法对实验数据进行了分析。理论计算和现场实验研究均表明:地震波信号总能量随 着Kd 的增大而减小;但是当Kd=1.5时,采集的地震波信号主频低、信噪比最高。因此在实际碳酸盐岩储层 中,可采用Kd=1.5的装药结构形式,同时通过加大炮孔装药量以弥补地震信号总能量,从而改善地震勘探 激发效果。
2011, 31(6): 619-623.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0619-05
摘要:
通过添加波形整形器的分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了侧限条件下干燥砂在不同应变率和 不同预压时的动态压缩力学性能,并利用MTS810材料实验系统,研究了干燥砂的准静态压缩应力应变曲 线。实验采用的材料为硅基细颗粒干燥砂,粒径分布范围为150~245m,自然堆积状态的密度为 1.40g/cm3。研究发现,应变率对干燥砂压缩过程影响不大,而不同的预压对实验结果影响显著。
通过添加波形整形器的分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了侧限条件下干燥砂在不同应变率和 不同预压时的动态压缩力学性能,并利用MTS810材料实验系统,研究了干燥砂的准静态压缩应力应变曲 线。实验采用的材料为硅基细颗粒干燥砂,粒径分布范围为150~245m,自然堆积状态的密度为 1.40g/cm3。研究发现,应变率对干燥砂压缩过程影响不大,而不同的预压对实验结果影响显著。
2011, 31(6): 624-629.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0624-06
摘要:
采用巴西实验作为间接拉伸加载手段,研究了某PBX(polymer-bondedexplosive)炸药试样拉伸作 用下的断裂损伤特性。发展了PBX炸药的光学制备技术,获得了试样在光学显微镜下的细观表面形貌和断 裂损伤形貌,结合高速摄影和数字相关分析技术获得了试样的形变和破坏过程。实验结果表明该PBX炸药 的静态拉伸强度低于3MPa,破坏应变也非常小。根据观测结果,运用晶体穿晶断裂和临界脱粘理论对PBX 炸药的拉伸断裂模式进行了分析,认为脱粘裂纹在加载早期即可成核;当晶体开始发生断裂后试样发生宏观 破坏。颗粒尺寸较大的晶体容易发生穿晶断裂,颗粒尺寸很小的晶体则容易发生界面脱粘。
采用巴西实验作为间接拉伸加载手段,研究了某PBX(polymer-bondedexplosive)炸药试样拉伸作 用下的断裂损伤特性。发展了PBX炸药的光学制备技术,获得了试样在光学显微镜下的细观表面形貌和断 裂损伤形貌,结合高速摄影和数字相关分析技术获得了试样的形变和破坏过程。实验结果表明该PBX炸药 的静态拉伸强度低于3MPa,破坏应变也非常小。根据观测结果,运用晶体穿晶断裂和临界脱粘理论对PBX 炸药的拉伸断裂模式进行了分析,认为脱粘裂纹在加载早期即可成核;当晶体开始发生断裂后试样发生宏观 破坏。颗粒尺寸较大的晶体容易发生穿晶断裂,颗粒尺寸很小的晶体则容易发生界面脱粘。
2011, 31(6): 630-634.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0630-05
摘要:
利用非线性动力学软件LS-DYNA,对聚能射流平行入射大气/钢靶板交界处的侵彻过程进行了数 值模拟。通过分析数值模拟过程和结果,讨论了聚能射流头部速度和碰撞出口处横向速度的变化规律。结果 表明:大气/钢靶板交界处不仅降低了聚能射流头部的轴向速度,而且使射流头部产生横向偏移,最大速度达 到约1.8km/s;后续射流横向偏移速度逐渐减小,导致聚能射流提前断裂,未能形成连续侵彻。因此,大气/ 钢靶板交界处对聚能射流的头部起到了明显的干扰作用,可有效降低射流的侵彻能力。
利用非线性动力学软件LS-DYNA,对聚能射流平行入射大气/钢靶板交界处的侵彻过程进行了数 值模拟。通过分析数值模拟过程和结果,讨论了聚能射流头部速度和碰撞出口处横向速度的变化规律。结果 表明:大气/钢靶板交界处不仅降低了聚能射流头部的轴向速度,而且使射流头部产生横向偏移,最大速度达 到约1.8km/s;后续射流横向偏移速度逐渐减小,导致聚能射流提前断裂,未能形成连续侵彻。因此,大气/ 钢靶板交界处对聚能射流的头部起到了明显的干扰作用,可有效降低射流的侵彻能力。
2011, 31(6): 635-640.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0635-06
摘要:
基于有限元分析方法,建立速射火炮身管截面的有限元模型,采用直接耦合的方法,模拟了承受热 应力和火药燃气压力的自紧身管在先50连发、冷却后再连发10发过程中身管的残余应力,得到并分析了残 余应力的变化规律,指出内壁薄层的塑性变形和残余应力的反复变化,不利于内壁的稳定,还提出了减小残余 应力变化程度的策略。
基于有限元分析方法,建立速射火炮身管截面的有限元模型,采用直接耦合的方法,模拟了承受热 应力和火药燃气压力的自紧身管在先50连发、冷却后再连发10发过程中身管的残余应力,得到并分析了残 余应力的变化规律,指出内壁薄层的塑性变形和残余应力的反复变化,不利于内壁的稳定,还提出了减小残余 应力变化程度的策略。
2011, 31(6): 641-646.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0641-06
摘要:
:高功率激光聚焦击穿液体介质,类似于聚焦区域发生了微爆炸。研究了激光聚焦击穿爆炸与水下 微爆炸之间的相似性。采用高功率脉冲激光器、光学聚焦系统、高速摄像、测量水听器建立了激光击穿爆炸源 的产生及爆炸气泡、爆炸声波特性测量系统。对不同参数激光聚焦击穿水、酒精、硅油等粘性液体,观测到了 激光击穿爆炸冲击波、气泡脉动、气泡压缩冲击波辐射。通过对爆炸气泡高速图像序列的分析,得到了不同液 体介质中爆炸气泡的脉动特征、冲击波强度、爆炸声波等特性规律。实验结果可为舰船生命力、舰船结构防护 等水下爆炸气泡的研究提供参考。
:高功率激光聚焦击穿液体介质,类似于聚焦区域发生了微爆炸。研究了激光聚焦击穿爆炸与水下 微爆炸之间的相似性。采用高功率脉冲激光器、光学聚焦系统、高速摄像、测量水听器建立了激光击穿爆炸源 的产生及爆炸气泡、爆炸声波特性测量系统。对不同参数激光聚焦击穿水、酒精、硅油等粘性液体,观测到了 激光击穿爆炸冲击波、气泡脉动、气泡压缩冲击波辐射。通过对爆炸气泡高速图像序列的分析,得到了不同液 体介质中爆炸气泡的脉动特征、冲击波强度、爆炸声波等特性规律。实验结果可为舰船生命力、舰船结构防护 等水下爆炸气泡的研究提供参考。
2011, 31(6): 647-652.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0647-06
摘要:
利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,分别采用整体式模型和共用节点分离式模型对某高层框架 剪力墙结构的定向爆破拆除进行数值模拟。通过与实际工程的对比发现,分离式模型模拟的效果更贴近实 际,模拟结果更准确;此外,待拆除结构的爆破切口适当上移,可以减少结构的倒塌范围;最后,分析了钢筋和 混凝土单元的应力时程曲线,指出共用结点分离式钢筋混凝土模型能很好地反映钢筋和混凝土材料的力学 性能差异。
利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,分别采用整体式模型和共用节点分离式模型对某高层框架 剪力墙结构的定向爆破拆除进行数值模拟。通过与实际工程的对比发现,分离式模型模拟的效果更贴近实 际,模拟结果更准确;此外,待拆除结构的爆破切口适当上移,可以减少结构的倒塌范围;最后,分析了钢筋和 混凝土单元的应力时程曲线,指出共用结点分离式钢筋混凝土模型能很好地反映钢筋和混凝土材料的力学 性能差异。
2011, 31(6): 653-657.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0653-05
摘要:
借助动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA11.0,运用光滑粒子流体动力学方法(SPH 方法),建立 以Johnson-Cook材料模型和Grneisen状态方程为基础的热塑性流体力学模型,对同种钢板爆炸焊接界面波 进行了数值模拟。结果表明,运用SPH 方法可以得到清晰的爆炸焊接界面波形貌。与实验结果的比较表明: 模拟误差较小,并且误差随着复板碰撞速度的增大而减小。本文中使用的热塑性流体力学模型适于爆炸焊接 界面波研究,特别是较高碰撞速度的情况。
借助动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA11.0,运用光滑粒子流体动力学方法(SPH 方法),建立 以Johnson-Cook材料模型和Grneisen状态方程为基础的热塑性流体力学模型,对同种钢板爆炸焊接界面波 进行了数值模拟。结果表明,运用SPH 方法可以得到清晰的爆炸焊接界面波形貌。与实验结果的比较表明: 模拟误差较小,并且误差随着复板碰撞速度的增大而减小。本文中使用的热塑性流体力学模型适于爆炸焊接 界面波研究,特别是较高碰撞速度的情况。
2011, 31(6): 658-663.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0658-06
摘要:
将无网格Galerkin法与LS-DYNA软件相结合,建立了穿甲侵彻的分析模型,对三维球形弹体侵 彻双层无限大钢靶板进行了数值模拟,解决了该过程中出现的负体积现象,并将结果与空穴膨胀理论和有限 元法进行了对比,所得结果证实了无网格Galerkin法在模拟穿甲侵彻时的可行性与优越性。
将无网格Galerkin法与LS-DYNA软件相结合,建立了穿甲侵彻的分析模型,对三维球形弹体侵 彻双层无限大钢靶板进行了数值模拟,解决了该过程中出现的负体积现象,并将结果与空穴膨胀理论和有限 元法进行了对比,所得结果证实了无网格Galerkin法在模拟穿甲侵彻时的可行性与优越性。
2011, 31(6): 664-668.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0664-05
摘要:
根据金属导体电阻与比作用量的关系和A.Hobson提出的金属丝阻抗随时间的变化规律分别建 立了2种仿真模型研究电爆炸丝断路开关的电气特性;测量了电爆炸过程中金属丝两端的电压,结果表明: A.Hobson模型只有在电爆炸丝汽化前有效;电阻率-比作用量模型适用于整个电爆炸过程的宏观描述。因 此,对含电爆炸丝元件的电路仿真模拟采用电阻率-比作用量模型,结果对脉冲调制中电爆炸丝开关的设计具有一定的指导意义。
根据金属导体电阻与比作用量的关系和A.Hobson提出的金属丝阻抗随时间的变化规律分别建 立了2种仿真模型研究电爆炸丝断路开关的电气特性;测量了电爆炸过程中金属丝两端的电压,结果表明: A.Hobson模型只有在电爆炸丝汽化前有效;电阻率-比作用量模型适用于整个电爆炸过程的宏观描述。因 此,对含电爆炸丝元件的电路仿真模拟采用电阻率-比作用量模型,结果对脉冲调制中电爆炸丝开关的设计具有一定的指导意义。
2011, 31(6): 669-672.
doi: 10.11883/1001-1455(2011)06-0669-04
摘要:
借鉴爆破工程经验,结合层内爆炸压裂实际,应用能量守恒原理,将液体炸药爆炸形成的冲击波能 量分为岩石破碎的表面能和岩石内部的应变能,结合岩石断裂理论建立了粉碎区内岩石破碎粒径的预测模 型。实例计算层内爆炸压裂形成的岩石颗粒直径为1.43mm。计算结果表明:液体炸药层内爆炸后形成的 岩石破碎颗粒与石油工业中水力压裂使用的支撑剂粒径相当,能够支撑形成具有一定导流能力的裂缝。
借鉴爆破工程经验,结合层内爆炸压裂实际,应用能量守恒原理,将液体炸药爆炸形成的冲击波能 量分为岩石破碎的表面能和岩石内部的应变能,结合岩石断裂理论建立了粉碎区内岩石破碎粒径的预测模 型。实例计算层内爆炸压裂形成的岩石颗粒直径为1.43mm。计算结果表明:液体炸药层内爆炸后形成的 岩石破碎颗粒与石油工业中水力压裂使用的支撑剂粒径相当,能够支撑形成具有一定导流能力的裂缝。
