蜂窝结构异面变形动态塑性坍塌力学

在蜂窝结构静态塑性坍塌应力理论计算模型的基础上,建立了蜂窝结构在冲击载荷作用下的动态塑性坍塌应力的理论计算模型.考虑应变率对蜂窝结构动态力学性能的影响,使用Cowper-Symonds模型建立了静态塑性坍塌应力与动态塑性坍塌应力之间的关系;基于薄板弯曲理论,由平均冲击速度得到了应变率的计算公式,进而得出动态塑性坍塌应力关于冲击速度与静态塑性坍塌应力的函数关系.使用LS-DYNA动力学软件模拟了铝合金蜂窝结构在冲击载荷作用下的异面变形,数值计算结果与理论模型计算结果一致.     

低密度闭孔金属泡沫压缩屈服行为的数值模拟

对低密度闭孔金属泡沫的变形过程进行数值模拟是研究泡沫材料力学及失效行为的重要手段.基于Kelvin多倍胞体模型和有限元方法数值模拟了低密度闭孔泡沫铝的压缩变形的过程,给出了压缩变形曲线并确定了压缩屈服强度.在计算过程中,考虑了材料非线性和几何非线性效应以及胞体倍数对应力-应变关系的影响,并采用理想弹-塑性和线性强化弹-塑性两种材料本构关系来考察其对于泡沫铝非线性压缩力学行为的影响.结果表明,有限元计算的结果与一些文献的理论工作有较好的一致性,但是比实验值偏大.     

各向异性随机泡沫模型的弹性性能分析

为了利用随机模型来分析泡沫材料微结构的各向异性对其力学性能的影响,在各向同性的Voronoi随机泡沫模型基础上,通过引入胞体生长速度的差异,得到各向异性的开孔和闭孔随机泡沫模型.利用有限元方法对模型的弹性性能进行了数值分析,得到相对杨氏模量和泊松比同各向异性尺寸比的关系,并和理论预测结果进行了对比分析.结果表明,建立的开孔和闭孔随机泡沫模型能较好地反映泡沫材料的各向异性力学性质;且开孔和闭孔泡沫的各向异性力学性能均与泡沫材料的相对密度有关.      

各向异性弹性开孔泡沫压缩行为的数值模拟

基于各向异性开孔泡沫的随机模型,对低密度弹性开孔泡沫材料的压缩力学行为进行了有限元数值模拟,得到了其应力-应变曲线及弹性坍塌强度.讨论了模型的随机度、各向异性比及相对密度对力学性能的影响.结果表明,沿不同方向加载时,各向异性胞体的微观变形机制不尽相同,且变形较大时,支柱的弹性屈曲占主导地位;模型随机度的增大,使两个方向的压缩无量纲应力-应变曲线均有所降低,且 λ =1时的无量纲应力-应变曲线与实验曲线吻合得较好.此外,开孔泡沫各向异性比的增大可使胞体伸长方向的弹性坍塌强度增大,而垂直方向的弹性坍塌强度则减小.      

支柱截面随机度对开孔Voronoi泡沫弹性性能的影响

基于Voronoi随机泡沫模型,引入支柱截面面积不均匀分布的随机变量,研究了其对泡沫材料的非线性压缩和拉伸行为以及各向异性弹性性能的影响,并与模型随机度的影响进行比较,讨论了两种随机因素共同作用时的影响效果.结果表明,对非线性压缩和拉伸行为,支柱截面随机度对无量纲应力都起降低作用,并且其影响随应变的增加而增大,对泊松比在压缩时起减小作用而在拉伸时起增大作用;支柱截面随机度对胞体伸长方向和垂直于胞体伸长方向的弹性模量均起减小作用,但对泊松比的影响不明显.两种随机因素共同作用的影响效果在拉伸时减弱,而在各向异性弹性情况下增强.     

一种大变形多空间域连续体结构拓扑优化方法

针对大变形非线性结构拓扑优化问题,提出了基于混合细胞自动机(HCA, Hybrid Cellular Automata)多空间域连续体结构拓扑优化方法;采用密度法,建立了单元相对密度表示的材料弹-塑性模型;以单元相对密度和应变能作为细胞自动机(CA,Cellular Automata)的状态信息,利用CA局部控制规则,修改相对密度,迭代实现各设计空间域应变能均匀分布;设计了多空间域拓扑优化HCA算法,采取多个对象同时耦合优化迭代,各自收敛策略,解决了多空间域优化迭代算法收敛稳定性问题;最后,以汽车保险杆结构横梁和支撑等两个设计空间为例,施加大变形动态载荷作用,对提出的多空间结构优化算法进行了验证,优化后结构有效地降低了碰撞作用力峰值达54％,提高了结构安全性.     

基于CT的泡沫铝三维细观模型重建及应用

为了建立更加真实的闭孔泡沫铝三维细观分析模型,提出了一种基于计算机层析成像（CT）的有限元模型构建新方法。首先,对CT扫描得到的泡沫铝试件的扫描图像进行Otsu算法分析,确定了区分基体材料和空气的灰度最佳阈值。其次,基于映射网格思想直接从扫描图像生成了试件的有限元分析模型,实现了泡沫金属三维细观分析模型的重建。最后,以此为基础进行了泡沫铝试件准静态压缩和动态冲击试验的数值模拟,结果表明,准静态压缩下泡沫铝的内部变形随机分布于整个试件,且与其三维结构密切相关;而动态冲击下变形在冲击端附近首先发生,体现出显著的局部化效应。本文方法能真实地描述泡沫金属内部的细观结构,实现了对泡沫铝试件在准静态压缩和动态冲击作用下的受力、变形与破坏过程更加详细的模拟分析。      

开孔泡沫塑料的应力松弛问题

开孔泡沫塑料具有良好的能量吸收和缓冲性能, 在工程中得到了广泛的应用, 对其粘弹性行为进行研究具有重要的意义.基于Lederman模型,应用三参数标准线性固体模型考虑基体的粘弹性性能,对开孔泡沫塑料的应力松弛行为进行了研究,并讨论了所加应变载荷、结构参数和泊松比对应力松弛曲线的影响.结果表明:应力松弛曲线对泊松比是不敏感的,并且,应变载荷的增加和相对密度的提高会使应力松弛变得更加明显,但应力响应的初始值和终值的比却不随应变载荷的提高而变化.     

含孔隙基体缎纹编织复合材料面内压缩弹性性能预报

缎纹编织复合材料细观结构复杂,传统弹性性能预报方法较难适用。针对该问题,建立缎纹编织复合材料代表体积单元(RVE),对RVE模型面内压缩弹性模量和面内泊松比的预报方法进行了研究。分别基于能量法原理和单夹杂理论,对弯曲纤维束纵向压缩模量和含孔隙基体弹性性能进行预报,改进了传统细观力学中的混合率方法,并利用已得的组分材料性能对RVE模型有效面内压缩模量和面内泊松比实现了解析法预报。基于Python语言对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了基体含孔隙的RVE模型,利用RVE模型在基本受力状态下的有限元方法结果实现有效面内压缩模量和面内泊松比的有限元方法预报。基于碳/碳复合材料,解析法与数值法计算结果吻合很好,实现了对缎纹编织材料面内压缩性能的有效预报。      

基于M-K模型的TA15钛合金高温成形极限

为了探究TA15钛合金高温环境下的成形极限，明确本构方程中参数对成形极限的影响规律，建立了考虑高温软化效应TA15钛合金高温环境下的本构关系，利用高温成形极限试验平台及M-K失稳理论对TA15钛合金板高温环境下的成形极限分别进行了试验测试及理论预测。理论预测结果表明当温度从800℃提升至880℃时，平面应变状态下的极限主应变由0.18提升至0.33。基于M-K失稳理论和建立的高温本构模型，分析了本构方程中的参数对成形极限的影响规律，结果表明提高加工硬化指数、速率敏感因子及减小软化因子，均可以提升应变强化率的大小，进一步延缓沟槽内应变状态趋于平面应变状态，从而提升理论成形极限曲线在应变空间中的位置。此外，理论计算结果表明速率敏感因子对成形极限曲线的左侧影响程度要大于其对右侧部分的影响，该现象主要归因于速率敏感因子对不同应变大小下的应变强化率的影响不同。      

弹塑性材料全拉伸曲线拟合的新模型

提出用分指数四项式拟合弹塑性材料的以应变表示应力的拉伸曲线．利用几个材料拉伸特征点的数据，就能获得全拉伸曲线的简单统一的表达式．与典型航空弹塑性材料的试验全拉伸曲线的对照表明，这种拟合模型具有很高的工程精度，从而具有重要的实用价值     

钛合金冲击性能与动态压缩性能间的定量关系

为认识钛合金的冲击性能与冷镦成品率的关系,运用组织定量统计分析的方法研究了Ti-3Al-5Mo-4.5V钛合金显微组织参数对冲击性能的影响规律,结合动态压缩后的剪切带宽度变化规律,探讨了裂纹形成功、裂纹扩展功以及冲击功与剪切带宽度之间的关系.结果表明:随着退火温度的上升,α片长宽比先增加后减小,裂纹形成功也是先上升后下降,而裂纹扩展功却是先减小后增加,冲击总功持续上升;冲击功指标与材料的动态压缩性能未发现必然联系,裂纹形成功与动态压缩后的剪切带宽度成反比例关系,而裂纹扩展功与剪切带宽度线性正相关.      

LDEF: Chemical and isotopic measurements of micrometeoroids by SIMS

Described is a passive experiment for LDEF (Long Duration Exposure Facility) to measure the chemical and isotopic composition of interplanetary dust particles >10⁻¹⁰g for most of the major elements expected to be present. The detector consists of Ge targets covered with a metallized plastic film. During impact micrometeoroid vapor and melt are deposited on the underside of the foil which can be analyzed be secondary ion mass spectroscopy (SIMS) after the return of LDEF. Additional information on projectile mass, velocity and density can be obtained from the study of the penetration hole and the impact crater. Criteria for the choice of materials are given and first results of impact simulation experiments are reported which demonstrate the viability of the basic concept and show that isotopic data can be obtained from the deposits.     

基于EMT采用FEM研究含裂纹介质中弹性波传播机制

了解和掌握弹性波在含有裂纹介质中的传播规律是开发利用页岩气等非常规油气资源中的关键科学问题.本文基于数值模拟的优点,采用商用有限元软件Nastran模拟弹性波在含裂纹介质中的激发及传播方式,分析了弹性波在该介质中裂纹微结构(密度和纵横比)对弹性波传播动力学特性的依赖程度.结果表明:有限元方法(FEM)可以用于该问题的研究;Hudson等效介质理论(EMT)不适用泊松比近0.5的材料;裂纹密度、纵横比的增大会减小纵波(P波)波速值,以及衰减位移时域响应的首波振幅,且裂纹密度对于该材料的各向异性的影响要远大于纵横比的作用.      

Research of flexible beam impact dynamics based on space probe-cone docking mechanism

The issue considered in this paper is the dynamic behavior of flexible probe based on space probe-cone docking mechanism in the docking process. The theoretical model of docking impact dynamics based on flexible beam is built according to the Lagrange Analytical Mechanics theory. The contact problem is solved by using Hertz point-surface contact model. Assumed Modes Method is introduced to describe the deformation of flexible beam. Runge–Kutta numerical method is used to solve this theoretical model. Results of the theoretical model show a good agreement with the experimental and MSC.Patran/Dytran simulation results. Moreover, the influence of flexible beam parameter on docking impact process is analyzed based on the theoretical model.     

多向气动驱动器软体仿生舌弯曲状态的研究

以软体仿生舌为研究对象,针对多向驱动器的变形机理,开展了面向软体仿生舌的单/多向驱动器的弯曲特性研究。首先,设计了气动驱动软体仿生舌,其在单/多向驱动器的作用下可实现吐舌、翻舌、卷舌以及斜翻舌等动作;其次,为进一步研究驱动器的变形机理,开展了针对单/多向驱动器的结构及变形工作原理的研究;然后,基于Yeoh模型应变能密度函数,结合力平衡方程,建立了驱动压强和驱动器弯曲变形后曲率半径的非线性数学模型;最后,为验证理论模型的正确性,开展了软体仿生舌的仿真研究及相关实验验证,结果证明了理论模型的正确性。上述研究为其他基于气动驱动的软体结构变形机理的研究提供了理论基础。      

基于Adaboost的填充式防护结构超高速撞击损伤预测

填充式防护结构的显式弹道极限方程在对弹丸进行超高速撞击损伤预测时,由于填充材料、填充方式的不同,会导致预测结果与实测数据存在一定偏差。对此,采用机器学习方式将该问题转化为二分类问题,以碰撞过程中的弹丸撞击参数、防护结构参数作为分类特征,构建了基于Adaboost的填充式防护结构超高速撞击损伤预测模型。该模型以分类回归树（CART）作为弱分类器,通过对一系列弱分类器的加权组合生成强分类器,并通过对训练样本的循环使用,实现了小样本集下的撞击损伤预测。实验结果表明,建立的Adaboost预测模型对填充式防护结构的超高速撞击损伤具有良好的预测效果,总体预测率与安全预测率相比于NASA的弹道极限方程均提高了14.3%,具有更强的通用性。通过不同训练样本规模下的交叉检验,证明了该模型具有良好的鲁棒性与准确性。