冲击载荷下软钢梁早期响应的数值模拟和简化模型

冲击载荷作用下，梁的早期响应既有弹性变形也有塑性变形，两者相互耦合．有限元数值模拟的结果表明，弹性弯曲波的传播是梁早期变形的主要机制，刚塑性简化理论预言的初始阶段中梁的“移行塑性铰”实际上是不存在的．本文提出的弹性理想塑性简化模型可以很好地模拟固支软钢梁的早期响应．

钨合金和钛合金绝热剪切破坏研究

介绍了中国科学技术大学在钨合金和钛合金的绝热剪切变形和破坏研究方面的工作.对截头圆锥形和预扭斜切圆柱形钨合金试件进行了分离式Hopkinson压杆试验,通过微观观察和数值模拟分析了试件中剪切失稳和绝热剪切带形成的机理,发现钨合金的细观结构和试件的应力状态对绝热剪切带形成的敏感性和位置有重要影响.通过钛合金板的冲塞实验研究了绝热剪切和动态破坏的联系,发现由于沿剪切带的孔洞形核和合并过程而出现断裂,最后导致冲塞.所有这些情况下,绝热剪切带在裂纹形成和扩展中起支配作用,正是绝热剪切带造成了试件的动态断裂.

动态断裂理论和实验研究进展

本文介绍和评述了动态断裂力学在理论和实验研究方面的现有进展,特别是近年来对材料非线性和动态效应对裂纹扩展及其稳定性的影响的研究以及实验测试技术的现状和问题的研究,并对今后的研究方向提出了作者的看法.

非平行光反射焦散线法测量动态K_1的一些理论和技术问题

本文分析了非平行光反射焦散线法测量Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的一些理论问题,讨论了焦散面的形成和摄影记录系统的光路布置及参数选择并提出一种采用单透镜的沙丁相机高速摄影技术。该技术可以获得尺寸比通常所得的焦散象大得多的焦散记录。

材料的非均匀性对裂纹尖端附近应力分布的影响

本文讨论材料的细观非均匀性对其断裂行为的影响,为此,采用了一个模量呈双周期分布的理想非均匀带裂纹平板来分析裂纹尖端附近的应力场,首先用渐近展开技术求出远场的近似应力分布,然后用有限元数值分析得到了裂纹尖端附近的应力分布和应力强度因子,所得结果表明,非均匀材料中由细观局部应力集中造成的最大应力与当地宏观平均应力及其各阶梯度有关,这意味着应力应变关系存在某种非局部性,计算结果还表明,无量纲应力强度因子随裂纹尖端与微结构的相对位置而变化,对宏观裂纹,其最大值是稳定的,表明通常的应力强度因子的概念是适用的。但对微裂纹,应力强度因子有增大的趋势。

细观结构和应力状态对钨合金绝热剪切局部化的影响

用分段式Hopkinson压杆对两种不同的钨合金试件进行了冲击试验。一种为圆台形普通钨合金试件。另一种为经预扭的钨合金试件，两端面倾斜切割，以得到压剪复合载荷。研究发现微结构和应力状态对钨合金绝热发局部化有显著影响。通过扫描电镜和金相显微镜观察，对试件中剪切失稳和ASB形成的机理进行了分析。对圆台形试件中绝热剪切带的形成和发展还进行了有限元数值模拟。在两种试件中都发现，绝热剪切带（ASB）的形成和发展是试件最终破坏的原因。

斜入射透射焦散线测量误差的数值分析

本文根据程函理论，用空间解析几何方法，推导了在ｘ－ｚ或ｙ－ｚ平面内斜入射的平行光线在含Ⅰ型裂纹透明材料中传播的方程，并通过数值解对其形成的焦散线的畸变进行了分析。

泡沫铝材料准静态本构关系的理论和实验研究

应用Chen和Lu提出的适用于可压缩弹塑性固体的唯象本构模型框架,建立了泡沫铝的准静态本构模型,推导了三维等比例加载和环向受约束轴向加载下的宏观应力-应变曲线.对两种泡沫铝材料(开孔和闭孔)进行了4类准静态试验,即单轴压缩、三维静水压缩、三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩实验.利用单轴压缩和三维静水压缩的实验结果得到了泡沫铝材料的本构参数曲线,并由此预测它在三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩情况下的响应.理论预测与相应实验结果相比较,三维等比例压缩的结果比较吻合,但与侧向受约束轴向压缩的结果却相差很大.分析表明,理论预测与侧向受约束轴向压缩实验结果的偏差是由于泡沫铝试件与约束筒之间的摩擦造成的.研究结果说明,Chen-Lu模型能够很好地描述泡沫铝材料在压缩占主导的应力状态下的响应.

铝蜂窝结构单向压缩、失稳和破坏机制研究

采用结构代表胞元模型数值模拟了在不同相对密度范围的单型铝蜂窝结构在单向压缩过 程中的变形、失稳和破坏现象．我们推广了转角刚度方法，并结合数值模拟结果分析了结构失 稳和破坏的三种不同特征及相应的细观力学机制，计算了结构代表胞元开始失稳分岔时的宏观 应力，其值与有限元数值计算和实验得到的结构宏观极限应力一致吻合．

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.

激光冲击波在铝靶中衰减特性研究

本文利用PVDF新型压电传感器对激光冲击波进行了多点实时测量，得到了激光冲击波在铝中的衰减规律．所得结果对激光冲击强化以及材料本构和动态断裂研究等均具有十分重要的价值．

泡沫铝填充薄壁方形铝管的静态弯曲崩毁行为

研究了泡沫铝填充的方形铝管的准静态三点弯曲行为.实验表明:泡沫铝填充有效地改变了铝管的局部崩毁变形模式;界面粘接提高了填充结构的抗弯刚度,但使结构易在较小转角下发生破坏.最后,基于实验提出了一个分析填充结构弯曲崩塌行为的理论方法,在小转角下给出了与实验相当吻合的结果.

TiNi合金的动态伪弹性行为和率相关相变本构模型

采用万能材料试验机和SHPB实验技术对TiNi形状记忆合金在10-3s-1和102s-1应变率下的伪弹性相变行为进行了实验研究。实验数据表明:TiNi合金的相变过程具有应变率效应,其原因主要是相变阻力受应变率影响———应变率越大,相变阻力越大。在三线性热弹性相变模型的基础上,考虑了应变率对相变阻力的影响,并给出了相变阻力的具体形式,建立了一个一维率相关相变本构模型。模型对TiNi合金相变行为的模拟与实验数据吻合较好。

高加载率下Ⅱ型裂纹试样的动态应力强度因子及断裂行为

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载，用实测的试样加载面上的载荷ｐ（ｔ）结合有限元计算确定其动态应力强度因子。同时还发展了一种用实测的裂尖动态应变，通过在准静态下标定的裂尖应变与应力强度因子间的关系来确定动态应力强度因子的近似方法。实验结果表明，对于稳定裂纹在无边界反射应力波干扰的情况下，两种方法获得的动态应力强度因子吻合得相当好。对４０Ｃｒ钢和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金两种材料的动态Ⅱ型断裂实验结果显示出两种完全不同的剪切破坏模式和机理。

硅橡胶填充多孔金属材料静态压缩力学行为研究

对两种有硅橡胶填充的多孔金属材料进行了单向压缩实验 ,一种是三维开孔泡沫铝 ,另一种是二维圆孔铝合金蜂窝 .实验结果表明 ,硅橡胶填充以后 ,泡沫铝的应力应变曲线表现为弹性变形和塑性平台两个阶段 ,密实阶段不明显 ,且屈服应力和屈服平台长度相对无填充材料有明显增加 ;圆孔铝合金蜂窝的刚度和屈服应力也显著增加 ,屈服平台明显增长 ,显示出在单向压缩情况下更好的吸能性能 .通过分析圆孔铝合金蜂窝的变形过程 ,发现由于填充的橡胶的体积不可压缩性 ,导致变形过程中孔壁被拉伸 ,改变了多孔材料的传统变形模式 。

随机缺陷对蜂窝结构动态行为影响的有限元分析

通过对胞壁随机移除的蜂窝结构动态变形过程的有限元模拟,分析了随机缺陷对蜂窝结构变形模式的影响,得到蜂窝结构在两个加载方向上的变形模式图及不同模式间转换的临界速度。对含缺陷蜂窝结构平台应力的研究发现,当变形模式为过渡模式或动态模式时结构平台应力与冲击速度的平方成线性关系。相同密度下,低缺陷蜂窝结构的平台应力在由过渡模式向动态模式转变的临界速度附近高于规则蜂窝结构,较高的随机缺陷则使蜂窝结构的平台应力在由准静态模式向过渡模式转变的临界速度附近显著下降。

高速列车吸能结构设计和耐撞性分析

建立了高速列车头车的有限元模型,运用有限元软件LS-DYNA模拟了头车碰撞刚性墙的冲击过程。在碰撞发生时,原有设计方案的牵引梁主体的变形以整体屈曲为主,不利于缓冲吸能。在对原设计的耐撞性分析的基础上,建议对原有牵引梁结构加以改进,并在前端增加两组不同尺寸和厚度的带圆角的方管作为缓冲吸能管,考虑了在缓冲管中填充泡沫铝与否,形成了4种设计方案。数值模拟结果表明,与原设计方案相比,新方案的整个头车的吸能量有大幅度提高,刚性墙反力的峰值也有一定程度的降低,采用大的圆角半径的厚管并填充泡沫铝的方案的改进效果最明显。

40CrNiMoA钢的动态剪切断裂行为研究

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对４０ＣｒＮｉＭｏＡ钢单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载，得到了在不同动态高加载率时的动态断裂起始韧性。实验表明，在实验的加载率范围内，沿原裂纹方向扩展的动态剪切型断裂存在两种不同的断裂模式，分别称为常规的韧性剪切断裂模式和绝热剪切型断裂模式。前者的断裂韧性随加载率的提高而增大，而后者的断裂韧性则随加载率的提高而减小。根据对这两种断裂行为及其相互转变的实验结果的分析探讨，认为存在一个临界应力强度因子率Ｋ·ｃΠｄ，它表征两种断裂模式发生转变的条件。

泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验的数值模拟

泡沫金属填充薄壁结构的应用日趋广泛,建立合理的数值计算模型对结构设计和工程应用非常重要.该文通过对泡沫铝填充薄壁铝合金圆管的三点弯曲实验的数值模拟,研究了它的力学行为.采用ABAQUS软件,建立了空管和泡沫铝全填充管的有限元模型,并对这两种结构在三点弯曲下的力学行为进行了数值模拟,所得结果与实验结果符合得较好.通过数值模拟分析了结构的承载机理和不同压头直径对结构承载能力的影响.此外,还研究了泡沫铝部分填充圆管的三点弯曲行为,分析了不同填充长度对结构承载能力的影响.

多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维冲击波模型和三维细观有限元模型分析了多胞牺牲层的抗爆炸行为.基于刚性-塑性硬化(R-PH)的多胞材料模型,建立了一维冲击波模型,得到了多胞牺牲层中冲击波传播的控制方程.揭示了冲击波在多胞牺牲层中的传播特性,并阐述了附加质量和爆炸载荷强度两个参数对牺牲层设计的重要影响.比较了基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)模型和基于刚性-塑性硬化(R-PH)模型的多胞牺牲层的结构设计,指出了两种模型的适用范围.通过基于三维Voronoi技术的细观有限元方法验证了基于R-PH模型的多胞牺牲层结构的设计准则.