复合材料负泊松比结构等效弹性力学理论建模

为了解碳纤维增强复合材料(CFRP)超力学结构的负泊松比效应实现机理及等效弹性力学,通过结构图示分析了内凹负泊松比结构实现拉胀效应或负泊松比效应的过程;设立基本假设推导了负泊松比结构在2个面内方向的等效弹性力学理论模型;采用控制变量法进行几何尺寸的参数化影响规律分析;通过与实验值和模拟值对比讨论了等效泊松比理论模型的预测效果。结果表明,采用Euler梁理论建立的等效弹性力学理论模型预测区间虽能包含实验和模拟结果,但存在较大误差,仍需进一步深入。

双箭头负泊松比结构抗侵彻性能

采用数值模拟方法研究了双箭头负泊松比多胞结构抗子弹侵彻性能,对比分析了顶边撞击、铰点撞击、侧边撞击三种弹靶作用条件下子弹的侵彻行为与双箭头负泊松比结构的破坏形式。研究结果表明:当子弹以较高速度撞击双箭头负泊松比结构时,该结构的负泊松比效应不显著;顶边撞击与铰点撞击时,子弹直接贯穿结构,胞元破坏较小,此时双箭头负泊松比多胞结构抗侵彻性能较差;侧边撞击时,子弹未贯穿多胞结构,胞元破坏较大,双箭头负泊松比结构依靠其双三角结构使子弹发生偏转,显著增大了其侵彻阻力。分析了顶边撞击时子弹的入射角度变化对于双箭头负泊松比结构抗侵彻性能的影响,发现存在30°入射角和60°入射角。当子弹处于这两种入射角附近时,双箭头负泊松比多胞结构具有一定的抗侵彻能力。

快速烤燃条件下B炸药战斗部的临界泄压面积

为了确定战斗部装药在快速烤燃条件下能稳定燃烧的临界泄压面积,基于质量守恒定律和气体状态方程,建立了战斗部壳体内考虑炸药初始温度和排气孔排气的气体压力增长模型。以B炸药圆柱战斗部为研究对象,研究了炸药意外点火后能稳定燃烧的A_(V0)/S_(B)(临界泄压面积/炸药外表面积)确定方法,并与实验值进行了比较。结果表明,本文建立的模型能够很好地预测B炸药战斗部的临界泄压面积。研究了战斗部炸药装药表面积、炸药初始温度、空气体积占比和炸药燃速对A_(V0)/S_(B)的影响,并将不同温度的模型预测值与实验值进行了比较。结果表明:炸药装药表面积对A_(V0)/S_(B)基本没有影响;A_(V0)/S_(B)与温度和炸药燃速成正相关,与空气体积占比成负相关;不同温度的模型预测值A_(V0)/S_(B)与实验值吻合较好。

锻造/层合碳纤维-环氧树脂复合材料压缩性能实验与仿真

压缩性能是材料的基础力学性能之一,决定着材料在工程中的应用价值和应用范围。为了获得锻造碳纤维增强环氧树脂复合材料(FC-FREP)和层合碳纤维增强环氧树脂复合材料(LCFREP)的压缩力学性能,进行了准静态实验和霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bars,SHPB)实验,得出了FCFREP和LCFREP在不同应变率下的真实应力-应变关系。通过扫描电子显微镜(SEM)观察了两种材料的破坏模式,进一步采用有限元软件进行了动态压缩仿真。实验结果表明,FCFREP的应变率效应仅体现在塑性段,且为负应变率效应;LCFREP的应变率效应明显,随着应变率增大,其弹性模量增大、屈服点滞后、流动应力增大。SEM结果表明,动态压缩情况下FCFREP的破坏模式为纤维撕裂拉断和剪切断裂,基体产生裂纹碎裂,LCFREP的动态压缩破坏模式为剪切断裂。仿真结果表明,FCFREP材料的动态压缩可采用双线性本构模型描述,LCFREP材料动态压缩的实际应力路径与仿真结果不同,但屈服极限相同。实验得出的真实应力-应变曲线可以作为研究新本构模型的依据,同时为开发新数值模型提供了参考。

八轴连通式油气悬架车辆行驶性能和通过性能研究

行驶性能和通过性能是评估车辆越野性能的基本指标。为得到八轴连通式油气悬架车辆的越野性能,分别对行驶性能和通过性能开展了研究。简化了整车的物理模型,根据拉格朗日方程推导了车辆的振动方程,建立了白噪声路面输入方程;通过仿真结果与实验结果的对比,验证了柔性模型的合理性。基于柔性模型,以路面不平度系数为输入变量,得到了车辆在较好路面、一般路面、较差路面、恶劣路面的行驶性能;通过建立脉冲冲击、台阶冲击、震荡冲击的数学模型,得到了车辆的通过性能。结果表明:随着路面等级变差,八轴车辆的极限车速下降,B级路面极限速度为144 km/h,C级路面极限速度为64.8 km/h,D级路面极限速度为32.4 km/h,E级路面极限速度为7.2 km/h;路面冲击类型主要影响车头的加速度和车轮相对动载的极值,脉冲冲击时车轮发生腾空,且车头垂向加速度超过2.5倍重力加速度,而台阶冲击和震荡冲击均未出现轮胎腾空和车头2.5倍重力加速度的过载。

某新型燃气弹射传动活塞密封设计与分析

传动活塞的密封性能对燃气弹射装置的正常工作有着重要影响。为保证和提高燃气弹射的可靠性,设计了一种组合/复合密封,并分析该密封的工作原理;理论分析密封的泄漏模型和密封的失效准则,推导二维N-S控制方程,给出复合密封的可靠性数学模型、k-ε湍流方程、超弹性橡胶本构模型;采用有限元仿真的方法讨论密封泄漏的压力变化、密封的受力情况。结果表明:燃气泄漏后其压力随密封位置而呈阶梯形下降,密封圈受到的最大接触应力和等效应力总大于燃气的工作压力,剪切应力总小于密封圈的抗剪切强度,满足密封失效准则,能作为一种燃气弹射传动活塞的密封结构。

射流侵彻截面为六边形的液态复合密闭结构力学特点仿真分析

截面为六边形的液态复合密闭结构抗射流侵彻性能与其受力变形、应力、应变、能量变化息息相关。为了解密闭结构受射流侵彻的力学特点,采用理论分析与数值仿真相结合的方法,开展了研究。理论分析中,推导了射流的剩余头部速度;分析了密闭结构的受压情况,密闭结构微元的柯西(Cauchy)应变、格林(Green)应变、本构关系,侵彻系统的能量变化。数值仿真结果表明:射流侵彻进入液态复合密闭结构后,面板的等效应力从内到外呈环状逐渐递减;竖壁面的等效应力从上到下逐渐增大,在棱边上衰减,在底部集中;射流带动液体运动,进一步扩大背板孔口,并导致液体出现壅塞而产生逆流,使竖壁面产生附加应变;冯·米塞斯(Von Mises)应变集中在液态复合结构孔壁上,Green等效应变集中在密闭结构底部的内棱边上、以及面板和背板的孔口处;射流25μs时开始侵彻液态复合密闭结构,射流、密闭结构、液体的能量均发生明显变化。

复合材料负泊松比结构力学性能数值研究——拉压力学性能

复合材料负泊松比结构实现了材料特性和结构特性的叠加,其力学特性值得关注.建立碳纤维复合材料的各向异性本构模型,并推导层合板弹性力学计算方法.针对内凹六边形负泊松比单层结构,通过有限元软件开展拉压力学的数值研究.结果表明:横向和垂向的拉压加载情况都体现出交叉承载的特性,且应力在棱边集中,然后发生破坏;拉压条件下都实现了负泊松比效应.

复合材料负泊松比结构的冲击力学性能

设计了一种面内二维、空间三维的碳纤维复合材料负泊松比结构,并对其在不同冲击速度(单层板)、不同冲击位置(单层板)、不同冲击层数情景下的冲击性能进行了有限元分析.单层板不同冲击速度的仿真结果表明:碳纤维复合材料负泊松比结构的中低速抗冲击效果优于高速冲击情况,表现为低速时发生弯曲变形和回弹现象,高速时直接发生穿透,出现压碎破坏.单层板不同冲击位置的仿真结果表明:缝隙冲击的减速效果优于板面冲击.不同冲击层数的仿真结果表明:单层、双层和三层碳纤维复合材料负泊松比结构的冲击吸能逐渐增大,但是并没有出现成倍增加的效果.所得结果有利于研究碳纤维复合材料特性与负泊松比结构之间的关系.

液体密度对单胞结构抗射流侵彻性能的影响

为研究周期胞结构液态复合装甲抗射流侵彻性能与胞内液体密度的关系,文中采用理论分析和LS-DYNA有限元仿真的手段进行了射流侵彻饱含不同密度液体密闭结构的影响研究,得出了液体密度与射流径向扩孔及液体径向汇聚之间的理论关系和射流受干扰的仿真结果。研究结果表明,随着液体密度的增大射流扩孔半径减小、径向汇聚增强,断裂时间延迟、受干扰速度区间减小、剩余穿深能力增大,从能量耗散角度来说仿真结果与理论分析相吻合。

液体声速对单胞结构抗射流侵彻性能影响研究

为研究液体声速对液态复合装甲防护性能的影响规律,采用理论分析和数值仿真的方法进行了分析。通过虚拟原点理论、射流侵彻入液体后受冲击波影响下的头部速度,推出了射流在径向的扩孔方程和冲击波经密闭容器壁面反射后引起的径向汇聚压强,并对方程进行计算,得出理论曲线关系;通过LS-DYNA有限元软件对7组不同声速的液体进行了数值模拟,得出了射流穿透密闭容器后66μs时的头部速度、90μs时受干扰的断裂情况以及对后效靶的剩余穿深。结果表明:液体声速为1 375m/s时干扰射流效果最好,表现为剩余穿深最小、干扰的速度区间最大;高声速液体出现了射流头部区域先于射流颈部区域受到干扰断裂的现象,且受干扰速度区间变小,区间上、下限值增大。本文所做的研究对液态复合装甲设计提供了科学依据,进一步推进了液态复合装甲的发展。

结构形状对密闭胞元抗射流侵彻性能的影响

针对液态复合装甲抗射流侵彻性能与胞元的结构形状密切相关性,研究了密闭胞元的结构形状对抗射流侵彻性能的影响。利用LS-DYNA有限元软件进行了数值仿真,分析了结构形状为四边形、圆形、六边形的3种密闭胞元对射流冲击波的反射能力和密闭胞元受到的压力、射流断裂时间及速度区间、剩余穿深、胞元内壁变形等参量,得出圆形密闭胞元反射冲击波的能力最优;圆形密闭胞元的抗射流侵彻能力最强,表现为剩余穿深最小,干扰射流头部速度区间最大;六边形密闭胞元的抗射流干扰能力稍小,干扰射流颈部速度区间最大,吸能最大,变形小且稳定性好;四边形密闭胞元的抗射流侵彻能力最差,内壁变形的振动幅度最大。为研究多胞结构液态复合装甲提供了结构上的设计依据。

基于蜂窝背板的层合靶抗弹侵彻数值研究

蜂窝结构具有良好的力学性能,属于一种穿孔板,具有较大的抗弹发展潜力。基于蜂窝背板,设计了一种考虑层间特性的钢/碳纤维复合材料/陶瓷/穿孔蜂窝铝层合靶,并采用有限元软件对不同攻角的弹丸侵彻特性进行了数值模拟。结果表明,攻角对靶板抗弹性能的影响非常大。随着攻角的减小,层合靶的变形增大,陶瓷层形成“陶瓷锥”导致的破坏区域增大。对于钢板和碳纤维板,弹孔的直径基本没有变化,但长度增大。对于蜂窝铝穿孔背板,斜侵彻时变形更大,对弹丸的干扰效果更好。垂直侵彻时弹丸的剩余速度最大,60°攻角侵彻时弹丸的剩余速度最小,降低了约350m·s^(-1)。

碳纤维复合材料燃气射流热冲击研究:冲蚀形貌及热力分析

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有优异的力学性能,是制备轻质火箭弹/导弹发射筒等发射单元的潜力材料.对于热发射,喷管排出的燃气射流直接冲击发射单元,其产生的高温高压瞬时载荷严重影响发射单元的安全性和重复利用率.为此,该文进行燃气射流冲击实验,获取CFRP的冲蚀情况和微观形貌.同时,针对冲击流场开展热/流/固数值模拟,获取冲击区域的压强和温度分布,以及CFRP板的传热受力情况.结果表明,燃气射流冲击CFRP后会形成四个明显的分区:高温烧蚀区、高温过渡区、低温冲蚀区、低温冲刷区.每个区域的烧蚀情况、粗糙度、传热梯度不同,且会产生残余翘曲热变形.因此,CFRP受燃气射流冲击后其表面质量很差、残余热变形明显,故不满足发射单元的热冲击重复使用.

动力黏度对液态复合胞抗射流侵彻影响研究

采用理论分析和数值仿真的手段,研究液体动力黏度对液态复合胞抗射流侵彻性能的影响。理论分析结果表明,影响液体当前动力黏度的因素有当前的瞬时压强、温度以及液体初始动力黏度,温度和瞬时压强对动力黏度的影响是间断不连续的,液体初始动力黏度是当前动力黏度的放大因子。数值仿真结果表明:随着液体初始动力黏度的增大,液体受到的等效应力增大;液态复合胞吸收的能量增大,表现为液体内能增大、胞的内能增大;扩孔形状严重变化,射流头部变钝变粗;射流头部速度降低,直到不能继续侵彻。数值仿真体现的干扰规律与理论分析结果一致,充分证明液体动力黏度对液态复合胞抗射流侵彻性能的影响。

研究生选修课教学初探——以研究生选修课程“发射系统动力学分析与优化方法”为例

为探索研究生选修课的教学方式,该文以课程“发射系统动力学分析与优化方法”为例,结合学生的反馈信息得到了一些启发。调查结果显示,课程安排、授课方式、实践环节、考核方式等均对学生的选课意向和学习效果造成一定程度的影响。基于这些结果,对教学方式提出了一些建议,为研究生的选修课教学提供了科学的参考。

水蒸气相影响下的Laval喷管水下燃气流场数值模拟

为考虑水蒸气相对Laval喷管水下燃气流场发展的影响,建立了Eulerian多相流模型,通过Fluent开展了水下点火的数值模拟.建立了二维N-S流动控制方程和水蒸气汽化-凝结控制方程,并通过网格无关性检验验证了仿真模型的适用性.获得了喷管出口处燃气泡的发展过程,即成长、壮大、断裂的循环现象.通过与实验结果对比,验证了仿真模型的可靠性,并将稳定的燃气流场划分为成长区、断裂回击区和收缩闭合区.引入水蒸气相,发现燃气泡成长区滞后,断裂回击效应降低.闭合区提前,收缩现象降低.燃气-水交界面模糊.水蒸气相包裹着燃气泡,分布在燃气-水交界区域内.

基于拉丁超立方试验设计的滑动适配器刚度优化

为解决导弹滑动适配器重量大的问题,选用了合适的滑动适配器材料及本构模型,对典型拓扑结构滑动适配器开展了刚强度优化分析。基于优化拉丁超立方试验设计方法获得样本空间,通过径向基神经网络方法建立了滑动适配器结构刚强度近似模型,再使用多岛遗传算法对近似模型在设计空间内进行寻优,通过有限元计算对优化后的滑动适配器结构进行刚度分析,结果表明:优化后的结构较优化前的结构重量减轻12.73%、改善度为52.39%。

智能风扇调速器设计

通过使用温度传感器模块、人体红外感应器、超声波测距模块、单片机技术、调速器等装置,根据模拟电路理论和机电控制原理,制作了一个可以实时调控风扇转速的智能调速器。作为多信号输入调速的一个实验,先在温度和距离方面下手,使之能根据环境温度和人机距离来调整风扇风速,满足人类的需求,符合节能减排主题。此后还可以增加其他输入信号,从而提升智能化水平,朝着复杂环境的方向发展。

含裂纹转子系统动力学建模与实验研究

疲劳、材料缺陷等因素会导致转子出现不同程度的裂纹。为分析裂纹对转子系统动态特性的影响,建立了裂纹转子系统的刚度矩阵,并通过有限元仿真和ZT—3实验台开展了裂纹角度和转速对裂纹转子系统动态特性研究。结果表明:在不同角度的裂纹对转子动态特性的影响分析中,45°裂纹转子系统较30°裂纹转子系统的振动响应剧烈、范围大、轴心轨迹变形程度大,波形的频率叠加现象更为明显,更多的高倍频和分数倍频被激发;在转速为(2 000～4 000 r/min)范围内,随着转速的增加,系统的时域波形逐渐趋于平稳,频率叠加现象减少,振动范围逐渐扩大,轴心轨迹逐渐变为规则的椭圆形,在3 200 r/min附近存在着系统的临界转速;通过实验得出的裂纹转子系统动态特性与仿真结果吻合,验证了仿真的正确性。