高速跨介质入水多相流动与流固耦合特性研究综述

高速跨介质入水问题广泛存在于海洋工程、航空航天等领域,入水多相流动与流固耦合作用机理是该领域的研究热点,对于跨介质航行器的载荷预报、弹道稳定性评估、结构强度校核以及安全性设计等具有重要意义。本文围绕高速跨介质入水所涉及的基础关键力学问题,重点论述了高速跨介质多相流动与空泡演化、冲击载荷与降载方法、运动稳定性与流固耦合响应、流固耦合数值研究方法等方面的研究现状,并针对目前仍存在的问题提出了建议,旨在为高速跨介质入水的相关研究与设计等提供参考。

高频低能冲击扰动下锚固结构渐进失效试验研究

高频低能冲击扰动对巷道围岩及锚固结构造成持续疲劳损伤,是深部巷道趋向失稳的重要诱因,合理构建抗冲击动载巷道锚固支护体系及避免锚固结构失效已经成为深部煤炭开采面临的重要课题之一。采用理论分析、实验室试验、数值模拟等方法,研究了冲击载荷下锚固结构内部应力传递转化机制,阐明了锚固结构累积损伤与渐进失效机理,提出了冲击动载巷道控制准则。结果表明:压缩应力、拉伸应力与压拉快速转换形成的震荡效应是造成锚固结构损伤的三大要素;压缩、拉伸作用下介质抗压强度与不协调变形是导致锚固界面破坏的关键因素,锚固结构在内部法向驱动力作用下损伤累积,切线模量为负或单次动载冲击变形量持续逆势上扬时锚固结构失效,压缩、拉伸、震荡叠加影响下锚固结构预紧力损失及内部损伤存在明显的累积突变效应,内部裂隙以张拉裂隙为主,整体破坏从震荡效应向拉伸效应再向压缩破坏效应逐渐演化。通过提高围岩/锚固剂协调变形能力,增加锚固长度调动大范围岩体承载、保护锚固界面,保持锚固结构承载区抗剪阻滑强度大于动载冲击时内部法向驱动力,同时削弱震荡效应可有效降低锚固结构累积损伤程度。最后提出了降能-高阻-让压的冲击动载巷道控制技术准则,包括远场卸压、近场强支、破碎围岩改性、预紧力维持和让压结构,可为类似条件巷道维控提供指导。

水压力和轴向静应力对红砂岩冲击能量演化及破坏特性的影响

深部岩体工程多处于高水压高地应力环境中,在爆破等动态扰动作用下易引起涌突水和围岩体失稳等灾害事故,研究水压力与地应力共同作用下岩石能量演化及破坏特性具有重要的理论和工程实践意义。利用自主研制的高水压高应力岩石动力学试验系统,对具有不同水压力和轴向静应力红砂岩试件进行相同冲击荷载下的冲击试验。分析岩石动态应力−应变曲线、能量反射率、能量透射率和能量耗散率随水压力和轴向静应力的演化规律,表征岩石能量耗散率的应变率效应;对冲击作用后的岩石进行筛分与纵波波速测定,计算其分形维数与损伤变量,探究不同水压力与轴向静应力对岩石(体)损伤、破碎特性的影响规律。结果表明:随着水压力的增加,反射波幅值越来越小,透射波幅值越来越大;岩石动态应力−应变曲线由Ⅰ型向Ⅱ型转变。红砂岩能量反射率随水压力的增加先快速减小后缓慢变化;能量透射率随水压力的增加呈指数函数关系递增,且轴向静应力影响二者之间的变化趋势;随着水压力由零逐渐增大,能量耗散率呈先短暂增加后持续减小的趋势,二者之间服从良好的高斯函数关系;轴向静应力影响岩石能量耗散率与水压力之间的演化路径,轴向静应力越大,能量耗散率增加,能量耗散率增加趋势随水压力增大呈先增后减变化。红砂岩能量耗散率具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,红砂岩能量耗散率整体上先增加后减小。随着水压力的增加,红砂岩动态损伤变量逐渐减小,破碎分形维数呈“缓慢减小—短暂增加—急剧降低至零”的变化趋势;破碎分形维数短暂增加时的水压力随轴向静应力的增大呈一次函数增加。

基于无基准动态位移监测的江苏某高桩码头变位特征与安全预警

高桩码头服役环境复杂,船舶与门机等可变荷载作用下结构变位安全问题突出。然而,高桩码头通常不具备参照基准,且在离岸严苛条件下服役是常态,动态位移监测成为挑战。采用码头无基准动态位移监测技术,对江苏某高桩码头进行实时位移监测。详细分析门机作业和船舶撞击条件下码头位移响应规律,基于码头适用性、安全性提出该码头的两级预警指标。结合数值仿真计算,提出该码头不同吨级船舶靠泊建议。研究表明:门机的作业位置是影响码头位移响应大小的直接因素。码头第一结构段在船舶撞击作用下,因引桥等边界条件的影响,导致A_(2)监测点的位移响应在X、Y方向上均较大。一级预警指标由码头主要荷载作用组合的最大值推算,位移响应值为15.39 mm。二级预警指标由混凝土抗拉极限应力值为评判标准,位移响应值为19.14 mm。相应地,1万吨级船舶靠泊时法向速度不应超过0.19 m/s, 5 000吨级船舶靠泊时法向速度不应超过0.22 m/s。

不同加载路径下挤压WE43镁合金的高速冲击力学响应及本构模型

利用分离式霍普金森压杆和多种显微表征方法,研究了不同热处理状态和加载路径下挤压WE43镁合金的室温动态力学响应行为。结果表明挤压WE43镁合金的各向异性较弱,其真应力-真应变曲线都为“C”形,屈服强度和极限强度都具有正的应变速率敏感性。不同热处理状态和加载路径下,挤压WE43镁合金都产生了较多的形变孪晶,同时伴有少量的孪晶交叉。孪晶虽然对热处理状态和加载路径都不敏感,但能够促进胞状位错亚结构的形成。当加载应变速率增至4120 s^(-1)时,在绝热温升及其诱导的动态回复作用下,孪晶密度反而降低。孪生和非基面滑移相协调是室温下挤压WE43镁合金的主导变形机制。基于经典J-C本构,采用应变和应变速率的多项式函数对应变硬化项和应变速率硬化项进行修正,构建了不同热处理状态和加载路径下挤压WE43镁合金的力学本构模型。拟合结果与实验的偏差均在±10%以内,相关系数R和平均相对误差AARE分别为0.952和3.28%。

高温后水泥砂浆-花岗岩复合层动态力学性能试验研究

为研究高温后水泥砂浆-花岗岩复合层的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)设备,以温度和加载速率为可变参数,开展了复合层试件动态压缩试验及静压对比试验。结果表明:动态抗压强度和动态强度增长因子(dynamic intensity factor, DIF)均有显著的应变率效应,应变率低于45 s~(-1)时DIF随温度升高单调减小,高于45 s~(-1)后DIF随温度升高先减小后增大;高温后复合层界面黏结减弱,随着温度升高水泥砂浆和花岗岩破坏形态差异化增大;复合层试件削波耗能特性表现出加载速率低敏感和温度高敏感。峰值应力比和耗能率不随加载速率的改变而发生明显变化,高温后复合层等效波阻抗下降,削波能力得到增强而耗能效果受到削弱;随着温度升高,入射能更多地转化为反射能,透射能及破坏耗能的占比下降。

水下爆炸下高拱坝坝面冲击荷载特性研究

确定爆炸荷载是高拱坝抗爆性能评估和抗爆设计的前提。为此,开展了高拱坝水下爆炸模型试验,并结合数值模拟方法,研究了高拱坝水下爆炸冲击荷载特性。以原型拱坝按1∶200缩比设计和制作了拱坝模型,测量了水下爆炸作用下库中以及拱坝表面的冲击荷载;采用Abaqus软件进行了拱坝水下爆炸数值模拟,结合试验数据验证了数值模拟的可靠性。研究结果表明,高拱坝水下爆炸冲击荷载可分为三个部分:首波爆炸冲击荷载、岸坡反射爆炸冲击荷载以及基底反射爆炸冲击荷载;对于库中起爆工况,高拱坝中心区域受到首波冲击的影响较大,而底部和靠近岸坡的区域则受到反射波的冲击较大,反射波在这些区域引起了较大的速度响应,在高拱坝的抗爆设计以及性能评估中,应考虑反射爆炸荷载的影响。研究成果可为高拱坝抗爆设计以及抗爆性能评估提供参考。

高强混凝土的高脆性及其在冲击作用下的破坏机理

通过试验对比了高强混凝土(C60)和中低强混凝土(C30)抗压强度、抗折强度、折压比随龄期的变化规律,并采用微计算机断层扫描技术(Micro Computed Tomography,Micro-CT)分析高强混凝土在冲击作用力下的破坏机理。结果表明:与C30混凝土相比,3、7、28、56 d龄期时,C60混凝土抗压强度分别增长57.5%、53.7%、54.3%和52.8%,C60混凝土抗折强度分别增长51.2%、39.6%、32.4%和21.7%,C60混凝土抗折强度的增幅低于抗压强度,说明其脆性特征明显;C60混凝土折压比小于C30混凝土,说明C60混凝土韧性较差,脆性较大;在外部冲击荷载作用下首先在C60混凝土薄弱界面过渡区出现微裂缝,然后向粗骨料内部扩展形成骨料微裂缝,骨料微裂缝继续扩展连通,与水泥石微裂缝连接,最终导致混凝土试件开裂破坏。

不同厚度航行器高速入水冲击载荷及壳体变形特性

航行器高速入水过程中,壳体受冲击载荷作用将产生大变形,而大变形又反过来影响航行体的受力状态。为了了解航行体结构受入水冲击的动态响应特性,基于结构化任意拉格朗日-欧拉(structured arbitrary Lagrange-Euler,S-ALE)算法研究了航行器撞水阶段壳体所受冲击载荷与变形的关联性,获取了壳体变形模式,并分析了壳体厚度对变形的影响规律。结果表明:壳体内凹大变形将增大航行器所受法向载荷,载荷峰值的脉宽虽为“毫秒级”,但对壳体变形具有较大影响。入水速度较低时,壳体变形模式以弹性变形为主,变形区域在上凹和下凸间不断转换,增大壳厚,结构主要通过减小脉宽来抑制变形;入水速度较高时,壳体变形模式以塑性变形为主,依次出现内凹区、拉伸区和卷曲压缩区,随形变量增大,拉伸区不断扩张,而卷曲压缩区不断后移,其中内凹变形受斜入水影响向y+方向偏斜,而卷曲压缩区在壳厚较小时出现S形卷曲对,增大壳厚,结构主要通过减小峰值来抑制变形。航行器斜入水内凹变形非对称性的内在机理为弹性应变与塑性应变的叠加效应,当冲击能量不变时,增大壳厚提升了内凹区壳体对冲击能量的吸收能力,减小了拉伸和卷曲压缩形变量,此为总形变量随壳厚增加而减小的内在机理。本文得到的航行器入水载荷及变形结果,可为相关领域的研究提供参考与支持。

岩爆隧道冲击荷载作用特征及其计算方法

隧道中的硬脆围岩在高地应力情况下易发生岩爆,而目前国内针对岩爆隧道的支护结构设计主要采用工程类比法.为了量化作用在支护结构上的岩爆冲击荷载,从能量角度分析岩爆过程中的能量转化关系,利用动能定理及能量守恒原理计算冲击荷载,并结合隧道松散压力提出隧道发生岩爆时的荷载计算方法,同时探明洞径等不同因素对岩爆作用范围的影响规律;结合某高地应力隧道岩爆段对其合理性进行验证.研究结果表明:岩爆冲击荷载计算公式中,动荷因数与隧道支护所采用结构刚度正相关;在相同跨度与地应力条件下,圆形隧道的岩爆深度小于马蹄形隧道,岩爆横向范围大于马蹄形隧道;在相同洞形和地应力条件下,随着隧道跨度越大,岩爆深度与横向范围越大;在相同洞形和跨度条件下,地应力值越高,岩爆深度与横向范围越大;单线隧道Ⅱ级围岩岩爆荷载为12.02~337.75 kPa,单线隧道Ⅲ级围岩岩爆荷载为25.36~352.12 kPa,双线隧道Ⅱ级围岩岩爆荷载为8.54~288.55 kPa,双线隧道Ⅲ级围岩岩爆荷载为33.11~300.83 kPa.

管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟

针对管道破裂对邻近建筑结构的影响,开展了管道撞击钢筋混凝土板试验研究,获得了端部封闭和未封闭管道垂直撞击钢筋混凝土靶的开坑深度及不同位置的应变时间历程曲线及加速度时间历程曲线,并利用有限元软件进行了仿真计算,分析了管道撞击速度和撞击角度对钢筋混凝土板冲击响应和破坏形态的影响。结果表明:端部未封闭管道垂直撞击造成的钢筋混凝土开坑面积和开坑深度最大,钢筋混凝土板出现钢筋被剪断的现象;端部未封闭管道撞击角度的变化会对撞击力和撞击位置上下两侧的开坑深度均有影响,且上侧的开坑深度对角度的变化更为敏感。研究结果可为建筑物内管道设计和维护提供参考。

面向极端载荷环境用高熵合金的研究进展

高熵合金作为一种合金设计新范式,近20年来受到研究人员的广泛关注。基于高熵准则的复杂合金颠覆了传统设计观念,展示出更加优异的力学性能与功能特性,成为未来重大工程应用的备选材料。尤其是近年来涌现出一批在低温断裂韧度、高温强度、抗冲击性、抗辐照性和抗疲劳性能等多种性能指标上表现突出的合金体系,是航空发动机、深空深海探测、低温超导和先进核能等重要领域中极具应用前景的重点研究材料。本文将简要介绍高熵合金的概念与发展,综述高熵合金在极低温至超高温、高速冲击以及高核能辐照等多种极端条件下的实验研究进展。梳理高熵合金的强韧性协同提升策略,提炼高熵合金在不同极端载荷下的变形机制和物理化学性质。可以预见,通过精细调整合金元素的选择与比例、优化热处理工艺等手段高效构筑多尺度序构进一步提升材料的综合力学性能将是高熵合金的主要发展方向。对于极端载荷环境用高熵合金的深入研究,一方面要继续深挖极端载荷下合金的微观变形机制,提出解决强度与塑韧性矛盾的新策略,利用机器学习等最新材料计算工具提升研发效率,结合先进表征技术了解微观结构。另一方面也要针对现有优势体系的不同强韧化机制设计优化策略,尤其关注能够激发位错、孪晶和相变等多种强韧化机制协同的体系和增材制造等新的加工方法。此外,进行更贴近极端服役环境的模拟实验,获取更多贴合实际情况的工程数据是加快高熵合金在极端环境中具体应用的重要环节。

AZ31镁合金高速冲击压缩力学行为研究进展

研究高速冲击载荷条件下AZ31镁合金动态力学行为的影响因素。高速冲击压缩的AZ31镁合金具有明显的应变速率强化效应,其屈服强度和峰值应力随温度升高而降低,高速冲击压缩力学行为呈现各向异性,高速冲击断口呈现出韧脆混合特征。基于Johnson-Cook本构方程的数值模拟与实验结合为镁合金高速冲击动态力学行为的优选研究方法。

高g值冲击下薄壁管抗冲击性能研究

目的在弹箭发射与侵彻时,弹箭系统内部测试电路元件承受高g值加载。为提高电路元件的存活度,需对其进行缓冲防护。方法利用气炮装置发射钢弹,撞击底座获得高g值加载,研究铝合金薄壁管的抗冲击特性,并基于LS-DYNA研究薄壁管壁厚和冲击速度对高g值冲击过程的影响。结果钢弹冲击速度增加,底座的激励加速度幅值(Acceleration Amplitude of Excitation,AAE)逐渐增加,单层管(CirT)和多胞管(MT)的缓冲效率分别达到91.0%和74.7%,数值模拟所得AAE和响应加速度幅值(Acceleration Amplitude of Response,AAR)与实验结果误差<5%,薄壁管壁厚对激励加速度几乎无影响。结论本文所得结果对轻质元件的高g值冲击防护有较强的指导意义。

不同入水攻角下高速射弹的流固耦合特性

高速入水时弹体结构响应(变形)大小关系射弹能否安全入水。当前,基于刚体模型的高速入水数值计算方法无法深入揭示初始扰动影响下射弹入水过程中复杂多相流、水动力与弹体结构响应等之间的相互耦合作用规律。为解决上述难题,基于流体力学和结构动力学,建立一种高速入水流固耦合数值计算方法,重点研究攻角对某型射弹高速入水过程的影响,分析攻角影响下空泡演化、冲击载荷、弹体运动与结构变形的相互耦合作用机理。研究结果表明:随攻角增大,弹体下表面与空泡壁面逐渐产生强烈撞击,迫使空泡壁面弯曲;对该型射弹,当攻角>3°时,射弹会因尾翼拍击液面出现第2次载荷峰值,此时射弹因沾湿产生弯矩,迫使射弹出现塑性应变,随入水深度增加,射弹形成明显的尾翼弯折,因沾湿产生的表面压力最大值超过10 MPa;攻角为2°时,射弹虽因弹头尾翼同时受力产生弯矩,但内部应力未超过弹体材料的屈服强度,未出现塑性变形,因此,对该型射弹,其安全入水攻角≤2°。

动力设备高压管道冲击失效特性研究

为研究船用动力设备高压管道在冲击载荷作用下的失效特性,本文利用HyperMesh软件建立有限元模型,基于Abaqus软件针对某新型大功率船用汽轮机高压管道的静态与冲击载荷作用下的承载能力和失效特性进行探究。计算结果表明,在冲击载荷作用下,高压管道的失效形式为法兰与管道连接处在高频载荷下形成的局部塑性大变形以及低频载荷下造成的断裂。该结果可为船用动力设备高压管道设计提供参考。

基于熵值模糊层次分析法的碳化硅负荷接入位置对电网影响评估

高载能负荷参与需求侧响应已成为促进新能源消纳的重要举措,未来新型电力系统面临新能源占比不断提高及高载能负荷大规模接入的情况。亟需研究高载能负荷大规模接入对电网影响,以合理规划新能源机组与高载能负荷在配电网中的位置与容量。为此,以碳化硅负荷为研究对象,基于Matlab/Simulink仿真平台构建含高比例风电的IEEE33节点系统。基于参数摄动法,从电能质量、技术经济性、安全性3个方面评估风电机组与碳化硅负荷不同接入位置对电网的影响。应用熵值模糊层次分析法对仿真结果进行综合评估;评估结果与理论分析一致,验证了熵值模糊层次分析法的有效性。

多因素耦合高静载窄短工作面防冲管控对策

冲击地压是巨野矿区灾害防治的重点,彭庄煤矿地处巨野矿区,属埋深超千米的冲击地压矿井。大埋深工作面多因素耦合高静载工作面冲击风险高,治理难度大。矿井按照“强卸压、强支护、强监测”的防冲技术路线,在3307工作面采取高密度大直径钻孔卸压、顶板爆破预裂、增加被动支护密度等针对性防冲措施,有效降低了采空区三角煤柱应力集中程度,解决受大埋深、采空区、巷道切割、断层等多因素影响的高静载窄短工作面安全推采的问题。

冲击载荷下CMDB推进剂断裂性能实验研究

高过载冲击载荷下,固体推进剂出现断裂行为是影响箭弹发动机装药结构完整性的重要原因之一。采用霍普金森实验技术（SHPB）,对CMDB推进剂进行了冲击断裂实验。运用实验-仿真的方法,将实验数据直接输入仿真模型中,验证了实验条件下试件满足动态平衡前提假设,获得了推进剂的I型动态起裂韧性;利用扫描电镜设备（SEM）,对推进剂断面形貌进行了观察和讨论。结果表明,CMDB推进剂动态起裂韧性在60 000-100 000 MPa·m^1/2/s加载率范围内表现出明显的线性率敏感特性,并在加载率达到100 000 MPa·m^1/2/s后出现极值3.96 MPa·m^1/2;CMDB推进剂在高过载条件下表现出明显的脆性起裂特性以及动态起裂韧性存在率敏感性,直接与应力波对基体和AP颗粒损伤程度相关。

高温混凝土动态力学性能的SHPB试验研究

采用微波炉与SHPB试验进行了高温、冲击载荷下的混凝土动态力学特性的试验;在试验结果基础上,探讨温度和应变率对混凝土的综合影响;建立了混凝土材料强度与温度和应变率之间的关系;并分析其力学机理。试验与分析结果表明:混凝土在高温下出现了塑性流动现象,这种塑性流动现象随着温度的升高而越来越明显;同时,混凝土随着温度的增加或加载速率的增加,表现出更好的韧性。