A STUDY ON THE EFFECT OF RADIAL INERTIA ON THE ELASTO-PLASTIC COMBINED STRESS WAVE PROPAGATION IN THIN-WALLED TUBES

An in-depth analysis of propagation characteristics ofelasto-plastic combined stress waves in circular thin-walled tubeshas been made. In obtaining the simple-wave solution, however, mostresearches have ignored the influence of the circumferential stressrelated to the radial inertial ef- fect in the tubes. In this paperthe incremental elasto-plastic constitutive relations which areconve- nient for dynamic numerical analysis are adopted, and thefinite-difference method is used to study the evolution adpropagation of elasto-plastic combined stress waves in a thin-walledtube with the radial inertial effect of the tube considered. Thecalculation results are compared with those obtained when the radialinertial effect is not considered. The calculation results show thatthe radial inertial effect of a tube has a fairly great influence onthe propagation of elasto-plastic combined stress waves.

夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析(Ⅱ):弹塑性交界面与平台段反射衰减

相对于入射波加载阶段透反射分析过程,入射波平台段持续时间长且弹塑性传播与演化行为复杂得多,此阶段试件内弹塑性波相互作用的影响非常明显。开展了矩形入射波作用下试件内弹塑性波的相互作用及其在两个界面上的弹塑性透反射行为计算,定量研究了夹心杆系统中反射波的衰减特征。结果表明:强入射波作用下,由于弹塑性波相互作用,试件内形成了曲线型弹塑性交界面,使透射端达到屈服状态的时间明显提前,该弹塑性交界面以大于弹性声速的速度向反射端变速传播;在塑性阶段,反射波的衰减是试件截面积增大引起的广义波阻抗增大和压缩引起的塑性波往返次数增加两个方面导致的衰减量之和。计算显示,试件的密度变化虽然明显影响其波速和广义波阻抗,但两个方面引起的衰减量之和正好接近于零,使得密度变化对透反射波平台段变化的影响可以忽略;塑性模量的增大使得反射波在平台端衰减更快,而试件直径对反射波衰减速度的影响并不是单调的,从4 mm增大到10 mm,反射波衰减速度增大,但增大到12 mm后衰减量反而有所减小。研究结果可为分离式Hopkinson压杆试验透反射波形的深入分析以及精细化试验设计与数据处理提供参考。

雷电冲击下土体应力及弹塑性界面时程分析

雷电作为自然界一种极端天气的表现形式,常给地基、地面、高耸建筑等造成严重破坏。工程防雷措施依赖于土体雷电冲击特性。现阶段,研究人员大多从电气工程角度探究雷电冲击土体造成的危害,但因学科间的差异与局限,雷电作用下岩土工程与电气工程的交叉融合方面的研究十分欠缺。本文构建土体雷电冲击模型,基于电弧通道能量平衡方程计算雷电放电产生的冲击波压力,将冲击波压力作为外加荷载作用在土体中,并通过修正Mohr-Coulomb屈服准则考虑动荷载下土体应变硬化,利用土体的理想锁定状态方程(Idealized Locked Equation of State)和动态扩孔方法考虑冲击波非稳态加载,探究雷电冲击下土体的弹塑性界面及应力时程变化规律。研究表明:在雷电冲击下,土体应力随时间变化呈现先陡增后迅速衰减的趋势,应力突变点表明土体此时正处于弹塑性交界面;在应力突变点之前,土体附加应力趋于0,处于弹性状态。任一时刻下,随着逐渐远离雷电冲击点,土体应力呈现迅速衰减的趋势,应力发生突变骤降表明此处土体正处于弹塑性交界面;在突变点之后土体附加应力趋于0,处于弹性状态。土体压缩系数对土体的弹塑性界面变化具有显著影响,随着压缩指标增大,土体塑性区半径逐渐减小;随着土体黏聚力逐渐增大,土体塑性区半径逐渐减小;增大土体弹性模量可以增大土体塑性区半径,但变化幅度相对较小;电流波形对土体塑性区中的应力会产生较大影响,而对土体弹性区影响较小。

聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的压缩力学性能研究

通过ＳＨＰＢ冲击实验装置研究了硬质聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的动态力学性能，得到了泡沫塑料在较高应变率下的应力－应变曲线；确定了泡沫塑料的动态屈服强度和动态弹性模量等力学参数，并同落锤冲击实验及准静态压缩实验的结果进行了比较。

多层介质对应力波传播特性影响分析

通过在气炮上进行多层介质的低速冲击实验及相应的数值计算,分析了不同组成的多层介质对应力波传播特性的影响。结果表明:多层介质中的泡沫材料不仅能够改变应力波的幅值与作用时间,而且具有显著的吸能效果,引起应力波在传播过程中在各层介质中能量与动量分配的改变。通过对泡沫铝和泡沫混凝土两种软材料在多层介质中作用的比较表明,在低速冲击的实验条件下,含泡沫混凝土的多层介质具有较好的削波作用,含泡沫铝的多层介质具有较好的吸能性能。

桩周土体静阻力模型研究及在打桩中的应用

基于桩侧土体和桩端土体的变形与破坏机理不同,以及土力学理论、有关室内和现场试验结果,并为简化起见,分别采用双曲线模型、理想弹塑性模型来描述桩侧土体静阻力和桩端土体静阻力特性。考虑桩身自重及桩周土体阻力作用建立了一维动力打桩波动方程,采用有限差分法进行求解,编制了基于上述土体模型的打桩分析软件ADP,并用该软件对某海洋桩基平台的打桩工程进行了数值分析。结果表明,本文建立的模型更符合实际情况,有助于提高分析精度。

SHPB冲击压缩实验中泡沫塑料应力均匀化过程的数值模拟

对SHPB实验中泡沫塑料的本构关系进行了分段线性化处理,基于一维弹性应力波理论用数值方法对变形过程进行了模拟。结果表明,实验初期试件处于严重的应力不均匀状态;并且由于试件与输入/输出杆的界面处存在波阻抗不匹配现象,实验中后期的应力均匀化程度也无法得到有效提高;若将子弹及输入/输出杆的材料更换为刚度较低的聚合物,可有效地减少波阻抗不匹配的程度,从而使实验中后期的应力均匀化水平得以大幅度提高,但实验所能够达到的最大应变值可能受到限制。

直杆碰撞刚性壁弹塑性动力后屈曲有限元分析

利用显式动力学有限元方法对直杆弹塑性动力后屈曲进行了分析,模拟了直杆轴向碰撞动力屈曲的变形及发展过程。分析中在直杆碰撞端局部临界屈曲长度范围内引入半正弦波形式的初始缺陷,计算结果与文献中的实验数据获得了很好的一致。分析结果表明,随着碰撞过程中所产生的应力波逐渐向前传播,后屈曲变形过程中所呈现的多个半波形式的高阶屈曲模态由初始具有单个半波形式的简单屈曲模态迅速演变而成。分析结果同时也揭示了直杆动力屈曲变形发展的机理,以及轴向应力波和屈曲变形的相互作用规律。

杆撞击中弹塑性波传播的动态子结构方法研究

通过建立杆弹塑性碰撞的动态子结构模型,推导弹塑性撞击子结构动力学控制方程,采用固定界阶模态综合法和无条件稳定积分法(Newmark隐式积分法)对动力学方程进行求解,成功地将动态子结构方法运用于柔性杆的弹塑性撞击问题。与有限元方法的计算结果和理论解结果的对比表明,动态子结构方法可以应用于柔性杆的弹塑性撞击问题的研究,它能够较精确地计算弹塑性撞击力响应,计算撞击瞬态弹塑性波的传播,并可有效地研究弹塑性波传播、反射、弹性波和塑性波相互作用等主要瞬态波传播规律。

弹塑性梁在轴向应力波下的动态屈曲

本文考虑轴向应力波效应，利用分叉理论研究各种支承半无限长弹塑性梁的动态屈曲问题。在轴向阶梯载荷和脉冲载荷冲击下得到了梁的临界屈曲载荷及初始屈曲模态。其结果与实验现象相一致。同时也为研究结构动态屈曲问题提供了有效途径。

径向惯性对薄壁圆管中弹塑性复合应力波传播的影响

弹塑性压扭复合应力波在薄壁管中的传播特性 ,已得到较为深入的研究 ,但为得到简单波解 ,大部分研究忽略了薄壁圆管中与径向惯性有关的周向应力σθ 的影响 .该文采用便于动态数值方法应用的增量型弹塑性本构关系 ,应用有限差分数值方法 ,计算了考虑径向惯性效应的弹塑性薄壁管中复合应力波的演化规律和传播特性 ,并与无径向惯性效应的计算结果作了对比 .

闭孔金属泡沫中应力波的传播特性分析

为了研究泡沫材料在动态冲击载荷下的变形及内部应力变化情况,通过一维的泡沫材料冲击模型对闭孔金属泡沫材料中应力波尤其是胞元结构塑性坍塌的传播过程及其影响因素进行分析。结果表明:泡沫材料密度以及冲击速度是导致塑性波前应力提高、产生惯性效应的主要因素;同时塑性波的传播速度与冲击速度成正比,与泡沫材料的密实应变成反比;且冲击能量越低,塑性波前在泡沫中推进就越慢,吸收这些能量所需的泡沫材料也越少。

吸能防爬器吸能元件轴向动力屈曲影响因素及轴对称变形方管设计

通过对薄壁方管轴向动力屈曲的作用机理进行研究,提出了轴对称变形方管的设计方法,主要用于地铁吸能防爬器吸能元件的设计。揭示了薄壁方管轴对称动力屈曲的动载荷特性,建立了平均撞击力和塑性横波、纵波传播速度的数学模型,指出薄壁方管的变形模式是由塑性应力波的传播速度和薄壁方管全长的弯曲刚度两者共同决定的,解释了轴对称变形方管较圆管易于设计的原因。设计了一定撞击力要求的轴对称变形薄壁方管,吸能防爬器上吸能元件可由不同壁厚、材料、截面的薄壁方管进行并联设计。建立的数学模型可以指导轴对称变形方管的设计,能节省大量的人力、财力和时间,对于工程实践具有重要指导意义。

轴向应力波作用下圆柱壳塑性轴对称动力屈曲

运用有限元特征值分析方法对应力波作用下圆柱壳塑性轴对称动力失稳问题进行了研究。基于应力波理论和相邻平衡准则导出了圆柱壳轴对称动力失稳时的特征方程,在分析中同时考虑了应力波效应及横向惯性效应,把圆柱壳塑性动力失稳问题归结为特征值问题。通过引入圆柱壳动力失稳时的波前约束条件实现了此类问题的有限元特征值解法。计算结果揭示了圆柱壳塑性轴对称动力屈曲变形发展的机理,以及轴向应力波和屈曲变形的相互作用规律。

长应力波对于深部隧道衬砌的作用

应力波与隧道衬砌的相互作用问题为岩石力学的一个十分复杂的问题,到目前为止还没有得到圆满的解决。对于考虑介质与结构弹塑性性质的课题,解析解更难以求得。研究表明长波与深地下硐室的作用问题可以用拟静法解答。本文用拟静法研究了考虑岩体塑性性质时长纵波与地下硐室的相互作用问题。并获得了确定长应力波对于隧道支护作用的解析解。

基于应力波因子的金属材料表面塑性损伤检测

提出了一种基于应力波因子的金属材料表面塑性损伤检测方法。将AZ31镁铝合金试件加载到不同的拉伸载荷后,利用Ritec SNAP非线性超声测试系统激发和接收Rayleigh表面波,通过实验测试在不同载荷作用后基于应力波因子的声学非线性系数与应力的关系。研究结果表明,当加载应力接近材料的屈服极限时,基于应力波因子的声学非线性系数随着应力的增加明显增大,因此可以利用基于应力波因子的声学非线性系数对金属材料表面的塑性损伤进行非线性超声无损评价。

聚氨酯泡沫塑料动态剪切力学行为的研究

通过大型精密分段式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ 扭杆实验装置对聚氨酯泡沫塑料进行了动态扭转实验，研究了聚氨酯泡沫塑料在剪切应力波加载下的力学行为，得到了这类材料的动态剪切应力应变曲线和动态力学性能参数。此外，针对动态扭转破坏试件断口进行了扫描电镜分析，研究了泡沫塑料动态剪切破坏的机制。还给出了同准静态扭转实验结果的比较。

对软土中锤击贯入桩桩身层裂现象的研究

在软基中打桩时,软土层对桩的阻力很小。当桩锤以一定速度夯击桩头,桩身便传播着应力波,此类压缩波在桩尖近似自由面处反射后成为反向拉伸波,压缩、拉伸波干涉的结果往往在桩尖上部形成一个相当高的拉应力区,这会导致桩底端附近层裂(断裂)。基于一维应力波理论,采用有限差分法,对此进行了初步探讨,得出了一些有益的结论,供工程应用参考。

爆破冲击作用下岩体损伤范围研究

针对地下工程岩体压碎和塑性变化两种损伤形式,本文以莫尔-库伦准则为岩体在爆破荷载作用下的破坏条件,提出了冲击波作用下岩体压碎圈范围的计算式,运用Von Mises屈服条件,计算了应力波作用下岩体塑性区范围。以KUBELA420炸药为例,估算了重庆主城区常见砂岩在爆破过程中形成的压碎圈范围不超过1.7倍装药半径,应力波作用下岩体塑性区范围不超过25.06倍装药半径,其与数值模拟预测的结果较接近。

轴向应力波作用下的圆柱壳弹塑性后屈曲

为揭示柱壳屈曲变形的发展机理及屈曲波与弹塑性应力波耦合传播间的关系,运用非线性显示动力学有限元分析方法对承受轴向高速冲击载荷作用下柱壳的弹塑性后屈曲过程进行了研究。分析结果表明:对于柱壳在轴向高速冲击下的弹塑性轴对称动力屈曲,主要屈曲变形发生在柱壳的两端,屈曲变形的产生及发展与应力波在壳中的传播过程密切相关;塑性应力波在整个屈曲过程中起了绝对支配的作用;屈曲波的产生及发展,都与塑性波的传播及反射有关;弹性应力波由于在整个屈曲过程中持续的时间极短,处于次要的地位。