DYNAMIC RESPONSE OF A RIGID,PERFECTLY PLASTIC FREE-FREE BEAM STRUCK BY A PROJECTILE ATANY CROSS-SECTION ALONG ITS SPAN

The rigid, perfectly plastic dynamic response of a free-free beam subjected to impact by a projectile at any cross-section is studied. The instantaneous deformations of the beam are given through an analysis of the complete solution for rigid plastic structures. The in?uence of some parameters such as the input energy and mass ratio on the plastic deformation, travelling plastic hinge position and energy partitioning of the beam are discussed.

弹体斜侵彻双层钢板的结构响应和失效研究

为探究弹体斜侵彻多层钢板的结构响应及失效规律,开展了圆形、椭圆和非对称椭圆三种截面弹体对双层钢板的斜侵彻试验,获得了不同弹体的弹道特性和结构失效情况。在此基础上,采用有限元软件对弹体斜侵彻过程的弹道特性、动态载荷以及结构响应进行了数值分析。基于空间自由梁理论和弹体动态载荷,给出了侵彻过程中弹体轴力和弯矩的分布规律,建立了弹体结构强度与失效分析方法。结果表明,弹体以正着角水平侵彻多层钢板时,存在一个临界攻角;当攻角小于临界值时,侵彻过程中会出现弹体低头、弹道向下偏转的现象;当攻角大于临界值时,则出现弹体抬头、弹道向上偏转的现象;该临界攻角随着靶板厚度的减小而增大。对于强度高、韧性低的弹体,失效模式为脆性断裂,断裂位置距头部0.72~0.81倍弹长,弹身后部所受横向冲击载荷是造成弹体断裂的主要原因。建立的弹体结构响应模型可准确预测弹体断裂失效及发生位置。此外,在三种截面弹体中,非对称椭圆弹体的断裂位置更接近头部。

用于自由电子激光装置的丝扫描束流横向截面测量系统原型机

基于丝扫描系统的束流横向截面测量为半阻拦式的测量方法,相比于截面靶测量对束流影响较小。上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(SHINE)束团截面在线测量系统计划采用丝扫描技术实现,为此设计研制了由丝靶探头、机械运动机构、束损探测器、电子学系统构成的丝扫描束流横向截面测量系统原型机。本文介绍了该原型机的工作原理、具体设计及在丝扫描探头上游安装腔式束流位置测量(CBPM)系统进行束流中心位置和束团电荷量精确补偿的优化方案。为精确评估该样机系统性能,在上海软X射线自由电子激光(SXFEL)中相邻位置布局了丝扫描探头和YAG靶截面探头,通过同时测量并对比同样束流截面的方法,对丝扫描系统原型机性能进行了束流实验评估。束流实验结果表明,在束团电荷量500 pC、电子能量0.84 GeV的条件下,丝扫描技术可用于电子束团的在线半阻拦式截面测量,测量不确定度好于30μm,测量结果与SXFEL装置标配的YAG靶截面靶测量系统结果一致。

自由梁受集中质量横向撞击的刚-塑性动力响应

研究自由边界的矩形截面梁在自由端和对称中面分别受到质量块横向撞击后的刚－塑性动力响应，通过完全解分析、结合数值方法给出梁的瞬态变形，并讨论输入能量、质量比等参数对梁的最终变形、移行铰消失位置及能量耗散的影响。

考虑气动加热和变截面惯性矩的高超声速飞行器建模与分析

由于高超声速飞行器弹性机体/发动机的高度一体化设计,使得此类飞行器的动力学建模与控制较为复杂,而作为控制的基础以及面向控制的总体优化设计都需要建立高精度的动力学模型。首先,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的高超声速飞行器自由梁结构弹性模型,分析了气动加热和变截面惯性矩对飞行器振型的影响,得出了气动加热对振型影响非常小且振型引起的攻角变化很小,变截面惯性矩对飞行器的振型影响较大且振型引起的攻角变化较大的结论。然后,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的自由梁高超声速飞行器动力学模型,对考虑气动加热和忽略气动加热、恒截面惯性矩和变截面惯性矩对应的动力学模型进行了零极点分布对比分析,得出了气动加热对飞行器的纵向动态特性影响很小,变截面惯性矩自由梁对应的高超声速飞行器在特征点处开环不稳定性更大和非最小相位行为约束变弱的结论。

意杨木材弹性模量3种方法检测的比较

为比较不同无损检测方法检测、评估意杨木材弹性模量的可行性和可靠性,分别采用应力波法、自由梁振动法和静态四点弯曲法实测一批苏北意杨锯材的弹性模量值,比较研究了3种方法下的意杨锯材弹性模量值的变异系数、准确指数及相关性。结果表明:3种方法测算的锯材弹性模量值间显著相关,相关系数均大于0.8,且三者中应力波法检测锯材的动态弹性模量值的变异系数和准确指数最小,依据原木应力波弹性模量对锯材进行分等,得到Ⅰ级品率为26.2%,Ⅱ级品率为56.9%,Ⅲ级品率为16.9%。可见,应力波法能够用于检测锯材弹性模量,并作为评定木材性质、预测其力学性能的方法,为中国木材行业锯材产品的最佳质量分等提供理论借鉴。

带前舱弹体斜撞击硬目标的姿态偏转

针对带前舱弹体斜侵彻硬目标靶体的动态力学响应问题,建立了变截面刚度自由梁在横向及轴向载荷交互作用下的动态力学响应模型,分析了带前舱弹体斜侵彻硬目标时的动态响应特性,得到了前舱破坏对弹体着靶姿态角的变化规律,结果表明,前舱的量纲一长度、前舱与弹体连接刚度/前舱截面屈服模量与弹体的偏转角正相关.

刚塑性自由梁中部在横向冲击下的初始变形模式

研究了均匀矩形截面刚塑性自由梁中部在小尺寸、平头、圆柱形刚性弹体撞击下的三种变形模式,即梁的刚体平动、单铰变形模式和三铰变形模式。考虑了刚性子弹冲击后在梁上形成的剪切冲塞,分析了子弹通过冲塞作用在梁中部的剪切力可能引起的梁的弯曲变形,找出了梁的初始变形模式对子弹大小。

自由梁中部在平头子弹横向正冲击下的穿透及变形

研究了均匀矩形截面自由梁中部在小尺寸、平头、刚性、圆柱形弹体正撞击下的变形及穿透过程。当子弹冲击速度接近或高于临界穿透速度时 ,在梁上与子弹接触区的周围会形成一个剪切冲塞 ,子弹通过冲塞作用在梁上的剪应力会引起梁的整体弯曲变形。通过动力分析 ,确定了子弹穿透梁的临界穿透速度。对子弹穿透梁的局部剪切过程和梁的各个变形阶段进行了数值计算 ,估算出局部剪切能、梁弯曲变形能。

刚性质量对自由梁的塑性次撞击

针对接触和分离对撞击响应的影响,该文基于刚塑性动力学理论和单轴压缩多次弹塑性接触模型,研究了刚性质量水平撞击自由梁的过程。研究结果发现该撞击过程是一个复杂的多次塑性撞击过程,按照撞击力变化形式可以划分为两个撞击区,计算结果表明该两个撞击区的总冲量相当。塑性次撞击造成撞击能量以间歇方式传递,并且大部分撞击能量是由后续次撞击传递给梁的。不断出现的次撞击将迫使移行塑性铰作短暂的往复运动。通过与三维动态有限元方法的比较表明,刚塑性动力学理论可以应用于塑性次撞击问题的研究,并可获得梁撞击响应的主要特征。

含缺陷自由梁的弹塑性大挠度动力响应

作为一种近似处理,两端无任何支持和约束的空间自由梁常作为细长结构的简化模型。基于大变形平衡微分方程和有限差分法,通过在弹塑性大挠度模型里引入表征缺陷严重度的截面弱化因子,本文分析了任意位置含一缺陷的理想弹塑性自由梁在自由端受刚性质量块横向撞击作用下的大挠度动力响应。详细讨论了瞬态弯矩分布规律、曲率分布、变形以及缺陷处相对转角随时间的变化,结果表明:响应过程可划分为4个阶段;缺陷的位置和严重程度对结构的塑性动力行为有重要的影响,当缺陷落在此危险区域内,并且离撞击端越近,梁越容易由于缺陷处的断裂而失效。所得结果可为结构的安全防护提供指导。

自由梁在中点受到质量块撞击的剪切效应

剪切失效是强动载荷作用下结构失效的重要模式。着重研究了自由梁在中点受到质量块撞击后的剪切效应 ,给出了发生剪切失效的无量纲判据。分析表明 ,在初始速度的间断界面上是否发生剪切失效取决于质量块无量纲初始动能。

刚性质量对自由梁的弹塑性次碰撞的若干特征

该文基于Rayleigh梁理论,采用局部弹塑性接触模型,结合有限差分方法和碰撞-分离条件,研究了钝圆柱头质量水平碰撞自由梁过程中的弹塑性次碰撞过程。研究发现,整个水平碰撞包含了复杂的弹塑性次碰撞过程,整个碰撞过程由分别位于碰撞压缩相内和恢复相内的两个明显的次碰撞区组成。第二碰撞区的出现,导致梁出现了二次瞬态变形激发现象。碰撞激发了梁一阶位移响应和高阶速度响应,一阶位移响应与次碰撞区的形成有着本质的联系,次碰撞的形成过程与高阶速度响应密切相关。另外,次碰撞显著地改变了碰撞能量的传递方式,导致了单向、间歇式的碰撞能量传递模式。研究表明,次碰撞与次碰撞激发的自由梁响应之间存在着复杂的耦合力学机制。

自由梁的位移、应变和声模态分析

目的针对目前常见的模态测试方法开展试验模态分析,从而给出各种测试方法的最优使用场所。方法以金属自由梁为研究对象,通过试验模态分析,得到了其位移、应变和声模态的频率、阻尼比和振型等模态参数,对比各模态测试方法的结果,并就各模态测试方法的特点开展对比分析。结果位移模态所测模态频率明显比应变模态和声模态的小,可见传感器的质量对所测自由梁位移模态的模态频率有较大影响,应变模态影响较小,声模态为非接触式测量,故无影响,且在相同的试验条件下,更容易得到高阶模态。结论应变模态试验在获取模态振型的基础上,也可进行各测试点应变大小的测量和计算。

无单元法求解欧拉梁及梁系的自由振动问题

双变量无单元法以广义移动最小二乘法为理论基础,同时考虑挠度和转角双变量。采用双变量无单元法建立了欧拉梁的质量矩阵和刚度矩阵,并进行自由振动的计算。不同边界条件欧拉梁动力特性的算例表明:双变量无单元法比与只考虑挠度的单变量无单元法具有更高的插值精度,并能在高阶振型计算中获得明显优于有限元的计算精度。通过试算法对影响半径中的scale乘子进行了讨论,认为在动力计算中scale取3.5较合理。最后在欧拉梁的基础上,将无单元法应用于梁系模型的自由振动计算,显示了该法在复杂模型中的精确性。

刚塑性自由梁在偏心阶跃荷载下的动态响应

基于冲击力学基本理论,研究了刚塑性自由梁在偏心阶跃荷载下的动态响应。根据动平衡条件和梁的变形模式,推导了不同荷载水平下无约束自由梁的加速度和角加速度公式。通过动静法得到了自由梁内的弯矩和剪力,依此给出了塑性铰的位置,得出了不同荷载位置下塑性铰的临界荷载值,并讨论了摩擦力对其的影响。结果表明:摩擦力较小时,其对塑性铰的位置有明显影响;但摩擦力较大时,塑性铰的位置几乎不随摩擦力的变化而改变,并且出现塑性铰的临界荷载很小。在荷载水平较低时,自由梁只可能在荷载作用点产生塑性铰;随着荷载水平的提高,在长梁段会出现一个与荷载作用点塑性铰相反的塑性铰;当荷载很大时,在短梁段也会出现一个塑性铰。此外,荷载作用点的位置对塑性铰临界荷载值也有较大影响,荷载离梁端越近,塑性铰临界荷载值越大;若荷载离梁端越远,塑性铰临界荷载较小。

自由梁在中点受到质量块撞击的剪切失效

剪切失效是强动载荷作用下结构失效的重要模式 ,从自由梁在中点受到质量块撞击后发生剪切失效的无量纲判据的分析表明 ,在初始速度间断面上是否发生剪切失效取决于质量块无量纲初始动能。

张弦梁结构的自振特性分析

利用ANSYS软件中的子空间迭代法,分析了张弦梁结构的自振特性,针对不同的参数如矢跨比、垂跨比、撑杆数、横索数、预应力度和整体倾角等进行了大量参数分析,得出了各参数对张弦梁结构的自振特性的影响及张梁弦结构的自振规律.

反弹道斜撞击下自由梁结构响应研究

反弹道撞击实验在材料与结构动力学响应研究领域中已有广泛应用,相比正向撞击实验,反弹道实验可在自由梁上加装测量装置,得到更精确的测试结果。开展了自由梁20°斜撞击的反弹道实验,使用数字图像相关方法测试了弹体的实时动态响应情况,引入失效判据,并结合数值模拟分析,求解了轴向与横向载荷交互作用下的自由梁弯曲形貌。结果表明:考虑轴向力的计算结果与实验吻合较好,且优于文献[4]给出的自由梁计算模型;当质量比mγ≥10时,正反弹道具有较好的等效性,该方法亦可用于求解弹体在非正侵彻过程中的结构响应。

自由梁在一端受局部三角形脉冲载荷时的塑性动力响应

为了估计局部爆炸载荷对飞行器的影响,采用刚塑性模型分析了自由梁在一端受局部脉冲载荷作用时的塑性动力响应,给出了不同载荷长度作用下梁的变形模式,最后分析了航天飞机在局部脉冲载荷下的断裂问题.研究表明,飞行器在一端受局部的脉冲载荷下更不容易发生断裂.