冲击载荷
指加载速度很快而作用时间很短的突发性载荷。
我们把材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力值称为疲劳强度。
我们把经受107周次或更多周次而不破坏的最大应力定为疲劳强度。
晶体：指原子具有规则排列的物质，而非晶体其内部原子不具有规则排列。
晶格：金属原子在空间排列就可以用一抽象化的模型－空间格子表示。这种空间格子称为晶格。
金属中常见的晶格类型
一、体心立方晶格
二、面心立方晶格
三、密排六方晶格
合金：是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起。形成具有金属特性的物质。
组元：组成合金的独立的、最基本的单元，简称元。
合金的组元通常是纯元素，但也可以是在所研究的范围内既不分解也不发生任何反应的稳定化合物。
相：合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其他部分有界面分开的均匀组成部分。
所谓组织，是指用肉眼或借助显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物。实质上它是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定合金的性能。
根据合金中组元之间的相互作用不同，合金中相的机构可以分为固溶体和金属化合物
固溶体：合金在由液态结晶为固态时，组元间会互相溶解，形成一种在某一组元晶格中包含有其他新组元的新相，这新相就称为固溶体。
按排列形式不同
一、置换固溶体：溶质原子占据了部分溶剂晶格的结点位置而形成的固溶体。
二、间隙固溶体：溶质原子分布在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体。
固溶强化：由于溶质原子溶入溶剂晶格后引起晶格畸变。使其塑性变形的抗力增大，因而使得合金的强度、硬度升高的现象。
冲击荷载下的结构内力分析 摘要：通过建立模型，对结构承受冲击荷载作用的内力加以分析，分析结构在冲击荷载作用下易失效的部位，得到一些对工程实际有价值的结论。 关键词：冲击荷载;失效部位; 承载力; 稳定性 Abstract: through the model building, the structure under impact loading the analysis of the internal force, analyzes the structure under impact loading of the failure of easy parts, get some of the engineering practice valuable results. Keywords: impact load; Failure parts; Bearing capacity; stability 1.引言 近年来，由于恐怖袭击或爆炸引起的建筑物受冲击荷载作用的事件越来越多，对社会产生了恶劣的影响，而冲击作用对建筑物结构的破坏作用巨大，往往会产生较大的经济损失及人员伤亡事故，逐渐引起了工程界的研究与社会各界的关注。 当建筑物承受冲击力作用后，在结构内部内力分布情况往往较为复杂，通常情况下，由于建筑物在短时内受到了较大作用的力，结构内积聚大量的能量，从而首先表现在引起结构局部构件的破坏，使得整体结构的内力重分布，内力分布的变化引起各构件的承载力不足或构件失稳，进而使各构件逐步遭到破坏，最终引起建筑物的整体破坏。 冲击荷载作为偶然荷载，具有其不确定性，当冲击荷载作用时，其对结构产生破坏较难加以预测，美国的Albllhassan Astaneh指出阻止偶然荷载破坏需设置外围防护结构及提高自身的强度[1]。熊世树认为防御连续性倒塌的方法是提供备用的传力路径[2]。朱炳寅在对莫斯科中国贸易中心设计时提出局部抗力增强的设计[3]。但结构在冲击荷载作用下失效构件位置往往难以确定，本文通过计算，对构件易失效部位加以分析。 2.计算方法 2.1计算模型 由于冲击荷载的特殊性，很难进行现场试验，在其理论研究中，往往通过电算法进行模拟，本文以白卡纸为材料，材料性能参数见表1。通过计算并制作模型，在加载台上进行加载。模型主题结构为三层框架结构，首层高度200mm，第二层高度400mm，第三层高度550mm，每层平面为200 mm×200 mm，顶部施加15kg静载，第二层水平方向施加冲击荷载，冲击荷载通过加载装置施加，其大小为5kg荷载块下落100mm产生的荷载，加载示意图如图1。
第三章金属在冲击载荷下的力学性能 前面我们讲述的是材料在常温、静载下的力学性能。工程中，还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。 冲击载荷与静载的主要差异：在于加载速率不同，加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。 因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间的变形量。因此，用形变速率（又分绝对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速率的变化。相对变形速率又称应变率。 不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应变速率为102～104s-1。试验表明，应变速率在10-4～10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生明显变化。 缺口 冲击载荷使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。 降低温度（脆断趋势）钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断裂或沿晶断裂。冷脆的最大特点是断裂功极低，后果是灾难性的。（原因是断裂面间距为原子间距，力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，断裂所消耗的功W=F.S也相当低）。 第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点 1、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。因弹性变形是以声 速在介质中传播的，声速在金属介质中相当大，钢中为4982 m/s，普通摆锤冲击时绝对变形速率只有5～5.5m/s冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。 2、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。金属产生附加强化。冲击载荷下塑性变形比较集中在某些区域（与静载荷下不同），说明塑性变形是极不均匀的。 3、材料塑性和应变率之间无单值依存关系。 第二节冲击弯曲和冲击韧性 一、冲击韧性 是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功的能力。常用标 来表示。 准试样的冲击吸收功A K 二、冲击试样 见图3-3。 ①冲击弯曲试验试样的种类： 夏比v型缺口冲击试样 缺口试样 夏比u型缺口冲击试样（我国以前称梅氏试样） 无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）
某机构基座承受冲击载荷的刚强度分析 陈文英 中国北方车辆研究所
某机构基座承受冲击载荷的刚强度分析 陈文英 （中国北方车辆研究所） 摘要：本文利用MSC.Nastran结构静力计算功能对某机构基座进行了整体刚度与强度分析，得到各个部位的变形和应力，并通过MSC.Patran的后处理功能观察了其应力和变形情况，清楚准确地找出设计的薄弱环节，提出了有效、可行的改进措施，为该机构的论证和优化设计提供了有力支持。 关键词：基座有限元刚度强度 1概述 根据设计要求，该基座应具备承受冲击的能力。因此，在研制中，对机构的外廓尺寸和全重有严格的限制，要求设计在满足功能、结构要求的前提下，尽可能优化结构，减少重量。由于机构在使用中承受较大的载荷和冲击，所以分析计算基座在这种工况条件下的应力和变形情况具有重要意义。 该基座使用铝合金材料，底部有气囊缓冲减振，希望能承受20g的冲击加速度，以便保证基座及其零部件在实际使用时安全可靠，不发生损坏。 本文利用MSC.Software 公司的有限元分析程序MSC.Nastran，对机构在承受冲击载荷时基座的刚度与强度进行了分析计算，得到各个部位的变形和应力，并通过MSC.Patran的后处理功能观察其应力和变形情况，清楚准确地找出设计的薄弱环节，提出了有效、可行的改进措施, （例如筋板的加厚加宽、尖角或直角过度部位加圆角、注意焊接部位焊缝质量等。）为该机构的论证和优化设计提供了有力支持。 2 有限元模型的建立 根据基座的结构几何特征和承载方式，以Pro-E软件建造的基座三维实体模型为基础，建立了详细的基座有限元模型，如图1所示。 2.1 网格划分 我们知道，CAD软件建立的模型，尤其是复杂大型结构，往往不能顺利正确地转换到有限元分析软件（CAE）中去，要经过多次的修改和消除CAD建模过程中存在与隐含的造型逻辑错误。否则，无法划分有限单元网格，或划出来的网格不正确，无法计算。 有限元分析首要和关键的一步是进行单元的剖分，有限元的分析模型必须要求结构模型的点、线、面、体严格正确无误，本模型就花费了分析人员较多时间和精力才转换成功。然后，就是对转换过来的正确模型进行单元剖分，考虑到计算机硬件、分析软件和计算时间的限制，单元的大小、多少非常关键，需要分析人员认真细致地考虑网格单元参数。本基座采
支架的动态冲击载荷分析 2011-03-05 19:47:25| 分类：CAE | 标签：|字号大中小订阅 本文采用https://www.doczj.com/doc/2b14216240.html,b的Motion模块建立刚柔多体装配模型。装配模型中支架采用柔性体，要对其进行在冲击载荷下的刚度、强度分析，本文只做一个定性而非定量的分析，对设计人员的设计起指导帮助的作用。 如图1所示，为初步设计的架子和回转台、液压缸等部件在https://www.doczj.com/doc/2b14216240.html,b 的Motion模块中建立的刚柔多体装配模型。装配模型中架子采用柔性体，要对其进行在冲击载荷下的刚度、强度分析，除架子之外的其他部件都采用刚体模型。 图1 刚柔多体装配模型 冲击试验载荷条件：冲击脉冲波形为半正弦波，冲击峰值加速度为20g，脉冲持续时间11ms，除样品有特殊要求外，试验应沿试验样品的二个互相垂直轴的四个轴向的每个方向施加三次（共12次）冲击。每组筒子质量为300kg，四组筒子和架子质量一起产生的冲击力均匀分布在其四个固定座上。 在此冲击载荷下，如图1所示架子后端两个支撑通过铰链与回转台连接，在行驶状态时前端两处与回转台固支，因为冲击试验模拟的是行驶状态时的冲击，故在边界条件中也将此两处与回转台固支，另外架子还通过铰链与两个发射时起鼎升支撑作用的液压缸连接。冲击力加载条件如图1所示，在motion模块中以用户自定义弹簧力的方式加在每个固定座上，其加载曲线如图2 所示。
图2 冲击载荷加载曲线 如图3所示，为某瞬时架子在冲击载荷下的变形云图，因为变形云图随着加载时间的变化而不停的变化着的，所以在这只抓取了某一瞬时状态的变形云图，但整个冲击过程中架子的变形区域分布是一致的，只是大小不一样而已。云图中红色区域表示变形较大的区域，从图中可以看出，架子变形较大的区域有三个地方：1、前端两侧，由于这两侧都直接受力，且无直接支撑，所以在冲击载荷下会引起较大的变形。2 、中心两个分支较多处，由于整个架子在X-Y平面内可以看作相当于一个薄板，在冲击载荷下薄板的屈曲变形趋势会引起架子的中心两个分支较多处变形较大。3、后段两侧伸出的支架处，由于架子后段两个支架处与回转台是通过旋转副连接的，而伸出的支架又比较长，只要在旋转副连接处架子有一个较小的转角就会引起伸出的支架远端较大的变形。 图3 冲击载荷下某一瞬时架子变形云图
材料性能学 1一14周
第三章金属在冲击载荷下的 力学性能
许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。 冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同 加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加 的数值表示。 形变速率：单位时间的变形量。加载速率提高，形变速率也增加。相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量。 冲击载荷2－104s-1 de10 d
静载荷 10-5－10-2s-1
一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点 冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击 能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程 的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。 由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为 4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对 金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。金属材料在冲 击载荷下难以发生塑性变形。
1.1 应变速率对塑性变形的影响 金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有以下两方面的原因： 1. 由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。 2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。
机械制造 周晓和?等 强冲击载荷下钢筋混凝土路面动态响应影响因素敏感度分析 ｈｔｔｐ:?ＺＺＨＤ.ｃｈｉｎａｊｏｕｒｎａｌ.ｎｅｔ.ｃｎ一Ｅ￣ｍａｉｌ:ＺＺＨＤ＠ｃｈａｉｎａｊｏｕｒｎａｌ.ｎｅｔ.ｃｎ?机械制造与自动化? 作者简介:周晓和 强冲击载荷下钢筋混凝土路面动态响 应影响因素敏感度分析 周晓和?马大为?仲健林?任杰 南京理工大学机械工程学院?江苏南京２１００９４ 摘一要:为得到强冲击载荷下?混凝土厚度二钢筋位置及纵向配筋率对钢筋混凝土路面动态响应敏感度?采用混凝土塑性损伤模型?建立了钢筋混凝土路面有限元模型?采用参数化技术?对钢筋混凝土路面在强冲击载荷下动态响应的主要影响因素进行参数化计算?结合计算结果对各参数进行了敏感度分析?分析结果表明:混凝土厚度对载荷中心点最大沉降值及钢筋混凝土板底中心点最大应力值影响较大?钢筋位置次之?纵向配筋率对其无太大影响? 关键词:强冲击载荷?钢筋混凝土路面?参数化?动态响应?敏感度分析 中图分类号:ＴＰ３９１.９一一文献标志码:Ｂ一一文章编号:１６７１￣５２７６(２０１４)０５￣００７４￣０３ ＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤｙｎａｍｉｃＲｅｓｐｏｎｓｅＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＣｏｎｃｒｅｔｅＰａｖｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒＨｅａｖｙＩｍｐａｃｔＬｏａｄｉｎｇ ＺＨＯＵＸｉａｏ￣ｈｅ?ＭＡＤａ￣ｗｅｉ?ＺＨＯＮＧＪｉａｎ￣ｌｉｎ?ＲＥＮＪｉｅ (ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?ＮＵＳＴ?Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４?Ｃｈｉｎａ) Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｓｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ?ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｉｏｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｐａｖｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒｈｅａｖｙｉｍｐａｃｔｌｏａｄｉｎｇ?ｉｔｓｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｄａｍａｇｅｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｍｏｄｅｌ?ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｒｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｍａｉｎｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｏｎｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｐａｖｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒｈｅａｖｙｉｍｐａｃｔｌｏａｄｉｎｇａｎｄｔｈｅｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｂｔａｉｎｅｄｒｅｓｕｌｔｓ?ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｅａｃｈｐａｒａｍｅｔｅｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｈａｓｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｌｏａｄｉｎｇｃｅｎｔｒａｌｍａｘｉｍｕｍｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｎｄｂｏｔｔｏｍｃｅｎｔｒａｌｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅ?ｎｅｘｔｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎ?ａｎｄｔｈｅｎｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｒａｔｉｏ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｅａｖｙｉｍｐａｃｔｌｏａｄｉｎｇ?ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｐａｖｅｍｅｎｔ?ｐａｒａｍｅｔｅｒ?ｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ?ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ ０一引言 钢筋混凝土结构由于充分利用了混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能?已被广泛地应用于高层建筑物二长跨桥二高速公路二水电站二隧道等?这些结构在其工作过程中除了承受正常的设计载荷之外?往往还要承受诸如爆炸二冲击和碰撞等动载荷?此时?受载结构处于大变形二高应变率和高静水压力状态?在远离动载荷作用处?围压效应减弱而多轴应力效应明显?介质内部由于拉二压应力波的相互作用对材料内部产生不同程度的破坏?对材料性能产生复杂的影响[２?３]? 文中对ＡＢＡＱＵＳ有限元软件中混凝土塑性损伤模型的基本理论与特点进行介绍?并将其运用到钢筋混凝土建模中?结合参数化技术?通过对钢筋混凝土路面模型参数的修改?快速二准确地建立相应的非线性有限元动力学模型?并根据设定参数自动地进行计算?完成参数化求解目标?通过对计算结果的分析?对钢筋混凝土路面模型主要性能参数进行敏感度评估? １一混凝土塑性损伤模型 ＡＢＡＱＵＳ中的混凝土损伤塑性模型使用于模拟各种 类型中的混凝土和其他准脆性材料?其采用各向同性弹性损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性理论来表征混凝土的非弹性行为?可模拟低围压?混凝土受到单调二循环或动载作用下的力学行为?结合非关联多重硬化塑性和各向同性弹性损伤理论来表征材料断裂过程中发生的不可逆损伤行为?材料的弹性行为应为各向同性和线性的[５]? １.１一屈服函数 模型考虑了在拉伸和压缩作用下材料具有不同的强度特征?考虑高围压力二等效应力以及有效最大主应力的影响?将材料的屈服函数写成式(１)的形式[４?５]: Ｆ(σ)＝ １１－α (ｑ－－３αｐ－＋β－<σ－＾ｍａｘ>－γ<－σ－ ＾ｍａｘ>)(１) 式中:α?β?γ 材料参数?由实验确定? ｐ－ 静水压力?ｐ－ ＝－ １３σｉｉ ? ４７
第37卷第4期STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.37, No.4 爆炸冲击载荷作用下板壳结构数值仿真分析 王飞1陈卫东2 （1北京强度环境研究所，北京 100076；2哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001） 摘要：主要针对爆炸冲击载荷作用下板壳结构的试验破坏问题，利用LS-DYNA有限元分析软件，采 用非线性动力学分析计算方法，考虑材料非线性和结构非线性等因素，模拟分析了板壳结构在接触爆 炸冲击载荷作用下的动态响应。计算分析结果与试验结果相吻合，利用有限元分析方法能很方便解释 试验过程和现象，为试验分析提供有效依据。 关键词:接触爆炸；板壳结构；动态响应；数值模拟 中图分类号：U611.4 文献标识码：A 文章编号：1006-3919(2010)04-0036-04 The numerical simulation analysis of the shell structure subjected to contact explosion Wang Fei1 Chen Weidong2 (1 Beijing Institure of Structure and Enviroment Engineering, Beijing 100076, China 2 College of Astronautics and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) Abstract: Aiming at the experimental damage problem of shell structure subjected to explosion impact load, the dynamic response of shell structure subjected to contact explosion impact load is simulated with the use of the finite element analysis software LS-DYNA , and using the nonlinearity dynamic analysis method, considering the material nonlinearity and structural nonlinearity. The analysis results and experimental results coincide with, the finite element method is very easy to explain the experimental process and experimental phenomenon, provide the effective basis for experimental analysis. Key words: contact explosion; shell structure; dynamic response; numerical simulation 1 引言 接触爆炸冲击载荷作用下板壳结构的变形和破损是非常复杂的非线性动态响应过程，既存在结构和材料变形时的非线性问题，又涉及到材料的流固耦合问题。接触爆炸冲击载荷往往产 收稿日期：2009-12-15；修回日期：2010-05-19 作者简介：王飞（1983—），男，助理工程师，研究方向：冲击、分离、结构耦合动力学；（100076）北京 9200信箱72分箱.
附件1： “强冲击载荷下钢筋混凝土的本构关系、 破坏机理与数值方法”重大项目指南 强冲击载荷具有短历时、高幅值以及变化剧烈等特征，强冲击载荷问题直接与材料、结构的动力学特征和破坏行为密切相关。强冲击载荷下材料与结构的动态力学特性与破坏行为在国家战略需求中的重要作用亦越来越显著。 钢筋混凝土不但在土木工程领域有着广泛的应用，而且在国家安全方面的应用越来越广泛，其具有的非均质、各向异性、多组分的特性亦给动力学特性的研究带来困难。本项目拟选取钢筋混凝土为主要研究对象，通过实验研究、理论分析和数值仿真相互结合，获取对强冲击载荷下钢筋混凝土特性和作用机理的认识和理解，为促进钢筋混凝土材料在国防和土木工程领域的应用提供科学支撑。 一、科学目标 以钢筋混凝土为主要研究对象，发展新型高速加载与测试技术，开展动高压加载实验和高速侵彻实验，建立强冲击载荷下钢筋混凝土材料的动态本构关系、高压状态方程和材料数据库，揭示钢筋混凝土结构的侵彻机理与破坏特征，发展相应的高精度三维多物质算法及软件，为推进强冲击载荷下材料与结构的动态力学行为研究提供新的理论、方法和模拟手段，提升我国在爆炸与冲击动力学领域的创新能力。 二、研究内容 （一）钢筋混凝土材料的动态力学性能及宏观本构关系。 发展新型大口径高速加载与测试技术，并结合Hopkinson杆和轻气炮等动高压加载手段对钢筋混凝土材料进行不同应变率范围的实验；钢筋混凝土材料及组分在动高压加载下的物理规律和破坏特征，以及强冲击载荷作用下材料失效与内部细观结构的变化规律；计及应变率效应、热效应与损伤演化规律的动态本构
关系、状态方程和材料数据库。 （二）钢筋混凝土结构的侵彻破坏机理。 强冲击载荷下钢筋混凝土结构动态破坏等的实验测试技术与表征方法；高速侵彻体对钢筋混凝土结构的深侵彻实验和侵彻机理，主要包括侵彻过程中钢筋混凝土结构的破坏过程和抗侵彻破坏能力以及侵彻体的结构响应、质量侵蚀等。 （三）强冲击载荷下结构力学行为的数值模拟方法与软件。 强冲击载荷下结构力学行为的三维高精度计算格式与多物质界面算法；高精度计算格式与界面算法的并行化策略与软件；软件的验证与确认。 三、资助期限5年（2014年1月至2018年12月） 四、资助经费1500万元 五、申请注意事项 1.申请人应当认真阅读本项目指南和通告，不符合项目指南和通告的申请项目不予受理。 2. 申请书的附注说明选择“强冲击载荷下钢筋混凝土的本构关系、破坏机理与数值方法”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理）。 3.本项目由数理科学部负责受理。
第29卷第3期2008年9月 固体力学学报 C H IN ESE J OU RNAL O F SOL I D M EC HAN ICS Vol.29No.3 September2008 强冲击荷载作用下混凝土材料动态本构模型3 刘海峰1,233 宁建国1 (1北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京,100081)(2宁夏大学土木与水利工程学院,银川,750021) 摘 要 基于混凝土强冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为流动法则,引入损伤,构造了一个塑性与损伤相耦合的动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性.在该模型中,考虑了引起混凝土材料弱化的两种不同的损伤机制:拉伸损伤和压缩损伤.其中,拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的,通过拉伸应变来控制;压缩损伤相关于微空洞体积分数比的演化,并通过微空洞塌陷引起的压缩应变来控制,由此压缩损伤和拉伸损伤就完全耦合了.通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,随着冲击速度的提高,混凝土的峰值应力显著增加,即混凝土材料的承载能力增大,同时混凝土内部产生显著的塑性变形.模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在强冲击荷载下的动态特性. 关键词 混凝土,轻气炮,冲击特性,动态本构模型 0 引言 混凝土是目前工业与民用建筑中最常用的结构工程材料,已经被广泛地应用于高层建筑物,长跨桥,大坝,水电站,隧道和码头等.这些混凝土结构在其工作过程中除了承受正常的设计载荷外,往往还要承受诸如爆炸,冲击和撞击等动载荷.为了更好地设计和分析这些混凝土结构,必须对混凝土材料在冲击载荷作用下的力学性能及其本构特性进行研究. 目前,人们对混凝土材料的动态力学性能已经有了比较深刻的认识和研究,对其动态本构特性也做了许多研究工作.Wat stein[1]利用落锤装置进行了混凝土材料的动态力学性能实验,由于落锤本身的惯性,所测得的实验结果很难确保是材料动态性能的真实反应;Bischoff[2]和胡时胜等[3]利用SHPB 压杆对混凝土的动态力学性能进行了实验研究;商霖等[4,5]利用SH PB压杆和轻气炮动力实验装置分别对混凝土材料和钢筋混凝土材料在冲击荷载作用下的力学性能进行了系统深入的研究.混凝土材料动态本构模型是研究其在爆炸或冲击荷载作用下损伤破坏机理,应力波的传播规律和衰减规律,结构破坏效应等的理论基础.基于对混凝土材料变形机理的分析,混凝土材料动态本构模型分为粘塑性本构模型[6,7]和损伤型本构模型[8,9],但由于缺乏对混凝土材料在冲击荷载作用下破坏机理的全面认识,因此至今仍未有一种大家普遍接受的本构模型.为了更好地描述冲击荷载作用下混凝土材料的动态响应特性,商霖等[4,5]在理想各向同性的粘弹性本构关系的基础上,引入损伤,分别建立混凝土材料和钢筋混凝土材料的动态本构模型,但没有将定义的损伤与材料的微观损伤机制联系起来;宁建国等[10]提出了一个塑性与损伤相耦合的动态本构模型,在该模型中,认为拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的;压缩损伤由微孔洞的塌陷引起,通过混凝土材料的塑性体应变控制,但并没有将这两种损伤有效的耦合起来. 本文基于损伤与塑性耦合理论,以修正的Otto sen四参数破坏准则为屈服法则,引入损伤,构造了一个动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性,利用该模型对混凝土材料在强冲击荷载作用下的冲击特性进行数值模拟,并将该模型的预测曲线与宁建国等[10]提出的本构模型的预测曲线及实验结果进行比较,结果表明:模型预示结果无论在变形趋势上,还是数值精度上都与实验结果符合得很好. 3 33国家自然科学基金项目(10625208,10572024)资助. 2007209225收到第1稿,2008204204收到修改稿. 通信作者. Tel:010*********, E2mail:liuhaifeng1557@https://www.doczj.com/doc/2b14216240.html,.
1 编号 南京航空航天大学 毕业论文 题目冲击载荷下油箱力学特性的有限元分析 二零一一年六月 学生姓名韩龙 学号010710508 学院航空宇航学院专业飞行器设计与工程班级0107105 指导教师郑世杰教授
南京航空航天大学 本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：冲击载荷下油箱力学特性的有限元分析）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 作者签名：韩龙2011 年6月1 日 （学号）：010710508
冲击载荷下油箱力学特性的有限元分析 摘要 自从人造高速飞行器飞机的出现，鸟类在空中的飞行与人类的活动产生了重叠。由于飞机飞行速度快，与飞鸟发生碰撞后常造成极大的破坏，严重时会造成飞机的坠毁。随着科技的发展，火箭、航天飞机以及高速铁路技术的发展，鸟撞事件的发生范围，发生频率逐渐增多。因此，对于鸟撞而引发的危害以及预防成为亟待研究的课题之一。应用有限元工程分析软件，模拟飞鸟撞击油箱的过程，计算出撞击油箱发生的破坏情况，包括油箱的变形，应力、应变分布等情况。熟练掌握有限元工程软件的建模，网格划分，模拟计算等各项操作。本人选取abaqus软件对油箱受到高速冲击载荷状态下的受力进行了有限元分析。应用abaqus计算出撞击油箱发生的破坏情况，包括油箱的变形，应力、应变分布等情况，希望能为实际的生产作出指导性建议，提高飞机飞行的安全条件，保证飞机油箱的强度结构。 关键词：冲击载荷，碰撞，飞机油箱，abaqus
多孔金属夹芯板在冲击载荷下的动态 力学行为研究1 敬霖 王志华 宋延泽 赵隆茂 （太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所 山西太原 030024） 摘 要：应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支多孔金属夹芯板的塑性动力响应。讨论了多孔金属夹芯板在冲击载荷作用下的破坏模式。结果表明夹芯板的破坏主要表现在前面板的压痕与侵彻失效，芯层压缩和芯层剪切破坏。基于实验研究，应用LS-DYNA 3D非线性动力学有限元分析软件对夹芯板动力响应进行了有限元分析。数值研究结果与实验结果吻合较好。考察了加载冲量、面板厚度、芯层厚度及相对密度对多孔金属夹芯板抗撞击性能的影响。夹芯板的结构响应对其结构配置比较敏感，增加面板厚度或芯层厚度能够明显地减小后面板的挠度，提高夹芯板的抗撞击能力。研究结果对多孔金属夹芯板的优化设计具有一定得参考价值。 关键词：多孔金属；夹芯板；冲击载荷；动态力学行为 中图分类号：O347 文献标识码：A 1.引言 多孔金属材料是以金属为骨架，包含贯通或非贯通的二维或三维空隙的非密实性（一般孔隙率大于90%）新型多功能材料。凭借其高比强度、高比刚度和较高的能量吸收能力等优越特性[1,2]，在航空航天飞行器、高速列车、汽车、舰船以及人体防护和军事防护工程中的缓冲装置、减震设施以及汽车保险杠等安全装置中有重要的应用。但因其强度不高，在很多应用领域受到限制[3]。多孔金属夹芯板是由复合材料或金属面板与和多孔金属芯层（格栅、金属泡沫和点阵材料等）构成的组合结构。这种结构既具有多孔金属材料独特的性能，同时解决其强度低的问题，引起了学术界和工程界的极大关注。许多学者对多孔金属夹芯板的力学性能开展了系统的研究，对夹芯板的冲击失效模式、能量耗散机理和结构拓扑优化设计的研究日益深入[4-7]。Qiu等[8]建立了固支夹芯圆板在冲击载荷下动力响应的解析模型，分析了夹芯板在撞击载荷下的变形历史，并应用有限元方法验证了分析模型的正确性。研究结果表明，芯层压缩强度和面板应变强化性对结构响应的影响不大。Xue等[9]理论和数值验证了芯层强度较高的夹芯板比等质量的实体板具有较高的承受均布脉冲载荷的能力。并通过系统的对比分析强调了夹芯结构的结构优势。在理论分析的基础上，Hutchinson等[10]利用三维有限元模型数值研究了夹芯板在爆炸载荷作用下的抗冲击性能，得到了夹芯板的最优拓扑构型。并阐述了由于流固耦合作用，夹芯板在抵抗水下爆炸时比等质量实体板具有本质的结构优势。Hanseen等[11]基于实验研究结果，应用有限元程序LS-DYNA对鸟撞泡沫铝夹芯板进行了分析。模拟中泡沫铝的本构模型选用了*MAT_DESHPANDE_FLECK_FOAM，铝板选用*MAT_DAMAGE_1本构模型。结果表明选用的本构模型能够很好地预测夹芯板的局部应变、局部失效及整体变形行为。大多数研究局限于理论分析和数值模拟，这主要是因为实验研究多孔金属夹芯结构在强冲击载荷作用下的动力学特性和失效机理主要采用爆炸加载获 1基金项目：国家自然科学基金资助项目（10572100、90716005、10802055），山西省自然科学基金资助项目（2007021005），山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划和山西省留学回国人员科研资助项目（2009-27） 作者简介：敬霖（1984 -）,男,博士研究生, E-mail: jinglin_426@https://www.doczj.com/doc/2b14216240.html, 通讯作者：王志华（1977-）,男，副教授,现主要从事多孔金属夹芯结构的动力响应研究, E-mail: wangzh623@https://www.doczj.com/doc/2b14216240.html,
管道受坠物冲击载荷作用的数值模拟基本方法 【摘要】管道受冲击载荷作用是复杂的非线性接触问题，本文介绍了可以进行非线性分析的有限元软件、离散元软件的概况和基本原理，以及运用它们对冲击载荷作用引起的管道动力响应过程进行数值模拟的基本方法。 【关键词】管道冲击非线性数值模拟 随着我国油气管道建设的进一步深入，石油天然气管道穿越复杂地质条件的工程实践越来越多，这些管道多沿山体坡脚埋设，可能要经过滑坡、泥石流等自然灾害高发地段，由于自然灾害所产生的高速坠落的石块容易冲击管道导致管道失效。同时，在日益发展的海洋石油开采中，海底石油管道也容易在其安装与油气输送过程中，与锚泊作业以及货物运输等人类活动造成坠的落物体发生碰撞，造成管道损伤。因此，对管道受坠物冲击作用引起管线变形的规律和破坏机理进行深入研究具有重要意义。本文将以有限元方法为基础，介绍管道受坠物冲击载荷作用的数值模拟基本方法。 管道受坠物冲击载荷作用是管道-土体组成的体系在冲击荷载下的整体动力响应。无论是从静力学还是动力学的角度来分析结构的受力状态，管道与土体的相互作用都是不可忽略的，只有把管道与地基作为相互作用又相互制约的整体分析，才能得到比较符合实际的计算结果。随着数值非线性分析成为解决岩土工程问题的重要手段，有限元、离散元等方法在管土相互作用分析中也发挥着越来越大的作用，基于这些理论的数值模拟软件也得到了极大的发展。 1 非线性数值模拟软件 1.1 ANSYS/ABAQUS ANSYS是一种大型通用有限元分析软件，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定合适的形函数，然后附上求解这个域总的满足条件，如结构的平衡条件、边界条件等，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，随着形函数精度的提高，有限元方法可以得到相对很高的计算精度高，而且能适应各种复杂形状，这样实际问题被较简单的问题所代替，有限元成为行之有效的工程分析手段。ANSYS主要分析类型包括：结构静力分析，结构动力学分析，结构非线性分析等。 ABAQUS同样也是一款功能强大的，以有限元理论为基础的工程模拟软件。与ANSYS相比，ABAQUS软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势，其非线性涵盖材料非线性、几何非线性和状态非线性等多个方面，而且采用了人机
中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008年 第38卷 第6期: 759 ~ 772 https://www.doczj.com/doc/2b14216240.html, https://www.doczj.com/doc/2b14216240.html, 759 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 强冲击荷载作用下混凝土材料动态力学 特性及本构模型 宁建国①*, 刘海峰①②, 商霖① ① 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081; ② 宁夏大学土木与水利工程学院, 宁夏 750021 * E-mail: jgning@https://www.doczj.com/doc/2b14216240.html, 收稿日期: 2007-12-11; 接受日期: 2008-03-26 国家自然科学基金资助项目(批准号: 10625208) 摘要 基于连续损伤力学理论、统计细观理论和Perzyna 黏塑性本构方程, 构造了一个塑性与损伤相耦合的本构模型来描述混凝土材料在强冲击载荷 作用下的应力-应变响应特性. 在该模型中假设: 1) 宏观上混凝土材料是一 个均匀连续体, 而从细观分析其内部则包含了大量随机分布的微裂纹和微空 洞等损伤缺陷; 2) 混凝土材料的损伤演化是由其内部拉伸应力作用下微裂纹 扩展的累积而引起的, 导致了材料强度和刚度的弱化; 3) 随着微空洞的塌陷, 混凝土材料内部产生了不可恢复的塑性变形, 体积模量也相应增加, 将这一 过程看作是微空洞损伤的演化发展; 4) 微裂纹和微空洞损伤之间不发生相互 作用; 5) 当裂纹扩展累积到一定程度时, 混凝土材料发生粉碎性破坏. 利用 实验结果确定模型所需参数, 并将利用该模型得到的模拟曲线与实验测试曲 线进行比较, 结果表明两者较一致. 关键词 混凝土材料 冲击特性 损伤演化 本构模型 混凝土是目前工业与民用建筑中最常用的结构工程材料, 已经被广泛地应用于高层建筑 物、长跨桥、大坝、水电站、隧道、码头等. 这些混凝土结构在其工作过程中除了承受正常的 设计载荷外, 往往还要承受诸如爆炸、冲击和撞击等动载荷. 为了更好地设计和分析这些混凝 土结构, 必须对混凝土材料在冲击载荷作用下的力学性能及其本构特性进行研究. 目前, 人们对混凝土材料的动态力学性能已经有了比较深刻的认识和研究, 对其动态本 构特性也做了许多研究工作. Watstein [1]利用落锤装置进行了混凝土材料的动态力学性能实验, 由于落锤本身的惯性, 所测得的实验结果很难确保是材料动态性能的真实反应; Bischoff 等人[2] 和胡时胜等人[3]利用SHPB 压杆对混凝土的动态力学性能进行了实验研究; Ning 等人[4~7]利用 SHPB 压杆分别对混凝土材料和钢筋混凝土材料在冲击荷载作用下的力学性能进行了系统、深
冲击强度 一．基本概念 定义：金属材料、机械零件和构件抗冲击破坏的能力。在很短时间内以较高速度作用于零件上的载荷，称冲击载荷。由冲击载荷作用而产生的应力称冲击应力。由于冲击时间极短，加上物体接触变形等因素影响，冲击强度计算不易准确。 性质： （1）冲击强度用于评价材料的抗冲击能力或判断材料的脆性和韧性程度，因此冲击强度也称冲击韧性。 （2）冲击强度是试样在冲击破坏过程中所吸收的能量与原始横截面积之比。 分类： 冲击强度根据试验设备不同可分为简支梁冲击强度、悬臂梁冲击强度. 冲击强度的测量标准主要有ISO国际标准（GB参照ISO）及美国材料ASTM标准，GB 为1943-2007为最新标准，ASTM 标准为D-256标准，具体区分如下： GB: 是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（J），其单位为MJ/m2。 ASTM:它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力,单位宽度所消耗的功，单位为J/m。设备区分： 悬臂梁冲击方向中间有撞针，简支梁冲击方向垂直面有凹块，正面形状为一凹形摆锤。 (6)缺口区分： 缺口一般分为四种，有V型口和U型口两种，每种根据简短圆弧半径又分为两种。(7)样条区分： GB：一般为80*10mm 样条以及63.5*10mm 样条缺口为2mm，也有63.8*12.7mm样条 ATSM:一般为63.5*12.7mm 缺口剩余宽度为10.16mm （国内有用80*10样条） (8)测试公式： GB:a=W / (h*d) 单位KJ/m ATSM: a= W /d 单位：J/m a:冲击强度W :冲击损失能量h：缺口剩余宽度d：样条厚度 因此，GB与ASTM之间不可以等同测量，但从测量公式可总结经验公式：GB数值*10.16或8（错误样条）=ASTM数值，也可以由实际测量来总结比值。 二．常规计算 冲击载荷在零件中产生的冲击应力除与零件的形状、体积和局部弹塑性变形等有关外，还同与其相连接的物体有关。如与零件相连接的物体是绝对刚体，则冲击能全部为该零件所承受；如与零件相连接的物体刚度为某一值,则冲击能为整个体系所承担,该零件只承受冲击能的一部分。此外,冲击应力的大小,还取决于冲击能量的大小。因此，冲击载荷作用下的强度计算，比静载荷作用下的强度计算复杂得多。在设计承受冲击载荷的零件时，须引入一个动载系数（见载荷系数）后按静强度设计。动载系数也可用振动理论中求响应的方法确定。 研究零件冲击强度时，要考虑材料在冲击载荷下机械性能的改变和对零件冲击效应的大小。对于结构钢来说，当应变速率在10-6～10-21/秒时，钢的机械性能无明显变化。但在更高的应变速率下，结构钢的强度极限和屈服极限随冲击速度的增大而提高。且屈服极限比强度极限提高得更快。因此把冲击载荷当作静载荷来处理对于一般结构钢来说是偏于安全的。另一方面，冲击载荷对材料缺口的敏感性比静载荷对材料缺口的敏感性大。这时把冲击载荷当作静载荷来处理，就必须提高安全系数。 三．冲击波
冲击载荷作用下接触结构的仿真分析 李晓松史治宇许鑫 (南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 , 南京 , 210016 摘要 :实际工程中的非线性力学问题往往得不到精确的解析解 , 通常是用商业有限元软件来建模和数值仿真。基于 A BAQ U S 求解非线性接触结构在冲击载荷作用下的力学特性 , 首先介绍了一种结构在受冲击载荷作用下求解力学响应的显式积分方法 ; 然后用三维实体单元对结构进行有限元建模 , 并对模型中所涉及到的超弹性材料与脆性材料力学特性进行了研究 ; 最后通过仿真计算 , 给出了所有部件的应力、应变结果 , 并对玻璃的脆性破坏过程作了演示。 关键词 :A BA QU S ; 冲击载荷 ; 显式积分 ; 超弹性 ; 脆性 引言 现代工业设计中已越来越多地关注结构的瞬态动力学问题 , 如汽车中的门和缓冲器承受冲击载荷、移动电话、笔记本电脑承受撞击以及颠簸的办公设备等均属于瞬态冲击问题。实际工程中 , 冲击载荷作用下往往会伴随着出现结构的接触、大变形等非线性条件 , 这类非线性问题很难通过现有的理论推导求出其精确解 , 因而科研人员往往通过商用有限元软件来模拟分析这类问题。本文通过商用有限元软件 ABAQUS 来模拟计算某一接触结构在冲击载荷作用下的力学响应 , 同时对结构中橡胶材料的超弹性特性及玻璃材料的脆性特性做了简单研究说明。 1理论分析 冲击问题是众多动力学问题中的一种 [1], 首先采用有限元法得到结构的离散化运动方程 : [M ]{u b }+[C ]{u a }+[K ]{u }={f }(1 [M ]、 [C ]和 [K ]分别是结构的质量、阻尼和刚度矩阵 , {u b }、 {u a }和 {u }分别是加速度、速度和位移矢量 , {f }为载荷矢量 , 在冲击 -接触问题中 , 刚度矩阵 [K ]是随着接触状态的不同而不断变化的。
第一章机械零件失效形式及其抗力指标 第2节零件在静载和冲击载荷下的断裂第3讲断裂韧性
一断裂韧性及其指标 1 传统抗断裂设计遇到的挑战！对于特定构件和材料，高的安全系数不一定安全！ 近代多起重大工程事故表明什么原因？ 实际使用的材料存在缺陷/微裂纹受到外力，裂纹尖端产生应力集中
研究零构件裂纹存在时应力状态以及对断裂的影响 断裂力学的主要 内容 σmax > σ 应力集中导致裂纹尖端的应力远高于外加应力
（1）裂纹尖端应力场强度因子（K I ） 2 脆性断裂的判据 K I : 称为应力场强度因子，反映裂纹尖端应力场强度大小的参数。 a Y K I ?=σσ是外加应力，a 是裂纹半长，Y 是零件中裂纹的几何形状因子 3=σ)(213σσνσ+=) 2 sin 1(2 cos 211θ θ πσ+= r K ) 2 sin 1(2 cos 21 2θ θ πσ?= r K （平面应力） （平面应变） 裂纹尖端 r θ 裂纹 P 对于裂纹尖端附近任一点P,应力参数计算如下 如果P 点的位置确定，决定P 点应力值大小的只有参数K I ，计算公式如下： 张开型裂纹（I 型裂纹）工程上最危险的裂纹
应力场强度因子存在一个临界值，当外力作用下裂纹尖端的应力场强度因子K 大于这个临界值时，构件发生脆性断裂。 这个临界值称为断裂韧度，记为K IC ，衡量材料断裂韧性的指标。 a Y K I ?=σ裂纹尖端 r θ 裂纹 P 裂纹尖端应力场强度因子K I ,反映裂纹尖端应力场强弱程度 对于给定形状的零件，形状因子Y 确定，裂纹尖端某一确定位置的应力场强度因子取决于外加应力值和裂纹长度。 裂纹在外力作用下不断扩展，外力恒定，但是裂纹长度增加，裂纹尖端应力场强度因子增加。显然，裂纹尖端应力场强度因子不能无限增加。