加筋板穿透数值仿真中网格尺寸对失效应变的影响分析研究

运用数值仿真分析碰撞过程时,基于最大等效塑性应变失效准则确定的材料失效应变取值与网格尺寸具有明显的依赖关系,因此,研究碰撞载荷下加筋板网格尺寸对失效应变取值的影响对于评估加筋板架的耐撞性及开展耐撞性结构设计具有重要意义。文中基于LS-DYNA非线性有限元分析软件对光板及加筋板穿透过程分别进行仿真分析,以国外学者相应准静态穿透试验的结果为参照,探讨了加筋板与光板的有限元网格尺寸和失效应变之间的关系,同时对是否有必要考虑骨材与板壳之间的焊缝进行了探究。研究表明:加筋板与光板的失效应变取值存在明显的差异,确定加筋板材料失效应变取值时,应优先参考适用于加筋板网格尺寸与失效应变取值的关系曲线;在决定是否考虑加筋板结构中的焊缝时需要结合网格尺寸与焊缝等效单元的相对大小进行判断。     

船舶碰撞仿真分析中的单元尺寸与失效应变关系研究

随着船舶向大型化发展势头迅猛,船舶碰撞所带来的灾难性后果也显著增大.为评估船舶结构的耐撞能力,国内外研究人员分别从试验和数值模拟2个方面开展研究工作.针对船舶碰撞场景的仿真模拟中,经常采用常应变失效准则来定义单元是否失效.然而失效应变取值强烈依赖于单元尺寸大小,因此,开展失效应变与单元网格尺寸关系研究对船舶结构的耐撞性能准确评估意义重大.本文通过对光板及加筋板的耐撞性能的试验研究,并应用非线性有限元软件LS-DYNA对试验结果进行仿真模拟,探讨了光板及加筋板的单元尺寸和失效应变之间的关系.结果表明:光板和加筋板的单元尺寸与失效应变关系曲线明显不同,因此采用常应变失效准则时应区别对待,不能混用.研究结论对船舶结构碰撞有限元仿真具有一定的指导意义.     

船舶碰撞仿真分析中的单元尺寸与失效应变关系研究

随着船舶向大型化发展势头迅猛,船舶碰撞所带来的灾难性后果也显著增大。为评估船舶结构的耐撞能力,国内外研究人员分别从试验和数值模拟2个方面开展研究工作。针对船舶碰撞场景的仿真模拟中,经常采用常应变失效准则来定义单元是否失效。然而失效应变取值强烈依赖于单元尺寸大小,因此,开展失效应变与单元网格尺寸关系研究对船舶结构的耐撞性能准确评估意义重大。本文通过对光板及加筋板的耐撞性能的试验研究,并应用非线性有限元软件LS-DYNA对试验结果进行仿真模拟,探讨了光板及加筋板的单元尺寸和失效应变之间的关系。结果表明:光板和加筋板的单元尺寸与失效应变关系曲线明显不同,因此采用常应变失效准则时应区别对待,不能混用。研究结论对船舶结构碰撞有限元仿真具有一定的指导意义。     

侵彻数值仿真中网格密度对单元失效应变影响分析北大核心CSCD

[目的]旨在解决数值模拟平头弹对金属板的侵彻问题中,网格尺寸对单元失效应变取值和弹体剩余速度的影响。[方法]应用有限元软件LS-DYNA对Q235钢材料单轴拉伸实验进行数值仿真,结合实验中试样断裂时的伸长量得到该网格密度下的单元失效应变,绘制出失效应变随网格密度变化的曲线并进行动态修正;然后,进行平头弹侵彻Q235钢板的数值仿真,并对靶板进行不同尺寸的网格划分。其中Q235钢材料的单元失效应变按修正曲线取值,将弹体的剩余速度与实验结果对比,分析数值仿真中网格密度对金属板抗侵彻问题仿真结果的影响。[结果]研究表明,数值仿真中选取的单元失效应变应随网格密度的增大而增加,在金属板的抗侵彻问题中随着网格密度的增大,对弹体剩余速度预报的仿真结果逐渐收敛并与实验结果相近。当网格尺寸为0.5 mm时,研究速度段内数值仿真与实验拟合曲线的平均相对误差最小,为5.13%;仿真与实验的误差在低速段更大,且低速度段弹体剩余速度对网格密度更加敏感。[结论]相关计算方法及研究结果对弹体侵彻问题中网格密度和材料失效应变的取值及变化规律具有一定参考价值。     

移除单元法中单元失效应变的确定

针对移除单元法数值模拟裂纹板拉伸断裂的过程,研究单元失效应变的选取方法及影响因素。采用MSC.Dytran有限元软件进行数值计算,分别以试验获得的载荷极值、最大伸长量和能量为依据,分析网格尺寸对单元失效应变的影响,讨论3种准则的失效应变计算结果与试验间的误差。结果表明：能量准则的失效应变综合考虑了裂纹板拉伸过程中载荷与位移这两个因素,计算结果能较好地反映裂纹板的力学特性;最大伸长量准则的失效应变计算载荷极值略高于试验值,适用于优先考虑裂纹板伸长位移的数值计算;载荷极值准则的失效应变计算结果偏差较大,难以全面反映裂纹板拉伸断裂的力学特性。结果显示,移除单元法适于模拟大型结构物的破坏过程。     

撞击船艏刚度对船体结构碰撞性能影响

  目的  基于非线性有限元方法的船体结构碰撞数值仿真分析,其计算精度受到材料本构关系与失效定义、接触定义和单元网格尺寸等仿真控制参数的影响,且相关参数定义还需经过模型试验校准。为了充分模拟实船舷侧板架结构受到碰撞冲击时主要吸能构件的响应特点,使数值仿真模型试验校准充分有效,  方法  采用接近实船的结构构件尺寸和高强度低合金钢材料设计制造模型结构,开展舷侧板架结构落锤冲击试验。通过试验记录,分析在碰撞冲击载荷作用下结构损伤变形的机理和模式。在此基础上,对碰撞冲击后的舷侧板架结构损伤变形进行数值仿真分析,并对有限元仿真结果与模型试验结果进行对比。  结果  结果表明：数值仿真得到的板架结构损伤变形模式与模型试验结果较为一致,较好地模拟了外板的撕裂破坏、膜拉伸变形和骨材断裂以及失稳;冲击加速度曲线也与试验有较好的一致性。  结论  研究结果可为水面舰船结构碰撞仿真及解析计算方法提供验证依据。     

数值仿真中单元密度对材料失效应变的影响

对普通船用低碳钢拉伸实验进行数值校准计算,确定用于数值仿真计算中的材料最大失效应变参数。通过改变有限元网格大小,确定不同网格密度对应的材料失效应变与工程断裂应变的关系,绘制了数值计算中材料失效应变的修正系数α曲线。     

斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析

[目的]为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响,对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。[方法]通过建立有限元模型,开展层合板冲击后的压缩仿真分析,采用Fortran语言编写用户自定义材料子程序（VUMAT）,实现改进的Hashin失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict中的应用;从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比,验证所建立数值模型的有效性。[结果]结果显示,冲击损伤会降低层合板的压缩强度,无损层合板的压缩失效模式为端部破坏,冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏;冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低,但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系;层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关,压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前,层合板的损伤几乎没有发生拓展,一旦压缩载荷达到阈值,损伤将沿宽度方向迅速拓展,最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。[结论]所做研究可为斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的抗冲击性能评估提供参考。     

边界尺寸对爆炸冲击载荷作用下薄板响应影响仿真研究

舰船舱室在遭遇反舰武器攻击时会受到高强度冲击波载荷对舷侧板的毁伤作用。对不同边界尺寸下的薄板在爆炸冲击载荷作用下的挠度变化的时间历程响应进行理论分析和数值模拟。根据板的弹塑性变形理论,通过能量法建立修正后的薄板在爆炸冲击载荷作用过程中的动态响应方程,并通过数值模拟建模仿真计算与理论计算值及试验值对比,验证在不同边界尺寸下该理论计算方法有较好的可靠性及精确度。     

失效准则在船舶碰撞破坏中的应用研究

船舶结构冲击破坏一直都是学者们研究的重点,而碰撞破坏是船舶结构在生命周期内最有可能遭受的冲击破坏形式。因为船舶惯性质量大,在很低的速度下,碰撞也会造成船舶损毁的严重后果。作为判定结构是否失效的关键依据,失效准则对碰撞仿真分析结果的准确性有着至关重要的影响。本文针对典型的船体双层壳结构,结合试验数据,对比尖刀型撞头碰撞仿真下双层壳结构的塑性变形,对碰撞有限元模型及材料本构参数进行验证。在此基础之上重点研究GL、RTCL和JC工程上3种常用金属延性失效准则在碰撞破坏仿真分析中的应用。结果显示:板壳结构在碰撞载荷下,撞击中心的应力三轴度在0.3~0.6之间,考虑应力三轴度的RTCL和JC失效准则更能真实反应板的撞击破坏。而船舶碰撞多属于低速碰撞,应变率效应影响较小。     

含初始裂纹铝合金板在反复冲击载荷下的动态响应

[目的]为研究含初始裂纹铝合金板在反复冲击载荷作用下的动态响应影响,[方法]通过开展铝合金板的反复冲击试验和有限元仿真研究,分析在反复冲击载荷下铝合金板的动态响应特性,比较完整铝合金板和含初始裂纹铝合金板在反复冲击载荷作用下的冲击力和破坏模式。[结果]试验结果与仿真计算取得较好的吻合。结果表明,在反复冲击载荷作用下,铝合金板对初始裂纹较为敏感;初始裂纹会降低铝合金板的承载能力,使得冲击力减小,反复冲击直至失效的冲击次数减小;含初始裂纹铝合金板的破坏模式也会受到影响。[结论]研究结果可对铝合金船体外板的结构强度计算和评估提供一定的依据和参考。     

遭受沉底爆炸载荷作用下的圆柱结构冲击损伤计算

论述了圆柱结构对水下爆炸的冲击损伤计算方法与数值模拟算法。简要介绍了试验工况、计算模型、计算条件等,对沉底状态下圆柱结构遭受沉底水下爆炸作用下的实际损伤与仿真结果进行了对比,研究了冲击毁伤与载荷强度、炸药之间的关系,并应用圆柱壳屈曲理论讨论计算圆柱结构冲击响应的方法,提出了应用表面平均总压力来表征爆炸载荷强度,为今后的潜艇结构抗冲击试验方案设计提供参考。     

穿甲弹侵彻靶板数值模拟研究

基于Johnson-cook材料屈服模型描述材料本构关系,引入材料失效参数与单元删除技术,运用ABAQUS建立穿甲弹侵彻目标靶板的三维数值模型,研究探讨穿甲弹对靶板结构的毁伤机理及弹体碰撞冲击作用下靶板结构的损伤模式和动响应特性。分析结果表明：单元失效删除技术适用于处理侵彻冲击等大变形问题,穿甲弹侵彻靶板是典型的冲塞破坏,数值模拟的弹体剩余速度与参考文献结果吻合较好,充分验证了文中所建立的数值模型在预测侵彻过程中的动力响应及损伤的合理准确性。该研究方法与结论可为进一步研究物体碰撞时的侵彻和材料失效问题提供依据,也为穿甲弹结构优化设计及舰船结构装甲防护设计提供参考。     

舰船舱内空爆数值仿真方法研究

利用 Ansys/LS-DYNA 动力分析软件模拟大型水面舰船在舱室内部爆炸情况下船体结构的加速度响应情况。炸药及空气采用欧拉网格,船体结构采用拉格朗日网格,计算采用多物质ALE算法。数值模拟中对爆炸环境进行简化,以附连水质量代替水线面下方水介质对船体结构的影响。将不同尺寸网格计算出的冲击波载荷曲线与经典经验公式对比,得到数值仿真的合理网格尺寸。采用简化模型讨论2种边界约束条件对各层平台加速度峰值响应的影响,得到较为合适的约束条件。计算得到沿船长方向船体结构加速度分布并与实验结果相比较,数值仿真计算得到的加速度峰值与实验数据较为吻合,表明仿真中对于空爆载荷及约束条件等冲击环境的模拟合理。     

舰船舱内空爆数值仿真方法研究

利用Ansys/LS-DYNA动力分析软件模拟大型水面舰船在舱室内部爆炸情况下船体结构的加速度响应情况。炸药及空气采用欧拉网格,船体结构采用拉格朗日网格,计算采用多物质ALE算法。数值模拟中对爆炸环境进行简化,以附连水质量代替水线面下方水介质对船体结构的影响。将不同尺寸网格计算出的冲击波载荷曲线与经典经验公式对比,得到数值仿真的合理网格尺寸。采用简化模型讨论2种边界约束条件对各层平台加速度峰值响应的影响,得到较为合适的约束条件。计算得到沿船长方向船体结构加速度分布并与实验结果相比较,数值仿真计算得到的加速度峰值与实验数据较为吻合,表明仿真中对于空爆载荷及约束条件等冲击环境的模拟合理。     

海洋工程结构钢的腐蚀疲劳数值模拟方法

基于多物理场耦合软件COMSOLMultiphysics和MATLAB的联合仿真，先建立海洋工程结构钢试件模型，再利用电化学、变形网格、固体力学和疲劳等模块构建了试件在不同温度人工海水中的腐蚀疲劳仿真模型，研究腐蚀与载荷之间的相互作用关系。结果表明：建立的数值模型能较好地模拟结构钢试件的活性溶解过程，腐蚀规律符合极化曲线参数，在人工海水溶液中，随着温度上升，试件腐蚀速率逐渐上升。在20℃人工海水中，试件5年的平均腐蚀厚度为399.4μm，而当温度上升至30℃时，试件5年的平均腐蚀厚度达490.7μm。载荷与腐蚀的耦合作用会加速试件腐蚀，一定范围内，试件所受载荷越大，则腐蚀速率越大。在20℃人工海水溶液下，试件在12.0 kN轴向拉伸载荷的作用下，5年的平均腐蚀厚度从399.4μm加速至416.3μm，试件的疲劳寿命也随着腐蚀程度的加深而不断减小。     

CCS-B船用钢的动态力学性能探究

采用分离式Hopkinson压杆实验设备,对CCS-B船用钢试件进行了3种不同冲击压力作用下的冲击试验,通过自编程序,得到入射波、反射波和透射波的起点,由三波法计算得到了不同应变率下材料的动态力学性能曲线。通过与材料的静态力学比较分析,表明CCS-B船用钢在中高速冲击载荷作用下,其屈服强度具有应变率敏感性;比较了不同冲击速度下材料的动态力学性能,结果表明材料力学性能与高应变率具有相关性,即材料的屈服强度随应变率的增加而增大。     

联合载荷作用下撑杆结构极限强度研究

超大型浮体结构在复杂海洋环境下承受多轴载荷共同作用,使得刚度较弱的撑杆结构极易发生破坏,从而影响整个浮体的安全和可靠性。文章以超大型浮体撑杆结构为研究对象,基于模型相似理论,进行了压扭联合载荷作用下撑杆结构极限强度试验模型设计,并开展模型试验研究。通过数值仿真方法与试验结果的对比分析,验证了数值仿真方法的正确性,并据此开展实尺度撑杆结构在不同扭转载荷作用下的压缩极限强度数值仿真计算,给出了压扭联合载荷作用下撑杆结构极限承载能力计算简化公式,为撑杆结构设计提供支撑。     

移动线载荷板局部非线性响应的网格重划分数值方法

在船舶建造中,常涉及板的焊接、线加热、局部滚压成型等加工方式。该加工方式中的载荷作用区域相对于板的尺度较窄且具有高度的非线性特征,同时载荷稳定移动。把握加工参数与响应的关系在加工过程中很重要。由于载荷移动导致板局部非线性响应的特性不断随之变化,故其相应的计算非常复杂。常规的数值方法是主要采用的手段,但由于该方法在载荷全局作用区域上需预先将网格细密划分,导致计算效率低下。如果考虑到在该加工方式中载荷作用区域之外的大部分区域处于弱非线性或线弹性状态,在数值模拟中将载荷当前作用区域的单元划分细密,远离载荷作用区域划分得相对较粗疏,同时载荷移动时细密网格随着载荷一起移动,即采用网格重划分数值方法来分析上述问题就能节省大量计算时间。针对该方法,重点探究细密网格尺寸以及网格重划分频度对数值计算的影响及其与计算效率和精度的关系,并以板局部滚压成型加工为例进行数值计算。结果表明,该方法可作为移动载荷作用下板局部非线性响应的一种高效的计算手段。     

一种结构垂向冲击载荷测量方法分析研究

某些作用在舰船结构上的瞬态动载荷,由于受到客观条件限制（比如空间狭小）,不方便直接通过压力传感器获得其大小,而该载荷对于船体结构设计又关系重大,如何取得外载荷曲线便成了十分关键的问题。针对实船某承受特殊冲击载荷的基座结构,通过测量其结构动应变,利用材料应变-应力关系曲线得出了冲击载荷的时间历程曲线,最后用有限元法对该冲击载荷测量曲线进行验证。结果表明,当结构应变率小于3mm/mm/s时,可采用静态材料应变-应力关系曲线对结构冲击载荷进行测量计算,从而为此类结构外载荷测量方法提供参考。