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结构损伤与断裂力学分析CAE软件发展现状

计算力学学报 2024年

作者：任天宇韩非张玲孙云厚梅勇张鏖工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系大连理工大学军事科学院国防工程研究院

损伤与断裂是导致结构失效的主要原因，对工程安全有着重大影响，其中裂纹扩展问题也是目前亟需解决的基础性科学难题。本文以文献综述方式介绍了能够模拟损伤与断裂的相关理论基础，如断裂力学模型、损伤演化模型以及数值计算方法，如... 详细信息

损伤与断裂是导致结构失效的主要原因，对工程安全有着重大影响，其中裂纹扩展问题也是目前亟需解决的基础性科学难题。本文以文献综述方式介绍了能够模拟损伤与断裂的相关理论基础，如断裂力学模型、损伤演化模型以及数值计算方法，如有限元法、边界元法和近场动力学理论等。本文在此基础上，对常用的结构损伤与断裂分析CAE软件进行了综述，包括通用有限元程序，如ABAQUS自带的损伤与断裂分析模块，和专用的断裂分析软件、损伤容限工具以及疲劳寿命分析工具等。还讨论了部分自主的CAE软件的发展现状。最后，本文分析了用于损伤与断裂模拟的CAE软件所面临的一些挑战，并展望了国产CAE软件未来的发展方向。

关键词：结构损伤断裂分析 CAE软件裂纹扩展有限元近场动力学

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螺纹结构精确有限元建模及有效性分析

工程科学与技术 2022年第3期54卷 220-229页

作者：李九一周丰峻张鏖孙云厚雷志刚朱精忠中国人民解放军军事科学院国防工程研究院北京100850 公安部特勤局北京100850

由于螺纹复杂的几何结构,在对螺纹部件进行有限元分析时,螺纹部件的内外螺纹面往往难以啮合,常造成螺纹结构有限元建模困难、模型数值计算收敛性差等问题。本文基于垂直于螺纹轴线的任意横截面几何形状相同的事实,选取国际标准化组织(In... 详细信息

由于螺纹复杂的几何结构,在对螺纹部件进行有限元分析时,螺纹部件的内外螺纹面往往难以啮合,常造成螺纹结构有限元建模困难、模型数值计算收敛性差等问题。本文基于垂直于螺纹轴线的任意横截面几何形状相同的事实,选取国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)制定的标准螺旋线公式,采用3维8节点单元,精确建立了螺纹连接件有限元模型。该模型不仅考虑了螺纹螺旋升角对模型的影响,且模型中组成每个节距的单元层排列整齐,每层单元上的节点编号分布有序,内外螺纹面上的节点相互贴近。这些特质使得模型能够准确映射工程中螺纹连接结构的力学特性,优化模型数值计算收敛性,便于对模型数值计算结果开展力学剖面分析。为验证本文螺纹连接结构有限元建模方案的有效性,首先,在理论分析方面对螺纹连接结构中拧紧转角与轴向力的关系和螺纹连接结构中轴向力的分布进行了计算推导,并以M12标准螺栓为例,计算其轴向力分布。然后,通过数值模拟的方法先后验证了该螺纹连接结构拧紧转角和轴向力关系与理论分析结果的一致性、M12螺栓的轴向力分布与理论计算结果的一致性、螺纹齿根处应力集中系数状态与实验结果的一致性,以及应力分布和塑性应变分布与实际工程测量的一致性。基于螺纹连接结构有限元模型生成的方案开发了一款螺栓螺母有限元参数化建模软件,软件可根据输入的螺纹直径、节距数量等参数快捷地查看和生成不同型号的螺栓螺母3维有限元模型;在工程分析和优化设计中,使用该软件既避免了设计人员繁琐的重复劳动,又提高了设计精度和工作效率,能更好地满足实际工程需要。

关键词：螺纹连接件有限元法参数化建模有效性分析

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空中点源爆炸波阵面参数的误差控制求解方法

兵器装备工程学报 2023年第9期44卷 272-277页

作者：张鏖李锋孙云厚苏荣华军事科学院国防工程研究院北京100850

球对称装药强爆炸自模拟解常被用于给出空中爆炸的初始波阵面参数,参数的精度影响后续工程及装备抗冲击毁伤评估的可靠性。为提高空中点源爆炸波阵面参数的计算精度,引入自适应步长的Runge-Kutta法替代之前常被采用的固定步长四阶Runge-... 详细信息

球对称装药强爆炸自模拟解常被用于给出空中爆炸的初始波阵面参数,参数的精度影响后续工程及装备抗冲击毁伤评估的可靠性。为提高空中点源爆炸波阵面参数的计算精度,引入自适应步长的Runge-Kutta法替代之前常被采用的固定步长四阶Runge-Kutta法,将空中强爆炸自模拟的求解精度提升到五阶,实现了计算精度人为调控。用Matlab工具对改进的算法进行数值实现,对空气中球面对称装药强爆炸自模拟过程进行求解。对比原有算法、改进算法和参考值认为改进的算法能够在保证一定效率的前提下控制计算误差在指定范围内。本研究可为空中爆炸荷载的高精度求解提供理论基础与数据支撑。

关键词：球对称装药自模拟误差控制自适应步长Runge-Kutta法

爆炸冲击波超压加载伪随机网壳的分布规律研究

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振动与冲击 2020年第9期39卷 1-8页

作者：夏明周丰峻卢芳云张鏖郑磊孙云厚王晓东军事科学院国防工程研究院北京100850 国防科技大学文理学院长沙410073

采用缩比模型爆炸试验与数值仿真相结合的方法,开展了爆炸冲击波超压加载伪随机网壳的分布规律研究。首先,选取具有代表性的某伪随机140面体网壳结构,开展了缩比模型爆炸试验,获得了表面特征测点的冲击波超压数据;之后,对比分析了试验... 详细信息

采用缩比模型爆炸试验与数值仿真相结合的方法,开展了爆炸冲击波超压加载伪随机网壳的分布规律研究。首先,选取具有代表性的某伪随机140面体网壳结构,开展了缩比模型爆炸试验,获得了表面特征测点的冲击波超压数据;之后,对比分析了试验与仿真结果的误差及原因,以试验数据为基础,建立了爆炸冲击波与某伪随机140面体网壳结构相互作用的数值仿真模型,并对空中爆炸和地面爆炸的3种不同距离共6种工况下,网壳结构的特征表面超压作用过程进行了计算和分析,拓展了试验结果;最后,对伪随机网壳表面冲击波超压分布规律进行了研究,并提出了增强网壳结构安全性的防护措施,为伪随机网壳结构抗冲击安全设计提供了参考。结果表明:与传统对称网壳结构相比,伪随机网壳在超压峰值分布规律和作用机制等方面都更为复杂,受到结构伪随机特性的影响,在相似位置表面,超压峰值也有明显差异;网壳迎爆面底部和中部超压峰值与其他部位相比,一般较高;在网壳外一定距离构筑防爆墙和加固网壳中部及底部节点的方法,可提升伪随机网壳结构的抗冲击安全性。

关键词：爆炸冲击波超压缩比模型伪随机网壳结构数值仿真

真实空气中TNT装药爆炸近区冲击波传播特性研究

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中国工程科学 2017年第6期19卷 18-26页

作者：周丰峻郑磊孙云厚张鏖夏明中国人民解放军军事科学院国防工程研究院中国人民解放军92611部队

本文基于点源爆炸理论,建立了面源、线源和点源TNT装药强爆炸解,填补了面源与线源强爆炸解的空白;采用真实空气状态方程进行分析计算,研究了真实空气条件下球形TNT装药爆炸近区冲击波的传播特性。通过算例分析,计算结果与已有文献资料... 详细信息

本文基于点源爆炸理论,建立了面源、线源和点源TNT装药强爆炸解,填补了面源与线源强爆炸解的空白;采用真实空气状态方程进行分析计算,研究了真实空气条件下球形TNT装药爆炸近区冲击波的传播特性。通过算例分析,计算结果与已有文献资料数据吻合较好。本文的研究成果对爆炸力学和防护工程研究起到了重要的参考作用。

关键词： TNT装药爆炸真实空气状态方程面源装药线源装药点源装药抗爆防护

爆炸荷载作用下卸荷孔效应理论分析与数值模拟

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岩土力学 2011年第S1期32卷 669-673页

作者：崔传安孙云厚李永涛李大鹏王子甲解放军理工大学工程兵工程学院南京210007

坑道工程在战争中具有十分重要的作用,但又容易遭受炮弹打击。为增加坑道口部的防护能力,利用波的基本理论和耗能原理,分析了波在岩石和空气介质间界面的反射、透射等传播特性、岩石变形及岩体摩擦耗能原理,得出岩石介质中孔洞有利于爆... 详细信息

坑道工程在战争中具有十分重要的作用,但又容易遭受炮弹打击。为增加坑道口部的防护能力,利用波的基本理论和耗能原理,分析了波在岩石和空气介质间界面的反射、透射等传播特性、岩石变形及岩体摩擦耗能原理,得出岩石介质中孔洞有利于爆炸荷载的损耗,起到卸荷的作用,并利用有限元分析软件ANSYS—LS-DYNA,对A、B和C 3种不同情况的6种工况进行数值模拟,通过模拟结果与理论分析结果的比对,进一步验证卸荷孔的卸荷效应,为坑道工程防护设计提出了一个新的途径。

关键词：爆炸荷载应力波卸荷孔

扭转荷载下螺旋形螺纹连接件的IWAN改进模型

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吉林大学学报（工学版） 2023年第5期53卷 1305-1314页

作者：李九一周丰峻刘建华孙云厚朱精忠邱明坤中国人民解放军军事科学院国防工程研究院北京100850 西南交通大学材料科学与工程学院成都610031 解放军总医院内控审核中心北京100850

建立了螺旋形螺纹三维有限元模型,通过螺纹表面应力分布等数值计算验证模型方案的有效性,并对扭转载荷下螺纹结构的力学特性开展数值研究。结果表明:螺纹结构在加、卸载阶段均经历了黏着、部分滑移和宏观滑移3种状态;在拧紧过程的宏观... 详细信息

建立了螺旋形螺纹三维有限元模型,通过螺纹表面应力分布等数值计算验证模型方案的有效性,并对扭转载荷下螺纹结构的力学特性开展数值研究。结果表明:螺纹结构在加、卸载阶段均经历了黏着、部分滑移和宏观滑移3种状态;在拧紧过程的宏观滑移阶段由于轴向力增大,扭矩呈上升趋势,在拧松过程中由于轴向力减小,扭矩呈下降趋势。在螺纹结构有限元计算结果的基础上,针对扭转载荷作用下带升角的三维螺纹结构,通过增添宏观滑移时的残余刚度和扭矩整体修正量,建立了修正的IWAN模型。计算结果表明:修正的IWAN模型能较准确地重现有限元模拟结果中扭矩与转角的关系,且3个Jenkins单元模型组成的修正IWAN模型即可足够精确地还原有限元模拟得到的耗散能。

关键词：工程力学螺纹结构有限元建模扭转载荷 IWAN模型

扭转荷载下螺旋形螺纹连接件的IWAN改进模型

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吉林大学学报(工学版) 2021年

作者：李九一周丰峻刘建华孙云厚朱精忠邱明坤中国人民解放军军事科学院国防工程研究院西南交通大学材料科学与工程学院解放军总医院内控中心

本文首先建立螺旋形螺纹三维有限元模型，并通过“沿螺纹根部螺旋线应力分布”和“螺纹表面应力分布”两项数值计算验证模型方案的有效性；并对扭转载荷下螺纹结构的力学特性开展数值研究。结果表明：(1)螺纹结构在加、卸载阶段均经历...

本文首先建立螺旋形螺纹三维有限元模型，并通过“沿螺纹根部螺旋线应力分布”和“螺纹表面应力分布”两项数值计算验证模型方案的有效性；并对扭转载荷下螺纹结构的力学特性开展数值研究。结果表明：(1)螺纹结构在加、卸载阶段均经历了黏着、部分滑移和宏观滑移三种状态；(2)在拧紧过程的宏观滑移阶段由于轴向力增大，扭矩呈上升趋势，在拧松过程中由于轴向力减小，扭矩呈下降趋势。在螺纹结构有限元计算结果的基础上，针对扭转载荷作用下带升角的三维螺纹结构，通过增添宏观滑移时的残余刚度和扭矩整体修正量，建立了修正的IWAN模型，计算结果表明：修正的IWAN模型能较准确的重现有限元模拟结果中扭矩与转角的关系，且3个Jenkins单元模型组成的修正IWAN模型即可以足够精确的还原有限元模拟得到的耗散能。

关键词：

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基于一体化空间分层模型的地下空间权属探讨

地下空间与工程学报 2012年第4期8卷 667-671,747页

作者：李大鹏李大宇张伟锋孙云厚解放军理工大学国防工程学院南京210007 北京航空航天大学可靠性与系统工程学院北京100191 总参工程兵科研三所河南洛阳471023

随着经济社会的不断进步,城市正在进入立体化发展阶段,地下空间的开发利用逐渐兴起;由于我国地下空间的开发利用时间不长,在立法上还存在空缺,导致地下空间开发权属不明、管理无序的问题较为突出;分析了国内外"基于地皮"的地上空间所有... 详细信息

随着经济社会的不断进步,城市正在进入立体化发展阶段,地下空间的开发利用逐渐兴起;由于我国地下空间的开发利用时间不长,在立法上还存在空缺,导致地下空间开发权属不明、管理无序的问题较为突出;分析了国内外"基于地皮"的地上空间所有权历史演变过程,以及由此引发的地下空间开发中面临的权属法律困境;根据地下空间发展现状及趋势,建立了"一体化空间分层模型",提出了"基于空间"的权属划定方法;阐述了地下空间的资源属性、价值属性,对地下空间的权属及地下空间的管理提出了作者的观点,为今后我国地下空间的开发利用提供参考。

关键词：地下空间一体化空间分层模型权属管理