考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法，属于动力学领域，本发明专利技术的分析方法具体步骤为：步骤一

【技术实现步骤摘要】
考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法


[0001]本专利技术属于动力学领域，考虑了全尺寸结构与缩比模型材料不同的特殊情况，具体是一种考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法
。

技术介绍

[0002]众所周知，冲击是一个高度非线性的过程
。
虽然现在可以用计算机进行数值模拟，但最终还是需要进行试验来验证
。
凭借着成本低
、
耗时短
、
不受试验条件限制等优点，缩比试验被广泛用于航空航天
、
爆炸和船舶等领域
。
一旦获得了缩比模型的冲击响应，就可以利用合理的相似关系来预测全尺寸结构的响应
。
[0003]传统的相似律是通过单一的几何相似因子来表示原型和缩比模型之间物理量的相似关系
。
值得指出的是，这种相似关系是建立在原型和缩比模型采用同一材料这一基础上的，同时冲击过程中存在的材料失效
、
应变硬化和应变率效应也会破坏传统的相似关系
。
[0004]以上多种畸变因素会导致缩比模型对全尺寸结构的响应进行预报时会出现严重的偏差，众多学者对此做了大量研究
。
目前使用最广泛的方法是通过调整缩比模型的冲击速度来补偿预报误差，近几年众多学者针对考虑多种畸变因素的相似性方法进行了广泛的研究，但对于不同材料的相似性方法研究较少，也没有考虑冲击过程中应变率和应变的动态变化
。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中存在的问题，考虑到如果全尺寸结构由昂贵的材料制成，则在成本有限的情况下，可以通过替换更便宜的材料制作缩比模型来开展冲击试验
。
材料的变化会直接导致缩比模型与原型的流动屈服应力相似关系失衡，当缩比模型无法预报原型冲击响应时，缩比试验也就失去了意义
。
[0006]针对上述缺陷，本专利技术公开了一种考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法，节约成本的同时，提高冲击环境下与原型不同材料的缩比模型的预报精度，通过该方法来调整缩比模型的冲击速度，达到减小预报误差的效果
。
[0007]本专利技术是这样实现的：
[0008]一种考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法，其特征在于，所述的分析方法具体步骤为：
[0009]步骤一
、
确定几何相似比
β
和密度相似比
β
ρ
；
[0010]步骤二
、
通过仿真确定原型关键位置塑性应变和应变率的变化区间；
[0011]步骤三
、
运用误差函数计算得到速度相似因子
β
V
；
[0012]步骤四
、
利用速度相似因子修正缩比模型的冲击速度，同时计算变形和接触力等物理量的相似因子；
[0013]步骤五
、
进行缩比模型试验，得到缩比模型的变形和接触力的数据，通过相似变换预测原型冲击响应
。
[0014]进一步，所述的步骤一具体为：
[0015]定义缩比模型与全尺寸结构的几何相似比为
β
，下标
m
表示缩比模型，下标
p
表示全尺寸结构；确定缩比模型的缩放比例和材料，得到密度相似比
β
ρ
以及几何相似比
β
。
[0016]进一步，所述的步骤二具体为：
[0017]以密度
ρ
、
几何尺寸
L、
冲击速度
V
作为基本物理量，对冲击试验相关的物理量
(
包括冲击力
F、
变形
δ
、
流动屈服应力
σ
d
、
应变
ε
、
应变率
)
进行量分析，建立缩比模型与原型的流动屈服应力
、
应变
、
应变率的相似关系；
[0018]通过量纲分析得到缩比模型与原型的流动屈服应力关系为：
[0019][0020]应变和应变率关系为：
[0021][0022]其中
σ
d
为流动屈服应力，
ε
为应变，为应变率，
β
V
为速度相似因子，
β
ρ
为密度相似比
。
[0023]进一步，所述的步骤三具体为：
[0024]将材料弹塑性本构方程
、
应变
、
应变率相似关系代入缩比模型与原型的流动屈服应力关系，得到通过缩比模型预报的原型流动屈服应力；
[0025]任何形式的材料弹塑性本构方程都可以表示为
[0026][0027]其中
(
σ
d
)
real
为材料真实流动屈服应力；
[0028]将式
(3)
代入式
(1)、(2)
，得到通过缩比模型预报的原型流动屈服应力为
[0029][0030]其中下标
m
表示缩比模型，下标
p
表示原型
。
[0031]进一步，所述的步骤四具体为：
[0032]通过仿真确定原型关键位置塑性应变和应变率的变化区间，将比模型预报的原型流动屈服应力与原型流动屈服应力作差，对该差值在整个应变和应变率变化区间内积分，得到整个冲击过程中预报值与原型实际值的总误差随
β
V
变化的误差函数；
[0033]冲击过程中任意时刻流动屈服应力预报值与原型实际值的差值可以表示为函数：
[0034][0035]对式
(5)
在整个应变和应变率变化区间内积分，得到随
β
V
变化的误差函数：
[0036][0037]进一步，所述的步骤五具体为：
[0038]计算出使误差函数取得最小值时的速度相似因子
β
V0
，同时计算缩比试验所需的冲击速度
V
m
；步骤一中确定了原型和缩比模型的几何尺寸及材料，
β
和
β
ρ
即为常数，此时必然存在一个
β
V0
可以使式
(5)
取最小值，即：
[0039]L(
β
V0
)
＝
minL(
β
V
)。
[0040]进一步，所述的步骤五具体为：
[0041]得到
β
V
后，计算冲击力
F、
变形
δ
的物理量的相似系数；
[0042]将计算的冲击速度作为初始条件开展缩比冲击试验，缩比模型的变形和载荷数据；
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法，其特征在于，所述的分析方法具体步骤为：步骤一
、
确定几何相似比
β
和密度相似比
β
ρ
；步骤二
、
通过仿真确定原型关键位置塑性应变和应变率的变化区间；步骤三
、
运用误差函数计算得到速度相似因子
β
V
；步骤四
、
利用速度相似因子修正缩比模型的冲击速度，同时计算变形和接触力等物理量的相似因子；步骤五
、
进行缩比模型试验，得到缩比模型的变形和接触力的数据，通过相似变换预测原型冲击响应
。2.
根据权利要求1所述的一种考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：定义缩比模型与全尺寸结构的几何相似比为
β
，下标
m
表示缩比模型，下标
p
表示全尺寸结构；确定缩比模型的缩放比例和材料，得到密度相似比
β
ρ
以及几何相似比
β
。3.
根据权利要求1所述的一种考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：以密度
ρ
、
几何尺寸
L、
冲击速度
V
作为基本物理量，对冲击试验相关的物理量
(
包括冲击力
F、
变形
δ
、
流动屈服应力
σ
d
、
应变
ε
、
应变率
)
进行量分析，建立缩比模型与原型的流动屈服应力
、
应变
、
应变率的相似关系；通过量纲分析得到缩比模型与原型的流动屈服应力关系为：应变和应变率关系为：其中
σ
d
为流动屈服应力，
ε
为应变，为应变率，
β
V
为速度相似因子，
β
ρ
为密度相似比
。4.
根据权利要求1所述的一种考虑动态冲击过程的材料相似性分析方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：将材料弹塑性本构方程
、

【专利技术属性】
技术研发人员：王悦鑫，何欢，侯亮，吕伟浩，李俭钟，张文良，胡伟谦，惠旭龙，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：