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本科生《工程软件及应用》大作业

高速移动冲击内压下夹层圆柱壳的结构分析与设计

姓 名：孙亚川（学号：20111201205）
肖 立（学号：20111201104）
班 级：力硕1101
指导教师：周加喜
学 院：机械与运载工程学院

湖南大学
2014.12

大作业成绩

终期检查（70%）
报告（30%）
成绩
孙亚川

肖 立

小
组
评
价

任务分工：
孙亚川
实际模型

肖 立
等效模型

组长评分：
孙亚川

肖 立

组长签名：
日期：

高速移动冲击内压下夹层圆柱壳的结构分析与设计
1前言
脉冲爆震发动机（Pause Detonation Engine，PDE）是21 世纪最有前途的革命性航空航天动力之一。它是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机。具有如下优点：①热循环效率高；②结构简单、重量轻、推重比大（大于20）以及比冲大（大于2100s）；③单位燃料消耗率低；④适用范围广；⑤工作范围广等。对于此类发动机的工作原理国内外已经有了很多研究，但是对发动机结构强度、振动以及寿命技术研究却很少。PDE 的工作环境很特殊：高温（2000-3000K）、高压（20-30atm）、间歇性高速移动（1500-3000m/s）的热机冲击，为保证爆震燃烧室（爆震管）在如此恶劣的环境下要稳定、可靠的运行，其强度设计、减振降噪和寿命技术等都是关键课题。
多孔金属材料具有很多良好的性能：超轻、高比强度比刚度、高韧性耐冲击、高效散热隔热以及噪声管理等，尤其是通过合理设计材料微结构可以实现多功能集成。用ABAQUS软件对多孔金属夹层圆柱壳及其等效模型在移动冲击内压作用下的结构响应进行分析。对比两种模型在不同工况下的应变能、圆管跨中内、外面板的径向位移以及周向（环向）应力等响应，计算冲击内压的临界移动速度（结构响应最大时的移动荷载冲击速度）。
2分析模型
2.1实际模型建模过程
①部件：截面草图如图1

图 1截面草图
三维拉伸壳模型如图2。

图 2三维模型及材料方向
②属性：设置并分配材料的弹性常数及密度。赋截面属性时内表面的ShellOffset设为Top surface，中间夹芯设为Middle surface，外表面设为Bottom surface，所得模型如图3。材料方向如图4。

图 3设置截面厚度的模型

图 4材料方向
③装配：将部件实例化。
④分析步：静压荷载下，选择静力，通用类型，使用默认设置即可；均布阶跃冲击内压以及高速移动冲击内压下选择动力，显式类型，时常设置为0.005s，关闭非线性。
⑤网格：网格全局尺寸设置为0.005m,所得网格如图5。

图 5网格划分
⑥载荷：在内表面设置5MPa均布内压。均布阶跃冲击内压的幅值如表1。高速

表 1均布阶跃冲击内压的幅值
Time
Amplitude
0
0
1E-005
0
1.001E-005
1
0.005
1

移动冲击内压的荷载设置牵涉到Input文件的修改。但也应先设定若干个步的移动冲击内压荷载，如图6，以便在Input文件中找到规律。在Input文件中需要

图 6部分移动冲击内压荷载
修改的有3部分:LOAD定义、LOAD作用面Surface定义、LOAD幅值Amplitude定义。下面截取了部分Input文件的内容，其中打下划线的数字是需要修改的部分，通过程序（见附录）循环200次即可得到所需的Input文件，然后提交作业求解。
LOAD定义：
** Name: Load-1 Type: Pressure
*Dsload, amplitude=Amp-1
Surf-1, P, 5e+06
LOAD作用面Surface定义：
*Elset, elset=_Surf-1_SNEG, internal, instance=Part-1-1
1601, 1602, 1603, 1604, 1605, 1606, 15401, 15402, 15403, 16001, 16002, 16003
*Surface, type=ELEMENT, name=Surf-1
_Surf-1_SNEG, SNEG
LOAD幅值Amplitude定义：
*Amplitude, name=Amp-1
0., 0., 4.1666667E-06, 0., 4.1766667E-06, 1., 0.005, 1.
2.2等效模型建模过程
①部件
创建如图7所示的截面，采用轴对称建模
②属性：
设置并分配材料的弹性常数及密度，其中外部夹板材料常数跟实际模型一样
内部夹心采用正交各向异性，其弹性本构设置如图8所示。
③装配：将部件实例化。
④分析步：同实际模型，注意在分析步中设置所需要输出的跨中径向位移、环向应力等变量的历史输出。
⑤网格：网格全局尺寸设置为0.005m,所得网格如图9。
⑥载荷：同实际模型类似。

图 7等效模型

图 8等效模型弹性本构

图 9等效模型网格

3结构响应
3.1静载作用下结构响应
图 10静载下跨中外面板径向位移在X方向上的分布
图10图11给出了静载下跨中内、外面板径向位移在X方向上的分布 ，可以看出外面板在径向肋板处向外突起，外面板在径向肋板处向内突起，这是符合实际的变形的。分别取平均得表2中的数据。两种模型的应力直接比较没意义故取应力的合力作比较（将应力插值，并沿厚度积分）。
表 2静载作用下两种模型的结构响应比较
模型
项目
实际模型
等效模型
应变能（J）
5.32933×16=85.27
75.44
圆管跨中内面板径向平均位移（m）
3.99E-05

3.58E-5
圆管跨中外面板径向平均位移（m）
3.18E-05

3.05E-5
应力合力（N/m）
8.54E+05
6.82E+05
取跨中五层板上的环向应力，乘以对应板的厚度，求和后理论上应内部压力平衡，即等于Rin×P,但实际的仿真结果与理论值存在22%的误差。
图 11静载下跨中内面板径向位移在X方向上的分布
3.2阶跃载荷作用下的结构响应
图 12实际模型应变能响应
两种模型下应变能响应如图12、图13。
实际模型下圆管跨中内、外面板的径向位移如图14。
等效模型下圆管跨中内、外面板的径向位移图15、图16。图 13实际模型圆管跨中内、外面板的径向位移
图 14等效模型应变能响应

两种模型圆管跨中的环向应力响应分别如图17、图18。

图16等效模型下圆管跨中外面板的径向位移
图 15等效模型下圆管跨中内面板的径向位移
图 16实际模型下圆管跨中的环向应力响应

图 17实际模型下圆管跨中的环向应力响应
3.3移动内压作用下的结构响应
实际模型在不同移动内压速度下，跨中内、外面板径向位移响应如图19、图20。
图 18实际模型跨中内面板径向位移响应

实际模型的环向应力响应如图21所示。
等效模型在不同移动内压速度下，跨中内、外面板径向位移响应如图22、图23。
等效模型的环向应力响应如图24所示

图 20实际模型跨中外面板径向位移响应

图 19等效模型跨中内面板径向位移响应
图 20实际模型的环向应力响应
图 21等效模型的环向应力响应
图 22等效模型跨中外面板径向位移响应
4临界移动速度
实际模型的位移-速度响应如图25，临界速度为1440m/s
等效模型的位移-速度响应如图26，临界速度为681m/s

图 23实际模型的位移-速度响应

图 24等效模型的位移-速度响应
6 主要结论
算出的两种模型的结果还是有很大差异的，可能是材料属性有问题，也可能是边界条件的影响。另外环向应力求和后应与内部压力平衡，但是计算出的误差很大，这也是值得追究的问题。由于时间有限没有过多分析。
参考文献
[1]周加喜，邓子辰，侯秀慧，夹层圆柱壳在移动内压作用下的临界速度研究，应用数学和力学Vol.29,No.12,Dec.15.2008
[2]J.X. Zhou,Z.C.Deng,T.Liu,X.H.Hou,Elastic structural response of prismatic metal sandwich tubes to internal moving pressure loading.International Journal of Solids and Structures 46(2009) 2354-2371