• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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摘要:
季节性冻土区工程的建设与服役过程中冻土常常遭受冻融循环与冲击载荷的共同作用,使其物理状态与力学性质发生改变。本文以典型冻土为研究对象,通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验,综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明,冻土存在冻融循环效应。随着冻融循环次数的增加,冻土的峰值应力有一定程度的降低,但在达到临界冻融循环次数后,峰值应力将维持稳定。同时,冻土表现出明显的应变率效应和温度效应,其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子,推导满足Weibull分布的冲击损伤,本文提出了一个基于朱–王–唐方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为,为季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供一定参考。
摘要:
建筑结构上爆炸荷载的确定是进行结构动态响应和损伤破坏分析,以及结构抗爆设计和加固的前提。考虑到空气爆炸冲击波远距离传播数值模拟计算效率和精度,以及软硬件能力的平衡问题,通过确定和优化网格尺寸,从而为大型复杂街区爆炸冲击波荷载的数值模拟网格尺寸选取提供合理建议。针对汽车炸弹和弹药库等典型近地面爆炸场景,首先,使用AUTODYN软件分别开展了比例距离为0.2~5 m/kg1/3和0.2~39 m/kg1/3的空中爆炸自由场和地面爆炸入射场超压和冲量的单一尺寸网格敏感性分析,并考虑软硬件对单元网格数量的限制,给出了一组依赖比例距离的渐变网格尺寸建议。其次,基于映射算法和建议的渐变尺寸网格对地面爆炸入射场超压和冲量进行数值模拟,提出了比例距离大于10 m/kg1/3的峰值超压误差修正方法,并得到了UFC 3-340-02规范的验证。最后,基于足尺房屋爆炸荷载分布试验共71个测点的超压和冲量时程数据,对提出的优化网格尺寸的计算精度和效率进行了验证。
摘要:
钢筋混凝土烟囱爆破拆除时发生的下坐与空中断裂现象严重影响工程安全,为分析该现象发生的机制并对其进行判别,开展了180m烟囱下坐和空中断裂过程的观测和分析。基于混凝土的压缩全应力应变曲线特征分析了支撑区的破坏过程,构建了烟囱的失稳下坐判别模型。通过建立底部冲击作用下烟囱的动力响应模型,分析了下坐冲击产生的附加动应变在烟囱中的传播特征。研究结果表明,考虑混凝土全应力应变曲线特征和支撑区横截面应力和应变分布特征的倾覆力矩与抵抗力矩的比值f可作为失稳下坐的
摘要:
起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力有较为显著的影响,这使得利用小当量装药在局部方向形成与大当量装药一定程度等效的冲击波成为可能。为了能够在小当量装药条件下开展舰船结构及设备抗水下爆炸冲击实验,基于细长装药结构和参数优化设计,建立了一种冲击波压力幅值和持续时间可调的装药设计方法。首先,基于简单波理论给出了水下爆炸冲击波压力调控的原理,以及装药参数优化设计的目标函数和约束条件。然后,采用自主数值模拟软件研究了细长装药的水下爆炸能量输出规律,通过实验验证了数值模拟的置信度,研究发现起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力峰值和持续时间的影响是显著的,在炸药爆速一定的条件下,长药柱水下爆炸冲击波压力的持续时间可通过几何近似确定。最后,为了进一步考察该方法的有效性,以TNT当量1000 kg和爆距100 m的水下爆炸冲击波压力-时间曲线作为原型,设计了2种与该原型冲击波压力等效的装药方案,并通过数值模拟进行了验证。对比结果表明:设计的装药能够在预定的持续时间内,在装药起爆端一侧形成与原型等效的冲击波压力-时间曲线。由于没有考虑对气泡载荷的等效,该调控方法适用于中远场爆炸冲击问题。
摘要:
为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立了爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行了分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行了进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。
摘要:
为了探究空孔间距对巷道掘进掏槽爆破效果的影响,基于大红山铜矿某巷道建立有限元数值模型,计算双大直径空孔不同布孔间距条件下的掏槽爆破成腔断面积,并对最优方案开展现场验证。研究结果表明:空孔间距dv=25cm时,槽腔断面积为0.2116m2,当dv增加到35cm时,断面积增大15.1%,但当dv增大到45cm时,断面积减小17.8%。对成腔断面积最大的空孔间距dv=35cm的布孔方案进行现场试验,测得槽腔断面积比模拟结果小4.98%,槽腔断面宽度比模拟结果小4.0%,槽腔断面高度比模拟结果小3.4%,本次二维数值模拟的爆破成腔断面积大小与现场试验误差在5%以内,为地下巷道掏槽爆破成腔体积预测的数值方法构建奠定了基础。
摘要:
在良好破碎效果的前提下,通过降低孔底冲击波峰值压力来减小上向扇形深孔孔底以上岩体振动,是降低振动保护上部建筑的有效措施。为确定合理的孔底空气柱长度,采用理论研究与现场模型爆破动态测试试验相结合的方法,研究了孔底空气不耦合装药时,空气柱长度对孔壁冲击压力的变化规律,得到了炮孔底部空气间隔不耦合装药条件下轴向不耦合系数与孔壁冲击压力随时间的变化曲线;基于岩石动态抗压强度,确定了适用于软、中、硬岩石的合理底部轴向空气间隔长度范围,研究结果表明:空气间隔层的存在,使得冲击压力作用时间显著增加,而冲击压力峰值有明显减小;当K=1.5,空气柱长度200mm时,孔底峰值压力衰减比例为73.4%,当K=4,空气柱长度1.2m时,孔底峰值压力衰减比例达到96.7%。当空气间隔层大于60cm时,炮孔底部出现压力值较低的区域。现场工业试验验并对爆破后采场顶板成型和爆堆块度的观察和拍照表明:合理的底部空气间隔长度,不仅能保证良好的爆破块度,同时也能通过减小孔底峰值压力降低爆破振动以达到保护采场顶板及其它保护对象的目的。
摘要:
新型软基体混合胞孔材料,以软性高分子材料为基体,胞孔间存在的连通具有混合胞孔特点,有优异的吸能特性,且在多次冲击可恢复性方面具有独特优势。人工软骨仿生超材料(Artificial Cartilage Foam,简称ACF材料)是一类典型的软基体混合胞孔材料,是工业界研发的模仿人体软骨组织的具有三维超微结构的仿生超材料。目前该类材料的应变率效应不清楚,吸能能力量化不够,以及多次抗冲击性能不明,限制了该类材料的开发和应用。本文对ACF材料进行了不同应变率条件下的单轴拉伸和压缩实验,发现ACF材料这类软基体混合胞孔材料具有明显的应变率效应。对ACF材料和发泡聚丙烯材料(Expanded polypropylene,简称EPP材料)的多次冲击性能进行了实验研究,与EPP材料比较发现,ACF材料吸能性能优异,可以更好地抵抗多次冲击且冲击后的可恢复性更好,满足防护材料多次使用的要求。新型软基体混合胞孔材料有望应用于多次冲击下的防护结构。
摘要:
摘要:
为探究直角管道和变径管道内的甲烷爆炸火焰传播及阻爆规律,搭建3.5m长的直角和水平瓦斯爆炸管道进行实验,其中0-3.0m是不变的水平管,3.0-3.5m分别进行水平、直角、变径等变化。实验结果表明:在不变径条件下,在0-3.0m区间内水平管道爆炸火焰传播速度相对更快,直角管道在3.0-3.5m区间内火焰速度相对更快。直角管道更有利实现阻爆,其所需阻爆剂比水平管道减少了80%。在变径情况下,水平管道阻爆所需阻爆剂相对于不变径都有所减小,而直角管道相对不变径都有所增大;但直角
摘要:
阻火器是一种广泛应用的爆炸阻隔装置。为了深入理解影响阻火器性能的因素,本文通过实验方法探究了不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性。结果表明,可燃气活性、体积分数和初始压力均会影响火焰速度稳定性、传播模式以及淬熄难度。实验发现火焰传播具有三种模式:直接淬熄、穿过阻火单元后逐渐淬熄、淬熄失败。其次,可淬熄的最大初始压力Plim用以表征火焰淬熄难度,虽然其最小值位于化学计量比,但仍在一定体积分数范围内保持恒定。此外,基于传热作用得到了密闭管道中丙烷-空气预混气爆燃阻火速度公式,并通过实验验证。
摘要:
爆炸荷载下钢框架结构原尺模型的实验难度较大,通常利用缩比模型预测其动态响应和破坏过程,然远距离爆炸荷载作用下钢框架结构的相似律研究仍十分匮乏。为此,本文开展了远距离爆炸荷载作用下钢框架结构的相似律研究。根据Π定律推导了远距离爆炸荷载作用下钢框架原型结构与缩比模型的几何相似律表达式。基于已有的钢框架子结构爆炸实验,采用AUTODYN建立钢框架子结构数值模型,验证了流固耦合方法在结构爆炸响应分析中的可靠性。在此基础上,对比流固耦合方法和解析爆炸边界方法在钢框架远距离爆炸数值模拟中的准确性和计算效率,结果表明解析爆炸边界方法可合理地模拟远距离爆炸荷载作用下钢框架的动态响应,且计算效率较高。最后,采用该方法分析了具有不同相似比的两层三跨钢框架结构在远距离爆炸荷载作用下的动态响应及毁伤效应,结果表明:该结构的动态响应和毁伤效应符合几何相似规律。该研究可为远距离爆炸荷载作用下钢框架结构的缩比实验提供参考。
摘要:
在目前战斗部动态威力设计中,中心盲区效应成为了影响战斗部毁伤威力提升的重要影响因素,轴向增强战斗部成为消除战斗部动态中心盲区的重要设计手段而愈加受到研究者的关注。本文基于AUTODYN数值计算软件,针对一种端部含有惰性填充物的轴向增强战斗部结构在炸药内爆作用下的壳体破碎及破片飞散过程的数值分析模型,并对不同种类端部填充物对壳体破碎动态响应的影响进行了研究,研究结果表明充填物对端部破片的驱动速度影响较大,对破片飞散角度影响较小,考虑战斗部自身牵连速度和速度矢量合成,用低密度低质量充填物代替头部装药具有相同的动态毁伤效果,进而提高战斗部能量利用效率。本文建立的数值计算模型以及获得的研究结果能够为常规战斗部动态威力设计提供一定参考。
摘要:
为研究爆炸条件下土中应力波的时空分布,基于黄土中接触爆炸和半埋爆炸试验,验证了ANSYS/AUTODYN软件建立的计算模型,并在此基础上开展了土中爆炸地冲击效应研究。结果表明:随着土介质深度的增加,感生地冲击峰值减小,而直接地冲击峰值增大,最终压力和竖向应力时程曲线中的两个峰值减少为一个峰值,据此特征可将土中应力波场分为三个区域——地表区、近地表区和中心区;当装药比例埋深为-0.05~0.075 m/kg1/3时,随着装药比例埋深的增加,中心区迅速增大,地表区迅速减小,近地表逐渐增大;当装药比例埋深为0.1~0.4 m/kg1/3时,地冲击作用区的分布趋于稳定;爆炸耦合进入空气和土介质中的动能受炸药类型影响,但在一定范围内,地冲击作用区角度与地面空气冲击波超压冲量和直接地冲击应力冲量之比呈线性相关关系。
摘要:
针对12.7mm弹侵彻不同强度钢靶时可能出现子弹保持完整或发生破碎的情况,过去的仿真仅限于模拟单一模式的子弹侵彻行为。为了克服这种模拟仿真的局限性,本文通过研究不同模型算法、网格尺寸对仿真结果的影响,并与试验结果对比,提出了一种能够用于模拟子弹保持完整或破碎的弹靶模型。研究结果表明,为模拟子弹保持完整状态,子弹和靶板应分别采用基于Lagrange算法的有限元法和光滑粒子算法,而且子弹网格尺寸和靶板粒子间距之比应至少保持在5.3左右,否则弹头会产生与试验不符合的异常变形。但是,在模拟子弹发生破碎侵蚀时,该比例的网格/粒子尺寸比会引起计算中止。为了克服该问题,进一步建立了一种弹体表面采用大尺寸网格,内部采用细化小尺寸网格的有限元/光滑粒子法耦合弹靶模型。计算结果表明,改进的弹靶模型可模拟子弹保持完整或者发生破碎的情况。
摘要:
岩石类材料的动态力学模型的建立及相应模型参数的确定,对岩石动态力学性能研究及相关仿真计算具有重要意义。以山东五莲地区花岗岩为例,基于Kong-Fang流体弹塑性损伤材料模型(KF模型),通过准静态单轴压缩、劈裂、常规三轴实验及动态分离式霍普金森杆压缩(SHPB)实验对模型中的强度参数进行了确定,并利用动态分离式霍普金森杆拉伸(SHTB)实验对应变率相关参数的有效性进行了验证。同时,根据平板撞击实验结果对模型中的状态方程参数进行了拟合。利用实验获得的材料参数值,采用KF模型对花岗岩缩比侵彻试验进行数值模拟,计算得到的弹体侵彻深度及成坑尺寸与实际试验结果误差均小于15%,验证了材料模型及参数值的适用性。
摘要:
为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了Φ1.0~3.0mm铝球3.0~6.5km/s正撞击100mm×100mm×20mm碳纤维/环氧树脂复合材料靶材的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料的成坑形貌特征并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。最后,结合文献数据分析了靶材的无量纲成坑深度p/dp、无量纲坑径系数Dh/dp、表面损伤面积De等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/dp和无量纲坑径系数Dh/dp均与撞击速度呈“2/3次幂”关系;表面损伤面积De与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;坑深度大于坑半径。
摘要:
本文对激光冲击强化(LSP)后的压力容器材料Q345R钢的耐腐蚀性能和抗疲劳性能进行研究。通过电化学实验,并结合扫描电子显微镜(SEM)分析其耐腐蚀性,结果显示,有吸收层保护和无吸收层保护激光冲击后,相较于原试样,耐腐蚀性分别提升5.8倍和2.6倍;微观实验结果表明经过激光冲击后腐蚀试样表面裂纹明显少于未处理试样。但随着冲击次数增加,耐腐蚀性有所下降。疲劳试验结果显示,相同应力条件下,腐蚀1小时和2小时的疲劳寿命相较于原试样降低36.8%和56.4%,经过一次或三次激光冲击后试件的疲劳寿命分别提升43.8%和198.2%,经XRD检测,激光冲击能在表面形成一定深度的残余压应力层并抑制裂纹扩展。
摘要:
结合仿真计算与试验研究了偏心亚半球形罩与双曲线形罩形成的组合药形罩聚能装药战斗部对含水复合结构的毁伤机理。分析结果表明,在穿靶过程中组合药型罩形成的侵彻体会分离成多段,头部侵彻体会形成空腔通路使后续侵彻体低阻随进,组合药型罩形成的侵彻体相比双曲线形罩二次毁伤性能更好。双曲线形罩形成的侵彻体在侵彻过程中头部径向尺寸显著增大,虽侵彻体的能量相比组合药型罩衰减更快,但对靶板的破孔尺寸比组合药型罩更大。结合试验和仿真计算研究了组合药型罩的穿靶过程,分析结果表明,由于受到侵彻体和爆炸冲击波联合作用,第一块靶板完全碎裂,第二块靶板和第三块靶板在破孔附近均出现裂纹,但第二块靶板的裂纹长度较第三块更长。第四块靶板由于水介质和靶板对侵彻体和冲击波的大幅衰减作用,仅出现规则圆孔,并未出现明显裂纹。
摘要:
摘 要:研究典型战斗头盔对爆炸冲击波致颅脑冲击伤的防护效能。首先开展了50g TNT距有无头盔防护下头部模型1m处爆炸的抗爆试验,采集了有无防护下头模前额、颅顶、颅后冲击波超压并进行了对比分析;建立了具有典型颅脑结构的头部有限元模型并进行爆炸冲击波加载,对试验工况进行了仿真再现,通过试验结果验证了仿真模型有效性,同时利用数值仿真对不同工况下冲击波流场变化规律进行分析;进一步利用数值仿真研究了泡沫衬垫对头盔防护能力的影响。研究结果表明,典型战斗头盔可使前额空气超压衰减为无防护时的54.5%,但是会使颅后空气超压增强为无防护时的2.19倍,对颅后冲击波防护产生负面效果;头盔悬挂中泡沫衬垫能消弱头盔对颅后防护的负面效果,提高头盔对冲击波的防护能力。
摘要:
为了探究磁场对气体爆炸自由基反应的影响,以乙炔气体为研究对象,实验研究不同磁场强度对C2H2爆炸特征的影响规律;结果表明,磁场能抑制C2H2爆炸压力和升压速率,随着磁场强度增加,抑制效果越明显;沿着火焰传播方向,磁场对C2H2爆炸火焰传播速度呈现先促进后抑制的效果。本实验条件下,较低磁场强度时,爆炸火焰平均传播速度降低38.94%,较高磁场强度时,爆炸火焰平均传播速度降低49.62%。利用Chemkin-Pro软件模拟C2H2爆炸基元反应过程和理论推出磁场影响C2H2爆炸的反应机理,磁场改变C2H2爆炸反应路径。自由基的摩尔质量和磁化强度不同,在磁场中,洛伦兹力和梯度磁场力对小分子量自由基比大分子量自由基作用力更大。磁场使自由基运动轨迹发生改变,同种小分子量自由基聚集和产生器壁效应,减少不同类关键自由基之间的碰撞,降低基元反应速率,导致爆炸强度下降。
摘要:
为明确水中脉冲放电能量释放过程所产生气泡的脉动和压力波冲击特性,本文依据能量等效原则,在LS-DYNA软件中建立针-板电极结构的水下爆轰模型,模拟气泡形态,通过与获取的物理图像比对,发现气泡形态和时间演化尺度高度一致。在此基础上,对气泡的冲击特性进一步分析,结果表明:冲击波峰值、气泡脉动周期和半径大小随放电能量增加而加大,随静水压力的增加而减小;当放电电压由14kV增至20kV,二次压力波峰值由2.89MPa升至4.09MPa,提高41.5%;当静水压力由202.65kPa增至506.63kPa,二次压力波峰值从5.15MPa升至6.36MPa,提高23.5%,放电能量和水压的增加对二次压力波提升明显;随着距离增加,二次压力波所占冲击波的峰值压力比重,由12.6%增加至35.3%,远场放电位置二次压力波不可忽视。
摘要:
摘要:本文研究的是蓝宝石(A12O3)透明陶瓷玻璃,它相较传统陶瓷(A12O3)有优良的透光性,而且保留了陶瓷优良的力学性能。利用电子拉伸机和分离式霍普金森杆设备对试样尺寸?6*6进行了准静态应变率为(10-4、10-3、10-2s-1)和3种动态应变率(850、1100、1450 s-1)下的单轴压缩力学行为,用高速摄像机记录了试件尺寸为?6*6准静态压缩和试件尺寸为?12*6动态压缩破坏过程。实验结果表明:从应力应变曲线来看,是由加载段和失效段组成的,是典型的脆性材料,并且有明显的应变率效应,随着应变率的提高,玻璃的强度极限也会提高;从破坏过程分析得到蓝宝石玻璃的失效是在加载的过程中,在玻璃内部承受能力最低的地方出现裂纹源,裂纹源沿着加载方向扩展,裂纹之间相互交错,最终达到饱和状态,试样破坏失效,在高应变率下,玻璃内部在极短的时间内产生多处裂纹源,需要更大应力强度去使裂纹成形、扩展。
摘要:
针对不同尺寸试样在大直径分离式霍普金森压杆系统上冲击动态力学性质存在差异的问题,采用三种直径(50 mm、75 mm及100 mm)和五种长径比(0.4、0.5、0.6、0.8及1.0)的砂岩试样在直径100 mm压杆上进行了冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率-时间曲线随尺寸的变化规律,提出了用于比较波形对齐重合度的叠加因子概念,并与平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸范围。同时,利用高速摄影机实时监测,探究试样动态破坏情况。结果表明:在长径比一定的条件下,直径75 mm与直径100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值接近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径增大,应变率-时间曲线从“单峰”变为“双峰”;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;采用直径75 mm且长径比为0.3~0.4的试样时,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。有利于揭示不同尺寸试样动态压缩力学性质的尺寸效应,能为大直径SHPB岩石冲击压缩试验试样合理的尺寸选择提供参考。
摘要:
为研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响,采用DPS阵列和高速摄影技术,获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线,以及垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。柱壳速度曲线和高速摄影图像的分析结果表明:与无垫片区域相比,垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程,使得垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位,最终低于无垫片区域高达0.34mm,这种位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂。实验结果还表明,在垫片/间隙交界处两边(沿垫片方向约7.5和沿间隙方向约9)处各增加了一条裂纹,该断裂模式既不同于环向拉伸断裂,也不同于45的剪切断裂,而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致,这一新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。进一步数值模拟分析表明,装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加质量效应,还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其它部位不同步的差异,以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。
摘要:
中空夹层钢管混凝土(CFDST)构件作为超高输电塔、海上平台等重要结构的承重构件,其抗撞性能是设计阶段需考虑的关键问题。因此,本文在前期试验研究的基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了200个圆CFDST柱轴力与撞击耦合作用下力学分析模型并进行了抗撞机理分析,研究了在0~0.7轴压比下不同名义含钢率、空心率、截面直径、材料强度对构件抗撞性能的影响规律;基于动力放大系数(DIF)和等效单自由度(ESDOF)方法提出了构件抗撞承载力计算公式并预测了撞击作用下构件的跨中动力响应。结果表明:在0~0.7轴压比下,名义含钢率、外径、外钢管强度、撞击速度与撞击质量对构件跨中挠度峰值和撞击力平台值影响显著,空心率与混凝土强度影响较小;提出的简化计算方法能较好预测圆CFDST构件的抗撞承载力和跨中位移响应。
摘要:
为探究立式拱顶油罐内油气体积分数、点火位置和液位对爆炸超压参数与火焰发展的影响规律,开展了一系列的实验研究,结果表明:(1)1.7%是任一工况下的最危险油气体积分数,内场超压发展都可以分为超压上升、超压泄放和振荡衰减3个阶段。爆炸过程中CH、C2、OH等自由基的生成和空间分布,使得不同初始油气体积分数下或不同爆炸阶段的火焰呈现不同的颜色变化。(2)点火位置对油气爆炸超压参数影响较大,位置越靠下,爆炸威力越大。罐底中心点火时,内外场平均升压速率取得最大值,分别为0.464 MPa/s和0.053 MPa/s。(3)液位变化对油气爆炸内外场超压影响较大,油罐侧壁上部位置点火时,50%液位是最危险的液位。任意液位下外场超压随比例距离的增大都呈现幂指数衰减规律,不同液位油气爆炸外场冲击波最大超压峰值与距离和油气混合物体积的关系可以用一个公式统一表示。相比于气体空间,液体空间的超压规律具有延后性、负超压增强、振荡衰减频率更快的特点。
摘要:
本文对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态。传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,本研究将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。本研究对正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度具有重要意义。
摘要:
基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先基于已有实验数据对材料模型参数及数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上对球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律进行分析,借助量纲分析手段并利用数值模拟数据拟合出球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式;进一步分析装药埋深对混凝土中装药正下方爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深之间的定量关系。结果表明:Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;通过定义混凝土中装药质量系数和耦合常数可定量描述装药埋深及测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可实现对不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度下爆炸波峰值应力较为准确的快速预测。上述研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供依据。
优先出版栏目展示本刊经同行评议确定正式录用的文章,这些文章目前处在编校过程,尚未确定卷期及页码,但可以根据DOI进行引用。
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摘要:
金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟,建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理,回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络,分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐,基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量,从而涵盖更大的应变范围,更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。
摘要:
装甲钢/超高性能混凝土(UHPC)复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能,对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先,开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数,并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式,验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后,确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度,并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。本文工作可为装甲钢/混凝土防护结构抗弹体侵彻设计与评估提供一定参考。
摘要:
为了探究三氟碘甲烷CF3I和二氧化碳CO2复合使用对甲烷爆炸的抑制效果,采用容积为20L的球形爆炸实验装置,研究了单独和复合使用三氟碘甲烷和二氧化碳对甲烷爆炸压力特性的影响。研究结果表明:添加三氟碘甲烷和二氧化碳后,甲烷爆炸极限范围逐渐缩小,且三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响更为显著,当三氟碘甲烷和二氧化碳的体积分数分别达到5.5%和32%时,甲烷爆炸上下限重合,临界氧的体积分数分别为17.85%和12.5%,可见三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响机制与二氧化碳不同,并不是通过降氧为主而发挥抑制作用的。三氟碘甲烷对甲烷爆炸的抑制效果明显优于二氧化碳,对比体积分数为9.5%的甲烷爆炸最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率下降的比率,5%三氟碘甲烷的抑爆效果是等量二氧化碳的6倍和5倍左右。二氧化碳掺混少量三氟碘甲烷后,抑爆效果大幅提升,掺混比例越高效果越明显,且对抑制甲烷爆炸压力作用的提升更为显著。三氟碘甲烷掺混体积分数大于等于1%时,二氧化碳单位增量导致甲烷最大爆炸压力下降的幅度有所增加,说明三氟碘甲烷的加入具有改善抑爆效果和增强抑爆效率的双重作用。
摘要:
为研究KH2PO4/SiO2复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制作用,采用球磨机将KH2PO4和SiO2混合研磨制备出新型的KH2PO4/SiO2复合粉体抑爆剂。在哈特曼管实验装置上,开展爆燃火焰传播抑制实验,结果表明:随着KH2PO4/SiO2复合粉体抑爆剂含量的增加,爆燃火焰传播长度和速度逐渐减小,当添加质量比10∶6的KH2PO4/SiO2复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃火焰传播的抑制。在20 L球形爆炸装置上,开展复合粉体抑爆剂抑制铝粉爆炸压力测试实验,结果表明:随着KH2PO4/SiO2复合粉体抑爆剂含量的增加,铝粉爆炸最大爆炸压力pmax和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max逐渐减小,当添加质量比10∶9的KH2PO4/SiO2复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃的完全抑制。通过KH2PO4粉体、SiO2粉体与复合粉体抑爆剂对比可知,复合粉体抑爆剂对铝粉火焰传播和爆炸压力的抑制效果都优于单体粉体抑爆剂。通过对铝粉在空气中燃烧的热分析研究,从化学和物理两个方面分析了KH2PO4/SiO2复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制机理。本文结果可为复合粉体抑爆剂防止铝粉爆炸研究提供参考,拓展环保材料的应用领域。
摘要:
随着舰船抗爆炸冲击总体结构优化设计及水中兵器攻击效能评估研究的深入,建立水下中近距非接触爆炸作用下舰船整体损伤模式的快速判定方法尤为重要。通过Abaqus软件建立了爆炸冲击波和气泡联合作用下舰船结构整体损伤特性数值仿真方法并进行了实验验证;分析了水下爆炸载荷强度及舰船结构强度等参数变化对结构整体损伤模式的影响,提出了综合反映爆炸冲击波和气泡联合作用的冲击强度因子C4,表征舰船结构总体强度的结构强度因子S,初步构建了舰船整体损伤模式分布图谱C4-S。研究结果表明,建立的数值仿真方法能较好预测舰船结构整体损伤模式和总体变形,误差不超过10%;提出的两类因子能分别合理表征水下爆炸强度和舰船结构强度,构建的损伤模式分布图谱能较好区分不同爆炸强度、舰船结构强度下的舰船整体中拱、中垂、鞭状损伤模式,可实现对水下爆炸下舰船整体损伤模式的快速判定。
摘要:
为明确水中脉冲放电能量释放过程所产生气泡的脉动和压力波冲击特性,本文依据能量等效原则,在LS-DYNA软件中建立针-板电极结构的水下爆轰模型,模拟气泡形态,通过与获取的物理图像比对,发现气泡形态和时间演化尺度高度一致。在此基础上,对气泡的冲击特性进一步分析,结果表明:冲击波峰值、气泡脉动周期和半径大小随放电能量增加而加大,随静水压力的增加而减小;当放电电压由14 kV增至20 kV,二次压力波峰值由2.89 MPa升至4.09 MPa,提高41.5%;当静水压力由202.65 kPa增至506.63 kPa,二次压力波峰值从5.15 MPa升至6.36 MPa,提高23.5%,放电能量和水压的增加对二次压力波提升明显;随着距离增加,二次压力波所占冲击波的峰值压力比重,由12.6%增加至35.3%,远场放电位置二次压力波不可忽视。
摘要:
为了探索具有优异吸能性能的软基体混合胞孔材料的力学性能,研究该类材料在多次冲击下的冲击响应和材料的可恢复性,对一种软基体混合胞孔材料——ACF(artificial cartilage foam)材料进行了不同速度下的单轴拉伸和压缩实验,得到了ACF材料在不同应变率条件下的应力-应变曲线。并利用落锤冲击实验机对ACF材料和另一种一种软基体混合胞孔材料——发泡聚丙烯材料(expanded polypropylene,EPP)进行了多次冲击下的对比测试,得到了2种材料在单次和多次冲击下的动力学响应。实验结果表明:ACF材料是一种应变率敏感的材料,随着应变率的提升,材料的弹性模量、抗拉强度和抗压强度均逐渐提高;在50 J 冲击能量作用下,ACF材料能够吸收96%以上的冲击能量,远高于EPP材料的70%,ACF材料具有更加优异的吸能性能;5次冲击后ACF材料的最大峰值力、最大变形量和吸能能力几乎不变。相比于EPP材料,ACF材料有良好的可恢复性,且具有稳定的多次抗冲击能力。这些研究为软基体混合胞孔材料在多次冲击防护中的应用提供了实验依据。
摘要:
基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)实验装置对修正侧开单裂纹半孔板(improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC)试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。
摘要:
基于双向渐进结构优化方法(bi-directional evolutionary structural optimization,BESO)框架,将传统动态载荷优化法中的内外层迭代引入到ABAQUS-MATLAB平台集成优化中,改进动态载荷拓扑优化流程。对初速度为v0=100 m/s的子弹冲击下的夹芯拱结构进行拓扑优化设计和动力学响应分析。优化后夹芯拱芯层的变形模式可分为3个对称的部分,跨中区域的中部和上部主要发生压缩变形,呈现类三角点阵桁架结构,边界区域上部发生拉伸变形,下部发生压缩变形,呈现C形型结构,跨中和边界之间的过渡区域以拉弯联合变形为主,呈现Y形结构。通过与两种等质量的拱结构对比,分析了3种结构在不同初速度的子弹冲击下结构的挠度以及芯层的能量吸收情况。结果表明:在相同的冲击速度下,优化后的结构挠度最小,芯层比吸能最高;当冲击速度较低时,优化后的结构的抗冲击性能优势并不明显;在所研究的冲击速度范围内,冲击速度越高,优化后结构的抗冲击性能越好。对比对称载荷与非对称载荷(冲击点偏移量为100%)下2种优化结构在不同载荷工况下的动态响应,结果表明:载荷工况不同,得到的最终优化结果也略有所不同,但在相同载荷下结构的响应相差较小每种工况下得到的优化结果在相应工况下所展现的力学性能略优,但均明显优于传统结构。因此,在对称冲击载荷下优化所得的结构具有一定的普遍性。
摘要:
金属材料的塑性流动行为依赖于温度和应变率,温度和应变率敏感性是金属材料塑性流动的最重要的本质特性之一,建立合适的热黏塑性本构关系来准确描述金属塑性流动行为的温度和应变率依赖性,是金属材料能被广泛应用的必要前提。为此,对金属热黏塑性本构关系的最新研究进展进行了综述,介绍了常见的几种金属热黏塑性本构关系并进行了详细讨论,给出了各本构关系的优势与不足,最后系统介绍了包含金属塑性流动行为中出现的第三型应变时效、或K-W锁位错结构引起的流动应力随温度变化出现的反常应力峰以及拉压不对称等行为的金属热黏塑性本构关系的研究进展。
摘要:
针对数值计算中水介质初始参数设置对水下爆炸载荷特性的影响开展了深入分析。基于参考状态参数确定了水介质状态方程形式;从热力学角度分析了常用的两种初始参数设置方式,提出了一种按等温假设设置初始参数的方式,并对LS-DYNA中INITIAL_EOS_ALE关键字给出的参数设置结果进行了分析;采用LS-DYNA程序进行一维球形装药水下爆炸数值计算,分析了3种设置方式下爆炸载荷特性的差异,并与已有研究成果进行了对比。结果表明:当仅改变水介质内能项时,参数按等容过程变化,流场压力源于外界传热,与实际深水环境严重不符;INITIAL_EOS_ALE关键字给出的参数设置结果与仅改变水介质密度(等内能过程)接近,水温变化规律与真实环境不符;按等内能过程和等温过程设置初始参数时,水下爆炸载荷特性计算结果基本相同,与已有成果吻合;综合分析认为,按等温形式进行初始参数设置方式较优。研究成果可为水下爆炸尤其是深水爆炸数值仿真提供参考。
摘要:
为探究周向通气对回转体入水表面载荷的影响,基于VOF(volume of fluid)模型和Realizable k-ε两层湍流模型,开展了周向通气回转体低速入水流场演化数值预报和表面载荷特性分析。通过将数值预报的空泡形态与试验结果相对比,验证了所采用的数值方法的有效性,并分析了不同通气率对空泡形态、流场特性和表面载荷特性的影响。结果表明,通气会改变回转体入水空泡演化过程以及侧壁表面压力,在通气作用下空泡第一次脱落时间延缓,并且通气气体流向空化器后方负压区,改善了空化器后方的负压情况;其次,通气气体在通气口附近形成了明显的涡结构,之后与壁面处由空化器形成的涡融合,增强了空泡中部的涡流强度;最后,通气率越大,空泡闭合时间越晚,空泡体积越大,尾部空泡越不容易发生脱落,同时通气会减缓回转体表面的压力波动,通气率越大压力波动越小。综合分析可以认为,侧向通气对于回转体低速入水流场及表面载荷特性有一定的改善作用。
摘要:
为了提升高压功率模块在高速冲击环境中的结构可靠性,本文研究了高压功率模块采用不同固定方式的抗冲击特性。基于一维应力波条件,针对模块在自由式霍普金森杆系统中的运动响应以及能量转换形式进行理论分析,完成了模块的变形能与动能结果对比。采用有限元仿真模拟了20 m/s冲击速度下模块的运动和变形过程,提取关键结构的应力分布、挠度、位移响应速度和加速度响应曲线,其中应力响应最高位置在陶瓷基板层,达到427 MPa,挠度响应最高位置在金属底板层,达到了773.8 μm,模块整体位移速度最高达到17.68 m/s,加速度最高达到51110.7 g。对比四种固定方式的冲击响应结果,模块冲击后底板变形量由小到大分别为面贴装固定、四角点固定、短边两点固定和长边两点固定,面贴装模块的位移动能和加速度峰值最大。结果表明采用面贴装固定的模块在冲击加速度载荷下发生变形失效的可能性最小,面贴装在四种固定方式中是可靠性最高的安装方式,之后的选择优先度分别是四角点固定、短边两点固定和长边两点固定。研究成果为半导体高压功率模块在实际应用中的安装固定方式选择提供了重要理论依据。
摘要:
对于受轴向冲击载荷作用的薄壁圆管动态响应的相似律问题,由于圆管的薄壁特性导致厚度无法与高度和半径按相同的比例进行结构缩放,从而产生模型的几何畸变,此时传统的相似律已无法描述原型与畸变模型之间的动态响应规律。基于薄壁圆管轴向冲击问题的控制方程,通过能量守恒和量纲分析,推导了考虑几何畸变条件下轴向冲击载荷作用的理想弹塑性薄壁圆管动态响应的相似律。通过在给定应变与应变率区间上建立比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,将几何畸变相似律进一步推广至包含应变率和应变硬化的材料。通过数值方法验证了提出的几何畸变模型相似律的适用性。分析结果表明,提出的考虑厚度畸变的受轴向冲击薄壁圆管的相似律可用于预测原型结构的冲击动态响应,并显著降低比例模型与原型结构平均载荷和能量的偏差。
摘要:
海上作战时,近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律,开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明,气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着,基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟,结果表明:爆距在0.821~0.867倍最大气泡半径时,存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点;固支方板加快了气泡坍塌的进程,炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早;射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增加先增加后减小,并在临界点附近达到最大值,射流速度最大可达621 m/s,射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后,给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。
摘要:
为了研究铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料冲击载荷作用下响应特性,制备了具有反应活性的Al/PTFE块体材料,设计了拉氏实验,采用不同厚度的铝隔板控制入射冲击波幅值,利用锰铜压阻计测量了冲击波在材料中传播过程压力演化过程。同时,基于AUTODYN有限元软件,采用Lee-Tarver三项式点火模型对Al/PTFE活性材料拉氏实验进行数值模拟,并探讨了冲击波在500 mm厚的Al/PTFE活性材料长距离传播行为。研究结果表明,冲击波压力在Al/PTFE活性材料短距离传播过程中存在明显的衰减,但是,当冲击波传播到远距离时,冲击波压力幅值和冲击波速度趋于稳定,分别为1.3 GPa和2 180 m/s。同时,距离铝隔板越远的材料,其反应度越低并最终趋于0.17。正是由于材料化学反应释能,导致了冲击波压力传播过程最终趋于稳定状态。
摘要:
为了开展激光选区熔化(SLM)增材制造钛合金的动态力学性能的研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供理论基础。
摘要:
准确评估精确制导武器的侵彻深度可为防护工程设计提供重要参考。已有研究工作大多集中于中、小口径弹体和普通强度混凝土靶体,且由于尺寸效应的影响使得现有计算方法对预测大口径典型钻地弹侵彻深度的适用性值得商榷。首先,综合分析了已有弹体侵彻试验数据,发现引起侵彻深度尺寸效应的主要原因是混凝土粗骨料粒径未随弹体尺寸进行同比缩放;其次,开展了5发100和203 mm口径缩比钻地弹侵彻C40和C100混凝土的试验和数值模拟分析,提出并验证了大口径弹体侵彻混凝土深度的实用化有限元计算方法;然后,确定了美军5种典型钻地弹在不同侵彻速度(100~600 m/s)下对上述2种强度混凝土靶体的侵彻深度,并对现有7种计算公式的适用性进行了评估;最后,基于已有大量试验数据拟合确定了侵彻深度随混凝土强度的衰减规律,并计算得到340 m/s侵彻速度下5种典型钻地弹对C40~C200混凝土的侵彻深度。
摘要:
针对二维三轴编织复合材料(two-dimensional triaxially braided composite, 2DTBC)在低速冲击和冲击后压缩(compression after impact, CAI)载荷下的损伤失效机理,开展了2DTBC试样的不同能量低速冲击试验以及相应的CAI试验,并采用红外热像仪监测在低速冲击和CAI试验过程中的温升现象。通过C扫描表征了不同能量低速冲击后试样的分层损伤情况,讨论了试样背面温度场分布特性及其随冲击能量的演化规律;对比分析了2DTBC冲击后剩余压缩强度与冲击能量的对应关系,基于数字图像相关法(digital image correlation, DIC)监测了CAI试验中的全局应变场,结合热成像、变形场和光学图像数据,阐明了不同能量冲击后2DTBC的压缩失效特性,讨论了基于红外热成像技术表征编织复合材料损伤失效行为的有效性。试验结果显示:编织复合材料低速冲击和CAI试验中的温度场分布图与编织几何构型有明显关联度;低速冲击试验的温升幅值随冲击能量的增加而快速上升,CAI试验的温升现象随着冲击能量的增加而减弱;分层面积随冲击能量的增大而增大,冲击后剩余压缩强度随冲击能量的增大而降低。研究结果表明:红外热成像技术能够很好地捕捉试样破坏瞬间释放断裂能所产生的温升现象,温度场图像相较全局应变场能更好地捕捉破坏的起始位置和失效特征。
摘要:
针对异型截面侵彻弹体的工程应用需求,围绕椭圆截面侵彻弹体结构响应及优化设计问题开展研究。引入无量纲壁厚系数,改进了椭圆截面弹体参数化表达式;以提高短轴惯性矩和静矩、降低短轴方向结构响应为目标,开展了椭圆截面弹体抗弯优化设计。基于152 mm口径轻气炮开展了椭圆截面弹体反弹道侵彻试验研究,获得了软回收试验弹体的弯曲挠度结果;开展了试验工况的数值模拟仿真研究,提取了仿真计算中弹体的变形结果;建立了椭圆截面侵彻弹体弯曲结构响应计算模型,利用此模型对试验弹体变形情况进行了计算。与原椭圆截面弹体相比,优化后截面短轴惯性矩、静矩提高比例约为16%,试验弹体弯曲挠度降低比例约为25.3%,数值模拟及理论模型计算结果与试验结果较为相符,验证了本优化设计方法的有效性,可为工程设计提供参考。
摘要:
SHPB被动围压试验为探究散体介质在爆炸和冲击荷载作用下的力学行为提供了一个行之有效的方法途径。针对相关试验设计和计算中存在的弊端和不足,本文借助经典板壳理论将SHPB被动围压试验中用于约束散体介质的刚性套筒简化为受均匀带状内压作用的圆柱形壳体。理论计算了套筒径向位移、环向应变与均匀带状内压及套筒几何、力学参数的定量关系,得到了套筒径向位移、环向应变沿其轴向的分布规律;分析了套筒长度、厚度、内外径以及均匀带状内压宽度之间等无量纲几何参数对计算结果的影响规律;最后将理论结果与试验和数值模拟结果进行对比分析,验证了理论计算的准确性。本文提出的理论修正方法可为指导散体介质SHPB被动围压试验提供参考。
摘要:
相较于传统透明材料,相同面密度下透明陶瓷具有更优异的抗冲击性能,使其成为极具应用前景的透明装甲防护材料。研究透明陶瓷在冲击下的破坏响应及损伤演化规律,对透明陶瓷装甲的结构设计及防护能力的提高起到至关重要的作用。为了比较传统透明材料与典型透明陶瓷材料在冲击过程中的破坏特性差异,利用9 mm弹道枪发射平台进行了浮法玻璃、YAG透明陶瓷及镁铝尖晶石透明陶瓷3种透明材料的边缘冲击(EOI)试验,破片发射速度为200~300 m/s。通过高速摄影捕捉破片的撞击过程,分析了粉碎区及主裂纹扩展距离随时间的变化规律。结果表明,3种材料在不同速度破片的冲击作用下,粉碎区面积与材料强度呈负相关性。对同种材料,在200~300 m/s速度范围内,破片撞击速度对主裂纹的扩展速度没有影响。同时比较了玻璃与透明陶瓷在宏观尺度上的损伤演化特征差异:玻璃在粉碎区两侧产生三角形的次裂纹区域,陶瓷材料则会产生细长的次裂纹簇,并会产生较明显的裂纹“分叉”现象。利用扫描电子显微镜对回收到的陶瓷碎片进行观测,并分析了两种透明陶瓷材料在细观尺度破坏特征的异同。两种透明陶瓷的径向裂纹断面上会出现从沿晶断裂到穿晶断裂的过渡变化,而环向断裂面上几乎都是沿晶和穿晶混合断裂。两种透明陶瓷中,仅YAG透明陶瓷在沿晶断裂时会出现晶体“剥落”现象。
摘要:
针对提高混凝土梁抗冲击爆炸性能的起波配筋新技术,采用理论分析与动态冲击拉伸试验相结合的方法,揭示了起波钢筋的快速拉伸变形作用机理,分析了拉伸速度、起波矢高等因素对起波钢筋抗拉强度的影响规律,确定了起波钢筋静态弹性极限强度计算方法。提出了起波钢筋等效拉伸应变率新概念,建立了弹性极限强度动力放大系数(dynamic increase factors,DIF)计算模型。研究结果表明,预先弯折起波使得钢筋在受力拉直过程中产生截面弯矩,起波钢筋的力学性能存在明显的应变率效应;起波钢筋弹性抗拉极限强度DIF随起波矢高的增高先增大后减小,存在一个最优起波设计矢高,可以使起波钢筋抗拉强度动态放大系数达到最大。研究成果可为进一步推动起波配筋技术在防护工程中的应用提供依据。
摘要:
地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实(耦合装药)爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg1/3。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg1/3时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。
摘要:
为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量(绝对值)。
摘要:
为研究开剖面复合材料薄壁吸能结构的吸能特性,基于高速液压伺服试验系统,开展了开剖面复合材料薄壁结构轴向压缩试验,分析了截面构型、截面长宽比、触发模式及加载速度对其吸能特性的影响,揭示了其在压溃过程中的失效及吸能机理。研究结果表明,复合材料薄壁结构压溃过程中主要通过材料弯曲、分层、剪切破坏以及压溃区之间的摩擦吸能。截面构型对其吸能特性影响显著,其中,帽型及Ω型试件的平均压溃载荷较C型试件分别高出14.1%和14.6%,比吸能较C型试件分别高出14.3%和14.8%;截面长宽比对复合材料薄壁结构吸能特性的影响不如截面构型明显;触发模式主要影响吸能结构的初始压溃阶段,在降低峰值载荷方面,C型试件采用45°倒角触发效果更好,帽型试件采用15°尖顶触发更好;当加载速度从0.01 m/s提高到1.00 m/s时,C型、帽型及Ω型试件的平均压溃载荷分别下降了6.1%、10.9%和6.1%,比吸能分别下降了6.2%、11.0%和6.2%。
摘要:
高性能纤维织物承力层承担充气舱的内压载荷,并为充气舱提供空间碎片防护。充气舱内压载荷将导致纤维织物承力层产生预张力,并对纤维织物的空间碎片超高速碰撞特性产生显著影响,从而影响其空间碎片防护性能。为分析预张力对纤维织物超高速碰撞过程中热-力学特性的影响,本文中采用Johnson-Cook强度模型和Mie-Grüneisen状态方程建立了纤维材料热-力耦合材料模型,利有限单元-光滑粒子流体动力学(FEM-SPH)耦合算法对纤维织物的纱线编织结构进行离散建模,并通过施加张力载荷实现纤维织物靶板的预拉伸,进而建立了预张力纤维织物超高速碰撞数值模型,分析并得到了预张力作用下纤维织物超高速碰撞热-力学特性及空间碎片防护性能。结果表明:在弹丸超高速碰撞下,随着预张力的提高,纤维织物穿孔面积增大,碎片云扩散角减小,弹丸动能吸收率降低,碰撞区域温度降低。预张力的存在显著降低了纤维织物的空间碎片防护性能。
摘要:
工程应用中,金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响,要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为,必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而,由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离,给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试,提出了一个包含应力三轴度和罗德角影响的新型本构模型,并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和JC模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明,新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势,而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此,该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。
摘要:
为了获得几种常用炸药的爆压和反应区宽度数据,采用激光干涉测试技术对TNT、PETN、RDX、HMX、TATB和CL-20炸药的稳态爆轰波界面粒子速度进行了测试,获得了高精度的界面粒子速度时程曲线,利用阻抗匹配公式计算得到了炸药的爆压。结果表明:PETN、RDX、HMX和CL-20等理想炸药的界面粒子速度曲线存在较明显的拐点,爆轰反应区较窄,反应时间为7~15 ns。TNT和TATB炸药由于存在碳凝聚慢反应过程,界面粒子速度曲线没有明显的拐点,爆轰反应时间分别为(100±15) ns和(255±20) ns。初步的不确定度分析表明,激光干涉法测试爆压的相对扩展不确定度为4.4%(包含因子k=2)。
摘要:
为研究不同方式的偏心起爆对炸药装药能量分配及增益的影响,建立了偏心起爆战斗部的理论模型,引出了能量分配中心的概念,通过引入局部装填比这一变量,给出了偏心起爆战斗部破片的初速计算公式。采用数值模拟与试验验证结合的方法,对六分位条件下不同偏心起爆方式的破片速度增益和能量增益进行了对比,得出以中心起爆为基准,分别以邻位双线、连位三线、间位双线、偏心单线方式起爆,定向方位内破片的速度增益依次增大;邻位双线起爆时,目标方向破片速度增益达25.47%,定向区域破片动能占总能量的24.57%,能量增益超过40%。
摘要:
基于对超高压水射流喷头的外部参数定量化分析,给出关于射流核心参数的优选方法,旨在提高水射流效率。首先,根据超高压水射流除锈喷嘴的工作特点,考虑到水的压缩性和空化效应,建立单束定冲角、多束旋转喷头的三维数值模型,通过改变靶距、入射角度、转速等外部特征参数,实施了超高压水射流除锈喷头水动力性能模拟研究。然后,重点分析单束定冲角喷嘴靶距、入射角度对靶面剪切应力、打击压强分布的影响,以及射流等速核长度与最佳射流靶距的关系。发现当靶距等于喷嘴射流等速核长度时,壁面剪切应力达到最佳水平。此外,通过分析高速旋转射流卷吸效应、靶面水垫作用对靶面所受剪切应力、打击压强分布的影响,得到最佳转速范围和对应线速度。初步阐明了射流冲击剥离的机理、单束定冲角以及多束旋转射流的特征参数对射流效果的影响,可为超高压除锈喷头的设计、装配提供参考。
摘要:
在评估弹药在高原的爆炸威力时,需要考虑高海拔条件对炸药爆炸冲击波参数的影响。为研究高海拔低气压条件下的冲击波传播规律,开展了模拟海拔高度h=500, 2 500, 4 500 m 3种气压条件下的爆炸冲击波测试实验。结果表明,当环境气压每下降20%时,冲击波超压、比冲量和到达时间平均降低约9%、10%和6%。将使用Sachs因子修正后的计算结果与测试数据进行对比分析,发现该方法能较好地预测不同环境条件下的爆炸冲击波参数。进一步分析了环境温度的影响,发现初始温度升高会使到达时间提前,本文实验的温度条件对超压和比冲量的影响并不显著。该研究结果对战斗部在高海拔的爆炸威力评估具有参考意义。
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2022, 42(4).  
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2022, 42(4): 1-2.  
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特别约稿与研究综述
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颅脑爆炸伤是现代战争中士兵面临的主要伤害之一,近年来受到广泛关注。冲击波经由颅脑传播带来的直接伤害被称为初级爆炸伤。目前,初级颅脑爆炸伤致伤机制尚不明确,可能是应力波传播、颅骨弯曲变形、颅脑空化及躯干压缩等多种因素共同作用的结果。该研究是涉及多学科交叉、多物理场耦合及短时和长时效应共存的复杂问题,需要通过建立描述冲击波和颅脑相互作用的高精度、多尺度和多物理场数值模型,发展测量颅骨应变、颅内压力、加速度等力学指标的物理测试系统,结合人体和动物病理、生理、行为学等综合因素分析,最终揭示颅脑爆炸伤致伤机制。本文中介绍了初级颅脑爆炸伤致伤机制,给出了颅脑爆炸伤的行为学、生理学相关的医学评价指标,以及颅骨应变、颅内压力等关键力学评估指标,提出了基于致伤机制和评价指标的防护结构设计方法,包括基于新型防冲击波材料的头盔系统改进、头盔缓冲系统设计、增加头部保护系统的封闭性等,最后展望了在精细化建模、原位实验及防护系统设计等诸多方面的发展趋势。
爆炸物理
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为了研究超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)的抗接触爆炸性能,开展了C120、C150和C180等3种强度等级共24块UHPC临空板的接触爆炸实验,定量分析了不同药量时典型配筋与不配筋靶板的局部破坏特征,得到了UHPC的爆炸临界震塌系数、压缩系数和成坑系数。结果表明:相同药量下,UHPC板的正面破坏程度随材料强度的提升而减轻;强度越高,爆炸成坑系数和压缩系数越小,抗爆性能越好;配筋率较低时,钢筋对UHPC板正面爆坑尺寸及背面震塌破坏程度影响较小,但对板的整体变形起到了一定的减轻作用,能够减小板底的剩余挠度和裂缝宽度;C150靶板的爆炸临界震塌系数最小,不大于0.251 m/kg1/3,C120和C180靶板的爆炸临界震塌系数相近,不大于0.285 m/kg1/3。在设计、使用纤维含量较高的大尺寸UHPC构件时,应特别关注由纤维分布方向性引起的材料各向异性和结构力学性能的变化。
摘要:
为了探究热刺激作用下泄压结构对熔铸炸药点火时间及点火前内部物理场变化的影响,设计了有/无泄压结构烤燃弹的内部多点测温慢烤对比试验。基于炸药通用烤燃模型(universal cookoff model, UCM),建立了炸药熔化后受浮升力驱动流动,反应速率随压力、反应进程等变化的B炸药烤燃计算模型,对有/无泄压结构烤燃弹的炸药在升温过程中的温度场及内部压力变化等情况进行了数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明:慢烤条件下,烤燃弹内部压力呈先缓后急上升趋势;有泄压结构烤燃弹在结构作用前的压力变化趋势与无泄压结构的一致,泄压结构的作用会使炸药自热反应速率骤然降低,炸药内部温度下降,自热反应速率降低和产物气泡驱动的对流共同导致了点火时间的延后;由于对流的作用,炸药点火点都在弹体顶部区域。
摘要:
为研究聚黑-14C(JH-14C)传爆药静态压缩力学性能及损伤特性,开展准静态压缩实验,获得了不同应变率下的应力-应变曲线,建立了描述不同应变率下JH-14C力学行为的非线性本构模型;利用扫描电镜(SEM)对回收试样进行细微形貌观测,获得了准静态压缩JH-14C损伤特性的表征。结果表明:JH-14C压缩强度随应变率的升高而提高;实验与计算结果对照验证了本构模型的有效性;准静态压缩实验中,JH-14C主要损伤模式为脱湿和穿晶断裂。
摘要:
为研究浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应,提出了一套新型试验工装,通过浅埋砂爆试验,系统探究了浅埋爆炸过程中冲击波的传播、爆炸产物与砂土的喷射轨迹、靶板的变形形貌以及爆炸载荷的空间分布情况。结果表明:浅埋爆炸在空气中产生冲击波,其传播速度大于爆炸产物与砂土的喷射速度;起爆后的爆炸产物与砂土迅速向外喷射,体积随时间不断膨胀,撞击到靶板后向四周扩散;通过特 殊设计的试验工装与靶板,定性得出浅埋砂爆载荷产生的冲量在空间中呈非均匀分布,即中间最大,向四周逐渐减小。对比分析2次不同试验,发现炸药埋深影响爆炸产物和砂土喷射时的相对位置:埋深较小时,爆炸产物会冲破覆盖的砂层,直接作用到靶板;埋深较大时,爆炸产物基本被砂层包覆,随砂土共同作用到靶板;此外,增大炸药埋深会延缓爆炸产物与砂土的喷射时间。砂土的类型直接影响靶板的变形形貌,按北约标准AEP-55配做的砂土不仅使靶板产生整体弯曲变形,还在靶板上形成大量凹坑,产生侵彻效果,而普通的河砂仅使靶板产生整体弯曲变形,无明显的侵彻效果。
冲击动力学
摘要:
为了推进超细晶D6A钢在半穿甲战斗部壳体上的应用,研究了动态加载下其宏观力学行为和细观变形机理。运用旋转盘式Hopkinson拉杆技术,开展了超细晶D6A低合金钢(平均晶粒尺寸为510 nm)的动态拉伸实验,获得了不同应变率(500~1000 s−1)下超细晶钢的应力-应变曲线。运用TEM观测微观形貌,从细观层次研究了高应变率拉伸作用下超细晶钢的动态力学特性。结果表明,超细晶D6A钢具有较高的动态拉伸强度和良好的延展性。并且,晶粒细化和纳米析出相(渗碳体)是超细晶钢同时拥有高强度和较好韧性的重要因素;在动态拉伸过程中析出的大量纳米级渗碳体,与高密度晶界共同作用限制了位错运动,从而产生额外的塑性变形抗力,有效提升了超细晶钢的强度;在塑性变形阶段超细晶钢出现的明显应力下降现象,是可动位错密度增高的结果。
摘要:
重组竹是一种新型竹基复合材料,其力学性能优于落叶松等木材。为评价重组竹在动态加载下的顺纹抗冲击力学性能,以密度1.06 g/cm3、含水率8.52%、龄期3~5年的毛竹基重组竹为研究对象,通过准静态单轴压缩和循环加卸载以及动态加载实验,研究了重组竹加载变形过程、各项力学性能指标以及对应变率的敏感性。结果表明:重组竹顺纹压缩过程可以分为弹性变形和弹塑性变形阶段,破坏类型为延性破坏,其各项强度指标随应变率的提高而提高,动态增长因子与应变率之间呈现线性关系,斜率为0.0024;重组竹压缩过程中的应变比能与应变之间呈线性关系,且随应变率的增长而增大,证明其吸能能力随着应变率的增大而提高。实验结果证明,重组竹顺纹具有良好的抗冲击力学性能和显著的应变率效应。
摘要:
纤维金属层合板因其复合材料的各向异性和层合结构特征而具有较好的可设计性,开展金属纤维层合板的优化设计研究对其力学性能的增强和轻量化具有重要意义。为提高纤维金属层合板的抗弹性能,基于响应面分析法对纤维金属层合板的铺层方向和铺层厚度进行了优化设计。采用Box-Behnken方法进行方案设计,以纤维金属层合板各铺层相对厚度比为设计变量,以结构的比吸能为设计目标,根据设计的方案进行参数化建模获取样本点,在对设计样本进行方差分析和参数估计的基础上,建立了结构比吸能的响应面模型并验证了其精确度。采用遗传算法对响应面方程进行寻优分析,通过显式动力学计算程序ABAQUS/Explicit验证优化效果。最终,在最优的铺层方案下,层合板的质量减小了11.70%,能量吸收增加了19.40%,抗弹性能显著提升。
实验技术与数值方法
摘要:
为获得炸药多点起爆的爆轰波传播过程精细细节,研究相适应的超高速光电分幅摄影技术,采用自主研制的超高速光电分幅相机,结合有机玻璃光快门,拍摄到以HMX和以TATB为基的塑料粘结炸药在三点同步起爆条件下纳秒时间分辨爆轰波发展高清晰序列图像,成功观察到爆轰波的整个传播及相互作用过程,捕获到内聚相互作用、马赫杆等波形细节结构。实验结果表明:超高速光电分幅摄影技术基于独立曝光模式,且具有曝光时间短、幅间隔连续可调、空间分辨高等优势,可精细观察到爆轰波传播、相互作用细节信息,该实验方法及其结果对于爆轰波相互作用及爆轰波马赫反射等问题研究具有一定的参考价值。
摘要:
获取光学窗口自身的高压强度特性是开展材料高压高应变率冲击响应行为精密测量和数据反演的重要基础。利用平板撞击和双屈服面法,通过冲击-卸载、冲击-再加载原位粒子速度剖面精细测量和数据反演,获得了约60 GPa范围内[100]LiF屈服强度特性随冲击压力的变化规律。结果表明:在实验压力范围内,[100]LiF的屈服强度随加载压力的提高而显著提高,压力硬化效应显著;同时,LiF在冲击加载下的屈服强度高于磁驱准等熵加载结果,应变率硬化效应强于热软化效应。采用Huang-Asay模型确定了可描述冲击加载[100]LiF强度特性的本构模型参数,为LiF在强度、相变、层断裂等加窗测量实验中的深入应用和数据准确解读提供了重要支撑。
摘要:
数值模拟是研究靶板侵彻问题的重要手段。为对相关软件的选取提供参考,采用当前广泛使用的3种有限元软件(LS-DYNA、ABAQUS、PAM-CRASH)对同一个靶板侵彻实验进行了数值模拟,并比较了各模拟软件的优缺点。研究结果表明:3种软件的模拟结果与实验结果均基本一致;对平头形弹体侵彻的模拟效果普遍优于对半球形弹体的模拟效果;在弹体剩余速度、冲塞块速度2个方面,3种有限元软件的数值模拟结果与实验结果大致吻合。其中,ABAQUS和PAM-CRASH对上述特征量的模拟结果更接近实验结果,平均相对误差普遍小于15%,且PAM-CRASH多数模拟结果误差都小于10%;而在弹体变形量上,3种软件的模拟结果均与实验结果相差较大。此外,LS-DYNA在模拟时的鲁棒性较好,模拟结果较稳定,PAM-CRASH对参数设置最敏感,ABAQUS在计算时间和效果上较平衡。
应用爆炸力学
摘要:
通过对聚氨酯泡沫铝和混凝土组成的复合结构进行接触爆炸试验,探讨了聚氨酯泡沫铝的吸能性能,并进行数值模拟分析。结果显示:聚氨酯泡沫铝的吸能性能明显优于泡沫铝,吸能层厚度对吸能效果影响很大,多层结构的聚氨酯泡沫铝吸能性能对比厚度一致的单层吸能层结构没有明显的改善;在保证了比较合理的吸能层厚度后,防护结构的每一层材料层存在着一个最佳的厚度组合来保证复合层优良的抗爆性能。
摘要:
利用自主搭建的泄爆容器结构响应测试系统,开展了不同泄爆面积条件下甲烷-空气预混气体泄爆实验,结合振动加速度、内部超压、火焰演化和信号频率-时间分布等探究了泄爆面积对容器结构响应的影响特征及机制。研究发现:(1)容器振动加速度曲线和内部超压曲线具有相似的变化趋势,两者均存在双峰现象,且两者一一对应,但加速度峰值出现略迟;随着无量纲泄爆系数增大,第1个内部超压和加速度峰值主体为增大趋势,而第2个内部超压和加速度峰值的变化趋势为先减小后增大再减小;(2)火焰未到达泄爆口之前,上部的火焰平均速度随着无量纲泄爆系数增大而减小,无量纲泄爆系数较小时火焰较早从泄爆口喷出;(3)在当前实验条件下,当无量纲泄爆系数为25.00时,热声耦合现象最剧烈,表现为最大幅值的振动响应和最大能量的高频振荡,而随着无量纲泄爆系数进一步增大或者减小,热声耦合现象逐渐衰减。
摘要:
车轮踏面剥离是轨道车辆车轮非圆化损伤的常见形式之一。轮轨滚动接触过程中,车轮踏面剥离会循环冲击钢轨,诱发异常大的轮轨动态相互作用,严重影响高速列车运行平稳性和安全性。基于三维轮轨滚动接触有限元模型,模拟了高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应,分析了轮轨冲击过程中的轮轨接触力/压力、接触斑及黏/滑特性、钢轨表面节点速度分布和应力/应变状态等响应特征,讨论了列车速度、剥离长度和剥离深度等关键参数对轮轨冲击响应的影响。结果发现,车轮踏面剥离引起的轮轨动态垂向接触力随列车速度的提高呈现出先增大后减小的变化趋势,并在列车速度为300 km/h出现最大值,约为轮轨准静态垂向接触力的1.35倍;随着剥离长度的增大,轮轨动态接触力、轮/轨von Mises应力和等效塑性应变均显著增大;随着剥离深度的增大,仅车轮von Mises应力和等效塑性应变显著增大。