• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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摘要:
为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,本文提出了一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(Negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(Complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,并建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-II)对其进行了多目标优化设计。结果表明:NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47 %,有效压溃长度降低了12.4 %,质量减少了20.18 %。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管耐撞性和轴向抗变形能力,本研究为薄壁吸能结构的设计提供了新思路。
水中金属丝电爆炸动力学过程的零维模型
薛创
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摘要:
金属丝电爆炸包含丰富的物理内容,近年来国内的实验和理论研究取得了重要进展,理解该过程有助于完善Z箍缩及磁加载等离子体动力学过程的物理建模,校验物性参数。在自相似运动假设条件下,发展了冷启动计算的水中电爆炸丝零维动力学模型。从一维磁流体模型出发,推导了描述丝等离子体膨胀的零维动能方程和内能方程,采用实际气体状态方程和修正的李-莫尔电导率参数作为封闭条件,根据质量守恒及水中激波雨贡纽关系式获得了丝等离子体的边界条件。应用于水中铜丝电爆炸动力学过程和能量转化分析,结果表明:该零维模型的物理假设合理,在一定范围内改变丝直径等参数可产生不同的放电模式,与一维模型及实验结果符合较好,能够为同类实验的优化设计和数据分析提供参考。
摘要:
基于前期进行的城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸试验,利用FLACS软件对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波通过泄爆口到达地面后的传播规律进行了数值模拟。结果表明:爆炸冲击波在地面的传播过程可分为3个阶段——稳定段、超压峰值ΔP1段和超压峰值ΔP2段;在稳定段中未出现超压峰值;ΔP1的值较小,主要是由压缩波引起的,ΔP2的值较大,主要是由火焰波引起的;ΔP2随着与泄爆口之间的距离x的增大而逐渐减小,且各方向上数值的差异性较大,其中在沿Y轴方向上,呈对称衰减的趋势;ΔP2与x大致满足指数函数型的关系,且拟合度均在98.8%以上。
摘要:
脆性混凝土材料在韧性材料约束下的抗侵彻性能可得到较大提高,在此基础上施加预应力,可进一步提高其抗侵彻性能,但现有预应力约束方法实现较为困难。基于此提出了一种相对简便的锥台嵌挤预应力约束方法,首先通过LS-DYNA软件验证了该方法施加预应力的可行性,并通过重启动算法开展了预应力约束混凝土靶的抗侵彻性能研究。数值计算结果表明,靶体预应力随着其下压深度和盈差的增大近似线性增加,且混凝土靶体的抗侵彻性能随预应力增大而提高,但预应力过大时靶体内部发生损伤,导致抗侵彻性能反而快速下降。参数敏感性分析表明,合理匹配钢环强度和混凝土强度以及选择合适的靶体含钢率可有效提高靶体预应力、抗侵彻性能以及钢材利用率;且弹体初速度越高,预应力对提高靶体抗侵彻性能的作用越明显。提出的锥台嵌挤预应力约束方法为提高混凝土等脆性材料的抗侵彻性能提供了一种新思路和方法。
摘要:
研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对三个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。
摘要:
为研究低熔点金属锡遇水爆炸机理及能量转化过程,搭建了一套由高频熔融炉、高速摄像机、信号采集仪等组成的可视化实验平台,监测锡与水的质量比为 5、10、15、20 时熔融锡液与水接触反应过程,并选取中高熔点金属铝进行同工况下的对比实验。同时,结合能量守恒定律、爆炸冲击理论建立数学计算模型,用于定量分析爆炸冲击波能量。研究结果表明:质量比为 5 时熔融锡液与水反应触发两次蒸汽爆炸;对比同工况下的熔融铝液遇水爆炸实验得到,爆炸时反应剧烈程度和持续时间分别与金属碎化程度、金属热扩散率有关。此外,高温熔融锡液遇水爆炸过程中约有 0.45%~10.91%的热能转化为冲击波能量。随着质量比的增加,冲击波能量转化率呈现先增后减的变化趋势;当质量比为 10 时,冲击波能量转化率最大。基于锡、铝遇水爆炸实验所得冲击波压力曲线得到,当质量比小于 12.69时,锡液遇水爆炸实验所得冲击波能量转化率高于铝液遇水爆炸实验所得冲击波能量转化率。
摘要:
高聚物材料具有成型快和膨胀性能好的特点,其与碎石、钢筋的复合结构应用于地基处理和城市道路脱空除险加固中具有明显优势。本文设计并制作了高聚物碎石板和钢筋高聚物板,开展了接触爆炸冲击下的试验研究,通过毁伤尺寸和所测冲击波数据研究两种板的毁伤特性。基于ANSYS/AUTODYN非线性显式有限元程序,建立了试验中毁伤更为严重的钢筋高聚物板的接触爆炸全耦合模型,并通过与试验结果的对比,验证了所建耦合模型的准确性和适用性。参数化分析了钢筋高聚物板对炸药量和板厚的敏感性,并利用多参数非线性回归分析方法,提出钢筋高聚物板迎爆面和背爆面破坏直径的预测公式。结果表明:接触爆炸作用下,高聚物碎石板的毁伤模式以接触部位的局部震塌冲切破坏为主,除此之还有一些毁伤裂纹;钢筋高聚物板的破坏模式主要是迎爆面爆坑毁伤、背爆面剥落损伤和中心冲切贯穿破坏;高聚物碎石板和钢筋高聚物板对爆炸冲击波都具有良好的衰减作用,表明其具有应用到抗爆炸冲击防护领域的潜能。
摘要:
数字图像相关(Digital image correlation, DIC)技术作为一种非接触、非干涉的全场无损光学量测技术,可获取材料表面的动态变形信息和破坏过程。为了评估装甲钢的抗弹性能并探索高速三维数字图像相关(3D-DIC)技术在钢板贯穿试验测试中的应用,基于氢氧爆轰驱动弹道枪开展了7发15mm口径可变形弹体以不同速度(255~568m/s)冲击不同厚度(5mm、8mm和10mm)高强高硬装甲钢板的试验,并结合帧率为144000/s的高速3D-DIC测试技术获取了靶板的离面位移和应变时程。随后,基于前期标定并验证的装甲钢本构模型参数,对上述试验进行数值仿真分析。通过对比弹体残余速度和长度验证了有限元分析方法的可靠性。进一步通过对比试验与仿真得到的靶背离面位移时程曲线和不同时刻靶背的应变云图,验证了高速3D-DIC测试结果的准确性。最后,对比分析了靶板最大离面位移与弹体冲击速度和装甲钢板厚度的关系。本文中高速3D-DIC测试技术的应用可为相关试验测试提供参考,靶板最大离面位移分析结果可为屏障类防护结构的分析验证和优化设计提供试验依据。
摘要:
为研究药型罩对聚能射孔弹侵彻页岩储层的射孔和损伤致裂效果的影响机理,建立了“射孔弹-空气-页岩”三维模型,设置药型罩的锥角分别为50°、60°、70°、80°,壁厚分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm,材料分别为铜、钢、钛、钨。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算,分别从射流速度与形态、页岩射孔效果及页岩孔裂隙形成规律特征等进行系统性分析。研究结果表明:在射孔弹结构中随着药型罩锥角的减小,射流速度增大、杵体速度减小、侵彻深度增大同时开孔孔径减小。在一定范围内适当减小药型罩的壁厚,可以增大射流速度、减小杵体质量、增加侵彻深度和开孔倾斜度。药型罩材料对射流速度、杵体结构和页岩射孔效果均有显著影响,其中钨药型罩射孔弹的侵彻深度最大但开孔孔径最小、钛药型罩射孔弹的侵彻深度最小但开孔倾斜度最大、铜比钢药型罩射孔弹的侵彻深度略大但开孔孔径略小。通过研究不同对照组的页岩孔裂隙形成规律特征发现,页岩孔裂隙发育主要发生在杵体对页岩的再扩孔阶段,减小射流初始扩孔孔径、提高杵体直径、提高杵体速度可以促进页岩孔裂隙发育程度。
摘要:
采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究,分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗冲击性能,结合相应的三点弯曲实验,研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明:密度梯度对结构失效过程和失效模式有着明显的影响,且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用。均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形,其他梯度形式的芯层随着冲击强度的变化均会出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度较低时,梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力。随着冲击强度的提升,低强度芯层的快速压实使得均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理的设计密度梯度的逐层压缩吸能,能够有效的提升防护结构的抗冲击性能,对轻量化功能梯度结构的优化设计具有一定的参考价值。
摘要:
为研究在GPa、10μs级缓前沿斜波作用下压装PBX炸药基体中微介观热点点火行为,本文设计了一种强约束压装PBX炸药非冲击点火反应驱动的斜波加载装置,基于炸药层流燃烧的燃速模型和自编的二维轴对称有限差分程序对装置输出的压力波形特性进行了分析,讨论了燃烧过程中加载炸药破碎程度和装置结构参数(壳体和隔层厚度)对输出波形的影响。计算结果表明,加载炸药破碎形成的燃烧比表面积大小是影响非冲击点火反应压力演化的关键因素,燃烧比表面积越大,输出的斜波压力越大,峰值压力可达GPa以上,对应的压力上升前沿可从数十μs降至数μs。加载炸药外部壳体厚度即约束强度对非冲击点火反应产生的压力大小影响显著,壳体越厚输出的斜波压力越大。加载炸药与受试炸药之间的隔层厚度直接关系到输出至受试炸药处的斜波压力大小,随着隔层厚度的增大,输出的斜波压力以近似指数的关系衰减。参考计算结果完成了装置的结构设计,对受试PBX炸药进行了斜波加载实验,采用PVDF测得受试炸药入射界面处的压力为1.6GPa、前沿宽度为25μs,初步证明了采用强约束压装PBX炸药非冲击点火反应实现GPa、10μs级斜波压力输出的可行性。
摘要:
针对某光学舱所采用的泡沫铝夹层防护结构在破片冲击下的抗冲击性能问题,采用Monte Carlo方法创建了泡沫铝结构的二维细观模型,在常规态型近场动力学理论中引入了Mises屈服准则和线性各向同性强化模型,建立了近场动力学塑性本构的数值计算框架。基于近场动力学计算程序模拟了低速冲击作用下泡沫铝夹层结构的塑性变形以及有机玻璃背板的裂纹扩展形态,分析了泡沫铝芯材孔隙率对该夹层结构抗冲击性能和损伤模式的影响规律。结果表明:泡沫铝夹层结构良好的塑性变形能力是其发挥缓冲与防护作用的主要因素,并且在一定范围内,泡沫铝芯材孔隙率越高,则夹层结构具有更好的抗冲击性能;当泡沫铝孔隙率从0.4提升到0.7时,泡沫铝对冲击物的动能吸收率从90%提高到99%;仿真结果与实验结果具有较好的一致性,验证了仿真结果的准确性和分析结论的有效性。通过数值仿真预测了有机玻璃背板的裂纹扩展形态,结果表明,提高泡沫铝的孔隙率能获得更好的防护效果。
摘要:
绝热剪切是材料在高速冲击加载下一种常见的变形、破坏形式,普遍存在于高速碰撞、冲压成型、弹丸侵彻、高速切削和爆炸破碎等高速变形过程中。使用二辊轧机对TA2工业纯钛进行多道次大应变冷轧处理,制备了冷轧总变形量为70%的TA2纯钛板。通过对冷轧TA2纯钛板进行500°C加热、不同保温时间的退火处理,获得了具有不同再结晶组织的钛板。基于帽型试样和限位环变形控制技术在分离式霍普金森压杆装置上对不同再结晶组织的试样进行动态冲击“冻结”实验,结合光学显微镜和扫描电子显微镜表征试样冲击前后微观组织的变化差异,研究了再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响。结果表明,随着退火保温时间的增加,试样再结晶晶粒占比逐渐增加,晶粒分别由分散向局部聚集转变;在相同应变及应变率下,所有试样中都观察到了绝热剪切带,再结晶晶粒占比高的试样更易诱发绝热剪切带中裂纹形核扩展。对比分析变形前后试样再结晶组织和几何必需位错变化,结合剪切区整体温升分析表明,再结晶晶粒作为材料软化点能够诱发剪切带的形成,绝热温升效应主要发生在剪切带发展后期,促进剪切带内材料发生二次再结晶,提高剪切带内材料的韧性,延缓剪切裂纹的形成。
摘要:
为深入认识跌落冲击条件下构型弹体内部的载荷传递规律及结构响应特征,促进战斗部装药安定性评估和结构设计,本文结合数值仿真和应力波分析手段,研究了构型弹体在跌落过程中的冲击响应特征,主要关注内部药柱的变形和损伤特性,并讨论跌落姿态、装药构型和跌落高度等因素的影响。结果表明,在跌落冲击条件下,构型弹体装药的变形并非由药柱同壳体的直接撞击作用主控,而主要受到弹体内部应力波传播的影响。装药结构最大变形和损伤区域并不位于药柱外侧同壳体相接触的位置,而是位于内部区域。冲击应力波在壳体和药柱之间的透射特征、在壳体和装药内部的反射和叠加特性等决定了药柱的主要变形区域及其变形程度。跌落姿态对药柱的响应特征和变形形貌具有重要影响,导致装药安定性风险从大到小排序的跌落姿态依次为:尾部向下垂直跌落、水平跌落、头部向下垂直跌落、倾斜跌落。药柱构型也具有重要作用,其中药柱分段界面容易使得药柱变形程度增大,但对装药过载以及变形分布特征的影响相对较小;隔板结构则容易增大装药过载,同时导致药柱的局域变形位置和变形程度均发生改变。跌落高度对药柱变形区域分布特征的影响较小,对载荷幅值、变形程度和分布范围大小等则具有重要作用,随跌落高度增加,药柱的变形和过载逐渐增大。本文基于数值仿真结合应力波传播来阐释复杂构型弹体结构响应特征的研究手段,较好地搭建了基本理论与实际工程应用之间的分析桥梁。
摘要:
基于iSALE-2D仿真代码对依兰陨石坑的形成过程进行了研究,采用欧拉算法开展数值模拟,研究了依兰陨石坑的撞击条件,统计分析了成坑过程中熔化层的形成与分布规律,结合点源成坑相似律模型,拟合得到强度机制下的成坑半径关系式。研究结果表明一颗直径120 m、撞击速度12 km/s的花岗岩质小行星垂直撞击地表形成一个与依兰陨石坑形态相似的陨石坑。再现了成坑形成的三个阶段:接触与压缩阶段、开坑阶段、后期调整阶段。大部分熔体在坑底呈分层堆叠分布,少量熔体随抛射物沉积在靶体表面,呈离散状分布,完全熔化材料质量约为撞击体质量的24倍。直径120m、撞击速度12km/s工况模拟结果与拟合的成坑半径关系式结果相对误差10.3%。
摘要:
为了考察受超高车辆撞击装配式钢筋混凝土箱梁跨线桥的冲击动力和破坏行为,本文以一起近来发生的实际工程事故为案例进行精化有限元数值分析,并提出了双质量-并联弹簧(double mass-parallel spring, DM-PS)简化车辆模型,以有效地模拟超高车辆与桥梁的非对心碰撞行为。所建议DM-PS简化模型的有效性通过与两种广泛使用的车辆模型包括全尺(full scale, FS)模型和简单刚体(simple rigid, SR)模型的比较而得到充分地评估。计算结果表明:采用F-S模型可得到与事故现场照片基本一致的跨线桥撞击区域破坏特征;SR模型高估结构的局部破坏,弱化结构的整体变形;DM-PS模型对于预测结构破坏具有较高的准确性。因此,所提出的DM-PS模型为超高车辆撞击桥梁结构防护设计提供了一个简单有效的分析手段。在此基础上,利用DM-PS模型进行了详细的结构行为参数分析,深入考察了车辆撞击速度、质量、位置以及结构形式等效应。所得到的结论为:相比撞击质量,结构的冲击动力行为对于撞击速度有更高的敏感性;跨中受撞和边跨受撞的变形和破坏模式有较大差异,边跨受撞对于单侧支座损伤更为严重;箱梁内的箱板以及底板可以有效提高结构的抗冲击性能。
摘要:
为探究聚能张开角对双线型聚能药包结构炸药有效利用率和聚能效应的影响,通过瞬时爆轰假说理论对有效聚能炸药边界方程进行推导,分析不同聚能张开角聚能装药结构炸药的有效利用率。通过水泥砂浆物理模型试验,研究不同聚能张开角预裂孔成缝规律。采用LS-DYNA数值模拟软件,建立不同聚能张开角数值模型,揭示不同聚能张开角的双线型聚能结构药包射流的侵彻过程。研究结果表明聚能张开角为75°时,炸药产生聚能效应的有效利用率最大。聚能结构药包聚能槽张开角为75°时,预裂孔成缝效果明显优于聚能槽张开角为60°的聚能结构药包,沿聚能槽方向应力集中效应和侵彻深度最佳,炮孔壁上岩石单元最先达到应力峰值。针对聚能张开角为75°的双线型聚能结构药包开展了不同岩性预裂爆破现场试验,板岩和白云岩两种不同岩性在孔距增大20%的条件下,双线型聚能预裂爆破效果优于常规预裂爆破。
摘要:
为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应,并探讨是否存在“最优爆距”,基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600mm,炸药量为2.2g,重力坝模型几何比尺为1/80,包含5组爆深(50~250mm),每组爆深对应12组爆距,爆距范围为10到200mm,相应比例爆距范围为0.077到1.54 m/kg1/3。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明,对于重力坝整体结构破坏,如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏,水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低。定量结果同样表明,随着爆距增加,重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同,5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40mm附近,表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。
摘要:
为研究蜂窝钢管混凝土的抗侵彻性能,采用125mm口径滑膛炮开展了6发蜂窝钢管混凝土靶侵彻试验,获得不同工况下靶板破坏形态及侵深数据,分析了蜂窝钢管混凝土的典型破坏形式,对比了不同弹靶尺寸比值系数下靶板破坏形式的区别以及着靶点和钢管壁厚对蜂窝钢管混凝土抗侵彻能力的影响;同时,对7组不同壁厚的六边形钢管混凝土与3组六边形无钢管混凝土柱进行了单轴压缩试验,研究了不同壁厚下,六边形钢管对核心混凝土强度及延性的增强效应,拟合了核心混凝土强度增强系数同围箍系数的关系,并改进普通混凝土侵深计算经验公式,得到了适用于蜂窝钢管混凝土的最大侵深计算公式。结果表明:钢管壁厚是影响侵深的重要因素,壁厚越大,侵深越小;着靶点位置对侵深的影响较为复杂,具有离散性;着靶点位置对靶体表面破坏形式影响较大;钢管的存在可以有效增加核心混凝土的强度和延性;改进后的侵深计算公式可以预测弹体对蜂窝钢管混凝土靶的最大侵深。
摘要:
ABAQUS中最常用的混凝土损伤塑性(concrete damaged plasticity,CDP)模型无法实现损伤因子与应变率相关。为了准确描述混凝土材料在高应变率下的损伤特性,基于CDP模型定义了新的应变率场变量,编制了VUSDFLD用户子程序,开发了能够考虑损伤因子率相关性的改进的CDP模型(modified CDP model,MCDP)。MCDP模型采用能量法求解混凝土拉压损伤因子,主求解程序能够随着应变率场变量的变化而自动更新不同应变率对应的损伤参数。MCDP模型计算的混凝土单轴静态加载结果与CDP模型吻合较好,MCDP模型对高应变率下动态压缩性能的模拟结果表明:混凝土材料在不同应变率下的拉压损伤对其动态力学性能有显著影响,编制的VUSDFLD子程序和MCDP模型能够有效解决损伤应变率相关模拟难题,准确地模拟了爆炸荷载作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁的动态响应,为预测爆炸冲击等强动载作用下混凝土结构的响应和破坏提供了更可靠的技术途径。
摘要:
通过主动控制进行提前点火是发动机慢速烤燃中有效的降低反应剧烈程度的途径。为研究主控点火对复合推进剂慢速烤燃响应特性的影响,设计并开展了典型复合推进剂装药慢速烤燃实验,结合数值计算和推进剂热分解失重及形貌演化过程,探讨点火前推进剂内的温度分布情况及推进剂细观结构热损伤规律。研究发现:针对复合推进剂装药的慢速烤燃中,在推进剂发生自热点火前温度较低时进行主控点火可以有效降低反应剧烈程度;随着加热温度的升高,推进剂中部分组分发生分解,导致推进剂内部温度高于壳体温度,同时推进剂中粘结剂及AP的分解会导致推进剂装药形成多孔状的结构,在点火后更易导致对流燃烧,加剧反应烈度;当壳体温度仅138 ℃时,推进剂温度最高点达到150 ℃,最高点首先出现在靠近喷管的尾部,考虑到粘结剂及AP部分分解导致的孔隙结构会加剧反应的响应烈度,主控点火温度应设定在138 ℃之下
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:
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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
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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:
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。
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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。
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摘要:
贝壳珍珠层是一种具有高强度和高韧性的天然材料,这种优异的性能主要来源于多尺度、多层级的“砖泥”结构。本文受贝壳特殊结构的启发,构建了仿贝壳砖泥结构的有限元模型,并进行了爆炸实验。通过实验发现:在爆炸冲量为0.047 N·s时,试件发生灾难性破坏,使得中心处发生掉落,且伴随着试件夹持端的剪切破坏,与数值模拟结果具有良好的一致性。在实验基础上,对仿贝壳砖泥结构在爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。研究发现,在爆炸载荷下仿贝壳砖泥结构会产生五种不同的破坏模式,包括Ⅰ:结构整体无损伤,Ⅱ:结构前表面无明显破坏,后表面发生破坏,Ⅲ:结构发生掉落型贯穿破坏,夹持端无剪切破坏,Ⅳ:结构发生小块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏,Ⅴ:结构发生大块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏;并且给出了不同破坏模式的临界阈值,单层砖泥结构的破坏阈值为0.019 Ns,五层砖泥结构的破坏阈值为0.047 N·s,当冲量超过破坏阈值时,试件发生灾难性破坏。文章研究分析了堆叠层数对仿生结构的力学响应,在同一冲量下,随着层数的增加,结构的破坏模式发生改变,由贯穿型破坏逐渐变为仅发生一定塑性变形;随着层数增加,结构的损伤阈值增加;最后提出仿贝壳砖泥结构的增韧机理主要有裂纹偏转和微裂纹。
摘要:
利用磁流体力学程序SSS-MHD模拟了炸药柱面内爆磁通量压缩发生器CJ-100型装置的加载过程,讨论了各项装置参数的影响,结果表明装置可达到的峰值磁场值与初始磁场值成反比关系。设计了铁/铜夹层结构的样品靶,在该型装置上开展纯铁的准等熵加载实验。利用光子多普勒测速探头测量到6.43 km/s的样品靶自由面速度,在DT4铁中获得206 GPa的准等熵加载压力。铁材料的压力-比容曲线与理论等熵线基本重合,表明内爆磁压缩加载过程具有较高的等熵程度。
摘要:
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,提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为,为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。
摘要:
蓝宝石(A12O3)是透明陶瓷玻璃,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进行准静态应变率为(10−4、10−3、10−2s−1)和3种动态应变率(850、1 100、1 300、1 450 s−1)下的单轴压缩力学行为,用高速摄像机记录了蓝宝石透明陶瓷玻璃试样在准静态和动态压缩下的破坏过程。实验结果表明:从加载过程中的应力应变曲线是由加载段和失效段组成的,该材料是典型的脆性材料,并且有明显的应变率效应,随着应变率的提高,蓝宝石透明陶瓷玻璃的抗压强度也会提高;准静态和动态压缩下蓝宝石透明陶瓷玻璃都是在宏观裂纹扩展作用下失效破坏。通过分析不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的破坏过程,分析得到该材料的失效是在加载的过程中,在蓝宝石透明陶瓷玻璃承载能力最低的区域出现裂纹源,然后裂纹成形并沿着加载方向扩展,然后裂纹之间相互交错,最终达到饱和状态破坏失效;在高应变率下,极短的时间内产生多处裂纹源,需要更大的能量去使裂纹成形、扩展,宏观上就表现为应变率效应。
摘要:
为了掌握聚脲喷涂加固砖填充墙的抗爆特性,基于一种改进的大型爆炸试验装置,开展了聚脲加固框架砖填充墙的原型爆炸试验,分析了爆炸荷载作用下加固砖墙的动力响应特征和破坏过程及模式,揭示了其失效破坏机理。研究结果表明,聚脲加固可大幅提升填充墙构件的抗爆性能,显著增加填充墙构件的变形延性;加固砖墙受爆炸荷载作用发生振动的过程其体系刚度不断变化,最高相差133%;随着比例距离降低,加固砖墙的破坏模式逐渐由弯曲破坏转为剪切破坏,聚脲厚度超过6 mm可以有效限制局部剪切破坏现象;基于砖墙和聚脲涂层的抗力函数建立的理论计算模型,可以较为准确地预测爆炸作用下背爆面加固双向砖墙的正向位移响应过程。
摘要:
三分量冲击力载荷的同步激励与输入输出间的精准建模是三轴冲击力传感器标定所面临的主要挑战。为了实现对三轴冲击力传感器的有效标定,使其能够准确测量空间中的三维冲击力载荷。首先,基于Hopkinson杆与矢量分解原理建立了一种高幅值(104 N量级)、窄脉宽(10-1 ms量级)可计量三分量冲击力载荷的同步激励方法,实现了对三轴冲击力传感器的同步加载。基于最小二乘原理与矩阵微分构建了三轴冲击力传感器的线性标定模型,并通过改变子弹结构与冲击气压揭示了线性解耦标定模型中传感器主灵敏度系数与轴间耦合灵敏度系数并非固定常数而均与冲击力载荷脉冲构型(幅值、脉宽)相关的冲击特性。将能够反映载荷构型信息的传感器各轴输出电压脉冲的幅值与脉宽作为影响因素,并以神经元的形式添加到人工神经网络(artificial neural network, ANN)的输入层,建立了基于ANN的三轴冲击力传感器输出电压与输入载荷间的代理模型,实现了数据驱动的三轴冲击力传感器非线性解耦标定。结果表明,ANN相对最小二乘模型标定精度更高,采用ANN进行三轴冲击力传感器标定具有可行性和有效性。
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参数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J-C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:
为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。
摘要:
采用嵌锁组装工艺制备了碳纤维/树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)方形蜂窝夹芯梁,实验研究了低速冲击载荷下简支和固支夹芯梁的动态响应及失效机理,获得了不同冲击速度下夹芯梁的失效模式,分析了其损伤演化过程和失效机理,探讨了冲击速度、边界条件、面板质量分布以及槽口方向等因素对夹芯梁破坏模式及承载能力的影响。研究结果表明,芯材长肋板槽口方向对夹芯梁的失效模式有较大影响,槽口向上的芯材跨中部分产生了挤压变形,而槽口向下的芯材跨中部分槽口在拉伸作用下出现了沿槽口开裂失效,继而引起面板脱粘和肋板断裂;同等质量下,较厚的上面板设计可以提高夹芯梁的抗冲击能力,冲击速度越大,夹芯梁的峰值载荷和承载能力越高;固支边界使得夹芯梁的后失效行为呈现出明显的强化效应,在夹芯梁跨中部分发生初始失效后出现了后继的固支端芯材和面板断裂失效模式。
摘要:
为降低机身结构抗冲击性能的实验成本,利用相似理论建立机身的非等比例缩放模型,开展模型实验是行之有效的方法。基于量纲分析的方法,建立Johnson-Cook的线性应变率函数的修正关系;由于生产制造技术的限制,考虑扭曲厚度的非等比例机身模型对相似性行为的影响,采用指数函数法建立了非等比例模型的相似修正关系。通过对比实验中破片冲击过程的变形形态、靶板的应变时间历程曲线和最终变形轮廓,验证了仿真模型的有效性。此外,分析了破片偏航姿态、机身材料、厚度和重量等因素对机身结构抗冲击性能的影响。结果表明:(1)150 m/s的冲击速度下,破片冲击角度90º和着靶角度180º是最严苛的冲击条件。综合多种因素,分析认为3.5 mm厚的钛合金为机身结构的最佳选择,并以此作为全尺寸原型验证相似模型;另外,提出了一种可以快速获取缩比模型的设计方法。(2)应变率效应对轮胎破片冲击机身结构的影响并不显著,等比例缩放模型与原型结果吻合较好。(3)厚度扭曲的非等比例模型能够有效地预测原型结构的变形行为;虽然,在时间尺度上,模型与原型存在一定的偏差;但是,在空间尺度上,非等比例相似模型能够有效地修正扭曲厚度造成中心最大挠度的预测误差,修正后的最大误差不超过5.1%,这表明该方法能够有效地指导机身结构的相似模型设计。
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:
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:
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,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。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。
摘要:
结合高速摄影技术,应用SHPB加载装置,分别使用钢制、铝制和有机玻璃制3种透射杆,对直径约7.90、11.80、15.61 mm 3种尺寸的石英玻璃珠进行了低速冲击实验。根据不同透射杆条件下的玻璃珠破碎过程中的载荷-位移曲线,结合有限元软件计算玻璃珠在冲击作用下载荷的变化情况以及实验过程中玻璃珠的应变,探讨了应力调整对玻璃珠破碎过程的影响。结果表明:相同冲击条件作用下,改变透射杆的材料,会改变玻璃珠破碎过程中的载荷分布,即透射端边界波阻抗的改变会导致反射波发生改变,从而导致玻璃珠内部载荷发生变化;透射杆为铝材和有机玻璃材质时,玻璃珠在破碎过程中的载荷明显下降,在加载过程中伴随着垫块的变形,玻璃珠内部的应力调整时间变长;透射杆为钢杆时,玻璃珠的应变主要表现为两端最大,越靠近中间应变越小,对于透射杆为铝杆和有机玻璃杆的玻璃珠,透射端局部出现了卸载行为。采用有机玻璃透射杆之后,局部应力和变形降低的结果使得玻璃珠在经受较大的变形之后发生破碎,表明玻璃珠的破碎行为由局部变形和局部变形梯度共同控制。
摘要:
在人工海水制备珊瑚砂水泥基复合材料中混杂加入碳纤维和聚丙烯纤维,得到4种不同纤维掺量的碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料。采用直径100 mm分离式Hopkinson压杆,对材料进行5种应变率下的冲击压缩试验,采用LS-DYNA进行相应的冲击压缩数值模拟。结果表明:(1)试验应变率临界值为200 s−1,当试验应变率大于200 s−1后,混杂碳纤维和聚丙烯纤维所形成的纤维网络对试块的增韧效果加强;(2)碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料峰值应力具有明显的应变率效应,且动态增强因子对应变率的敏感程度较高;(3)使用珊瑚砂细骨料导致试块内微裂纹和微空洞等缺陷较多,在珊瑚砂水泥基复合材料内混杂掺加碳纤维和聚丙烯纤维后,试块冲击抗压强度的提升有限,但珊瑚砂水泥基复合材料的抗冲击韧性显著提升;(4)通过试验数据和参数调试确定了HJC模型的参数,试块峰值应力的模拟结果与试验结果的误差在5.97 %以内。
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。
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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(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验对模型中的强度参数进行了确定,并利用基于分离式霍普金森杆的巴西圆盘(split Hopkinson pressure bar-Brazilian disk,SHPB-BD)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。
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综合应用同步热分析仪、改进的哈特曼爆炸测试装置及高速摄影系统,对月桂酸与硬脂酸粉尘的热解氧化特性及其在半封闭竖直管道内的火焰传播特性开展了实验研究,并分析讨论了月桂酸与硬脂酸粉尘爆炸燃烧过程中热解动力学与火焰传播特性的关系。结果表明,当粉尘云质量浓度为125 g/m3时,月桂酸粉尘云的火焰锋面结构比硬脂酸平滑,但硬脂酸粉尘的火焰传播速度明显大于月桂酸;随着质量浓度的增加,月桂酸和硬脂酸粉尘的火焰前锋逐渐变得离散,火焰传播速度逐渐增加,但速度差值逐渐减小;月桂酸粉尘的平均火焰传播速度在750 g/m3的粉尘云质量浓度下高于硬脂酸,火焰结构连续性显着降低。低质量浓度条件下月桂酸与硬脂酸粉尘云火焰传播特性差异主要由快速热解阶段的氧化放热特性决定,指前因子A越大,参与热解和氧化反应的活性中心越多,氧化放热量越大,放热速率越快,火焰传播速度越快,火焰锋面结构由光滑连续向不规则离散的转变越快。随着粉尘云质量浓度的增加,火焰传播特性差异逐渐由活化能E及火焰前锋预热区内氧气的质量输运过程控制,活化能E越大,耗氧量越大,耗氧速率越快,越易导致火焰传播速度下降,火焰锋面趋于复杂,火焰结构连续性降低。
摘要:
为对地冲击作用下地下结构进行有效防护,提出一种泡沫混凝土材质的新型防护构件。与使用实心泡沫混凝土层的防护机理不同,本文中提出的构件在地冲击作用下,首先发生脆断破坏,然后破碎块体间搭接折断、挤压密实。通过构造设计,截断地冲击荷载,减弱荷载传递,改变被保护结构上的荷载形式。通过场地爆炸实验对比了不同防护措施下(无防护、实心泡沫混凝土层防护及新型构件防护)被保护结构的动力响应。实验结果表明:新型构件防护通过脆断、破碎块体的搭接、挤压密实表现出较实心泡沫混凝土层防护更好的防护效果;新型构件防护由于脆断特性,在较小荷载下即可显著削弱荷载传递,避免了实心泡沫混凝土层防护中负效果的出现;地冲击荷载较强时,构件防护层趋于压实,其防护效果逐渐接近实心泡沫混凝土层。
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:
聚能射流侵彻厚靶时,对靶材同时进行轴向和径向挤压进而发生轴向侵彻和径向扩孔。本文基于聚能射流侵彻可压缩模型并结合Szendrei-Held扩孔方程,推导给出考虑弹/靶材料可压缩性的聚能射流扩孔方程。为简化完整可压缩模型繁琐的计算过程,又基于Murnaghan状态方程给出可压缩模型的近似解。与水中聚能射流扩孔的实验研究对比分析,表明该模型预测优于Szendrei-Held扩孔方程。模型分析表明,射流半径、驻点压力、靶材强度、驻点处靶材密度以及聚能射流速度是影响聚能射流扩孔的主要因素。本文模型可以更准确地预测聚能射流侵彻可压缩性较强的靶材的扩孔情况。相关工作可为含液密闭结构干扰聚能射流侵彻提供理论基础。
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为探究磁场对气体爆炸反应的影响,实验研究了磁场强度对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,磁场强度越大,抑制效果越明显;沿火焰传播方向,磁场对C2H2爆炸火焰传播速度呈现先促进后抑制的效果,整体表现为抑制作用。磁场强度较低时,爆炸火焰平均传播速度降低了38.94%,磁场强度较高时,爆炸火焰平均传播速度降低了49.62%。利用Chemkin-Pro软件模拟了C2H2爆炸基元反应过程,理论推导了磁场影响C2H2爆炸的反应机理,磁场改变了C2H2爆炸反应路径,是造成爆炸特征参数下降的主要原因。由于不同种类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对大分子量自由基的作用力更大。磁场改变了自由基的运动轨迹,由于同种小分子量自由基的聚集和器壁效应的产生,减小了关键自由基之间的碰撞几率,降低了基元反应的速率,导致爆炸强度下降。
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:
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。
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2022, 42(6).  
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2022, 42(6): 1-2.  
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爆炸物理
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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。
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为了获得含铝炸药爆轰反应区附近铝粉的反应情况,对两种RDX/Al炸药和一种RDX/LiF炸药的爆轰波结构进行了测量。实验过程中,利用火炮加载产生一维平面波,通过光子多普勒测速仪测量炸药/LiF窗口的界面粒子速度。结果表明:含铝炸药爆轰波的结构与理想炸药的差异较大,其界面粒子速度曲线没有明显的拐点;反应初期,由于气相产物与添加物之间温度的非平衡性,RDX/Al界面的粒子速度低于RDX/LiF炸药的;随后,由于铝粉反应放能,RDX/Al界面的粒子速度高于RDX/LiF炸药的;微米尺度铝粉在CJ面前几乎不发生反应;2、10 μm等两种粒度铝粉的反应延滞时间小于0.8 μs;在本文中,两种粒度铝粉的反应度为16%~31%。
冲击动力学
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(digital image correlation, DIC)技术监测了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,温度场图像相较于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:
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,帽形及Ω形试件的平均压溃载荷较C形试件分别高出14.1%和14.6%,比吸能较C形试件分别高出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形试件采用45°倒角触发效果更好,帽形试件采用15°尖顶触发效果更好;当加载速度从0.01 m/s提高到1 m/s时,C形、帽形及Ω形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:
为了研究铝(Al)/聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, 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长的Al/PTFE活性材料中长距离传播行为。研究结果表明,冲击波压力在Al/PTFE活性材料内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—人工软骨仿生超材料(artificial cartilage foam,ACF)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:
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研究,提取了数值模拟中弹体的变形结果;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,验证了本文优化设计方法的有效性,可为工程设计提供参考。
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100.0和203.0 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:
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。
实验技术与数值方法
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。针对相关试验设计和计算中存在的弊端和不足,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;将理论计算结果与试验和数值模拟结果进行对比,验证了理论计算结果的正确性。本文中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。
应用爆炸力学
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的数值模拟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新型冲击强度因子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:
提出一种考虑粘结滑移效应的钢筋混凝土改进型分离式数值模型。在混合物理论基础上,该模型兼顾混凝土基体和钢筋的力学行为,且基于钢筋混凝土界面粘结滑移模型,获得了钢筋等效模型。改进型分离式数值模型由于对钢筋及其界面无显式离散要求,使得钢筋的运用完全独立于其几何形状,同时对混凝土网格没有约束,并且不增加计算成本,因此该模型可适用于钢筋混凝土宏观结构层面分析。通过钢筋混凝土构件-结构的爆炸实验,对改进型分离式数值模型进行层次化验证。对比结果表明,考虑粘结滑移效应的有限元模型能够更好地预测钢筋混凝土结构的宏观力学行为。
摘要:
为研究Al(OH)3粉体抑爆剂对聚丙烯腈(polyacrylonitrile, PAN)粉尘爆炸的抑制作用,利用透明管道爆炸传播测试系统,研究不同含量的Al(OH)3对PAN粉尘爆炸火焰传播形态、温度等参数的影响,并采用扫描电镜、热重分析仪、傅里叶红外光谱仪研究Al(OH)3抑制PAN粉尘爆炸的微观特征,总结出Al(OH)3对PAN粉尘爆炸的抑制机理。测试结果表明,随着Al(OH)3质量分数的增加,PAN粉尘爆燃的最大火焰传播距离和传播速度逐渐减小。同时压力监控及温度监控结果显示,随着Al(OH)3质量分数的增加,PAN粉尘的最大爆炸压力及最大温度均逐渐减小,由此验证了Al(OH)3对PAN粉尘爆炸的抑制作用,且60%质量比的Al(OH)3的抑制效果最好。通过对PAN粉尘爆炸固态产物表征及热分析的研究,从物理和化学两个方面分析了Al(OH)3对PAN粉尘火焰的抑制机理,物理抑制包括包覆、吸热降温、气体惰化3种方式,化学抑制主要通过消耗维持燃烧爆炸连锁反应的关键自由基•O和•OH减少了自由基•H、•OH与•O之间的放热反应。
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20 L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32.0%时,甲烷爆炸上下限重合,临界氧的体积分数分别为17.85%和12.50%。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,5.0%三氟碘甲烷的抑爆效果约是等量二氧化碳的6倍和5倍。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显著。三氟碘甲烷掺混体积分数大于等于1.0%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。这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。