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2025, 45(8): 081001.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0277
摘要:
采用自主搭建的5 L可燃气体爆炸特性实验平台，测量了初始温度为200~270 ℃、初始压力为0.4～0.6 MPa的条件下，不同甲烷掺混比及水蒸气浓度的CH4/C2H6、C2H6/H2O在纯氧中的爆炸上限，揭示了初始压力、初始温度、甲烷掺混比和水蒸气浓度对乙烷爆炸上限的影响。结果表明，初始温度为200 ℃、初始压力为0.4～0.6 MPa时，甲烷掺混比（0～0.5）对CH4/C2H6混合气爆炸上限的影响很小；随着初始压力的提高，CH4/C2H6混合气的爆炸上限均提高，且提高幅度逐渐降低；随着水蒸气浓度的提高（0～40%），C2H6/H2O混合气的爆炸上限大致呈线性降低；随着初始压力的提高，C2H6/H2O混合气的爆炸上限均提高。初始压力为0.5 MPa时，初始温度由200 ℃升至270 ℃，纯乙烷和C2H6/H2O混合气（水蒸气浓度为40%）的爆炸上限均随温度的升高而升高，且纯乙烷爆炸上限的增幅呈上升趋势。
采用自主搭建的5 L可燃气体爆炸特性实验平台，测量了初始温度为200~270 ℃、初始压力为0.4～0.6 MPa的条件下，不同甲烷掺混比及水蒸气浓度的CH4/C2H6、C2H6/H2O在纯氧中的爆炸上限，揭示了初始压力、初始温度、甲烷掺混比和水蒸气浓度对乙烷爆炸上限的影响。结果表明，初始温度为200 ℃、初始压力为0.4～0.6 MPa时，甲烷掺混比（0～0.5）对CH4/C2H6混合气爆炸上限的影响很小；随着初始压力的提高，CH4/C2H6混合气的爆炸上限均提高，且提高幅度逐渐降低；随着水蒸气浓度的提高（0～40%），C2H6/H2O混合气的爆炸上限大致呈线性降低；随着初始压力的提高，C2H6/H2O混合气的爆炸上限均提高。初始压力为0.5 MPa时，初始温度由200 ℃升至270 ℃，纯乙烷和C2H6/H2O混合气（水蒸气浓度为40%）的爆炸上限均随温度的升高而升高，且纯乙烷爆炸上限的增幅呈上升趋势。
2025, 45(8): 081101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0225
摘要:
增材制造凭借其高设计自由度和快速成形的特点，在制造复杂几何结构的航空航天和国防领域关键部件上具有巨大的优势。Ti-6Al-4V钛合金具有低密度、高比强度及抗蠕变性的特性，在经常承受冲击载荷的航天器、武器装备等关键部位上得到了广泛应用，深入了解增材制造Ti-6Al-4V钛合金在动静载荷作用下的力学性能及影响机制是提高构件使役性能的重要基础。为此，对增材制造Ti-6Al-4V钛合金的力学响应最新研究进展进行了系统的梳理和归纳。首先，简要概括了典型金属增材制造技术分类和工作原理。其次，梳理了增材制造Ti-6Al-4V钛合金的准静态拉伸性能和动态压缩性能，并与铸造和锻造Ti-6Al-4V构件的力学性能进行了比较。然后，对增材制造钛合金显微组织和力学行为的关联机制展开了讨论。最后，针对增材制造Ti-6Al-4V合金在静态载荷作用下的各向异性力学响应，总结了常用改善各向异性的后处理工艺。
增材制造凭借其高设计自由度和快速成形的特点，在制造复杂几何结构的航空航天和国防领域关键部件上具有巨大的优势。Ti-6Al-4V钛合金具有低密度、高比强度及抗蠕变性的特性，在经常承受冲击载荷的航天器、武器装备等关键部位上得到了广泛应用，深入了解增材制造Ti-6Al-4V钛合金在动静载荷作用下的力学性能及影响机制是提高构件使役性能的重要基础。为此，对增材制造Ti-6Al-4V钛合金的力学响应最新研究进展进行了系统的梳理和归纳。首先，简要概括了典型金属增材制造技术分类和工作原理。其次，梳理了增材制造Ti-6Al-4V钛合金的准静态拉伸性能和动态压缩性能，并与铸造和锻造Ti-6Al-4V构件的力学性能进行了比较。然后，对增材制造钛合金显微组织和力学行为的关联机制展开了讨论。最后，针对增材制造Ti-6Al-4V合金在静态载荷作用下的各向异性力学响应，总结了常用改善各向异性的后处理工艺。
2025, 45(8): 082101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0102
摘要:
为降低瓦斯爆炸对煤矿作业人员和煤炭安全开采的巨大威胁，对巷道中不同体积的瓦斯/空气混合气体爆炸超压和冲击气流速度随传播距离衰减的规律进行了深入研究。首先，根据量纲分析法和能量相似律，综合考虑巷道中瓦斯爆炸超压、冲击气流速度随传播距离衰减的影响因素，建立了超压和冲击气流速度随传播距离衰减的无量纲公式。其次，对大尺寸巷道中的试验数据进行回归分析，得到了超压、冲击气流速度的衰减模型及两者之间的关系式。最后，对所建立的衰减模型和关系式进行验证。结果表明：混合气体能量、气体积聚体积、测点距离、水力直径和巷道截面积是超压、冲击气流速度衰减的主要影响因素；超压、冲击气流速度均与混合气体积聚体积正相关，起始超压和冲击气流速度越高，衰减越迅速；衰减模型理论值与试验值的相对误差及关系式理论值与试验值的相对误差均控制在约10%，数据整体吻合度较高，验证了其可靠性，能够更简洁直观地描述瓦斯爆炸传播规律，实现对超压、气流速度的快速计算。
为降低瓦斯爆炸对煤矿作业人员和煤炭安全开采的巨大威胁，对巷道中不同体积的瓦斯/空气混合气体爆炸超压和冲击气流速度随传播距离衰减的规律进行了深入研究。首先，根据量纲分析法和能量相似律，综合考虑巷道中瓦斯爆炸超压、冲击气流速度随传播距离衰减的影响因素，建立了超压和冲击气流速度随传播距离衰减的无量纲公式。其次，对大尺寸巷道中的试验数据进行回归分析，得到了超压、冲击气流速度的衰减模型及两者之间的关系式。最后，对所建立的衰减模型和关系式进行验证。结果表明：混合气体能量、气体积聚体积、测点距离、水力直径和巷道截面积是超压、冲击气流速度衰减的主要影响因素；超压、冲击气流速度均与混合气体积聚体积正相关，起始超压和冲击气流速度越高，衰减越迅速；衰减模型理论值与试验值的相对误差及关系式理论值与试验值的相对误差均控制在约10%，数据整体吻合度较高，验证了其可靠性，能够更简洁直观地描述瓦斯爆炸传播规律，实现对超压、气流速度的快速计算。
2025, 45(8): 083101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0207
摘要:
为探究非纯净冰和非完整冰在冲击载荷下的动态力学特性，基于改进后的分离式霍普金森压杆实验系统，采用快速加载、杆端降温和波形整形技术，对冻结温度为−10 ℃的完整冰（纯水，含2.5%、3.5%、4.5%盐分，含2.0%、4.5%、8.5%椰丝）和拼接冰（拼接界面倾角30°、60°）进行冲击力学特性研究；利用高速摄像技术记录破坏过程，并结合Mohr-Coulomb强度准则分析拼接冰的破坏模式。结果表明：纯水冰具有最高的抗压强度，添加椰丝的冰样次之，且两者表现出相似的正应变率效应，添加盐分的冰的抗压强度最低，应变率效应也不明显。添加椰丝的冰样的动态抗压强度随椰丝含量的增加先增大后减小；由于椰丝对小粒径碎冰的联结作用，高椰丝含量的冰样的应力-应变曲线易出现“双峰”现象。拼接平面对裂纹扩展和破坏模式均有影响，拼接冰的抗压强度低于完整冰。界面倾角较小时，拼接冰破坏以界面滑移为主；倾角较大时，拼接冰以整体破坏为主，与完整冰类似。
为探究非纯净冰和非完整冰在冲击载荷下的动态力学特性，基于改进后的分离式霍普金森压杆实验系统，采用快速加载、杆端降温和波形整形技术，对冻结温度为−10 ℃的完整冰（纯水，含2.5%、3.5%、4.5%盐分，含2.0%、4.5%、8.5%椰丝）和拼接冰（拼接界面倾角30°、60°）进行冲击力学特性研究；利用高速摄像技术记录破坏过程，并结合Mohr-Coulomb强度准则分析拼接冰的破坏模式。结果表明：纯水冰具有最高的抗压强度，添加椰丝的冰样次之，且两者表现出相似的正应变率效应，添加盐分的冰的抗压强度最低，应变率效应也不明显。添加椰丝的冰样的动态抗压强度随椰丝含量的增加先增大后减小；由于椰丝对小粒径碎冰的联结作用，高椰丝含量的冰样的应力-应变曲线易出现“双峰”现象。拼接平面对裂纹扩展和破坏模式均有影响，拼接冰的抗压强度低于完整冰。界面倾角较小时，拼接冰破坏以界面滑移为主；倾角较大时，拼接冰以整体破坏为主，与完整冰类似。
2025, 45(8): 083102.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0119
摘要:
鉴于H型钢柱在工业厂房、停车场等场合应用时易遭受吊装载荷和车辆撞击，在前期试验研究的基础上，通过有限元对H型钢柱撞击中及撞击后的力学性能开展全过程分析。首先，通过机理分析，获得了不同轴压比影响下试件的变形特征、应力和耗能发展。结果表明：侧向撞击下，H型钢柱以整体变形为主，上翼缘和腹板分别发生局部凹陷和平面外屈曲；撞击力时程曲线呈现明显的平台段，预加轴力明显削弱试件的抗撞能力。其次，建立了108个参数分析模型，重点探究了荷载参数（撞击质量m、撞击速度vh,m和轴压比n）、材料参数（屈服强度fys）和几何参数（截面面积A和试件长度L）对撞击力、撞击变形和剩余承载力的影响，发现随着撞击质量m、撞击速度vh,m和轴压比n的增大，H型钢柱的整体和局部变形增大，剩余承载力降低。此外，钢材强度的提高有效增强了试件的抗撞性能。最后，基于响应面法提出了多因子交互影响的撞击下整体和局部变形及撞击后剩余承载力的预测公式，可用于H型钢柱撞击全过程损伤评估与设计。
鉴于H型钢柱在工业厂房、停车场等场合应用时易遭受吊装载荷和车辆撞击，在前期试验研究的基础上，通过有限元对H型钢柱撞击中及撞击后的力学性能开展全过程分析。首先，通过机理分析，获得了不同轴压比影响下试件的变形特征、应力和耗能发展。结果表明：侧向撞击下，H型钢柱以整体变形为主，上翼缘和腹板分别发生局部凹陷和平面外屈曲；撞击力时程曲线呈现明显的平台段，预加轴力明显削弱试件的抗撞能力。其次，建立了108个参数分析模型，重点探究了荷载参数（撞击质量m、撞击速度vh,m和轴压比n）、材料参数（屈服强度fys）和几何参数（截面面积A和试件长度L）对撞击力、撞击变形和剩余承载力的影响，发现随着撞击质量m、撞击速度vh,m和轴压比n的增大，H型钢柱的整体和局部变形增大，剩余承载力降低。此外，钢材强度的提高有效增强了试件的抗撞性能。最后，基于响应面法提出了多因子交互影响的撞击下整体和局部变形及撞击后剩余承载力的预测公式，可用于H型钢柱撞击全过程损伤评估与设计。
2025, 45(8): 083103.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0002
摘要:
为了解核乏燃料储运容器等球墨铸铁结构在低温、冲击环境下的动态断裂特性，通过改进的分离式霍普金森压杆技术对球墨铸铁材料在不同温度（20、−40、−60和−80 ℃）下的Ⅰ型动态断裂韧性进行了测试，并着重研究了材料的韧脆转变行为。试样的起裂时间由应变法确定，采用实验-数值方法确定了裂尖动态应力强度因子和材料的Ⅰ型动态断裂韧性。结果表明，在相同冲击速度加载下，球墨铸铁的Ⅰ型动态断裂韧性随温度的降低而明显降低，起裂时间也随温度降低而缩短。通过对断口进行微观分析，发现在不同温度下材料存在失效机理的转变。随着温度的降低，断口韧窝减少，河流花样以及解理台阶增多。通过对韧性与脆性微观形貌特征进行量化统计，发现材料在低温下存在延性特征变弱、脆性增强的规律，这种韧脆转变现象与材料断裂韧性的测试结果相吻合。
为了解核乏燃料储运容器等球墨铸铁结构在低温、冲击环境下的动态断裂特性，通过改进的分离式霍普金森压杆技术对球墨铸铁材料在不同温度（20、−40、−60和−80 ℃）下的Ⅰ型动态断裂韧性进行了测试，并着重研究了材料的韧脆转变行为。试样的起裂时间由应变法确定，采用实验-数值方法确定了裂尖动态应力强度因子和材料的Ⅰ型动态断裂韧性。结果表明，在相同冲击速度加载下，球墨铸铁的Ⅰ型动态断裂韧性随温度的降低而明显降低，起裂时间也随温度降低而缩短。通过对断口进行微观分析，发现在不同温度下材料存在失效机理的转变。随着温度的降低，断口韧窝减少，河流花样以及解理台阶增多。通过对韧性与脆性微观形貌特征进行量化统计，发现材料在低温下存在延性特征变弱、脆性增强的规律，这种韧脆转变现象与材料断裂韧性的测试结果相吻合。
2025, 45(8): 083301.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0062
摘要:
为探究薄壁椭球壳在局部冲击载荷作用下的变形特征，开展了实验和数值模拟研究。利用轻气枪开展弹丸冲击实验，采用三维数字图像相关技术记录变形过程，得到了圆柱弹丸以不同速度冲击作用下椭球壳的全局变形形貌以及中心凹陷深度和凹陷边界。在弹丸冲击椭球壳的数值模拟中，重点研究了3种曲率半径变化对椭球壳凹陷深度、凹陷长短轴的影响，采用量纲分析方法得到了无量纲变形特征所依赖的主要无量纲自变量，通过参数敏感性分析消减影响较小的参数，在保持相同材料、弹体尺寸与壳体厚度同一缩比时，得到了无量纲变形特征与3种曲率半径和速度之间的响应面函数表达式，并提出了根据凹陷深度和凹陷边界预测全局变形的公式，所得表达式尺寸效应良好，预测精度较高，可为工程中大尺寸曲面薄壳冲击载荷防护设计提供参考。
为探究薄壁椭球壳在局部冲击载荷作用下的变形特征，开展了实验和数值模拟研究。利用轻气枪开展弹丸冲击实验，采用三维数字图像相关技术记录变形过程，得到了圆柱弹丸以不同速度冲击作用下椭球壳的全局变形形貌以及中心凹陷深度和凹陷边界。在弹丸冲击椭球壳的数值模拟中，重点研究了3种曲率半径变化对椭球壳凹陷深度、凹陷长短轴的影响，采用量纲分析方法得到了无量纲变形特征所依赖的主要无量纲自变量，通过参数敏感性分析消减影响较小的参数，在保持相同材料、弹体尺寸与壳体厚度同一缩比时，得到了无量纲变形特征与3种曲率半径和速度之间的响应面函数表达式，并提出了根据凹陷深度和凹陷边界预测全局变形的公式，所得表达式尺寸效应良好，预测精度较高，可为工程中大尺寸曲面薄壳冲击载荷防护设计提供参考。
2025, 45(8): 083302.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0261
摘要:
加工与装配的公差导致间隙在工程结构中广泛存在，强动载下可能产生威胁结构可靠性与安全性的间隙射流。为了深入了解间隙射流的形成过程和形成机制，基于二级轻气炮对带有间隙的金属钨样品开展了超高速冲击加载实验，通过高速分幅照相系统记录了间隙射流的形成及演化过程。采用ANSYS Autodyn软件建立了预测间隙射流形成的数值模型，并基于代表性实验获取的射流形态及头部速度历史验证了该数值模型的适用性。通过调整数值模型中的飞片速度、间隙宽度和间隙半角，分别研究了这三者对间隙射流形成的影响，分析了定常射流模型的局限性。在此基础上，结合数值模拟结果，提出了预测间隙射流头部速度和质量的经验模型。研究表明，基于欧拉方法建立的数值模型能够较准确地预测强动载下间隙射流的形成。加载压力是控制射流头部速度和质量的主要因素，随着加载压力的提高，射流头部速度和质量也相应增大。间隙宽度和间隙半角对射流头部速度的影响较小，但间隙射流质量随间隙宽度和间隙半角的增大呈线性增大。由于间隙闭合速度的估算存在较大误差，定常射流模型未能准确预测间隙射流的形成，而所提出的经验模型与数值模拟结果具有较高的吻合度。
加工与装配的公差导致间隙在工程结构中广泛存在，强动载下可能产生威胁结构可靠性与安全性的间隙射流。为了深入了解间隙射流的形成过程和形成机制，基于二级轻气炮对带有间隙的金属钨样品开展了超高速冲击加载实验，通过高速分幅照相系统记录了间隙射流的形成及演化过程。采用ANSYS Autodyn软件建立了预测间隙射流形成的数值模型，并基于代表性实验获取的射流形态及头部速度历史验证了该数值模型的适用性。通过调整数值模型中的飞片速度、间隙宽度和间隙半角，分别研究了这三者对间隙射流形成的影响，分析了定常射流模型的局限性。在此基础上，结合数值模拟结果，提出了预测间隙射流头部速度和质量的经验模型。研究表明，基于欧拉方法建立的数值模型能够较准确地预测强动载下间隙射流的形成。加载压力是控制射流头部速度和质量的主要因素，随着加载压力的提高，射流头部速度和质量也相应增大。间隙宽度和间隙半角对射流头部速度的影响较小，但间隙射流质量随间隙宽度和间隙半角的增大呈线性增大。由于间隙闭合速度的估算存在较大误差，定常射流模型未能准确预测间隙射流的形成，而所提出的经验模型与数值模拟结果具有较高的吻合度。
2025, 45(8): 083303.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0294
摘要:
针对精确预测不同长径比（L/D）的圆柱套筒在一段起爆下的破片初速分布问题，首先基于试验验证的数值模型研究了L/D对破片初速的影响；在此基础上，提出了适用于L/D≥1圆柱套筒的初速分布计算模型，该模型中添加了与L/D相关的受轴向稀疏波影响的修正项；最后，通过试验和数值模拟对所提出的初速计算模型进行了验证。研究结果表明：不同L/D下的破片初速分布均呈现两端初速低、中间高的变化趋势，且L/D越大，破片初速越高，当L/D达到5时，最大破片初速与Gurney公式计算结果之间的相对误差仅为0.15%；公式计算结果与试验结果和数值计算结果的平均误差不超过6%，表明该模型预测不同L/D下的破片初速分布是可靠的。
针对精确预测不同长径比（L/D）的圆柱套筒在一段起爆下的破片初速分布问题，首先基于试验验证的数值模型研究了L/D对破片初速的影响；在此基础上，提出了适用于L/D≥1圆柱套筒的初速分布计算模型，该模型中添加了与L/D相关的受轴向稀疏波影响的修正项；最后，通过试验和数值模拟对所提出的初速计算模型进行了验证。研究结果表明：不同L/D下的破片初速分布均呈现两端初速低、中间高的变化趋势，且L/D越大，破片初速越高，当L/D达到5时，最大破片初速与Gurney公式计算结果之间的相对误差仅为0.15%；公式计算结果与试验结果和数值计算结果的平均误差不超过6%，表明该模型预测不同L/D下的破片初速分布是可靠的。
2025, 45(8): 083304.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0128
摘要:
在简易自制爆炸装置的近场爆炸中，防护结构常受到爆炸冲击波和破片的复合作用。为了提高结构的防护性能，设计并制备了含“泡沫铝/纤维”夹芯复合结构材料，通过开展“爆炸+侵彻”实验，研究复合结构在爆炸冲击波和高速破片复合作用下的失效模式，重点讨论爆炸冲击波和破片两种载荷时序性对毁伤特性的影响，并分析不同材料的吸能机理。研究结果表明：爆距的变化直接影响爆炸冲击波和破片作用的时序性，在本文讨论的工况中，当爆距大于600 mm时，破片先于冲击波作用；在冲击波和破片的复合作用下，铝面板除了破片的贯穿破坏外，还伴有局部凹陷变形，泡沫铝自身胞孔结构在冲击载荷作用下发生压溃变形和胞壁屈服碎裂，弹孔处纤维则在破片的侵彻下发生拉伸变形和断裂，并伴有高温失效；铝背板主要以瓣裂撕裂破坏为主；在两种时序性作用下，弹孔的存在削弱了冲击波对铝面板的作用，后序夹芯结构材料和铝背板的变形破坏程度较前序材料更为严重。本研究的开展对轻质复合结构材料在有限空间近爆防护领域中的应用和功能设计提供了技术依据。
在简易自制爆炸装置的近场爆炸中，防护结构常受到爆炸冲击波和破片的复合作用。为了提高结构的防护性能，设计并制备了含“泡沫铝/纤维”夹芯复合结构材料，通过开展“爆炸+侵彻”实验，研究复合结构在爆炸冲击波和高速破片复合作用下的失效模式，重点讨论爆炸冲击波和破片两种载荷时序性对毁伤特性的影响，并分析不同材料的吸能机理。研究结果表明：爆距的变化直接影响爆炸冲击波和破片作用的时序性，在本文讨论的工况中，当爆距大于600 mm时，破片先于冲击波作用；在冲击波和破片的复合作用下，铝面板除了破片的贯穿破坏外，还伴有局部凹陷变形，泡沫铝自身胞孔结构在冲击载荷作用下发生压溃变形和胞壁屈服碎裂，弹孔处纤维则在破片的侵彻下发生拉伸变形和断裂，并伴有高温失效；铝背板主要以瓣裂撕裂破坏为主；在两种时序性作用下，弹孔的存在削弱了冲击波对铝面板的作用，后序夹芯结构材料和铝背板的变形破坏程度较前序材料更为严重。本研究的开展对轻质复合结构材料在有限空间近爆防护领域中的应用和功能设计提供了技术依据。
2025, 45(8): 083305.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0156
摘要:
磨料水射流射孔是一种有效的油气井射孔增产手段，然而，孔道形成机制及其参数调控规律仍是亟待解决的问题之一。鉴于此，设计并开展了磨料水射流射孔实验。结果表明，孔道形成过程是3种物理作用耦合的结果，即：入流垂直冲蚀孔尖岩石加深孔道，饭流以小角度冲蚀孔壁岩石达到扩径作用，沿程流体机械能耗散使得射孔后期孔道演化变缓。由于入流破岩能力远强于返流破岩能力，磨料水射流射孔孔道的孔深与孔径之比随喷射时间的延长而增大，喷射5~300 s，孔深与孔径之比由7增大到28。返流的破岩能力由孔尖到孔口递减，返流对孔壁岩石的累积作用时间由孔尖到孔口递增，二者的共同影响使孔道由圆锥状向纺锤状演化。随着喷射时间的延长，孔深增大，沿程流体机械能耗散加剧，孔深变化率降低至11.3%，孔径变化率降低至4.3%，孔形演化变缓。
磨料水射流射孔是一种有效的油气井射孔增产手段，然而，孔道形成机制及其参数调控规律仍是亟待解决的问题之一。鉴于此，设计并开展了磨料水射流射孔实验。结果表明，孔道形成过程是3种物理作用耦合的结果，即：入流垂直冲蚀孔尖岩石加深孔道，饭流以小角度冲蚀孔壁岩石达到扩径作用，沿程流体机械能耗散使得射孔后期孔道演化变缓。由于入流破岩能力远强于返流破岩能力，磨料水射流射孔孔道的孔深与孔径之比随喷射时间的延长而增大，喷射5~300 s，孔深与孔径之比由7增大到28。返流的破岩能力由孔尖到孔口递减，返流对孔壁岩石的累积作用时间由孔尖到孔口递增，二者的共同影响使孔道由圆锥状向纺锤状演化。随着喷射时间的延长，孔深增大，沿程流体机械能耗散加剧，孔深变化率降低至11.3%，孔径变化率降低至4.3%，孔形演化变缓。
2025, 45(8): 084201.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0191
摘要:
对于复杂结构的爆炸载荷估计，传统数值模拟方法计算耗时长，而基于神经网络的快速估计仅能进行点估计，无法给出结果的置信度。为此，结合贝叶斯理论和深度学习，构建了复杂结构爆炸载荷快速估计的贝叶斯深度学习方法。通过开源数值模拟软件，计算了爆炸当量、位置、速度等参数大范围变化下复杂结构的爆炸载荷数据，基于贝叶斯理论将深度学习模型参数视为随机变量，利用变分贝叶斯推断高效训练模型，在保证爆炸载荷快速估计精度的同时，赋予模型不确定性量化的能力。结果表明，该方法对训练数据以外的爆炸载荷快速估计的误差约为12.2%，置信区间涵盖真实值的百分比超过81.6%，单点爆炸载荷估计时间不超过20 ms。该方法是实现复杂结构爆炸载荷快速、可信估计的新方法。
对于复杂结构的爆炸载荷估计，传统数值模拟方法计算耗时长，而基于神经网络的快速估计仅能进行点估计，无法给出结果的置信度。为此，结合贝叶斯理论和深度学习，构建了复杂结构爆炸载荷快速估计的贝叶斯深度学习方法。通过开源数值模拟软件，计算了爆炸当量、位置、速度等参数大范围变化下复杂结构的爆炸载荷数据，基于贝叶斯理论将深度学习模型参数视为随机变量，利用变分贝叶斯推断高效训练模型，在保证爆炸载荷快速估计精度的同时，赋予模型不确定性量化的能力。结果表明，该方法对训练数据以外的爆炸载荷快速估计的误差约为12.2%，置信区间涵盖真实值的百分比超过81.6%，单点爆炸载荷估计时间不超过20 ms。该方法是实现复杂结构爆炸载荷快速、可信估计的新方法。
2025, 45(8): 084202.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0147
摘要:
为了更好地量化表征钨合金弹丸侵彻靶板过程，分别采用FEM（finite element method）、SPG（smoothed particle Galerkin）、SPH（smoothed particle hydrodynamics）、FE-SPH（finite element-smoothed particle hydrodynamics）自适应数值模拟方法，对钨合金弹丸侵彻Q235A钢靶开展了数值模拟计算，对比了4种数值模拟方法在描述弹丸侵彻穿靶后，弹丸剩余速度、靶板穿孔孔径以及弹丸穿靶后二次破片生成及其分布方面的优势和不足。结果表明：在描述弹丸剩余速度方面，由于FEM方法在处理材料失效问题时是基于单元侵蚀算法，因此FEM方法以及FE-SPH自适应方法严格依赖于失效准则以及失效参数的选择，而SPG方法在键失效模式下无需调整失效参数就可以得到相对准确的结果；在描述靶板穿孔孔径上，FEM以及FE-SPH自适应方法具有精确的物质边界，可以精确刻画穿孔形貌特征，但不同失效准则下的靶板穿孔直径相差较大；SPG方法对失效参数不敏感，可以准确预测靶板的穿孔直径；在弹丸穿靶后二次破片的生成及其分布方面，FE-SPH自适应以及SPH方法均能对二次破片进行表征，FE-SPH自适应方法可以直接获取大质量破片信息，但比SPH方法的求解效率低。
为了更好地量化表征钨合金弹丸侵彻靶板过程，分别采用FEM（finite element method）、SPG（smoothed particle Galerkin）、SPH（smoothed particle hydrodynamics）、FE-SPH（finite element-smoothed particle hydrodynamics）自适应数值模拟方法，对钨合金弹丸侵彻Q235A钢靶开展了数值模拟计算，对比了4种数值模拟方法在描述弹丸侵彻穿靶后，弹丸剩余速度、靶板穿孔孔径以及弹丸穿靶后二次破片生成及其分布方面的优势和不足。结果表明：在描述弹丸剩余速度方面，由于FEM方法在处理材料失效问题时是基于单元侵蚀算法，因此FEM方法以及FE-SPH自适应方法严格依赖于失效准则以及失效参数的选择，而SPG方法在键失效模式下无需调整失效参数就可以得到相对准确的结果；在描述靶板穿孔孔径上，FEM以及FE-SPH自适应方法具有精确的物质边界，可以精确刻画穿孔形貌特征，但不同失效准则下的靶板穿孔直径相差较大；SPG方法对失效参数不敏感，可以准确预测靶板的穿孔直径；在弹丸穿靶后二次破片的生成及其分布方面，FE-SPH自适应以及SPH方法均能对二次破片进行表征，FE-SPH自适应方法可以直接获取大质量破片信息，但比SPH方法的求解效率低。
2025, 45(8): 085201.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0254
摘要:
为解决隧道拱脚周边孔爆破难成形以致超挖和掌子面底部欠挖问题，研究了马蹄形隧道拱脚周边孔爆破围岩的损伤特征。依托方山隧道，建立了拱脚周边孔的三维数值模型，模拟了拱脚处围岩的损伤情况，分析了爆破效果与自由面形状、装药量以及空孔偏转角的映射关系，并通过现场试验进行了验证。结果表明：自由面形状显著影响围岩的损伤范围和炸药的能量利用率，相较于平直自由面，凹形自由面的损伤范围小，岩石的夹制作用更大，炸药爆破难以有效破碎围岩，能量利用率仅为78%；爆破效果随着装药量的增加呈先增大后减小的趋势，当拱脚周边孔的线装药密度为0.624 kg/m时，爆破效果最佳；此外，通过布设空孔和调整空孔偏转角，可以改善拱脚周边孔的爆破效果。采用优化后的爆破参数，拱脚处最大线性超挖量降低了53.1%，隧道轮廓成型平整。
为解决隧道拱脚周边孔爆破难成形以致超挖和掌子面底部欠挖问题，研究了马蹄形隧道拱脚周边孔爆破围岩的损伤特征。依托方山隧道，建立了拱脚周边孔的三维数值模型，模拟了拱脚处围岩的损伤情况，分析了爆破效果与自由面形状、装药量以及空孔偏转角的映射关系，并通过现场试验进行了验证。结果表明：自由面形状显著影响围岩的损伤范围和炸药的能量利用率，相较于平直自由面，凹形自由面的损伤范围小，岩石的夹制作用更大，炸药爆破难以有效破碎围岩，能量利用率仅为78%；爆破效果随着装药量的增加呈先增大后减小的趋势，当拱脚周边孔的线装药密度为0.624 kg/m时，爆破效果最佳；此外，通过布设空孔和调整空孔偏转角，可以改善拱脚周边孔的爆破效果。采用优化后的爆破参数，拱脚处最大线性超挖量降低了53.1%，隧道轮廓成型平整。
