当期目录

封面
2022 年 12 期封面
2022, 42(12)
摘要:
2022 年 12 期目录
2022, 42(12): 1-2.
摘要:
特别约稿与研究综述
脉搏波本构关系实验研究的探索
王礼立, 王晖, 丁圆圆, 陈霞波, 杨黎明, 龚文波, 浣石, 缪馥星
2022, 42(12): 121101. doi: 10.11883/bzycj-2022-0434
摘要:
脉搏波本构关系决定着脉搏波的传播特征。如何通过实验研究来确定脉搏波本构关系,以及如何通过这些方法从现有文献数据来获得脉搏波本构关系,是当前研究的核心之一。本文中探索了3个可行途径:(1)由实测脉搏波波速对压力的关系C(p)进行反分析(无创法);(2)直接对脉搏波p-V本构关系进行实测(有创法);(3)由一系列实测脉搏波波形进行Lagrange反分析(无创法)。采用上述方法,根据现有文献数据,发现由C(p)关系的Rogers-Huang简化式可推得指数型p(V)本构关系;由MK-Hughes式可推得对数型p(V)本构关系。脉搏波传播特性随非线性本构参数发生显著变化。按中医体质分类观点,相应的脉搏波本构关系原则上也有不同类型,因人而定。在这个意义上,脉搏波的Lagrange反分析具有广阔发展前景,但它对正确选择测点和提高测量敏感性和精度等方面提出了更高要求。
爆炸物理
爆炸冲击波作用下人体肺部的损伤
王波, 杨剑波, 姚李刚, 何洋扬, 吕华溢, 唐吉思, 许述财, 张金换
2022, 42(12): 122201. doi: 10.11883/bzycj-2022-0173
摘要:
为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标,构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟,通过改变爆炸当量与距离,使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用,肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应,提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明:在爆炸载荷作用下,胸前壁高速撞击胸腔脏器,导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下,胸前壁持续挤压胸腔脏器,并造成胸腔变形。应力波是造成肺部损伤的主要原因,胸腔变形挤压肺部造成的损伤风险较低。肺部损伤集中在靠近胸前壁及心脏的区域。胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值可作为肺部爆炸伤的评价指标。胸部压缩量及黏性响应系数不能反映应力波对肺部造成的损伤,不适合评价肺部爆炸伤。
冲击动力学
高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理
胡朝磊, 孙海亮, 王志鹏, 包兆鹏, 崔天宁, 秦庆华
2022, 42(12): 123101. doi: 10.11883/bzycj-2022-0045
摘要:
建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。
爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟
徐柳云, 张元迪
2022, 42(12): 123102. doi: 10.11883/bzycj-2022-0214
摘要:
考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸(接触爆炸、封闭爆炸)载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构(包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等)以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。
基于DIC技术的爆炸应力波过异质界面应变场演化规律实验研究
杨仁树, 赵勇, 赵杰, 左进京, 葛丰源, 陈程, 丁晨曦
2022, 42(12): 123201. doi: 10.11883/bzycj-2022-0097
摘要:
采用氯仿粘结聚碳酸酯(polycarbonate, PC)板和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)板模拟含异质界面模型;在PC介质中布置柱状炮孔并与界面呈一定角度,根据炮孔端部与界面相对位置,分别于柱状炮孔两个端部设置起爆点,起爆点远离界面端部时定义为孔口起爆,靠近界面端部时定义为孔底起爆;借助数字图像相关实验系统,研究爆炸应力波通过异质界面后PMMA介质应变场演化过程及炮孔底部区域拉、压应变变化规律。实验结果表明,异质界面改变了爆炸应力波过界面后的传播形态。孔口起爆时,异质界面受爆破荷载作用后易形成应力集中区,界面处产生开裂,横向拉伸波作用是造成异质界面开裂的主要原因。起爆方式对过界面后介质PMMA的横/纵向拉、压应变场作用贡献不同,主要体现在应变场强度、拉/压应变场位置分布2个方面。在炮孔底部区域,起爆方式对应变场时程特性的影响主要体现在作用时效长短和应变强度2个方面。孔口起爆时,横/纵向应变体现出短时效、高强度的变化特征。就应变强度而言,起爆方式对横向压应变的影响显著强于其对纵向拉应变的影响。对空间分布特性影响主要体现在衰减程度,起爆方式对纵向应变衰减程度影响较大。无论采用何种起爆方式,爆炸应变场在PC介质中衰减速度较快,进入PMMA介质后衰减速度显著降低。
混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究
高矗, 孔祥振, 方秦, 王银, 杨亚
2022, 42(12): 123202. doi: 10.11883/bzycj-2022-0041
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和数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律,利用量纲分析和数值模拟拟合了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并明确其适用范围;然后,分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。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;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和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较准确地快速预测不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度时爆炸波峰值应力。研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供参考。
在椭圆横截面弹体正侵彻下有限厚铝靶的破坏模式及响应特性
刘均伟, 张先锋, 赵瑶瑶, 魏海洋, 刘闯, 李鹏程
2022, 42(12): 123301. doi: 10.11883/bzycj-2022-0249
摘要:
基于30 mm口径弹道炮平台,开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验,获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上,建立了相应的数值模型,结合实验结果验证了所建模型的有效性,并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明:弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素,而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱;在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致,空间分布均匀,而在椭圆横截面弹体侵彻下,随着弹体横截面长短轴长度比的增大,靶体背部形成的花瓣数量增加、尺寸变小,且在短轴方向的花瓣数量和靶体表面隆起高度均大于长轴方向的;靶体在圆形横截面弹体侵彻下的径向位移、径向应力和切向应力与其在椭圆横截面弹体侵彻下的显著不同,前者沿周向方向各点的变化规律基本一致,靶体处于简单的压缩状态,切向应力为零,而后者各点的应力状态与弹体横截面长短轴长度比和周向角密切相关,靶体受到压缩和剪切应力的耦合作用。
航行体开槽包裹式缓冲头帽结构设计及其降载性能
施瑶, 刘振鹏, 潘光, 高兴甫
2022, 42(12): 123901. doi: 10.11883/bzycj-2021-0426
摘要:
针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷,可能导致的结构损坏、弹道失控等问题,提出了一种开槽包裹式缓冲头帽,用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先,给出了缓冲头帽的详细设计参数,基于任意拉格朗日-欧拉算法,建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型,并对该数值模型的正确性进行了验证。然后,在此基础上,研究了不同入水角度下,空泡流场的演变过程,分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后,探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明,数值计算所得空泡形态与实验图像基本吻合,且数值计算和实验测试所得的冲击加速度变化趋势基本一致,两者轴向加速度峰值相对误差为6.72%,径向加速度峰值相对误差为7.52%。航行体装备所设计的缓冲头帽以300 m/s的速度垂直入水时轴向降载率为22.17%;以100 m/s的速度60°入水时,轴向降载率为31.83%,径向降载率为66.80%。
实验技术与数值方法
线起爆膨胀柱壳实验加载及诊断技术
李英雷, 刘明涛, 陈艳, 张世文, 汤铁钢
2022, 42(12): 124101. doi: 10.11883/bzycj-2021-0484
摘要:
基于电爆炸丝引爆炸药、继而驱动尼龙对金属柱壳进行碰撞加载的方式,在金属柱壳中部、半柱高范围内实现了一维柱面膨胀加载。同时,基于沿轴向的加载(或径向速度)一致性和沿环向的加载(或径向速度)轴对称性,提出了一维柱面加载的有效性判据。相比于滑移爆轰加载,一维柱面加载方式具有应力状态相对简单、易简化为二维轴对称问题分析的优点。在柱壳断裂诊断方面,建立了分布式表面速度诊断方法来监测柱壳圆周范围内的初始断裂。其原理为:均匀承载壳体断裂引起的局部承载失效将导致均匀速度曲线簇出现分叉(或演化趋势变化)。与高速分幅照相诊断方法相比,分布式表面速度诊断方法可准确获取柱壳圆周范围内的初始断裂信息(含断裂时刻和断裂位置)。利用建立的线起爆膨胀柱壳实验加载和诊断技术,获得了304钢和45钢柱壳的一维柱面动态拉伸初始断裂性能数据(含断裂应变、平均应变率),其中,45钢柱壳的断裂应变(或延展性)低于304钢柱壳的。
高压气体驱动二级轻气炮发射过程的数值模拟方法及应用
陈履坦, 何起光, 陈小伟
2022, 42(12): 124201. doi: 10.11883/bzycj-2022-0054
摘要:
二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置,多年来其数值研究大多采用简化一维模型,鲜有三维有限元模型。以14 mm口径高压气体驱动二级轻气炮为研究对象,采用耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)算法,根据膜片破裂与否,将二级轻气炮模型解耦为2个分级三维数值模型。为确定实验难以测得的参数(材料摩擦因数和膜片破膜压力),设计正交试验,拟合确定活塞与泵管间摩擦因数为0.82,弹丸与发射管摩擦因数为0.30和膜片破膜压力为11.73 MPa。正交结果表明,摩擦因数对计算结果影响较大,在高压气体驱动二级轻气炮的计算中不应忽略。通过上述方法建立数字化高压气体驱动二级轻气炮,完整复现气炮发射过程,计算的弹丸终速与实验结果吻合度高。选取验证工况详细分析了气炮发射过程内流场变化,并呈现关键时刻的压力云图。该气炮简化方法、分级思想和关键参数确认方法可推广应用于固体发射药驱动、爆轰驱动等其他驱动形式的二级/多级轻气炮。
应用爆炸力学
爆破地震荷载作用下承插式HDPE管道动力失效机制
张玉琦, 蒋楠, 周传波, 姚颖康, 李海波, 蔡忠伟, 胡宗耀
2022, 42(12): 125101. doi: 10.11883/bzycj-2021-0492
摘要:
承插式管道接口更易受到外界荷载破坏导致管道失效,为保证爆破开挖过程中邻近承插式高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)波纹管道的安全运营,控制爆破振动荷载对管道的影响是重点关注内容。通过全尺度预埋单段HDPE波纹管道现场试验,得到管道的振动速度和动应变响应数据,结合LS-DYNA数值模拟软件分别建立了无承插接口管道与含弹性密封圈的承插式HDPE波纹管道;利用现场试验数据验证了无承插口管道模型参数的可靠性,并对比分析了承插式管道的结构位移、振动速度、有效应力的响应规律与失效机制;结合现行规范,根据管道响应规律与接口允许旋转角度计算得到了承插式管道的安全振动速度。研究结果表明:有承插口管道的合振速、合位移和有效应力大于无承插口管道;在同一截面上,有承插口管道迎爆侧的合振速和有效应力更大,而最大合位移出现在截面的背爆侧;管道合位移与合振速在轴线中心处截面最大,并向两端不断减小,有承插口管道中心合位移更大;通过接口允许旋转角度得到此类工况条件下的承插式管道的安全振速为24.77 cm/s。
舱内爆炸载荷下箱型舱室角隅连接结构设计
马银亮, 张攀, 程远胜, 刘均
2022, 42(12): 125102. doi: 10.11883/bzycj-2021-0437
摘要:
通过有限元软件LS-DYNA建立了舱内爆炸载荷下箱型舱室动响应数值模型,并借助文献试验结果验证了数值模型的可靠性,研究了平板型、内凹型、外凸型、箭头型、箭矢型、背面弧型等6种角隅连接结构对舱内爆炸载荷下箱型舱室变形、特征位置压力和破坏模式的影响,分析了内爆效应下角隅连接结构的失效机理。数值结果表明:舱壁角隅位置是舱内爆炸载荷作用下舱室易发生破坏撕裂的特征位置;相比无连接结构,平板型连接结构对舱壁最大塑性变形改善最大,降低幅度达到了31.9%;背面弧型连接结构能够使箱型舱室角隅等效塑性应变降低约60%;设置连接结构能够改变高塑性应变的发生位置,进而改变箱型舱室的破坏模式;采用平板型、内凹型、背面弧型连接结构的箱型舱室能够有效避免角隅失效破坏。
不同角度分叉管道内氢气-空气爆轰传播特性
喻健良, 詹潇兵, 吕先舒, 侯玉洁, 闫兴清, 于小哲
2022, 42(12): 125401. doi: 10.11883/bzycj-2022-0100
摘要:
在3种角度分叉管道内开展化学计量比氢气-空气爆轰实验,采用自制的火焰传感器和烟迹法分别获得了爆轰波传播速度和胞格结构,探究了不同角度管道分叉对爆轰传播的影响。结果表明:氢气-空气爆轰在经过分叉三通时受分叉口稀疏波影响导致爆轰波衰减解耦,但随着入射激波与下游管道壁面碰撞,逐渐由规则反射向马赫反射转变,最终完成重起爆过程。其中,直通支管内爆轰衰减主要受支管入口面积的影响,随着分叉角度增大,入口面积减小,爆轰衰减程度和重起爆距离也随之减小;而分叉支管内,爆轰衰减受支管入口面积与入口渐扩程度共同影响,但随着分叉角度的增大,入口面积变为主要影响因素。不同角度分叉管内的实验结果均表明,初始压力升高能显著提高爆轰稳定性,从而削弱分叉几何结构的影响。
泄爆和氮气惰化耦合作用对氢-空气爆炸影响的实验研究
张凯, 杜赛枫, 陈昊, 郭进, 王金贵, 洪溢都
2022, 42(12): 125402. doi: 10.11883/bzycj-2021-0459
摘要:
为了解受限空间内不同氮气体积分数φ对氢-空气泄爆的影响,在高1 m的顶部开口容器中进行了实验。结果表明:当φ≤40%时,容器内部的最大压力峰值由外部爆炸造成;而当φ>40%时,内部最大压力峰值则由泄爆膜破裂引起;在所有实验中,都观察到内部压力的亥姆霍兹振荡,其振荡频率随φ的增加而降低;声学振荡仅出现在φ=25%, 30%时;容器内3个不同压力监测点(靠近泄爆口、容器中心和接近容器底端)的最大爆炸超压pmax都随着φ的增加而降低,且整体上最大的pmax始终在爆炸容器底部附近出现。但当φ>40%时,3个监测点间pmax的差异可忽略不计;外部最大爆炸超压也随φ的增加而减小,且不论其大小如何,均对内部压力曲线有显著影响。