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2022 年 6 期封面
2022, 42(6)
摘要:
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2022 年 6 期目录
2022, 42(6): 1-2.
摘要:
爆炸物理
KH2PO4/SiO2复合粉体抑制铝粉爆燃效果及机理分析
颜轲, 孟祥豹, 潘智超, 王政, 张延松
2022, 42(6): 062101. doi: 10.11883/bzycj-2021-0190
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。
RDX基含铝炸药爆轰波结构实验研究
丁彤, 裴红波, 郭文灿, 张旭, 郑贤旭, 刘仓理
2022, 42(6): 062301. doi: 10.11883/bzycj-2021-0217
摘要:
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
基于红外热成像的编织复合材料低速冲击和冲击后压缩试验研究
刘鹏, 蔡应龙, 顾佳辉, 罗维, 张超
2022, 42(6): 063101. doi: 10.11883/bzycj-2021-0369
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。
中低速压缩加载下不同截面构型复合材料薄壁结构吸能特性及失效分析
张欣玥, 惠旭龙, 葛宇静, 舒挽, 白春玉, 刘小川
2022, 42(6): 063102. doi: 10.11883/bzycj-2021-0347
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%。
Al/PTFE活性材料冲击载荷作用下响应特性研究
任耶平, 刘睿, 陈鹏万, 郭岩松, 胡启文, 葛超, 王海福
2022, 42(6): 063103. doi: 10.11883/bzycj-2021-0397
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。
软基体混合胞孔材料的力学性能及抗多次冲击性能
陈松, 习会峰, 黄世清, 王博伟, 王小刚
2022, 42(6): 063104. doi: 10.11883/bzycj-2021-0283
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。
椭圆截面侵彻弹体结构优化设计与结构响应
谭远深, 黄风雷, 皮爱国
2022, 42(6): 063301. doi: 10.11883/bzycj-2021-0436
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。
考虑尺寸效应的典型钻地弹侵彻混凝土深度分析
程月华, 姜鹏飞, 吴昊, 谭可可, 方秦
2022, 42(6): 063302. doi: 10.11883/bzycj-2021-0373
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。
冲击载荷下轻质夹芯拱最大刚度拓扑优化及动力响应
刘颢, 白震, 李志强, 李世强
2022, 42(6): 063303. doi: 10.11883/bzycj-2021-0512
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
散体介质SHPB被动围压试验体应力计算的理论修正方法
陈昊祥, 李杰, 邓树新, 王德荣, 王明洋
2022, 42(6): 064901. doi: 10.11883/bzycj-2021-0357
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
水下爆炸下典型舰船结构整体损伤模式表征方法及图谱研究
张弛, 刘凯, 李海涛, 梅志远, 郑欣颖
2022, 42(6): 065101. doi: 10.11883/bzycj-2021-0200
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。
钢筋混凝土结构改进型分离式数值模型
曾繁, 冯晓伟, 黄超, 徐权, 肖桂仲, 田荣
2022, 42(6): 065102. doi: 10.11883/bzycj-2021-0286
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。
Al(OH)3对聚丙烯腈粉火焰传播特性影响研究
郝峥, 许开立, 张毓媛, 刘博
2022, 42(6): 065401. doi: 10.11883/bzycj-2021-0322
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。
CF3I和CO2抑制甲烷-空气爆炸实验研究
程方明, 南凡, 肖旸, 罗振敏, 牛巧霞
2022, 42(6): 065402. doi: 10.11883/bzycj-2021-0386
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。