• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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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式。其次,对大尺寸巷道中的实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二者之间的关系式。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、气体积聚量、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聚积量正相关,起始超压和冲击气流速度越大,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10%左右,数据整体吻合度较高,验证了其可靠性,能够更简洁直观的描述瓦斯爆炸传播规律,实现对超压、气流速度的快速计算。
摘要:
反应破片是由多功能冲击反应结构材料构成的一类新型破片,在冲击目标战斗部的过程中兼具动能侵彻与化学能增强毁伤。为了研究反应破片对带壳装药的冲击毁伤效应,通过弹道实验和AUTODYN有限元仿真,结合由等效破片初速和等效格尼速度表征的带壳装药各失效等级判据,获得并对比了惰性破片和
摘要:
为了研究聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的抗爆性能,对聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构开展不同装药量下的接触爆炸试验,并对整体及局部的破坏特征进行分析。利用LS-DYNA有限元仿真软件研究聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的损伤过程及机理,并进一步分析了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的破坏模式及特征。试验及有限元结果表明:接触爆炸荷载作用下的聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构呈现6种破坏模式(正面成坑;层裂破坏;层裂鼓包;震塌破坏,聚脲涂层鼓包大变形;爆炸贯穿,聚脲涂层严重鼓包变形;贯穿和撕裂破坏,);在钢筋混凝土厚板背面涂覆聚脲有效增强了复合结构的抗爆性能。研究成果可为实际应用下的聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构抗爆设计防护提供参考依据。
摘要:
高空强爆炸所产生的X射线辐照至导弹壳体结构时产生的汽化反冲冲量(BOI)及热激波,能够引起目标的动响应破坏。现有的Whitener、BBAY和MBBAY理论模型仅能给出一维近似BOI值,无法处理复杂三维情况并给出对应的热激波峰值压力p,因此该问题研究非常依赖数值计算。利用X射线热激波数值计算程序TSHOCK3D对矩形铝靶板在0.1keV~3keV范围的普朗克黑体谱温度,0.22×108J/cm2~0.4×108J/cm2辐射能通量的工况下的汽化反冲冲量和峰值压力开展计算,并与理论模型作对比分析。结果表明,TSHOCK3D程序可以有效可靠地给出结果,正辐照靶板中心处近似一维工况下的BOI与Whitener、BBAY和MBBAY三个理论模型基本相符。通过单变量分析可得,靶板中BOI和峰值压力p,均与入射能通量近似呈线关系;而对于不同的黑体谱温度,BOI与峰值压力则在1.5keV~2keV处存在极大值。该结论对研究高空核爆X射线谱以达到最优毁伤效应有很大价值。
摘要:
多胞材料是一种内部含有大量空穴和胞元的结构,具有轻质、高比吸能等特性,广泛应用于航空航天、交通运输和人体防护等碰撞/爆炸防护领域。引入梯度设计,可实现多胞材料的有序耗能和载荷调控,以满足不同情形和工况下的防护需求。对梯度多胞材料动态力学行为和设计的研究进展进行了综述,着重介绍了梯度多胞材料/结构在抗冲击、抗爆炸和模拟爆炸载荷加载等三个方面的应用案例。首先,介绍了梯度多胞材料的分类,较系统地总结了梯度多胞材料在动态加载下的变形特征、冲击波模型、防护性能等方面的研究,阐明了梯度多胞材料的密度/强度梯度与惯性效应存在的竞争机制。其次,以冲击波模型为力学原理指导梯度多胞材料/结构设计,介绍了梯度多胞材料耐撞性反向设计、多种抗爆炸夹芯结构设计、计及弹靶耦合效应的爆炸载荷模拟器设计等策略,实现了最佳防护效果或载荷精准控制,为抗冲击/抗爆炸防护设计和快速评估提供理论基础和技术支撑。最后,展望了梯度多胞材料在极端环境加载、大能量冲击和强非线性载荷调控等需求下冲击防护领域的应用前景。
摘要:
针对充填体试样SHPB试验测试中存在的透射波测量的难点问题,岩石长杆被用于代替钢杆作为入射杆和透射杆改进摆锤冲击加载SHPB试验系统,探讨了SHPB试验中黏弹性波传播及波阻抗匹配问题;基于应力波在岩石杆件系统中的传播规律研究,定义了应力波在入射杆和透射杆上传播的黏性衰减系数、试样-岩杆界面的透反射衰减系数;基于Kelvin-Voigt模型,利用一维波动分析程序,得到了岩石杆件-充填体的波阻抗匹配系数与透反射衰减系数的关系;依据现场充填体特性、波阻抗匹配系数和透反射衰减系数,选取了四种岩石长杆改进摆锤冲击加载SHPB试验装置;利用一维波动分析程序,计算了岩杆的黏性系数、充填体和岩杆界面的应力和应变,分析了透射波的波形特征和信噪比,得出四种岩石与充填体波阻抗匹配程度从好到差为绿砂岩、花岗岩、大理岩、玄武岩;建立了以绿砂岩为入射杆和透射杆的摆锤冲击加载SHPB试验系统,开展了充填体的动态冲击实验,验证了试样中的应力平衡,为充填体动态力学特性试验研究提供支撑。
摘要:
在真空爆炸容器内开展爆炸焊接生产,不仅可以将炸药爆炸产生的冲击波和噪声限制在一定的空间范围内,而且能够有效改善爆炸焊接的产品质量。同时也缓解了爆炸焊接生产受天气和气候影响造成的产品质量不稳定和雨季停产等问题,是一项可以推动爆炸加工行业发展的发明。为了研制超大型真空爆炸焊接容器,本文设计了一座可以满足实验需要的0.55 m3小型真空爆炸容器,并在其内部开展了一系列真空爆炸实验。同时应用AUTODYN有限元应用程序,对相应的实验分组进行数值模拟分析,并深入地探索冲击波在容器内部的传播规律、冲击载荷分布状态、结构动态响应的发生机理以及覆土作用的消振作用等问题。通过分析实验和数值模拟的结果,总结出爆炸容器内的冲击载荷P-t曲线的第二次脉冲峰值明显高于第一次脉冲,且冲击波的叠加和反射总是发生在封盖内壁。并根据数值模拟的爆炸冲击载荷P-t曲线和动态应变?-t曲线,将容器封盖的动态响应分为四个发展阶段。随着真空度的下降,冲击载荷强度和动态响应幅度均被削弱明显;随着覆土厚度的不断提高,爆炸容器的动态响应也逐渐被削弱。
摘要:
摘要:
冲击波在固体介质内传播时,内部电荷随冲击波作用向两极迁移形成电势差并对外输出电压/电流-冲击极化效应,冲击极化效应的发展颠覆了科研工作者对固体介质冲击物理响应的传统认知。本文针对晶体、金属、陶瓷以及高聚物等典型固体介质的冲击极化效应进行了系统梳理;总结了现阶段发展的冲击极化测试方法,分析了落锤/摆锤、SHPB、轻气炮以及炸药爆轰等加载方式诱发固体介质极化响应的差异;概述了有限元方法、分子动力学、近场动力学方法以及相场分析方法在固体介质冲击极化数值模拟领域的应用;围绕Allison理论、张裕恒理论、冲击挠曲电理论以及冲击波相关理论,总结了固体介质冲击极化的宏观唯象理论,并从固体介质微观结构、载流子输运模式、输运模型、迁移率以及态密度等方面说明了冲击极化的微观机理;展望了冲击极化效应在传感器、俘能器以及致动器等领域的应用前景,对固体介质冲击极化效应的发展趋势和需求进行了展望。
摘要:
岩石中存在许多微裂纹和微孔洞,这些微裂纹和微孔洞在动荷载作用下会萌生、扩展和聚并,导致岩石失稳和破坏。在进行爆破开挖时,预留岩体会受到循环爆破产生的动载荷影响,产生累积损伤,从而导致岩体强度降低,甚至破坏。为了模拟这一物理过程,将现有的能够较好地描述岩石动力损伤的岩石动力损伤本构模型通过二次开发嵌入到FLAC中,用于分析锁固型岩质边坡在循环爆破作用下的损伤效应及稳定性。结果表明:考虑岩质边坡累积损伤效应后,随着循环爆破次数的增加,边坡稳定性逐渐降低。对于锁固型岩质边坡,锁固段的破坏首先发生在两端,然后向中间扩散,岩体在其中呈现递进破坏模式。由于考虑了岩质边坡的累积损伤,每次爆破后边坡的安全系数都会减小。当不考虑累积损伤时,边坡的安全系数基本不变。另外,锁固段在软弱夹层中的位置影响边坡的破坏模式和稳定性。因此,在进行类似工程活动时,应考虑岩体的累积损伤效应,避免工程事故的发生。
摘要:
常规武器的战斗部主要由柱形装药和壳体两部分组成,而壳体会影响爆炸波的峰值以及衰减规律,因此明确混凝土中带壳装药爆炸应力波的衰减规律是结构抗爆设计需解决的问题。本文基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA中的多物质ALE算法,开展了CF120混凝土中带壳柱形装药爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先基于课题组前期开展的柱形装药埋置爆炸试验,对数值算法和材料模型参数进行验证;在此基础上主要分析了完全封闭爆炸和部分埋置爆炸条件下装药形状和壳体厚度对峰值应力的影响规律;最后利用数值模拟数据拟合出混凝土中带壳柱形装药爆炸波峰值应力的计算公式。研究结果表明:带壳装药爆炸近区,长径比越大,峰值应力越大,远区则相反,且壳体越厚,峰值应力越大,但存在一个阈值;并通过定义长径比系数、壳厚比系数以及峰值应力耦合系数定量描述了装药形状、壳体厚度和埋深对峰值应力的影响规律,且建立的爆炸波峰值应力计算公式可实现对不同长径比、不同壳体厚度和不同装药埋深的带壳柱形装药爆炸波峰值应力的快速预测,可为结构抗爆设计提供依据。
摘要:
通过对于弹塑性波分析求得HLLC近似黎曼解,我们构造了SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)与一维理想弹塑性体模型下近似HLLC黎曼求解器耦合的一种构造简单的算法。在SPH计算中支持域内每个粒子对都存在一个黎曼间断问题,它的黎曼解被代入控制方程中计算。其中一维理想弹塑性体的HLLC近似黎曼解的思想是先假设整体处于弹性状态计算黎曼解,然后对计算结果进行塑性条件修正,最后用修正后的物理变量计算HLLC近似黎曼解。我们将提出的SPH-HLLC耦合算法与传统SPH算法的计算结果进行对比,结果表明该算法能有效模拟理想弹塑性体材料的碰撞,有效抑制在不同材料之间的压强和偏应力震荡
摘要:
空中强爆炸会释放热辐射使地表形成热层,冲击波进入热层后传播速度加快,形成前驱波。入射角是影响前驱波特性的重要因素,但目前相关工作大多依赖理论推导,实验研究较少。本文利用爆炸波模拟激波管平台,开展了热层温度300℃时入射角对前驱波形成影响的研究实验,结合实验构型建立了数值仿真模型,并将实验、数值仿真结果与已有理论进行了对比。结果表明:实验获得的前驱波形成临界角范围与理论计算结果一致;入射角越大,前驱波超过马赫杆的距离越大,到时提前越多。前驱波会导致超压峰值减小,且随着入射角增大,超压峰值减小程度先增大后减小;整体上看,前驱波动压峰值随入射角增大而增大,当入射角达到一定阈值后,动压峰值增大程度开始在一定范围内波动,其原因是气流密度和粒子速度的峰值到时不同;动压冲量增大程度随入射角增大逐渐增大。
摘要:
为解决高性能轻质防弹插板受轻武器杀伤元侵彻防护问题,本文对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)层压薄板进行了侵彻实验,分析侵彻后UHMWPE薄板变形失效特征并对比轻武器杀伤元的破坏形貌。利用有限元软件LS-DYNA建立了UHMWPE薄板抗轻武器杀伤元侵彻数值模型,通过靶板破坏形态、凹陷深度以及弹头变形的实验结果对数值模型的有效性进行了验证。在此基础上,通过数值方法研究了UHMWPE薄板受弹体斜侵彻失效模式,揭示了两种轻武器杀伤元侵彻下入射角度对跳弹现象和UHMWPE薄板破坏形态的影响规律。结果表明钢芯弹斜侵彻UHMWPE薄板的跳弹角位于45°-50°范围内;铅芯弹在入射角度大于70°时才可完整跳出,其余均以破损弹片形式飞溅,弹体破坏和弹体翻滚均会对跳弹状况产生影响。入射角度较小时,子弹斜侵彻作用对薄板受二次侵彻产生不利影响,入射角度较大时,子弹会较完整跳出靶板并具有高剩余速度,会对人员产生二次杀伤。研究成果可为UHMWPE薄板用于轻量化军用防弹插板设计提供理论参考。
摘要:
相变引起材料力学性能的非线性,会强烈改变应力波的波形。应力诱发的TiNi合金在相变后主要表现为剪切变形,宏观上有一定的体积改变。采用考虑偏应力和静水压力联合作用的相变临界准则,推导了压?扭联合作用下TiNi合金薄壁管内材料的增量型本构模型。基于广义特征理论分析了相变复合波的特征波速。相变复合波的波速并不是恒定的,其大小不仅取决于材料本身的力学特性,还和应力状态有关。对于相变后体积膨胀的TiNi合金材料,随着拉压不对称性的增强,相变椭圆在σ?τ平面上左移,慢波的波速会有所增加,而快波的波速则几乎不受影响。相变阶段混合相的模量增大,会显著提高慢波的波速,而对快波波速的影响更多的取决于应力状态。关于相变椭圆短轴对称的应力状态,复合波的波速并不具有对称性;在剪应力最大时快波的波速最大,而慢波则相反。
摘要:
超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)因其具有较高的抗拉/压强度和断裂韧度,在防护工程中抵抗钻地武器的打击具有广泛的应用前景。准确评估UHPC遮弹层在战斗部侵彻爆炸作用下的损伤破坏并建立可靠的计算方法可为防护工程设计和抗力提升提供重要参考。本文首先开展了UHPC靶体抗105mm口径弹体侵彻和5kgTNT炸药爆炸联合作用试验,获取了侵彻作用后以及侵彻爆炸联合作用后弹靶的损伤破坏数据。进一步建立了UHPC靶体抗弹体侵彻爆炸作用的有限元模型,通过对上述开展的试验和已有的有限厚UHPC板埋置装药爆炸试验开展数值仿真分析,并全面对比靶体的破坏深度和开坑尺寸等数据验证了所建立的有限元模型和相应分析方法对预测侵彻爆炸作用下UHPC遮弹层损伤破坏的可靠性。最后,确定了SDB、WDU-43/B和BLU-109/B三种典型原型战斗部侵彻爆炸联合作用下UHPC遮弹层的临界贯彻和震塌厚度,并与普通混凝土遮弹层进行了对比。结果表明:三种战斗部侵彻爆炸联合作用下遮弹层的临界贯穿和震塌厚度范围分别为1.25~2.65m和1.70~5.00m,相应的临界贯穿和震塌系数范围分别为1.81~2.21和2.46~4.17;与普通混凝土遮弹层对比,三种战斗部侵彻爆炸联合作用下UHPC遮弹层的开坑直径减小了25.7%~33.0%,临界贯穿和震塌厚度分别降低了10.7%~30.3%和39.7%~52.8%。本文研究工作可为UHPC遮弹层抗力评估和设计提供分析方法和设计参考。
摘要:
中空环形聚能装药常用作串联战斗部前级,在装甲目标上进行大直径开孔时具有突出优势,然而该结构形成的中心侵彻体会对后级结构进行破坏,限制了串联战斗部的作用效果。因此,采用内铝外钢的非对称壳体组合,减弱中心侵彻体对后级结构的破坏作用。通过改变环锥罩的偏心距离和壁厚,调整装药和药型罩的质量分布,形成准直环形射流,并研究炸高对环形射流侵彻威力的影响规律。数值模拟结果表明:内壳为铝合金时的中心孔平均侵彻深度较内壳为钢时的平均侵彻深度低36.13%;非偏心环锥罩形成的射流存在径向偏移,侵彻能力较弱。当环锥罩顶向外侧偏移0.05d(d为环形装药厚度)时,射流准直性较好,此情况下的环形射流侵彻深度较大;随着药型罩壁厚增加,射流头部速度不断减小,当壁厚为0.045d时,偏心环锥罩形成的环形射流侵彻能力较强;环形射流侵彻深度对炸高较为敏感,在炸高为1.12d时,环形射流侵彻深度较大。针对非偏心环锥罩和偏心环锥罩两种药型罩结构开展了静破甲试验,环形射流侵彻深度和扩孔直径的试验结果与数值模拟结果误差在12%以下,验证了数值模拟模型的可靠性。
摘要:
爆炸作用下建筑结构毁伤等级的高效预测有助于优化战前火力部署,评估战后毁伤效果,同时也可为重要建筑目标防护设计提供指导。然而,受限于建筑结构目标特性多样、体量庞大、内部系统庞杂以及验证困难等特点,尚缺乏高效的毁伤评估方法。本文借助高精度数值仿真分析,提出了综合考虑爆炸荷载、构件、房间和整体毁伤等级的建筑结构毁伤评估方法。首先,提出了爆炸作用下典型地面建筑,即含填充墙钢筋混凝土(RC)框架结构,损伤破坏和倒塌的高精度数值仿真分析方法,并得到RC结构爆炸试验和倒塌事故,以及砌体墙爆炸试验的充分验证。其次,开展了典型三层原型RC框架结构在不同爆炸当量(25~200kg TNT)作用下的内爆炸数值仿真,定量分析了爆炸冲击波在建筑结构内部的传播、结构损伤破坏和墙体飞散等。进一步给出了爆炸作用下建筑结构的高效毁伤评估流程,即:基于镜像爆源结合非线性叠加原理确定内爆炸荷载;基于等效单自由度方法评估梁、板、柱及墙体构件的毁伤等级;引入构件重要性系数加权确定房间毁伤等级;考虑房间功能及位置重要性评估整体结构的毁伤等级。最后,基于上述爆炸工况,通过对比高精度数值仿真分析与毁伤评估方法的预测结果,表明:两者得到的典型RC框架结构的整体毁伤等级一致,即在25kg、100kg和200kg TNT爆炸下分别呈现轻度、中度和重度毁伤,提出方法可缩短99%以上的计算耗时,兼具可靠性与时效性。
摘要:
系统研究了采用多级夹层设计的金属多级波纹芯体夹层梁在泡沫子弹冲击下的动态力学行为。在验证了数值方法可靠性的基础上,通过Abaqus-Explicit仿真计算结果分析了不同子弹动量水平下金属多级波纹芯体夹层梁的动态变形过程、定量挠度结果、变形破坏模式和能量吸收特性。结果表明,多级波纹夹层梁冲击侧夹层面板的二级波纹芯体和一级波纹芯体的压溃程度始终大于背侧夹层面板二级波纹芯体的压溃程度。多级波纹夹层梁背侧面板的最终跨中挠度始终小于等质量单级波纹夹层梁的相应挠度值,体现出多级夹层梁的抗冲击防护性能优势。这种增强机理主要归因于增加的多孔芯体压缩吸能保护了背侧面板,另外,多级夹层梁的极限抗拉能力几乎保持不变而极限抗弯能力因梁结构总厚度增加而增大,从而扩大了夹层结构的塑性屈服面。
摘要:
针对工程技术领域的碰撞载荷削峰减载问题,以轴向串联式吸能管为研究对象,采用数值模拟与试验相结合的方法对其吸能特性开展研究。为了探索研究轴向串联式吸能管的吸能特性,首先基于材料高速拉伸试验,构建吸能管的材料Johnson-Cook动态本构参数,并对拟合参数有效性进行评估;随后通过数值模拟与高速冲击试验研究高速撞击过程中吸能管的缓冲吸能特性,评估仿真与试验的一致性;最后通过数值模拟对吸能管轴向串联构型与单管构型之间的吸能评价指标开展对比分析。分析研究表明:数值模拟与冲击试验的变形模式、载荷曲线、吸能评价指标均吻合较好,材料性能参数准确,仿真预示方法有效,高速冲击试验方案合理可信;与相同结构参数的串联构型吸能管相比,单管构型吸能管在压缩过程中会出现非轴对称、不稳定的扭曲变形,单管构型的有效压缩行程减小了13%,峰值载荷提高了33.4%,撞击瞬间载荷提高了15%,平均压缩力提高了13%,载荷峰均比提高了17.7%;吸能管的串联构型是更为理想的缓冲吸能结构。本研究可为吸能元件的性能预测与工程设计开发提供可靠的参考。
摘要:
为了预测高强钢弹体高速侵彻混凝土靶的刚体临界侵彻速度,开展了克级高强钢(G50)卵型头长杆弹以1010-1660m/s的速度侵彻C40混凝土靶实验研究和理论分析,得到结论如下:(1)克级G50卵型头长杆弹侵彻C40混凝土靶时的刚体临界侵彻速度为1320-1520m/s;(2)建立了刚体临界侵彻速度理论模型,模型计算结果与本文及文献中的系列实验结果吻合较好;(3)建立了考虑头部侵蚀的侵彻深度模型,与实验结果吻合较好;(4)弹体屈服强度对刚体临界侵彻速度有显著影响,靶体无围压抗压强度对刚体临界侵彻速度有较小影响,实验前的弹体头形系数和弹体尺寸对刚体临界侵彻速度无显著影响。
摘要:
为研究弹体材料参数(主要指强度、韧性等)对超高速侵彻混凝土靶侵彻深度的影响规律,开展了不同材料性能的93W钨合金柱形弹以2.3~3.6km/s的速度侵彻混凝土靶实验,得到了不同材料性能弹体的侵彻深度和残余弹体长度实验数据,并结合文献[8]中的实验结果以及数值模拟方法,分析了材料参数对侵彻深度、残余弹体长度的影响规律。得到的结论如下:(1)如果弹体材料的韧性增加而强度不变,残余弹体特征参数并未显著改变,侵彻深度无显著变化,侵彻深度极大值对应的弹速也无显著变化;(2)如果弹体材料的强度增加而韧性不变,能够提升弹体抵抗侵蚀的能力,使弹体残余长度增加,临界转变速度增加,进而使刚体侵彻深度和总侵深增加,同时使弹体侵彻深度极大值对应的速度增加。
摘要:
为了准确预测磷酸铁锂电池热失控产物的爆炸下限,在密闭压力容器内开展了磷酸铁锂电池热失控试验,基于能量守恒方程和绝热火焰温度,建立磷酸铁锂电池热失控产物爆炸下限的预测模型,并验证了基于绝热火焰温度磷酸铁锂电池热失控产物爆炸下限预测方法、Le Chatelier定律方法和Jones法,考察了电解液蒸汽对热失控产物爆炸下限的影响。结果表明,常温常压下Le Chatelier定律方法计算的爆炸下限偏差最小,为1.14%,基于绝热火焰温度爆炸下限预测方法偏差最大,为10.02%。在60%~100%SOC范围内,磷酸铁锂电池泄放气体的爆炸下限先增大后减少。当热失控产物考虑电解液蒸汽时,60%SOC磷酸铁锂电池热失控产物爆炸下限仅为3.93%,较未考虑电解液蒸汽热失控气体的爆炸下限降低了22.49%,这说明电解液蒸汽增加了磷酸铁锂电池热失控产物的爆炸风险。
摘要:
人工智能方法是预测爆炸荷载的新手段,但现有方法主要用于预测爆炸冲击波的超压峰值或冲量,而预测反射超压时程的研究不多。针对这一问题,以平面冲击波绕射桥梁主梁为对象,提出了一种基于主成分分析(PCA)和误差反向传播神经网络(BPNN)的桥梁表面反射超压时程的预测模型。该预测模型利用PCA降维处理时程数据,基于多任务学习的BPNN算法,提出了考虑超压峰值和最大冲量影响的损失函数,使模型能有效预测不同入射强度下的桥梁冲击波荷载时程。通过比较多任务学习模型、多输入单输出模型和多输入多输出模型等三种BPNN模型,发现多任务学习模型的预测精度最高,而多输入多输出模型的预测能力较差;采用多任务学习模型预测得到的桥梁表面各测点位置的反射超压时程、超压峰值精度较高,R2分别为0.790和0.985,作用在箱梁上的合力时程和扭矩时程预测值也与真实值较为吻合。同时,该模型在对内插值预测的表现优于外推值预测,但其在预测外推值方面同样展现出了一定的能力。
摘要:
氢气在全球清洁能源转型中扮演着关键角色,但其可燃性和高爆炸危害性也使得氢气安全成为研究热点。聚焦国内外学者在氢气抑爆领域的最新研究成果,对不同种类抑爆材料及抑爆机理进行了综合评述。首先,介绍了气体、液体、固体以及多相复合抑爆材料的研究进展,对比分析了抑爆效果、关键参数及其变化规律。其次,探讨了抑爆材料影响氢气爆炸的物理、化学以及物理化学综合的作用过程,以揭示各类材料的抑爆机理。最后,展望了氢气抑爆材料的未来发展趋势,强调对高效能抑爆材料探索和机理研究的深化,以及在实际应用中所面临的诸多挑战。为新型氢气抑爆材料的研究开发提供参考和启示。
摘要:
Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象存在于惯性约束核聚变、超新星爆发以及超燃冲压发动机等问题中。目前,低马赫数激波冲击下单模界面RM不稳定性现象已有大量的研究,但高马赫数激波冲击下的单模界面RM不稳定性现象缺乏足够的认识,特别是高马赫数激波带来的热化学非平衡效应的影响并不明确。本研究采用基于有限体积方法的二维高温非平衡流动程序,利用自适应非结构网格模拟了空气中高马赫数激波冲击两侧温度不同的单模界面导致的 RM 不稳定性现象。研究涵盖了轻/重界面和重/轻界面两种情况,涉及的激波马赫数范围分别为6~9和9~11。本研究对比了冻结流、热非平衡流和热化学非平衡流三种气体模式下的流场演化过程,揭示了扰动增长和增长率的变化规律。通过对比扰动增长的线性理论和非线性理论,分析了初始激波马赫数和初始扰动尺度的变化对RM不稳定性的影响,同时讨论了涡量场分布和环量的演化规律。研究发现,与冻结流相比,热化学非平衡流中透射激波、反射波及界面速度明显不同,扰动振幅增长率峰值降低,界面增长率脉动减弱,界面不稳定性增长速度变慢。通过对比多种理论模型和本文的数值模拟结果,我们发现 ZS模型相对于其他模型更适用于高马赫数激波作用下的单模界面RM 不稳定性问题。对涡量场的研究发现,有两个较强的涡量生成区域,一个位于界面上,另一个位于透射激波波后,这同低马赫数下涡量主要在界面上生成的结论显著不同。此外,对环量的研究发现,热化学非平衡流中环量的幅值大小低于冻结流中的结果,这与热化学非平衡流中扰动的增长低于冻结流的结论对应。本文的研究结果揭示了热化学非平衡流中单模界面RM不稳定性的演化规律,补充了对高马赫数激波冲击下单模界面RM不稳定性的认识。
摘要:
螺旋桨是舰船推进系统的核心部件,其运动稳定性和效率直接影响着舰船的性能。当前推进轴系抗冲击研究多将螺旋桨等效成均质圆盘忽略其结构特征,不能准确得到水下爆炸作用下螺旋桨的瞬态毁伤特征。故本文考虑螺旋桨的结构特征,基于湿模态分析法得到实体建模优于壳体建模,开展了远场冲击波作用下螺旋桨物面空化冲击动响应及毁伤特征分析。并结合螺旋桨高速旋转状态下产生的水动力空化现象,进一步分析螺旋桨瞬态毁伤特征规律。研究表明:在0度与90度攻角下,冲击波入射波作用于螺旋桨表面的物面载荷更高,但存在一个上限值,其与螺旋桨结构特征有关。在计及水动力空化状态下,桨叶的应力水平变化较为一致;桨叶主要塑性损伤区为叶根处,但存在局部塑性和完全塑性两种模式。本文探讨了远场爆炸下螺旋桨毁伤与空化特征,研究结果可为推进轴系及螺旋桨抗冲击防护提供参考。
摘要:
为解决装药安全可靠性能实验成本高、强过载环境测试难度大等瓶颈问题,以等效模拟弹体侵彻钢板时内部装药过载环境力为目标,基于数值模拟仿真方法,设计了装药加载模拟实验装置,并开展了装药过载环境力等效模拟实验,突破了同时满足加载压力大于1GPa和脉冲宽度大于100μs的技术难点。结果表明,弹丸侵彻钢板装药受到的过载为正弦波单脉冲。波形调整器不仅能够调控加载到待测药表面的波形,还能对压力值的衰减产生大幅影响。随着波形调整器厚度增大,加载在待测药表面的压力逐渐减小,脉冲宽度显著增大,随着飞片厚度增大,飞片获得的驱动速度逐渐减小,加载在待测药表面的压力明显减小,脉冲宽度变化不明显。装药加载模拟实验装置形成的脉冲特征值与弹丸侵彻钢靶过程的数值模拟仿真结果对比,超压峰值误差最高为5.71%,脉宽误差最高为14.8%,均低于15%,验证了实验系统模拟弹体侵彻钢靶时装药的加载状态的等效性。
摘要:
为了提高核乏燃料储运容器等球墨铸铁结构在低温、冲击环境下的服役安全性,本文通过改进的霍普金森压杆技术对球墨铸铁材料在常温与低温(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减少。通过对断口的微观分析,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,表明了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。
摘要:
为研究冲击荷载作用下饱水和初始损伤对花岗岩宏观和微观破坏特征的影响。开展了X射线衍射(XRD)试验、霍普金森(SHPB)试验、电镜扫描(SEM)试验,利用分形维数对花岗岩破碎块度、断口图像进行了分析,探讨了图像放大倍数对分形维数的影响,并对冲击荷载作用下饱水对花岗岩的微观致裂机制进行了简要分析。结果表明:饱水后花岗岩中角闪石、钠长石、微斜长石、石英占比出现了减少,而高岭石占比显著提高;随着初始损伤的增大花岗岩的动态峰值应力逐渐减小,而破碎程度和块度分形维数逐渐增大,且初始损伤对块度分形维数影响要大于饱水的影响;随着初始损伤的增加,断口图像中出现更多的微裂纹和碎屑,图像的分形维数也逐渐增大;在一定范围内断口图像分形维数随着图像放大倍数的增大而增大,但当超过一定的倍数后会导致分形维数的减小。研究成果可为受扰动后含初始损伤饱水花岗岩体的破坏失稳机制分析提供理论和工程分析参考。
摘要:
为研究地下综合管廊结构的抗外部爆炸性能,针对整体现浇管廊和预制节段拼装管廊结构在地面爆炸作用下的动力响应特性和破坏模式开展了野外爆炸试验研究。通过11个工况的野外爆炸试验,观测了现浇管廊和预制节段拼装管廊在不同比例距离爆炸工况下的破坏特征和动力响应,对比分析了现浇管廊和预制节段拼装管廊的抗爆性能。研究结果表明:地面爆炸作用下,现浇管廊和预制节段拼装管廊顶板最终均出现弯剪破坏,整体现浇管廊的抗爆性能总体上优于预制节段拼装管廊;起爆位置对预制节段拼装管廊爆炸响应的影响较大,在节段中心上方起爆时较为不利;在小比例距离地面爆炸作用下,现浇管廊的损伤区域大于预制节段拼装管廊,预制节段拼装管廊的损伤集中在近爆心下方所在的节段或连接接缝处,节段间可产生较大残余滑移。
摘要:
为明确泡沫混凝土厚度和强度对组合式防护结构抗爆性能的影响,充分发挥和合理利用泡沫混凝土良好的消波特性,首先通过试验及数值模拟探讨不同泡沫混凝土厚度和强度对组合式防护结构抗爆性能的影响,并分析分层梯度泡沫混凝土在爆炸波作用下的消波特性。然后将组合式防护结构与采用中粗砂为分配层的传统成层式结构进行对比分析验证其优越性,在此基础上,总结凝练出组合式防护结构的主体结构荷载可控的设计理念。结果表明,利用泡沫混凝土材料较长的屈服平台和较低的波阻抗,以泡沫混凝土作为能量调控层,通过设计泡沫混凝土强度等级(密度等级)和厚度以及采用多层梯度泡沫混凝土,可使得作用于主体结构上的爆炸荷载峰值恰为泡沫混凝土屈服强度,实现对主体结构上荷载的可控设计,有效解决了中粗砂为分配层的传统成层式结构不易控制作用于主体结构上荷载的问题。研究结果可为抗新型钻地弹的防护设计提供重要参考。
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摘要:
在晶格间的Tersoff势作用下分别研究了单晶体系和多晶体系中的波动传播特性。首先,在微振动的情况下,分别基于晶格间线性作用、Tersoff势作用以及含缺陷的Tersoff势作用3种势能函数研究了单晶体系中格波的传播,得到了晶格中的色散关系以及格波波速的表达式。其次,分别以碳晶格和硅晶格为例,应用有限差分方法,研究了3种势能作用下单晶体系中的波动传播过程,对比了压缩和拉伸冲击下晶格的运动差异,并讨论了入射速度对位移峰值和受力峰值的影响,揭示了单晶体系中波动传播与连续介质中波动传播的差异。最后,分别以金刚石和碳化硅为例,采用分子动力学模拟方法,研究了多晶体系中的波动传播特性,讨论了不同空间位置原子的运动差异。结果表明:多晶体系中晶格结构更复杂,其中的波动传播特性与单晶体系存在差异;缺陷的存在对波动传播规律影响显著,这种影响在多晶体系中表现得更加突出。
摘要:
为了研究蜂窝夹芯板双层结构在活性弹超高速撞击下的损伤特性,制备了PTFE(Polytetrafluoroethylene)/Al/Cu柱形活性弹丸,利用二级轻气炮对蜂窝夹芯板双层结构靶开展超高速撞击实验,采用超高速摄像机记录了活性弹撞击蜂窝板的碎片云演化过程,分析了蜂窝板的穿孔特性和结构内部各组件的损伤特征;数值模拟了撞击过程,分析了活性弹丸的超高速侵爆效应,获得了碎片云的膨胀运动规律,揭示了活性弹丸冲击-爆轰耦合效应对靶板的损伤机理。结果表明:活性弹丸在蜂窝板上形成较小的入射孔和较大的出射孔,出射孔直径随着撞击速度的提高而增大;蜂窝夹芯板入射孔、出射孔和蜂窝芯穿孔直径随着活性弹体质量的增加而增大,入射孔直径不受蜂窝板厚度和蜂窝芯胞格直径的影响,出射孔和蜂窝芯穿孔直径随着蜂窝板厚度的增大先增大后减小,随着蜂窝芯胞格直径的增大而增大;活性弹产生具有较高膨胀速度的高温碎片云,其膨胀速度随着撞击速度的提高而提高。活性弹的冲击-爆轰耦合效应增大了结构内部组件的毁伤面积。在2~6 km/s速度范围内,活性弹在蜂窝板上形成的出射孔直径约为铝合金弹的1.3~1.8倍,碎片云的膨胀速度是铝合金弹的1.8~3.2倍。相较于铝合金弹丸,活性弹丸增加了蜂窝夹芯板双层结构内部和后板的毁伤面积,提高了毁伤效能。
摘要:
为优化机载抗爆容器的结构设计并拓展其工程应用,研究了带剪切销抗爆容器的定向泄压特性。利用LS-DYNA软件建立了内爆载荷下带剪切销抗爆容器的数值模型,开展了容器内爆试验,获得了剪切销临界直径并验证了模型可靠性,阐明了抗爆容器内冲击波的传播与载荷分布规律,分析并讨论了泄压过程中泄压盖的运动规律,建立了不同泄压盖质量下药量与剪切销直径间的函数关系,探究了剪切销的临界断裂问题。结果表明:100 g TNT内爆试验得到剪切销临界直径为22 mm, TNT爆炸后冲击波在容器内往复式传播,约3.8 ms时泄压盖冲出容器,5 ms时容器底部残存压力约为0.5 MPa;容器底部超压峰值约为144 MPa,罐体与泄压盖交汇形成的角隅处超压峰值约为149 MPa,且罐体在角隅处产生应变增长效应,角隅处成为新的危险点。剪切销的变形断裂过程会影响泄压盖的运动规律,导致泄压盖速度曲线中出现下降段,剪切销直径越大,下降段持续时间越长。TNT药量与剪切销临界直径关系呈正比,二者的线性关系不受泄压盖质量的影响。
摘要:
为探究跨介质枪弹的致伤威力,选用明胶为人体模拟靶标,借助LS-DYNA软件对设计的7.62 mm多环境枪弹侵彻模拟靶标过程进行了数值模拟,分析了弹头的运动规律和靶标空腔的变化特性,通过3自由度刚体运动模型,获得了弹头运动的理论曲线。采用多参数同步测量技术,开展了枪弹侵彻靶标实验。结果表明,数值模拟与实验现象一致,较好地再现了多环境枪弹侵彻靶标的过程和致伤效果。理论模型与实验结果误差较小,能准确预测枪弹在靶标中的运动规律。空化槽结构提高了枪弹跨介质运动的稳定性,相较传统的56式7.62 mm普通弹,多环境枪弹在靶标中稳定飞行时间长、距离远、速度衰减慢,翻滚阶段出靶角度小,最大空腔、永久空腔和能量传递效率基本一致,具有一定的致伤效果。研究成果可为新型轻武器弹药优化设计提供数据支撑。
摘要:
为研究燃气爆炸作用下配筋砌体墙的抗爆能力及聚脲对墙体的加固性能,采用LS-DYNA软件,对无配筋砌体墙、配筋砌体墙、聚脲加固无筋砌体墙、聚脲加固配筋砌体墙的抗燃气爆炸性能进行数值模拟,得到了不同墙体在峰值为5、10、20、30 kPa的燃气爆炸荷载作用下的动态响应,并对灰缝竖向配筋增强效果和聚脲加固效果进行了对比分析。结果表明:(1)无筋墙体抗燃气爆炸能力较弱,一般在20 kPa荷载作用下发生不可修复破坏,在30 kPa荷载作用下发生倒塌破坏。(2)在砌体墙灰缝中,竖向配置钢筋和在墙体表面喷涂聚脲均可增强砌体墙的抗爆能力。在20 kPa荷载作用下,各加固墙体跨中峰值位移均较无筋墙体的减小,破坏均较轻,均可修复,其中双面喷涂聚脲加固无筋墙体的抗爆效果最好,其在30 kPa荷载作用下也未发生倒塌破坏,配筋加强和背爆面喷涂聚脲加固的次之。(3)三组聚脲加固配筋墙体均可承受30 kPa燃气爆炸荷载的作用,迎爆面喷涂加固的墙体中间发生开裂,有碎块飞溅,跨中峰值位移最大,背爆面以及双面喷涂加固的墙体两端出现局部破坏,两者墙体基本完整,且双面喷涂的墙体跨中峰值位移最小,说明在灰缝竖向配筋的基础上再双面喷涂聚脲,抗爆加固效果最优,还可以承受更大的燃气爆炸荷载。
摘要:
根据材料受冲击载荷时的压力-冲量函数,推导得到了适用于水下爆炸冲击载荷的压力时程公式。通过水下爆炸实验方法测量不同药量、不同距离的压力时程曲线,使用MATLAB软件对实验数据进行拟合,由此计算冲击波冲量和能量参数,并与通用的Cole与Орленко理论计算结果进行对比,验证拟合曲线的准确性。相较于Cole和Орленко理论,新方法得到的压力衰减曲线更接近实验值。计算水下爆炸冲击波的比冲量和比冲击波能时,新模型具有较高的计算精度,其中:比冲量与实验值的误差不超过4%,与Орленко理论相比,精度提高了5%~10%;比冲击波能与实验值的误差不超过1%,计算精度与通用理论相当。
摘要:
首先,用二级轻气炮发射Q235钢质弹丸,对连续纤维增强高孔隙复合材料开展弹道侵彻实验,计算了弹道极限,归纳和分析了其损伤的形态和模式,并将这种复合材料的侵彻防护性能与其他材料进行了比较;然后,对弹道侵彻连续纤维增强高孔隙复合材料进行了数值模拟,比较了剩余速度、损伤的形态和范围,模拟结果与实验结果吻合较好;进而通过观察有限元模拟的弹孔形态、应力分布和损伤分布等方式,对侵彻过程的损伤机理进行了分析。研究结果可为复合材料在防热、冲击防护与承受外载荷等多功能一体化的应用提供参考依据。
摘要:
为加深理解波源距离和非完全粘结对地震波散射的影响规律,结合位移不连续模型、波函数展开法、Graf公式和镜像方法推导了反平面线源荷载下浅埋圆形非完全粘结隧道动力响应的级数解,并通过衬砌内外边界条件残余量与级数解截断项数的关系校验了所得解的精度。通过对该级数解进行参数分析,系统地探讨了衬砌与围岩的接触刚度、衬砌模量、衬砌厚度、隧道埋深和波源距离等因素对衬砌内表面位移和周向剪应力的影响。结果表明:衬砌与围岩的接触刚度对隧道的动力响应具有显著的影响,尤其在某些较小接触刚度情况下隧道动力响应幅值可能非常大;增大衬砌模量会减小位移,但同时会导致周向剪应力增加;增大衬砌厚度能同时减小位移和周向剪应力;增大隧道埋深会使最大位移和周向剪应力向隧道拱顶附近移动;增大线源与隧道的水平距离会使隧道背波侧相对幅值增大。
摘要:
为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果,对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和试验研究:通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析,基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型,构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型,给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程,并结合龙格-库塔方法对方程进行了数值求解;基于三维Voronoi技术,开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟;在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究,结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明:耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强;在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下,同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应,这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载,多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略;相较于均匀多胞子弹,梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐,在其衰减过程中展现出更强的非线性特征。
摘要:
为探究气粉两相混合体系泄爆特性变化规律,以甲烷-硝酸铵为实验介质,在自行搭建的不锈钢火焰加速管道中进行了泄爆口不同静态动作压力(pst)的燃爆实验,着重研究了pst对气粉两相燃爆压力、火焰传播速度和泄爆火焰形态的影响规律。pst由泄爆孔阻塞比(θ)和泄爆膜层数(n)决定,θn增大的共同作用使pst升高。pst升高将加强管道对气粉和反应产物冲出管外的约束,增大管内流体的黏滞效应,促进管内气粉两相反应,降低未燃气在管外二次爆炸的程度。对爆燃压力进行分析,发现pst从2.97 kPa升高至14.64 kPa时,爆燃压力时程曲线呈含维稳平台的双峰结构。第一压力峰值从5.48 kPa增大到10.20 kPa,维稳时间从6 ms延长至25 ms,第二压力峰值从23.03 kPa减小至9.71 kPa;pst为16.08 和24.12 kPa时,破膜前压力多次叠加反射,致使泄爆膜压力时程曲线呈现为特殊振荡上升的三峰结构。对火焰传播速度进行分析,发现pst升高使火焰的平均传播速度从161.33 m/s降低至67.99 m/s。对泄爆火焰进行分析,发现当n=2时,θ增大将使泄爆火焰结构由簇状转变为射流状;θ=88.9%时,泄爆火焰呈典型的射流状。θ增大和n增加均使火焰亮度逐渐降低,火焰发光区长度减小,破膜至火焰出现时间间隔和火焰持续时间延长。
摘要:
为研究气相爆轰合成碳-铁纳米材料的爆炸过程,采用氢氧爆炸试验与数值模拟相结合的方式研究了不同氢氧摩尔比(2∶1、3∶1和4∶1)对爆轰参数(爆速、爆温、爆压)峰值时程曲线与碳-铁纳米材料形貌的影响。研究表明:爆轰管内氢氧爆炸包括爆轰波的传播与燃烧波的衰减两个过程,且氢氧摩尔比对爆速、爆温、爆压的峰值时程曲线影响十分显著。随着氢氧摩尔比的提高,爆轰波的爆速、爆温、爆压及其衰减速率均呈减小趋势。氢氧摩尔比通过影响爆轰波的传播与衰减而作用于碳-铁纳米材料形貌的生长。零氧平衡时,样品为碳包铁纳米颗粒,随着氢氧摩尔比的提高,样品中碳纳米管的数量逐渐增多。调整氢氧摩尔比可实现对爆轰波传播与衰减过程的控制,达到气相爆轰控制性制备特定形貌的碳-铁纳米材料目的。
摘要:
氢能是未来国家能源体系的重要组成部分,将氢气与天然气混合形成富氢燃料,可为能源结构向可再生和绿色能源转型提供支持,但也带来了更严峻的安全挑战。为系统了解富氢甲烷燃料的应用现状及富氢甲烷燃料的安全利用,通过文献调研,从爆燃火焰特性、爆炸特征参数、爆燃机理以及抑爆材料等方面对富氢甲烷爆燃特性与抑爆研究进行综述和讨论,并分析总结近年来的研究方向。发现随着氢气添加比的增加,火焰固有不稳定性、火焰传播速度和爆炸强度等参数存在不同程度的增强,抑爆材料的抑制效果不断减弱;目前针对多元因素耦合的富氢甲烷爆炸特性研究不足,抑爆剂协同抑爆机理尚未揭示清晰。基于此,对富氢甲烷燃料亟待解决的方向和今后研究重点进行展望,为富氢天然气产业规模化发展的安全问题提供理论依据。
摘要:
珊瑚混凝土是一种拉压强度严重不对称的材料,研究其动态拉伸力学性能对岛礁防护工程具有重要意义。为了探究碳纤维(carbon fiber, CF)和不锈钢纤维(stainless steel fiber, SSF)增强珊瑚砂水泥砂浆在冲击荷载作用下的动态拉伸力学性能,采用ø100 mm的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置进行动态劈裂试验,对比分析不同纤维掺量的珊瑚砂水泥砂浆在不同应变率下的动态抗拉强度和能量耗散规律,并结合扫描电镜测试揭示混杂纤维的作用机理。结果表明:复掺CF与SSF的珊瑚砂水泥砂浆试样的静、动态抗拉强度都有明显的提高,最大动态抗拉强度增长率为66.03%。在相同应变率下,试样的动态抗拉强度与纤维掺量呈正相关,其破碎程度与纤维掺量呈负相关,纤维的桥接作用对试样裂缝开展具有良好的抑制效果。在同一纤维掺量下,动态增长因子随应变率的升高明显增大,动态增长因子最大值为2.44,表现出明显的拉伸应变率效应。珊瑚砂水泥砂浆试样的破碎程度及耗散能量均与应变率呈正相关,且纤维掺量越高,试样破坏时需要耗散的能量越多。
摘要:
舰艇在作战过程中受到武器攻击,从爆炸产生的破口持续多向进水,影响舰艇的不沉性。为了探究水下爆炸破损分布特性,开展了驳船近场水下爆炸试验,利用声固耦合法计算了冲击波与气泡射流载荷联合作用下全船结构的毁伤,得到整船塑性变形区域的凹陷深度为85 cm,L形破口宽30 cm,破口面积为0.2 m2。对比了试验和仿真数据,计算破口尺寸的相对误差小于20%,破口位置吻合较好,验证了模型的准确性。利用该模型进行了不同爆距下爆炸仿真计算,提出了驳船在近场水下爆炸载荷作用下的分布式损伤模式,明确了舰船结构的毁伤除整体折断和局部大型破口外还有广泛分布的小裂缝存在于舱壁、舷侧外板等部位。随着冲击因子从5.74减小至1.91,舱底破口尺寸减小,舱内裂缝增多;当冲击因子在1.91~2.87之间时,舱底破损为分散式的小型破口。舷侧、舱壁与舱底的连接处为薄弱部位,小裂缝分布较多,在舰艇设计过程中可重点加强防护。
摘要:
提出了含液金属蜂窝夹芯结构的防护方案;设计了含液金属蜂窝夹芯结构的制备方法,以满足结构内液体的密封、液体含量以及填充位置可调控的需求;并通过冲击实验获得了结构在不同冲击速度下的动态响应,同时采用有限元方法进一步讨论了冲击速度、液体含量对结构抗冲击以及冲后振动特性的影响。研究结果表明含液结构的抗冲击表现优于无填充结构,且含液结构抗冲击、冲后振动特性受含液量的影响,当芯体内充满液体时结构可获得最优的抗冲击性能。
摘要:
针对以中粗砂为分配层的传统成层式结构难以可靠控制作用于主体结构上荷载的缺陷,以及以泡沫混凝土为夹层的组合式防护结构抗爆机制不明等问题,开展了组合式防护结构预制孔装药爆炸试验,测得了特定位置处的爆炸波时程曲线和结构损伤破坏情况。然后基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA中的光滑粒子伽辽金(SPG)算法,开展了爆炸波在组合式防护结构中传播衰减规律和损伤破坏的数值模拟研究。试验和数值模拟结果表明:组合式防护结构的抗爆机制在于遮弹层和泡沫混凝土层之间的强波阻抗失配关系,通过“调控”爆炸能量的分配,使得爆炸能量大部分耗散在遮弹层中,大幅减少经泡沫混凝土层到达主体结构上的荷载和能量。研究结果可为抗新型钻地弹的防护设计提供重要参考。
摘要:
针对弹体侵彻过程中装药常常受到多脉冲载荷作用的问题,提出了一种装药多脉冲加载装置,研究了多脉冲加载下装药的应力放大效应。基于集中质量法建立了多脉冲加载装置的等效弹簧模型,对产生应力放大的条件进行了探讨。结果表明,多脉冲载荷频率与装药固有频率匹配时系统发生共振,装药产生响应放大,放大倍数随结构间隙宽度的增加而降低。装药多脉冲加载下存在一个时间区间,撞击加载的发生时刻落在该区间内时系统可产生放大效果。对高聚物黏结炸药 (polymer bonded explosive, PBX) 模拟材料,实现了实验室条件下应力幅值百兆帕、脉冲间隔毫秒级、脉冲次数3次且幅值逐渐放大的多脉冲载荷加载。
摘要:
在自行搭建的5 L粉尘爆炸火焰传播特性实验装置中,实验研究了半封闭空间内氢化镁(MgH2)粉尘爆炸火焰的传播特性。实验结果表明:随MgH2粉尘浓度增加,MgH2粉尘爆炸火焰由点火至稳定传播所用时间与预热区宽度先减小后增大,火焰亮度、锋面平滑度、及火焰传播速度呈先增大后减小趋势,并在质量浓度为800 g/m3时呈最佳燃烧状态。不同浓度的MgH2粉尘爆炸火焰传播瞬时速度整体呈波动趋势,波动幅度随浓度的提高而先减小后增大,800 g/m3时波动幅度最小,瞬时传播速度变化趋势随浓度的变化呈现不同的变化趋势。最后,根据MgH2爆炸产物的XRD测试结果,分析MgH2粉尘爆炸反应机理,发现MgH2粉尘爆炸是以MgH2燃烧反应为主并伴随有MgH2和Mg(OH)2分解以及Mg和H2氧化等多个总包反应的复杂过程,爆炸反应的最终产物为MgO。
摘要:
为了研究HMX基含铝压装炸药在慢烤过程中点火时刻的压力参量,设计了0.1和1 ℃/min升温速率下的慢烤试验,并对炸药内部进行了多点测温。在此基础上,基于炸药的通用烤燃模型,将HMX的多步分解机制与铝粉反应相结合,并考虑其分解中的相变过程,建立了HMX基含铝压装炸药慢烤反应速率与压力相关的计算模型并进行数值模拟研究。试验结果表明,在0.1 ℃/min的升温速率下,端盖喷出,壳体沿轴向撕开裂缝,无药粉残留,判定炸药发生爆燃反应;在1 ℃/min的升温速率下,壳体发生轻微变形,有部分药粉残留,判定炸药发生燃烧反应。数值研究结果表明,随着热刺激强度的提高,炸药的点火温度呈对数上升趋势,而烤燃弹的反应进度和内部压力呈现指数下降趋势,且烤燃弹内部的反应压力在HMX相变前呈缓慢上升趋势,相变后呈快速上升趋势。
摘要:
为研究椭圆截面战斗部在不同起爆方式下破片速度的分布特性,建立了5种具有不同短长轴比的椭圆截面战斗部数值模拟模型。开展了端面中心单点、短(长)轴中点双点、短长轴中点4点以及端面面起爆5种起爆方式数值模拟研究,分析了不同起爆方式下椭圆截面战斗部破片的速度分布及能量输出特性。研究结果表明:在径向方向,战斗部在不同起爆方式下破片最大径向速度变化规律基本一致,均呈现由长轴至短轴方向对数增长,且随着短长轴比的增大,短长轴方向破片速度差值逐渐减小。然而,不同起爆方式下椭圆截面战斗部最大速度截面上破片速度平均值存在明显差异,具体表现为端面起爆时的破片径向平均速度最高,单点起爆最低,且随着起爆点数量的增加,最大速度截面上的破片的整体平均速度逐渐增大。在轴向方向,受端面稀疏波的影响,不同方位角最大破片速度均出现在靠近非起爆端1/4处,且起爆点在短轴轴线上相较于在长轴轴线上会提高靠近起爆端长轴方向的破片速度,但短轴方向沿轴向的破片速度分布无明显差异。此外,不同起爆方式对椭圆截面装药爆炸能量输出特性无明显影响,其中27%的装药能量转化为壳体动能,有50%的能量被壳体断裂变形以及空气冲击波消耗。
摘要:
采用高速相机和压力传感器,对开放空间中稳态射流氢气点火爆炸初期的火焰行为和超压变化规律进行了实验研究。结果表明:在点火爆炸初期,火焰在点火电极处以球形向外扩散;爆炸后4~6 ms,火焰前锋达到最大位移,之后逐渐熄灭,最后形成射流火焰。火焰前锋位移主要受喷嘴直径影响,并随喷嘴直径的增大而增大。火焰宽度的变化规律与火焰前锋位移基本相似。整个爆炸过程仅出现1个超压峰值,正压维持时间约为1 ms。在同一点火距离处,峰值超压随氢气流量的增加而增大。在相同氢气流量下,峰值超压随点火距离的增大而减小。最大峰值超压与氢气流量成正比,与点火距离成反比。
摘要:
为探究定向断裂控制爆破下层理页岩的爆破致裂机理,采用切缝药包,对四种切缝角度下的页岩立方体试件进行爆破试验,采用数字图像相关技术(DIC)对页岩试件表面应变场的演化过程进行监测,分析了微裂纹孕育至宏观裂纹贯通的内在机理,并基于盒维数理论计算了不同切缝角度下页岩试件表面裂纹的分形维数,采用Matlab软件对爆后块度的筛分方法进行了编程分析,开发了全自动的粒径分析程序,实现了粒径圈定的可视化。试验结果表明:试件在不同比例爆距内的裂纹总密度与比例爆距之间存在负相关的幂函数关系,切缝方向与层理弱面的夹角对微观损伤区域出现的位置影响显著,当层理弱面与切缝方向平行时,损伤区域多集中于层理弱面处,对宏观裂纹的扩展路径影响显著,易于形成单一裂纹;层理弱面处的能量泄漏是造成页岩爆破破碎效果较差的重要因素,当切缝方向与层理弱面一致时,试件爆后的大块占比较高,爆后块度的分形维数平均值在各组间最低,仅为0.7843,而当切缝方向与层理面垂直时,试件的爆后块度分布较为均匀,爆后块度的分形维数平均值达到了2.5233,爆破破碎效果相对较好。
摘要:
为研究密闭空间中复合装药能量的释放特性,设计了一种同轴复合装药,其内层为温压炸药,外层为不同组分的混合燃料,混合燃料主要由铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料或硼基燃料组成,利用密闭爆炸装置开展了复合装药内爆炸试验,获取了壁面冲击波超压和准静态压力。试验结果表明:相同质量、不同硼基燃料含量的复合装药在密闭空间内爆炸,产生的准静态压力随着硼基燃料含量的增加呈现先升高后降低的趋势,硼基燃料分解产物参与二次反应的最佳体积分数在1.0%左右;对于复合装药,密闭空间中氧气含量有限,当参与二次反应的物质浓度达到一定阈值,无论是提高点火能量还是提高反应物浓度,准静态压力都无法获得高效提升,能量利用率没有提高。
摘要:
为了探究典型金属粉末对燃料空气炸药(fuel air explosive,FAE)冲击波效应和热毁伤性能的影响,采用20 L球形液体爆炸测试系统并结合比色测温方法,深入研究了不同金属粉种类和含量下环氧丙烷(epoxypropane,PO)的燃爆特性、火焰结构及温度分布特征。实验结果表明:纯环氧丙烷的最佳质量浓度为780 g/m3,最大爆燃超压∆pmax = 0.799 MPa,最大压力上升速率(dp/dt)max = 52.438 MPa/s。添加Al粉、Ti粉和Mg粉的环氧丙烷最大燃爆超压、最大压力上升速率和最大火焰平均温度均随着金属粉末质量比(I)的增加而增大,而最大压力上升时间的变化趋势则与之相反;最大燃爆超压和最大火焰平均温度的变化规律一致,从大到小依次为:Al/PO、Mg/PO、Ti/PO,且当金属粉的质量比I = 40%时,3种固-液混合燃料的∆pmax值相较于纯环氧丙烷分别增加了12.00%、8.41%和11.54%;此外,最大压力上升速率和燃烧速率的变化规律一致,从大到小依次为:Mg/PO、Al/PO、Ti/PO,且当金属粉的质量比I = 40%时,3种固-液混合燃料的(dp/dt)max值相较于纯环氧丙烷分别增加了41.91%、39.60%和45.29%。研究结果表明,不同高能金属粉末在改善环氧丙烷燃爆性能方面各有优势,在FAE的配方设计时,应根据毁伤性能指标合理选择金属粉末作为含能添加剂。
摘要:
非均匀介质在自然界中十分常见,针对细观非均匀介质的波动力学行为和非均匀性描述的研究具有重要意义并充满挑战。建立了反映细观非均匀材料压剪耦合特性的一般压剪耦合本构关系,提出了描述材料非均匀性的耦合系数,并建立了广义波动方程。广义波动方程数值分析表明,耦合系数的正负、取值和组合与应力/应变张量共同影响耦合波动传播过程。作为算例,给出了一阶近似的压剪耦合参数确定的本构关系以及3个压剪耦合特征波速的表达式,并利用有限差分法得到了耦合压缩波和剪切波的传播过程。研究了4个非均匀性耦合系数对应力状态、耦合波速和波传播过程的影响。耦合压缩波速反映了剪切对压缩的耦合效应和体积压实效应2种机制的竞争,耦合剪切波速反映了压缩对剪切的耦合效应和介质持续畸变带来的剪切弱化效应2种机制的竞争。这些机制可通过压剪耦合参数的不同组合来实现。应用真三轴实验系统测量了花岗岩、由砂浆制成的模型材料、具有粗骨料的水泥砂浆制成的材料3种非均匀介质在不同压剪应力下的纵波波速。结果表明,体积压实效应普遍存在,而非均匀程度越高,材料伸缩的同时完成切向的畸变导致压缩波的速度显著降低,剪切对纵波波速的影响越占据主导。理论计算结果与实验结果整体趋势基本一致。本研究可为非均匀材料的波速和动态力学性能研究提供物理机制方面的解释。
摘要:
为提升工程结构的抗爆安全性,同时降低水泥基超高性能混凝土高水泥用量对环境的不利影响,提出了一种基于地聚物超高性能混凝土的新型复合板,通过现场爆炸试验和数值模拟研究了该复合板在接触爆炸荷载作用下的动态响应与破坏机理。共测试了1块普通混凝土板和3块地聚物超高性能混凝土复合板,其中地聚物超高性能混凝土复合板由地聚物超高性能混凝土、钢丝网和吸能层制备而成。研究结果表明:采用地聚物超高性能混凝土代替普通混凝土能够有效提升混凝土板的抗爆性能;吸能层材料的高可压缩性和低抗剪强度是造成冲切破坏的主要原因;随着聚氨酯泡沫板层数的增加,复合板的爆坑深度增加,板底跨中位移增大;对复合板进行抗爆设计时,必须考虑吸能泡沫材料的可压缩性及其与地聚物超高性能混凝土之间的波阻抗匹配问题,才能有效提升复合板的抗爆性能。
摘要:
针对飞机典型部位在遭到高速破片攻击后结构整体的战伤状态及破片的剩余行为开展数值模拟。应用LS-DYNA软件,结合有限单元方法(finite element method, FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)两者的优势,建立自适应的FEM-SPH耦合模拟方法,并构建两种飞机典型部位的计算模型,采用六面体网格局部细化方法实现了核心位置的精确模拟,并进行试验来验证数值模型;开展了一系列高速冲击战伤模拟,对比了不同工况下破片高速冲击结构后形成的碎片云和破口形貌,并对破片的剩余速度和质量进行分析,确定了破片在结构蒙皮上的临界跳飞角。结果表明:自适应FEM-SPH耦合算法的计算结果与试验结果吻合良好,能够对破片高速冲击战伤进行有效准确模拟;碎片云分布形状随破片速度增加变得狭长,冲击角度会改变碎片云和结构破口形状朝向;碎片云高度和扩散速度随破片速度或角度的变化趋势基本一致并都呈线性关系;破片的速度减少量不随初始速度变化,质量减少量则与冲击速度成正相关,两者与冲击角度都成负相关;破片临界跳飞角与冲击速度大小基本呈线性关系。研究成果可为飞机战伤后破口预测和快速维修提供一定参考。
摘要:
部分充液罐体内的液体在外部激励的作用下容易出现晃动现象,由液体晃动产生的附加力和力矩会对载液罐车产生不利影响。为了避免液罐车制动时其罐内液体产生较大幅度的晃动,提出了几种类型的防波板,并研究了防波板及其几何参数对液罐车内液体晃动的影响。首先,建立了基于有限体积法的液体晃动的数值模型。其次,对液体晃动现象进行了一系列的实验,通过将实验获得的液面波形与同等条件下数值模拟获得的结果进行对比,验证数值模型的有效性。最后,将验证后的数值模型用于分析防波板的几何参数对液体晃动响应的影响。研究结果表明,开孔防波板不仅可以有效降低罐内晃动响应参数的峰值,还可以明显缩短罐内晃动液体达到稳定的时间;防波板的开孔位置和孔的数量在车辆制动过程中对罐体内液体晃动引起的纵向力的峰值影响差别不大,但是对液体晃动引起的俯仰力矩的峰值的影响比较明显;晃动响应参数峰值的下降率会随着充液高度的增加呈先下降后上升的趋势,液体晃动引起的俯仰力矩的峰值取得最大值时,防波板对罐体内的液体晃动的抑制效果最差。
摘要:
冲击波在水土交界面的透射、反射压力计算尚缺乏可靠的计算理论,利用质量守恒方程、动量守恒方程以及水、土的状态方程,分别推导得到冲击波在水、土介质中传播的Hugoniot关系以及p-u曲线,进而从理论上解析得到冲击波在水土交界面处的透射和反射压力。分别建立了水中自由场、水-土分层介质场的二维数值计算模型,其中水、土参数与理论推导时采用的三相介质饱和土计算模型中的参数保持一致。计算结果表明,水土交界面透射、反射压力的理论解与数值解具有高度一致性。采用80 g TNT炸药,距离水土交界面0.1~0.9 m(比例爆距为0.232~2.089 m/kg1/3)爆炸时,得到的透射、反射压力的理论解与数值解误差均小于7%,根据解析解得出反射压力与水中入射压力之比,反射压力系数在1.6~1.8范围内;距离水土交界面0.5 m时,饱和土的含气量在0~10%范围内变化,得到的透射、反射压力的范围为63.8~70.0 MPa,此时其反射压力系数在1.55~1.70范围内。推导得出的冲击波在水土交界面透射、反射压力的计算方法,物理意义明确、计算精度高,可为开展水下爆炸对水底土中工程结构的毁伤评估提供理论基础。
摘要:
长脉宽爆炸波与结构作用的波传播及其载荷分布规律是大型爆炸防护设计与安全评估的重要基础。为了掌握长脉宽爆炸波与圆柱壳的相互作用机制及其作用下圆柱壳表面的载荷分布规律,开展了100 ms级冲击波圆柱绕流的激波管试验,并采用大涡模拟方法和高阶WENO-TCD(weighted essentially non-oscillatory-tuned centered difference)混合格式进一步对150 ms长脉宽冲击波与圆柱作用过程的波系演化与压力分布进行了数值分析。结果表明:数值仿真与压力实测结果吻合较好,长脉宽作用下圆柱壳载荷分布呈现出明显的角度和高度相关性,背面压力高于侧面甚至与迎爆面相当,具有不同于传统短脉宽冲击波传播中的压力衰减模式。流场的压力云纹和波系三维结构演化揭示了侧端面的突然扩张是压力初期震荡及相比于正面和背面压力更低的主要原因;系列绕射激波在壳体背面碰撞与反射,以及序列减速激波在135°相位附近的驻定与叠加作用,是引起背面压力呈现出载荷整体提升的主要机制。此外,背风面上尾涡结构的形成与演化过程受边界效应的影响是导致长脉宽圆柱壳载荷分布沿高度方向出现差异的关键因素。
摘要:
以工业固废煤矸石(coal gangue,CG)为原料,通过焙烧、酸碱激发和物理研磨等方法对其进行改性,得到一种表面粗糙、比表面积较大的微孔改性煤矸石(modified coal gangue,MCG)材料。以MCG作为基体,采用机械化学技术将一种新型阻燃剂海藻酸钠(sodium alginate,SA)与MCG进行复配,制备出一种高效、环保、经济的改性煤矸石-海藻酸钠(MCG-SA)粉体抑爆剂。运用热重分析仪、扫描电子显微镜、X射线衍射分别对上述3种粉体进行表征,以确定其热分解特性、微观形貌和晶相成分。在自行搭建试验平台的基础上探究了MCG、SA及其复合粉体在不同复配比、不同添加质量条件下对甲烷-空气预混气体的爆炸压力、火焰传播速度等特性参数的影响。研究结果表明:MCG、SA及MCG-SA粉体具有良好的抑爆效果,且复合粉体的抑爆能力优于单一粉体。其中,质量为250 mg、SA质量分数为50%的复合粉末对甲烷体积分数为9.5%的甲烷/空气爆炸的协同抑制效果最显著,最大爆炸压力和最大火焰传播速度分别降低36.72%和68.93%,最大爆炸压力和最大火焰传播速度的抵达时间分别延长243.36%和171.33%。
摘要:
结合某大口径锥头弹体高速倾斜入水试验,采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)流固耦合方法对弹体倾斜入水偏转行为进行数值模拟。研究了弹体以500 m/s高速倾斜入水过程中不同受力模式、载荷变化特征以及弹体发生偏转的力学机理,分析了入水角度对弹体偏转规律的影响。结果表明:在俯仰力矩作用下,弹体均发生抬头方向偏转,且偏转速度呈现先增大后减小的趋势,偏转程度在不同入水角度范围内呈现不同的变化趋势。当入水角度小于15°时,弹体会发生“跳弹”现象;当入水角度为30°~60°时,弹体偏转趋势基本一致,均由初始倾斜状态逐渐转动至水平状态、竖直状态并最终以弹头入水反方向的“出水”姿态向水下运动;当入水角度为75°时,弹体转动至水平状态后,并未继续偏转至竖直状态,弹头以朝斜上方的姿态向水下运动;弹体的入水侵深随入水角度的增大而增大,且增大趋势近似满足指数函数关系。
摘要:
为探索循环动力扰动作用下冻融岩体的强度和变形特性及损伤机理,开展了两种冲击气压下冻融红砂岩的循环冲击试验,研究了循环冲击次数和冻融次数对应力波传播、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响规律;基于Lemaitre应变等效原理,提出了能够综合考虑循环冲击和冻融影响的累积损伤因子的计算方法,分析了冻融和循环冲击作用后红砂岩的微观结构特征。结果表明:循环冲击荷载下不同冻融次数处理后的红砂岩试样均呈拉伸破坏模式;红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融次数呈负相关,冻融75次后试样在首次冲击后即达到破坏状态;循环冲击次数主要影响透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅以及反射波的振幅,而冻融循环次数对第一次冲击时透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大;红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力呈现较好的负相关变化规律;冻融和循环冲击复合作用后红砂岩内部裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络。
摘要:
为加速多主元合金在航空工业领域的应用,将航空发动机经常面临的高温高应变率耦合环境作为实验条件,在5种温度下开展了CoCrFeNiMn多主元合金的动态压缩实验和变形后试样的塑性变形机理微观表征。结果表明:在1273 K的高温环境中,多主元合金的动态屈服强度可达200 MPa,表现出较好的耐高温性能;随着动态塑性应变的增加,材料内部出现了晶粒粗化的现象,并且在晶界处具有更高的亚结构孕育能力。此外,量化了不同环境温度下动态塑性变形过程中绝热温升的变化规律,指出了现有动态本构关系对CoCrFeNiMn多主元合金在宽温度域内动态应力-应变关系预测能力的不足。最后,通过解耦分析初始屈服与塑性流动阶段的温度效应,建立了一个指数形式的唯象动态本构方程。该本构方程可用于预测冲击载荷作用下宽温度域内多主元合金的屈服强度和塑性流动规律。
摘要:
动载荷下剪切失稳控制的扩散行为是岩石局部大变形发展和宏观力学性能劣化的诱因。基于广义变分原理,建立剪切载荷作用下界面动态失稳的力学模型,得到了关于界面失稳的判别式和扩散方程。基于判别方程得到剪切力和动力效应对失稳界面角度的影响,结果表明:随着外部剪切作用力的增大,剪切变形带角度有一定程度的增大;随着局部动力系数的增大,即局部惯性作用力的增大,剪切带角度明显减小。结合本征位移求解扩散方程,初步得到其位移解析表达,随着加载时间的增加,位移逐渐增大。为了验证理论模型的可靠性,并进一步研究界面失稳的变形行为和对波传播的影响,建立了数值分析模型。分析结果表明:界面失稳为局部剪切破坏滑移的先导条件;界面厚度和剪切力越大,局部位移越大;界面剪切扩散行为极大降低了透射波的幅值,同时也改变了透射波的频率。研究结果可为岩石局部化变形、岩石动态强度等研究提供理论参考。
摘要:
为探究负载对穿甲杆侵彻钢靶行为的影响,采用试验和数值计算相结合的方法,研究了带负载和不带负载穿甲杆对603装甲钢的侵彻行为,分析了负载、入射角度、撞击速度以及负载质心位置对穿甲杆侵彻深度、偏转角度的影响。研究结果表明:斜侵彻时负载使穿甲杆的侵彻深度提高并减小穿甲杆侵彻过程中的弹道偏转角度,提高了穿甲杆的侵彻能力;正侵彻时负载撞击靶板表面消耗能量,不利于提高穿甲杆侵彻深度;撞击速度为1400 m/s,入射角为60°时,负载降低了穿甲杆临界跳飞速度;负载质心距穿甲杆头部距离大于穿甲杆长度1/2时,弹道偏转角度减小,负载使穿甲杆的侵彻能力增强。
摘要:
为探究不同波纹钢-混凝土板复合结构的水下抗爆机理,采用光滑粒子流体动力学与有限单元(FEM-SPH)耦合方法模拟混凝土板在水下接触爆炸下的损伤过程,并与试验结果对比,以验证数值方法的有效性;采用FEM-SPH方法探究不同防护方案下墙面板毁伤过程及失效模式,揭示其水下防爆机理,并构建出墙面板损伤等级预测曲线。研究结果表明:模拟结果与试验结果较为吻合,验证了模拟方法的有效性;在含12 mm厚波纹钢的复合结构(T-12)、含75°夹角的波纹钢复合结构(A-75)和含厚70 mm波纹钢的复合结构(WH-70)三种防护方案下,墙面板的毁伤范围较未加固墙面板最大降幅分别为83.0%、81.6%和82.5%;预测曲线可以直观评估出炸药量和复合结构中波纹钢波高变化对墙面板损伤等级的影响。
摘要:
为探究碳纳米管增强混凝土在冲击荷载作用下的动态压缩行为,采用\begin{document}$\varnothing $\end{document}100 mm大直径分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验装置对其进行了冲击试验,对比分析了不同冲击速度和碳纳米管掺量条件下混凝土的动态抗压强度、受压变形以及能量耗散特征的演化规律。试验结果表明:碳纳米管增强混凝土的动态强度特性具有显著的加载速率敏感性,动态抗压强度和动态强度增长因子均与冲击速度呈正相关的线性关系,当加载水平相同时,动态抗压强度随碳纳米管掺量的增大呈先上升后略有下降的变化趋势,且与普通混凝土相比增幅可达23.7%。碳纳米管增强混凝土的极限应变与冲击韧度的变化特点相似,均随冲击速度的增大而逐渐提高,具有一定的冲击速度强化效应,但与冲击速度之间并没有表现出明显的线性关系。在同一加载水平下,当碳纳米管掺量为0.30%时,混凝土的冲击韧度达到相对最大,较之普通混凝土提升约10%。掺入适量的碳纳米管能够有效强化混凝土内部结构的整体性和致密性,进而改善混凝土的动态力学性能以及能量耗散特征。
摘要:
准确地剖析反射波与透射波的形成过程与影响机理是SHPB(split Hopkinson pressure bar)精细化试验设计与精准数据处理的核心前提之一。针对夹心杆系统,分析矩形、梯形与半正弦三种典型入射波加载阶段系统中一维弹塑性波的传播与演化,定量研究试件中弹塑性波的传播、两个界面上弹塑性的透反射及其系列透反射波的相互作用影响。结果表明:首先,弹塑性波特别是应力波在弹塑性交界面上的透反射中占主要地位,纯弹性波的透反射与传播反而影响较小;其次,当入射波加载区间有一定的宽度时,杆2中弹性波在两个界面上的多次透反射对反射波造成衰减的同时对透射波进一步强化,这种衰减使得半正弦波对应的反射波峰值并不是在0.5个无量纲时间时,而是有所提前;第三,与传统SHPB分析中弹性波在界面上透反射的初步规律不同,无论是矩形波、梯形波还是半正弦波入射时,试件材料的杨氏模量与密度改变虽然明显影响其弹性波的阻抗比,但对透反射波波形及其峰值强度影响并不明显。研究结果可为SHPB的精细化设计与数据的精准分析提供科学依据。
摘要:
为了研究深部大理岩的动态力学特性,首先基于离散元PFC (particle flow code)和有限差分FLAC (fast Lagrangian analysis of continua)耦合法,对大理岩的细观参数进行标定。接着,对三维分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)冲击模拟中的动态应力平衡条件及均匀性假设进行数值验证。最后,对真三轴应力环境下大理岩的应力-应变响应、破碎特征及能量演化机理等问题进行深入分析。结果表明:基于PFC-FLAC耦合理论的真三轴SHPB试验数值结果满足应力均匀性假设,模拟得到的应力-应变曲线与室内试验数据高度一致。峰值应力、峰值应变随着冲击方向上预压值(下称“轴向压力”)的增大呈下降趋势。在轴向压力相同时,试样峰值应力增幅随入射应力的提高逐渐变小;当入射应力固定时,轴向压力对试样峰值应力有削弱作用,垂直于冲击方向的围压(下称“侧向压力”)则会提升试样的抗压强度。加载过程中声发射事件爆发期整体上发生在应力峰后段,并在此阶段试样内形成较明显的宏观破碎带。在真三轴动态压缩下,大理岩破坏试样主要以拉伸裂纹居多,在总裂纹数中占比超过80%。试样从加载至破坏的过程伴随有能量的变化,达到应力峰值点时试样的应变储能达到极限,之后转化为以耗散能为主、颗粒动能等为辅的能量形式。
摘要:
霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验中试件的应力不均匀对应力-应变曲线的弹性阶段有显著影响,而弹性阶段是研究混凝土等低声速材料或高应变率加载条件下某些金属材料的关键。针对一维杆系统,利用一维弹性增量波理论,推导了线性入射波作用时应力应变和杨氏模量的解析式,研究了试件两端应力差和速度差对试件弹性阶段曲线及杨氏模量准确性的影响;进一步给出了任意形状入射波作用下试件弹性阶段曲线和切线杨氏模量的求解方法,分析了入射波斜率和形状特征对试件应力均匀性及曲线的影响。结果表明:试件弹性阶段曲线及杨氏模量的准确性与试件两端应力差的变化趋势有关,但并不完全依赖试件两端应力差,与入射波斜率、形状特征以及试件屈服强度等因素耦合相关;线性加载波斜率增大,切线模量和割线模量与实际值的差异均增大,在斜率较大时,割线模量的准确性要高于切线模量;入射波形状以正弦波为参考,曲线的初始斜率低时,切线模量的准确性高于割线模量,曲线的初始斜率高时则相反。
摘要:
相对于入射波加载阶段透反射分析过程,入射波平台段持续时间长且弹塑性传播与演化行为复杂得多,此阶段试件内弹塑性波相互作用的影响非常明显。开展了矩形入射波作用下试件内弹塑性波的相互作用及其在两个界面上的弹塑性透反射行为计算,定量研究了夹心杆系统中反射波的衰减特征。结果表明:强入射波作用下,由于弹塑性波相互作用,试件内形成了曲线型弹塑性交界面,使透射端达到屈服状态的时间明显提前,该弹塑性交界面以大于弹性声速的速度向反射端变速传播;在塑性阶段,反射波的衰减是试件截面积增大引起的广义波阻抗增大和压缩引起的塑性波往返次数增加两个方面导致的衰减量之和。计算显示,试件的密度变化虽然明显影响其波速和广义波阻抗,但两个方面引起的衰减量之和正好接近于零,使得密度变化对透反射波平台段变化的影响可以忽略;塑性模量的增大使得反射波在平台端衰减更快,而试件直径对反射波衰减速度的影响并不是单调的,从4 mm增大到10 mm,反射波衰减速度增大,但增大到12 mm后衰减量反而有所减小。研究结果可为分离式Hopkinson压杆试验透反射波形的深入分析以及精细化试验设计与数据处理提供参考。
摘要:
梯度材料热弛豫响应行为的理论研究对于热分析具有重要意义。结合Cattaneo-Vernotte线性双曲型热传导方程,推导得到幂律梯度材料的一维双曲型非傅里叶热传导方程。通过积分变换法,解得频域内温度场的贝塞尔级数形式解,随后利用极点留数法,得到时间域内温度场的第一类解析解。在第一类解析解的基础上,由简化欧拉方程解得第二类解析解。结合拉普拉斯数值逆变换方法,验证了解析解的准确性。以高温阻热梯度材料Mo-ZrC的应用为例,讨论了一般温度边界条件以及温度脉冲载荷作用下幂律梯度材料的热弛豫响应行为。分析发现,在所研究范围内温度场具备波动和传导衰减的双重特性。响应时间和温度幅值随着热弛豫时间系数的增大而增大,温度场分布和单元波形与梯度结构相关。
摘要:
为预测战斗部爆炸威力,对柱形装药运动爆炸的入射和反射冲击波峰值超压和最大冲量开展数值仿真研究。首先,基于AUTODYN有限元分析程序提出了“三阶段”的装药运动爆炸有限元分析方法,通过与已有静止和运动爆炸试验结果对比验证了方法的可靠性。然后,考虑装药运动速度、长径比、比例距离、方位角和刚性反射等影响因素开展了运动爆炸工况下200组柱形装药的数值模拟。结果表明:相较于静爆,动爆冲击波场整体前移,波阵面强度在装药运动方向增强而在反方向减弱,该影响与装药运动速度正相关。最后,针对柱形装药空中自由场运动爆炸和垂直于目标迎爆面运动爆炸的典型工况,分别提出了装药运动爆炸入射和反射冲击波峰值超压以及最大冲量的计算模型,该模型与2种战斗部柱形TNT装药运动爆炸工况的数值模拟结果符合良好,能较好地计算柱形装药空中运动爆炸冲击波荷载。
摘要:
对双孔交错起爆方式下孔间爆炸应力波的碰撞机制和破岩效果开展了研究,基于应力波正、斜碰撞理论研究了孔间爆炸应力波的相互作用机制,证明了双孔交错起爆方式下孔间应力波碰撞引起的应力增强效应;借助ANSYS/LS-DYNA有限元程序中岩石的RHT模型和炸药的JWL状态方程,模拟了交错、孔底和孔口起爆方式下孔间应力波的大小和破岩效果;最后,结合现场试验对比分析了不同起爆方式下爆炸应力波的相互作用及含砾石岩体的破碎块度分布特征。研究结果表明:双孔交错起爆下两应力波首先在孔间正碰撞,碰撞后与应力波稳定传播时的压力比为2.4倍;当入射角在0°~44°时,应力波斜碰撞,压力比由4.1降至2.3;当入射角在44°~90°时,应力波发生马赫反射,压力比由3.5降至1。交错、孔底起爆方式下,爆破块度尺寸小于250 mm的比例分别为25.5%和20.9%,爆破块度尺寸大于750 mm的比例分别为9.2%和17.5%。双孔交错起爆引起的应力波碰撞增强效应可有效改善含砾石岩体的钻孔爆破破碎效果。
摘要:
固体介质,如岩石、混凝土、贝壳和多孔材料等均具有细观非连续、宏观连续的特性,揭示这种细观非连续性对材料动力学响应的影响规律,对于材料设计、安全防护等具有重要意义。本文从广义Taylor公式出发,推导了分数阶定义下的非连续介质的一维波动方程,引入等效分数阶简化了控制方程。利用有限差分法得到了控制方程的数值解,结果表明:当控制方程中的等效分数阶阶数越小,计算得到的波形衰减的程度越大。为了验证方程的可靠性,并进一步研究非连续介质的波传播规律,在考虑多孔材料、岩石等介质的结构特征的基础上,基于Abaqus软件建立了随机多孔介质模型。分析发现:多孔介质的波传播受到介质细观非连续程度、材料属性和输入波脉宽的影响,但对应的等效分数阶阶数只与介质细观非连续程度相关,因此其可以作为评价非连续介质动态响应的一个依据。等效分数阶阶数随着孔隙率的增加而减小,孔洞相对数量分布大致相同的情况下,其统计关系近似呈线性关系。研究结果可为研究多孔材料、贝壳等细观非连续介质的波动传播提供新思路。
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2024, 44(5).  
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2024, 44(5): 1-2.  
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摘要:
为探索极限条件下矩形管道截面长宽比对于螺旋爆轰传播的影响,采用基于五阶WENO有限差分格式和两步总包反应模型的Euler方程,对三维气相螺旋爆轰波在矩形截面管道中的结构及其传播方式进行了数值研究。通过模拟不同管道截面尺寸下爆轰波的三波线运动轨迹、流场分布及高压印记结构,揭示了截面几何尺寸对气相临界爆轰波稳定传播的影响规律。结果表明:螺旋爆轰能在一定范围的小管道截面尺寸内通过横、竖两条三波线及其相互作用形成的斜三波线的运动来维持传播;随着管道截面尺寸长宽比的增加,螺旋爆轰在壁面上形成的高压印记逐渐由倾斜的条带结构变成局部点状分布结构,波阵面上的斜三波线的轨迹也由方管中沿着单一方向的圆周运动逐渐发展为具有转向机制的复杂运动轨迹;当长宽比进一步增加时,三维螺旋爆轰存在向二维结构的单头爆轰结构退化的趋势。
特别约稿与研究综述
摘要:
工程实际中,飞机油箱、船舶液舱、油液储罐等各类蓄液结构可能面临炸药爆炸冲击波、弹丸侵彻等冲击载荷的威胁。在冲击载荷作用下,蓄液结构的动响应受载荷特性、结构形式、充液方式等多种因素影响,相应的结构防护机理涉及多相介质的流固耦合、波在不同介质中的传播、液体介质的空化、结构动态力学特性等多个科学问题。针对冲击载荷下蓄液结构的动响应及防护机理,总结了工程领域中典型的蓄液结构形式,分析了各类蓄液结构在爆炸冲击波、弹体侵彻及其联合作用等载荷下的结构动响应过程、结构破坏模式、载荷耗散过程、能量转化与吸收过程,总结了蓄液结构的冲击动响应特性,归纳了蓄液结构对各类冲击载荷的防护机理,从结构构型、结构动响应、理论研究方法、抗冲击防护技术等方面对蓄液结构抗冲击防护研究进行了展望。
研究快报
摘要:
冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一,材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的演化过程,在层裂损伤物理模型研究方面,目前采用适宜的层裂损伤模型较好地模拟不同冲击加载波形下靶板自由面速度曲线的相关文献很少,主要借助实验手段探讨加载波形与自由面速度曲线变化以及层裂损伤演化过程之间的关联。对于孔洞增长层裂损伤模型,通过解析加载应变率与层裂强度以及损伤模型初始损伤参数之间的相互关系,给出了模型初始损伤参数的计算方法,有效地将损伤模型初始损伤参数与加载应变率关联在一起。该计算方法不仅可以较好地模拟方波、三角波以及泰勒波冲击加载铝材料层裂实验的自由面速度曲线,同时,计算得到的层裂强度和层裂片厚度也与实验结果符合。此外,还进一步分析了靶板内部不同位置的初始损伤、层裂强度的分布与应变率之间的关联,以及其对自由面速度曲线的影响。
爆炸物理
摘要:
为研究入口当量比的不均匀分布对旋转爆震燃烧室性能的影响,建立了当量比在入口环缝的径向或周向的函数模型,将模型公式代入组分质量分数与当量比的关系式,得到组分质量分数在径向或周向的分布函数。通过Fluent软件中的自定义函数工具,构造入口边界组分的分布函数,利用三维瞬态欧拉方程模拟了C10H22/air旋转爆震燃烧室中爆震波的传播过程及流场特性,对比了不同当量比分布下爆震波及旋转爆震燃烧室性能参数的变化特征。结果表明:入口当量比的不均匀分布会影响爆震波的传播特性;当量比为0.4~1.6且沿径向非均匀分布时,随着入口面中线位置当量比的增大,爆震波的高度减小;当量比为0.4~1.6且沿周向非均匀分布时,随着变化周期数的增加,爆震波的高度几乎不受影响;当量比的不均匀分布会削弱旋转爆震燃烧室的增压效果和温升效果,沿径向不均匀分布的情况相较于沿周向不均匀分布的情况,影响更明显;旋转爆震燃烧室内,爆震波的诱导和反应区并非严格位于前导激波的正后方,而是位于前导激波的斜后方,且在曲率的影响下,在靠近燃烧室外壁面的区域,前导激波沿中径圆柱面的圆周线传播。
摘要:
基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管,一般采用驱动段、喉部、膨胀段的结构形式,可产生特征与爆炸波接近的模拟冲击波,是实验室中开展长正压作用时间爆炸毁伤效应研究的理想平台。通过调整激波管的变截面结构和驱动段形状,实现冲击波超压衰减历程的控制,是此类爆炸波模拟激波管设计面临的核心问题之一。基于实验室现有的爆炸波模拟激波管结构,建立了激波管内一维流动数值计算模型;参考统计学理论,提出了基于决定系数的激波管模拟冲击波与标准爆炸波相似度评价方法;进而以变截面激波管的流动特性为基础,研究了驱动段形状对冲击波衰减历程的影响机理。研究结果表明:采用距离喉部越远、截面直径越小的驱动段形状,以决定系数为量化标准、优化驱动段形状,控制稀疏波、压缩波在激波管内的运动过程,可以获得接近于爆炸波指数衰减特征的模拟冲击波。
摘要:
针对传统单轨火箭橇系统零部件附加质量过高的问题,提出了一种由发动机和滑靴组成的箭橇一体化结构,采用三维欧拉-伯努利梁单元对火箭橇系统进行离散,对滑靴位置做寻优计算,发现中滑靴处于前后滑靴的中间位置时,系统振动量最小,位置分布最优。设计了3种滑靴与发动机壳体连接的方案:(1) 滑靴通过锯齿形焊缝与发动机壳体包覆连接,(2) 发动机壳体直接堆放在滑靴靴体上,(3) 滑靴通过支撑板过渡件与发动机壳体连接。采用橇-轨耦合动力学方法计算方案2和方案3的在轨安全性,方案3的火箭橇系统力学环境更优,其系统附加质量比传统单轨橇降低了73%。最后,开展了箭橇一体化验证试验,验证了箭橇一体化设计方案的合理性。
冲击动力学
摘要:
利用分离式霍普金森压杆对TC11钛合金平板帽形试样进行动态加载,基于高频红外点阵测温技术捕捉了剪切区温升随加载时间变化的历程,结合热传导理论分析和动态剪切数值模拟,分析了动态剪切过程中剪切区温升随时间和空间的分布规律。研究结果表明,在动态剪切加载下,TC11钛合金表现出脆性的变形行为,剪切区最高温升为430 ℃,且在实验所覆盖的加载速率范围内,加载速率对动态剪切温升影响不明显;显著的温升主要集中在剪切区中心附近100 μm量级区域内,温升区具有高度局部化的特征,且剪切区维持较高温度所持续的时间在10 μs量级。理论研究和数值模拟发现,动态加载下剪切区内最高温度可达751 ℃,剪切区温度时空分布规律与实验结果保持一致。实验和数值模拟结果均显示,剪切区最高温升发生在材料断裂时刻,表明剪切区显著温升应来源于剪切变形造成的应变高度集中发展。
摘要:
为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律,采用10−3 s−1应变率下准静态压缩与拉伸、105 s−1应变率下准等熵压缩及107 s−1应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载,高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示,初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化,初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起,初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下,初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大,未观察到间断等非线性变化;而初始奥氏体相中声速曲线存在间断,声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中,初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构,而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载,则在约100 m/s处出现双波结构,二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起;在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中,在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约105 s−1升高至107 s−1,相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa,107 s−1应变率下,随着初始样品温度升至402 K,弹性极限降至1.7 GPa,表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。
摘要:
为研究质量参数对空爆荷载梁构件振动位移的影响,以等效单自由度法为基本方法,理论推导了柔性及刚性2类梁构件含质量参数在弹性、塑性各阶段的振动位移解,选择矩形截面、圆截面为梁构件典型截面,设计并计算了质量参数在1.00~1.20范围内的13种典型工况。结果表明:对于空爆荷载柔性及刚性2类梁构件,增大其截面面积后,仅考虑质量参数计算振动位移时误差较大,应按质量参数及产生的附加刚度参数耦合效应分析;对于矩形截面梁构件,采用质量参数与刚度参数耦合计算时,其最大弹性位移、最大弹塑性位移和残余变形降低幅度分别约为仅采用质量参数计算结果的4.75、3.28和2.96倍;对于圆截面梁构件,则分别为3.57、2.56和2.32倍;该结论在柔性梁构件及刚性梁构件均适用且无明显差异。
摘要:
为了研究隧道结构在水中爆炸冲击下的荷载分布和动力响应,设计并制作了1/10缩尺隧道模型,进行了3次水下爆炸试验,对隧道模型的压力、冲量和位移进行了研究。研究结果表明:冲击波在浅水区会产生明显的水面截断效应,该效应会使近水面的冲量减小;自由场冲击波峰值压力的试验值与理论值吻合良好,误差在20%以内;圆形截面隧道迎爆面峰值压力为自由场峰值压力的1.626~1.716倍,顶面峰值压力为自由场峰值压力的54.3%~65.2%,背爆面峰值压力为自由场峰值压力的25.5%~31.3%;水中爆炸作用下的冲量时程曲线呈明显的阶梯状,每一次的气泡脉动都伴随着相应的冲量增加;水下爆炸会引起隧道结构产生振动,其振动过程可分为结构急速变形、结构大幅振动和结构颤振3个阶段,隧道结构的最大位移发生在结构大幅振动阶段。
实验技术与数值方法
摘要:
针对爆炸用激波管缺乏相应的经验公式和数值模拟时效性差的问题,同时为了快速得到激波管内的峰值压力,建立预测爆炸用激波管试验段峰值压力的四层反向传播(back propagation,BP)神经网络。采用数值模拟方法计算激波管试验段峰值压力,计算结果与激波管爆炸试验结果进行对比,平均相对误差为2.69%。证明激波管数值模型的准确性后,将数值模拟得到的195组激波管测得的峰值压力作为输出层,激波管驱动段TNT的药量、药柱的长径比以及爆炸比例距离作为神经网络的输入层。为了加快神经网络迭代速度和提高预测精度,使用自适应矩估计(adaptive moment estimation,ADAM)算法作为神经网络误差梯度下降的优化算法。结果表明,训练好的神经网络得到的预测结果与模拟值基本吻合,预测结果与数值模拟结果的平均相对误差为3.26%。BP神经网络模型能够反映激波管爆炸的峰值压力与影响因素之间的映射关系,采用BP 神经网络模型计算时比数值模拟节约了大量运算时间。
应用爆炸力学
摘要:
为探究冻结岩体的冲击力学性能,并提出寒区爆破开挖工程中合理的爆破炸药单耗,针对寒区典型分布的砂岩,采用室内分离式霍普金森压杆试验与理论分析相结合的方法,开展了冻结砂岩冲击力学性能及爆破破岩能量耗散特性研究。结果表明:(1) 冻结状态砂岩的动态抗压强度和动态弹性模量相比常温状态整体有所提升,而应变峰值整体有所下降。对比静载与动载试验结果,相同物理参数下,砂岩的抗压强度差距不大,而动态弹性模量明显高于静态弹性模量。(2) 常温状态砂岩和冻结状态砂岩试件的耗散能量均随含水率的增大而逐渐减低,且冻结状态砂岩的耗散能量高于常温状态。相比常温状态,冻结砂岩在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时,其耗散能量增幅分别为21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。(3) 相同含水率下,冻结状态砂岩的炸药单耗均高于常温状态,在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时,冻结状态砂岩爆破炸药单耗相比常温状态分别增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。(4) 将常温与冻结状态砂岩爆破炸药单耗数值进行拟合,得到不同状态砂岩爆破破岩的单耗修正模型,可为寒区爆破工程提供参考。
摘要:
为研究水雾对RDX粉尘爆炸的抑制作用,自主设计了可视化方管粉尘爆炸水雾抑制系统,选择了不同喷嘴类型、喷孔直径以及雾化压力等实验条件,以RDX粉尘爆炸火焰传播动态、爆炸压力以及爆炸温度等变化,判断不同条件下水雾对RDX粉尘爆炸特性的影响。结果表明:在同一雾化压力下,不同类型喷嘴喷出水雾对RDX粉尘爆炸抑制效果不同,离心喷嘴喷出水雾抑爆效果最好;随着雾化压力增大,水雾对RDX粉尘爆炸抑制作用增强;在实验选用的0.8、1.2、1.5、2.0、2.4 mm五种孔径离心喷嘴中,1.5 mm孔径离心喷嘴喷出水雾抑爆效果最佳,在雾化压力4 MPa下,RDX粉尘爆炸压力仅为0.1184 MPa,相比于无水雾时RDX粉尘爆炸压力0.4561 MPa,压力峰值降低了74.0%,爆炸温度为234 ℃,相比于无水雾时RDX粉尘爆炸温度774 ℃,温度峰值降低了69.8%。
摘要:
针对传统单相抑爆介质效果不佳的问题,提出气固两相介质通过不同抑爆原理的协同作用,实现高效快速抑制瓦斯爆炸。研究使用NaHCO3粉体与CO2气体协同抑制瓦斯爆炸的方法,选用标准20 L球形爆炸测试装置,并通过密度泛函理论对甲烷爆炸微观反应机理中各反应物、过渡态、产物进行构型优化,在此基础上进行后续计算。结果表明:体积分数为16%的CO2和质量浓度为0.35 g/L的NaHCO3单相介质对瓦斯爆炸具有优良的抑制效果,但0.1 g/L粉体存在时会使最大升压速率提升17.9%;气固两相介质抑爆相较单相CO2、单相NaHCO3粉体使最大爆炸压力降低,采用体积分数为8%的CO2协同0.125 g/L粉体时,瓦斯爆炸最大爆炸压力降低72.42%,最大升压速率降至2.345 MPa/s,抑制效果达到最优;但当体积分数为4%的CO2协同0.05 g/L粉体时会使最大爆炸升压速率上升93.68%,反应呈现出一定的加剧现象;量子化学计算表明,在气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸的过程中,NaHCO3粉体裂解会吸收反应体系中的热量,其分解产物会与混合体系中的OH·、H·优先反应,阻碍O·的产生,将链式过程抑制在CH2O阶段,进而抑制链式反应的传递过程;NaHCO3粉体分解产生的CO2与混合体系中的CO2稀释了混合体系中甲烷的体积分数,减少甲烷与氧气分子之间碰撞发生的概率,对反应进程起到有效抑制作用。