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上土下岩地层中平面SH波的传播特性分析
周俊, 石文革, 董玉飞, 路世伟, 杜国锋, 刘洪宇
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220564
摘要:

为研究爆破地震波在层状地层的传播规律,选取平面SH(水平剪切)波作为研究对象,基于弹性波动理论,建立了一般层状地层的刚度矩阵和动力平衡方程,分析了土层与基岩的阻抗比、土层厚度、入射波频率和入射波角度对地表速度与土岩地层界面速度的比值(|u1/u2|)的影响。结果表明:|u1/u2|的各个峰值随着入射波频率的增大而减小,且第2个峰值明显小于第1个峰值,实际工程中应重点关注土层的一阶卓越频率;随着土层阻抗的增大,高频部分的响应越来越强烈,且受入射角的影响也越来越大;当土层较薄时,|u1/u2|高频部分的响应比较明显,但随着土层厚度增加,高频部分的响应越来越小,说明土层的高频滤波作用随着厚度的增加而增强。

锗在高压下的往复相变行为
袁琴, 李帅锜, 周礼, 贺端威
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220578
摘要:

利用基于六面顶压机的二级6-8型高压装置和金刚石对顶砧技术,结合北京同步辐射光源高压原位X射线衍射技术,对锗在高压下的相演化行为以及晶粒尺寸变化规律进行了系统的研究,发现往复压致相变对锗的晶粒细化有明显效果,同时在经历往复压致相变5次的块体样品中发现了非晶区域,为纳米结构和非晶材料制备提供了一种新的思路。

冲击载荷下平板玻璃裂纹扩展和破坏形态的数值模拟
王木飞, 李志强
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220558
摘要:

裂纹的萌生和扩展是计算力学领域长期存在的难点和热点,也是玻璃、岩石、混凝土等脆性材料中常见的工程实际问题。为了探究冲击载荷下平板钠钙玻璃的损伤破坏行为和细观裂纹扩展规律,分别采用单元删除法、不连续伽辽金近场动力学法(discontinuous Galerkin peridynamic, DG-PD)和无网格粒子近场动力学法(meshless peridynamic, M-PD),研究其裂纹扩展行为。单元删除法采用JH-2材料模型,同时添加最大主应力和最大主应变失效准则;DG-PD法采用节点分离操作,并施加临界能量释放率准则;M-PD法采用自编程序粒子离散方法,选择合适的计算域,并施加临界伸长率准则。模拟结果表明:(1) 单元删除法可大致模拟出玻璃在冲击载荷下的损伤形貌,但在捕捉裂纹分叉和贯通等方面略显不足,未见玻璃碎片的飞溅,无法通过碎片飞溅速度评估其安全性能;(2) DG-PD法中环状裂纹和径向裂纹明显,裂纹具有很高的对称性,冲击点和边框处有大量玻璃碎片飞溅;(3) M-PD法中能捕捉到径向裂纹和环向裂纹,且裂纹的对称性较好,近场域和冲击速度对平板玻璃的动态响应有着重要的影响,就损伤形态而言,M-PD法和DG-PD法具有很高的一致性。

基于IAHP-Fuzzy的岩溶隧道突水风险预测
李录, 秦本东, 郭佳奇, 黄鑫, 田永超
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220536
摘要:

突水突泥是岩溶隧道施工阶段的主要工程灾害之一,有必要对其潜在风险等级进行预测。以宜万铁路野三关隧道工程为背景,采用文献调研法,将影响隧道突水风险的因素归结为工程地质条件、水文地质条件和岩体质量条件,并建立了对应的评价指标体系,通过形成各层次因素的区间判断矩阵确定指标权重,运用IAHP-Fuzzy法实现了岩溶隧道突水风险分级。综合3个一级指标和11个二级指标形成了隧道突水突泥的层次分析模型和风险分级体系。通过区间层次分析法确定了指标权重,计算结果显示,水压力特征在各指标中占比最高,高水压是造成野三关隧道突水的最直接诱因。通过验算,水压力为0.1 MPa时隧道突水风险为弱风险,建议采取预注浆加固等主动防护措施降低水压力,该验算进一步证明了模型的可行性。

煤岩组合体巴西劈裂动态力学特征数值分析
马泗洲, 刘科伟, 郭腾飞, 黄晓辉, 周占星
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220589
摘要:

为探究冲击荷载条件下煤岩组合工程体的动力学响应特征,通过室内试验测得单一煤、岩的基本力学参数,为煤、岩体HJC模型材料参数的选取提供依据。在材料模型有效性验证的基础上,采用LS-DYNA显式动力学软件研究了不同冲击荷载、冲击方向及加载角度条件下煤岩组合体动态劈裂过程中的应力波传播规律、变形破坏过程及破坏特征。结果表明:(1) 在不同冲击方向作用下,R-C与C-R组合体的应力波波形基本相同,但应力幅值略有差异,对比发现入射波幅值基本相等,但R-C组合体的反射波幅值偏大,透射波应力幅值偏小,随着冲击荷载的增大,差异性逐渐减小;(2) 在不同冲击荷载作用下,煤岩组合体在劈裂过程中以煤体部分破坏为主,且组合体中煤体部分总是在交界面远处先产生宏观裂隙,而岩体部分则多在交界面近处先起裂破坏;(3) 当冲击荷载较小时,C-R与R-C组合体的破坏形态基本相同,以拉伸、剪切破坏为主,随着冲击荷载的增大,组合体的破坏程度加剧,破坏形态的差异性也更明显;(4) 提出了一种以单元损伤失效数量为评价指标的方法来定量分析组合体的破碎程度,从数据的变化规律发现,组合体在加载角度为45°时破坏最剧烈。

HMX基含AP浇注炸药烤燃实验与数值模拟
刘润泽, 王昕捷, 刘瑞峰, 段卓平, 黄风雷
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220538
摘要:

为研究新型奥克托今(HMX)基浇注炸药GOLA-1(HMX-Al-高氯酸铵(AP)-黏结剂(Kel-F))在热刺激下的响应特性,对GOLA-1炸药进行了温升速率为1.0和1.5 K/min的烤燃实验,获得了炸药中心点温升和点火时间等信息。在此基础上,结合烤燃数值模拟,预测了炸药的点火位置及温度。数值模拟与实验结果吻合较好,在1.0和1.5 K/min温升速率下GOLA-1炸药点火时间的相对偏差分别为1.3%和1.7%,表明所建立的数值模型较为合理。采用该模型进行了不同温升速率下的数值模拟,结果表明:当温升速率下降至0.4 K/min时,点火位置由装药底面边缘的环形区域移动至装药中心轴线上靠近下部的位置;点火位置随温升速率的下降而逐渐向药柱上部移动,温升速率对点火温度基本没有影响。

hcp金属的高压拉曼散射光谱研究
刘静仪, 陶雨, 范春梅, 吴彬彬, 雷力
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220522
摘要:

通过高压拉曼光谱可以从微观角度研究高压下材料的晶格动力学行为。然而,受金刚石荧光与金属样品强反射的影响,高压下金属样品的拉曼光谱信号较难获得。为此,发展了一种简易的金刚石对顶砧倾角散射高压拉曼光谱技术,可实现六角密排结构(hcp)金属样品的高压拉曼光谱信号测量。以hcp金属Be为例,通过测量最高压力达73 GPa时的剪切拉曼模E2g,获得了其弹性常数C44随压力的变化关系。所提出的金刚石对顶砧倾角散射高压拉曼光谱技术为研究金属材料的成键状态、电子结构、声子-电子耦合效应提供一种新手段。

城市地铁联络通道下穿爆破地表振动空洞效应
董合费, 朱斌, 蒋楠, 杨玉民
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220553
摘要:

研究城市地下工程爆破施工地表振动衰减规律对邻近建筑保护具有重要意义。以武汉地铁8号线二期联络通道爆破开挖工程为例,运用现场监测与ANSYS/LS-DYNA三维有限元数值模拟计算相结合的方法,分析了联络通道爆破开挖作用下地表振动的空洞效应,并预测其衰减规律。研究表明:地表质点的峰值振速随着与掌子面距离的增大而不断减小,成洞区域上方地表振速明显大于未开挖区域;空洞效应放大系数随着与爆源纵向距离的增大先增大后缓慢减小,沿通道两侧随着距离的增大而不断减小,空洞效应的影响减弱;在距爆源8 m处(掌子面后方6 m),放大系数达到最大,应重点在距离爆源2~8 m即空洞效应较大的地表区域内开展振动监测。在开挖区域,与介质和爆破条件相关的系数、振动衰减系数和层介质吸收系数分别为58.52、1.43和0.019,而在未开挖区域,则分别为152.09、1.74和0.023。

聚能装药宏观偏差耦合对射流横向偏移的影响
聂源, 梁斌, 袁小雅, 刘闯, 李毅
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220511
摘要:

聚能装药宏观偏差是引发射流横向偏移的原因之一,为研究多种宏观偏差对射流横向偏移的影响规律,根据射流成形理论推导了同轴度偏差、壁厚偏差和位置偏差对射流横向偏移量的影响的理论分析模型。对存在多种宏观偏差的聚能装药采用数值模拟方法开展射流形成过程的计算,获得了各类宏观偏差对射流横向偏移量的影响规律。结果表明,单一的同轴度偏差和位置偏差均导致射流呈二次曲线状,单一的壁厚偏差使射流偏转,但射流仍保持直线状。在多种宏观偏差相互耦合的情况下,射流横向偏移量约为各单一因素引起的偏移量的矢量和。研究成果可为提高聚能装药的稳定性提供参考。

变速增压法制备的聚丙烯晶体结构与热性能
徐明锟, 林嘉翔, 张效琳, 李贞印, 邵春光
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220570
摘要:

在聚合物的高压成型过程中,压力、增压速率以及聚合物的分子量都会影响制品的最终结晶结构,研究不同高压处理方法与等规聚丙烯(isotactic polypropylene,iPP)结晶结构之间的关系,有利于深入认识高压成型工艺对聚合物结晶行为的影响。利用广角X射线衍射技术和差示扫描量热法,研究了两种不同分子量的iPP在不同增压速率、不同压力下的结晶行为及制品的热性能。结果表明:压力是决定中间相iPP形成的关键因素,只要压力足够高,就能够制备出完全的中间相iPP;在足够高的压力下,增压速率越高,越有利于中间相iPP的形成,相反更容易形成γ相iPP;分子量越高,制备中间相iPP需要的压力越高,需要的临界增压速率越大。制品的热性能分析表明,不同条件下得到的中间相制品在热性能上基本没有区别,但γ相iPP的晶体完善性与增压条件有关。

冲击载荷下周期性多孔夹芯结构拓扑优化及动力响应
廖芳, 李世强, 吴桂英
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220560
摘要:

在等效静力方法框架下基于双向渐进结构优化硬杀法构建了冲击载荷下周期性多孔夹芯结构的拓扑优化方法。采用ABAQUS有限元软件,研究了周期性优化夹芯结构与梯形波纹芯层、矩形波纹芯层和随机Voronoi芯层夹芯梁在刚体以100 m/s的速度撞击下的变形失效模式。在载荷作用前期,优化夹芯结构的上半部分芯层被完全压缩,能量吸收优于其他3种结构;在载荷作用后期,由于优化夹芯结构的最终塑性变形较小,在整个响应过程中总能量吸收略小于其他3种结构。为检验单一载荷工况下优化夹芯结构在其他载荷作用下的性能,采用不同速度的刚体以3种不同类型的脉冲载荷加载,比较了4种夹芯结构的能量吸收性能。综合考虑夹芯结构上下面板的跨中挠度、比吸能、芯层吸能占比和平均冲击力后发现:在刚体冲击下,优化夹芯结构具有更好的能量吸收性能和抗冲击性能;在矩形脉冲下,优化夹芯结构的比吸能小于矩形波纹芯夹芯结构,未能体现结构优化的优势。研究表明,单一工况下优化所得的结构不能在任意载荷下均表现出最优异的性能,因此,针对不同的载荷工况,需要进一步的研究。

火焰特征量对快速烤燃的影响
肖游, 智小琦, 王琦, 于永利, 范兴华
当前状态:  doi: 10.11858/gywlxb.20220557
摘要:
为研究快速烤燃下池火中火焰特征量对烤燃弹的影响,建立了池火的快速烤燃模型,得到了烤燃弹的传热特性,分析了烤燃过程中烤燃弹放置高度和油池尺寸对火焰特征量的影响。结果表明:随着烤燃弹放置高度的增加,烤燃弹表面最高温度区域由上表面转移到下表面,辐射热通量峰值由烤燃弹上方转移到烤燃弹下方;随着油池尺寸增加,烤燃弹各表面温度更加均匀,烤燃弹吸收的热通量增加,烤燃弹表面温度升高。因此,快速烤燃试验中烤燃弹的放置高度与油池尺寸均会对火焰特征量造成影响,进而影响烤燃弹的快速烤燃特性。
封面
2022-04期封面
2022, 36(4)  
PDF(31)
摘要:
2022 年 4 期目录
2022, 36(4): 1-2.  
摘要:
高压理论与计算
Sc、Ti、V、Zr掺杂Cr2B3高压力学性质的第一性原理计算
张畅, 孙小伟, 宋婷, 田俊红, 刘子江
2022, 36(4): 042201.   doi: 10.11858/gywlxb.20210916
摘要:

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了掺杂Sc、Ti、V和Zr的Cr2B3在零压下的晶体结构和电子结构及其在0~150 GPa压力范围内的弹性常数和维氏硬度。结果表明:Cr2B3及其掺杂化合物均具备力学稳定性;在零压下,添加Sc、Ti、V和Zr元素均可提高Cr2B3的维氏硬度,其中Ti掺杂Cr2B3的硬度由26.3 GPa提高至40.2 GPa,提高52.9%,达到超硬材料标准,且 Ti和V掺杂Cr2B3的剪切模量分别提高14.3%和16.2%,杨氏模量分别提高8.2%和12.0%;由电子结构分析可知,Sc、Ti、V和 Zr元素可以加强B与B之间的电子局域化程度,从而增强共价键结合强度,使Cr2B3的硬度升高;Cr2B3的弹性常数、体积弹性模量、剪切模量、杨氏模量以及硬度随着压力的增加而增加,但其硬度仍较低,150 GPa下仅为28.3 GPa,而掺杂V的Cr2B3的硬度在整个压力范围内约为37 GPa。研究结果可为Cr2B3在高压等特殊条件下的应用提供理论参考。

高压下G2ZT晶体结构、电子结构和光学性质的第一性原理研究
李佐, 刘云, 廖大麟, 成丽红
2022, 36(4): 042202.   doi: 10.11858/gywlxb.20220514
摘要:

基于密度泛函理论的第一性原理研究了高压下富氮含能材料(双3, 4, 5-三氨基-1, 2, 4-三唑)-5, 5′-偶氮四唑(G2ZT)的几何结构、电子结构和光学性质。结果表明,在考虑范德瓦尔斯色散修正和密度泛函色散修正的情况下, 分子晶体结构数据与实验结果的相对误差均在3%以内。Hirshfeld表面分析结果表明,随着压强增大,分子间氢键的相互作用减弱。G2ZT晶体在零压下的能带带隙为2.03 eV,是一种p型半导体。随着压强增大,带隙变窄,吸收系数可达到3.0×106 cm−1。研究结果为进一步分析高压下G2ZT晶体的特征提供了理论参考。

高压技术与新材料合成
高致密ZrB2-ZrC复合材料的高压制备及热烧蚀性能
杨境, 赵昊, 丁战辉, 陈可夫, 徐保银, 李苗, 杜晓波, 李永峰, 姚斌
2022, 36(4): 043101.   doi: 10.11858/gywlxb.20220587
摘要:

超高温陶瓷具有高熔点、高热导率、抗氧化烧蚀等优异性能,是可重复使用的高超声速飞行器防热部件的重要候选材料之一。利用高压技术制备出了高致密超高温陶瓷ZrB2-ZrC复合材料。通过调控合成条件和原料配比,研究了合成压力和烧结助剂ZrC对复合材料抗热烧蚀性能的影响规律。结果表明:在压力3.2 GPa、温度950 ℃的条件下制备出的ZrB2-ZrC复合材料的致密度达到95%以上,该复合材料在1600 ℃烧蚀下的最优质量烧蚀率为17 μg/s,在2000 ℃下的最优质量烧蚀率为30 μg/s;在合成压力为2.9 GPa、温度为950 ℃的条件下,改变烧结助剂ZrC的含量可以影响复合材料的热烧蚀性能。其中,当ZrB2与ZrC的摩尔比为8∶1时,制备的ZrB2-ZrC复合材料经1600 ℃烧蚀后的质量烧蚀率达到最低值(35 μg/s)。

高温高速同步弹道冲击试验方法
谭学明, 郭伟国
2022, 36(4): 043301.   doi: 10.11858/gywlxb.20210900
摘要:

为研究高温高速冲击载荷作用下GH4169镍基高温合金靶板的变形和破坏行为,在已有的弹道冲击气炮基础上增加了靶板的高温加载装置、弹体发射和高温炉体同步分离结构。针对尺寸为160 mm×160 mm×2 mm的GH4169靶板进行了高温高速弹道冲击试验方法验证。结果表明:该装置可实现温度高于500 ℃、速度大于320.0 m/s的高温弹道冲击试验。在弹体冲击靶板过程中,靶板正反面的温度差小于0.1%,靶板的面内温度差小于2.6%。对GH4169靶板进行了高、低温弹道冲击试验,结果表明,在500 ℃高温条件下,由冲击造成的靶板全局变形范围较常温条件下小29.5%,高温条件下GH4169靶板的抗冲击性能优于常温试验结果。

压装连接对加速度计层间信号粘连的影响
邱云潇, 何丽灵, 陈刚, 吴昊, 李继承
2022, 36(4): 043401.   doi: 10.11858/gywlxb.20220517
摘要:

引信控制技术是战斗部研制的关键技术之一,层间加速度信号粘连可能导致计层引信错误决策。针对含压装连接加速度测量装置在弹体侵彻多层靶时信号粘连的问题,依托数值仿真获得了弹体结构动态响应。计算结果显示:无预紧压装时,装置与弹体的动态间隙最大可达25 μm,形成间隙碰撞,加剧层间信号粘连;适当预紧压装可抑制层间间隙,使压装连接与理想刚性连接近似。适当预紧压装时,层间加速度计过载频响呈现单峰特征,响应频率峰值与弹体一阶伸缩固有频率接近。存在最小预紧力,可使压装连接与理想刚性连接近似,其值随撞击速度、靶板层数增加而增大。这是因为在层间阶段弹体中留存的应力波的最大值随撞击速度、靶板层数增加而增大。研究结论为压装连接时加速度层间信号粘连的机理识别与控制奠定了基础,同时也可在一定程度上指导压装连接的工程装配。

高压下物质的动态响应
聚酰亚胺的动静态压缩力学性能及本构模型
于文峰, 李金柱, 姚志彦, 黄风雷
2022, 36(4): 044101.   doi: 10.11858/gywlxb.20210922
摘要:

为研究聚酰亚胺在动静态压缩载荷作用下的力学特性,采用材料试验机(material testing system, MTS)和分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)进行压缩实验,得到了材料在不同应变率下的应力-应变曲线。通过分析回收试样的形貌,得到了聚酰亚胺在裂纹形式、尺寸变形等方面的特性。聚酰亚胺屈服强度的动态增强因子与应变率的关系具有明显的双线性特性,可采用多元线性方程或Cowper-Symonds模型描述。针对聚酰亚胺的动态力学响应特性,阐述了从低应变率到高应变率范围内的压缩变形机理。采用考虑$\,\beta $转变的唯象本构模型,描述了聚酰亚胺在大应变率范围内的弹塑性大变形响应,包括初始黏弹性、屈服、应变软化和应变硬化在内的力学行为。通过贝叶斯方法拟合模型参数,拟合结果与实验结果在各应变率下都具有较好的一致性。

湿热老化对亚麻纤维增强泡沫夹芯板冲击力学性能的影响
刘莹, 王沁宇, 杨博, 郭会丽, 崔晓晟, 谈建平
2022, 36(4): 044102.   doi: 10.11858/gywlxb.20220524
摘要:

通过真空辅助树脂注射技术制备出由亚麻纤维面板和聚氨酯泡沫材料芯组成的夹芯板,分别在25、40、55和70 ℃下对夹芯板开展水浸泡老化实验,并对老化后的夹芯板进行低速冲击测试。采用正交实验设计,考察了夹芯板在不同温度下的吸湿率和抗冲击能力随时间变化规律。分析了夹芯板的接触力、位移和吸收能量等冲击响应历程,结合夹芯板损伤形态观察,研究了老化后夹芯板的冲击损伤特征。结果表明:随着老化温度的提升和老化时间的延长,夹芯板的吸湿率逐渐增大,抗冲击性能呈阶梯状下降;与25 ℃老化条件对比,70 ℃老化30 d的夹芯板受12 J能量冲击时的峰值力下降51.6%,吸收能量下降56.7%。

水滴超高速撞击Whipple防护结构的毁伤特性
赵微, 陈利, 张庆明, 龙仁荣, 薛一江, 刘文近, 孙乔溪
2022, 36(4): 044103.   doi: 10.11858/gywlxb.20220515
摘要:

采用水中泡大的高吸水性材料模拟水滴,开展了常温下直径为3.7和6.4 mm的球形水滴超高速正撞击典型Whipple防护结构(由缓冲板和效应板构成)的实验研究,得到了不同直径的水滴弹丸撞击下双层铝板的毁伤特性。采用LS-DYNA软件的有限元方法-光滑粒子流体动力学(finite element method-smoothed particle hydrodynamics, FEM-SPH)自适应方法对Whipple防护结构在直径为3~7 mm的水滴不同速度撞击下的毁伤特性进行了研究,分析了水滴直径、撞击速度、靶板厚度等因素的影响,给出了2~8 km/s速度范围内水滴超高速撞击铝板的无量纲穿孔直径经验公式,得到了3~7 mm水滴弹丸击穿Whipple防护结构所需的最低速度。

基于DIC方法研究混凝土劈裂的变形和破坏
任会兰, 杜一宁, 宋水舟
2022, 36(4): 044104.   doi: 10.11858/gywlxb.20220509
摘要:

混凝土是一种典型的拉压不对称准脆性复合材料,采用巴西劈裂试验研究其拉伸破坏时发现,不同加载方式对混凝土的变形和破坏特征的影响很大。通过直接加载、弧形垫块加载以及平台圆盘加载3种方式对混凝土圆盘试件进行准静态试验,基于数字图像相关法,研究混凝土拉伸劈裂破坏过程中的全场变形和局域化破坏特征。结果表明:(1) 标准圆盘直接加载时,试件顶部和底部附近的应力集中使试件端部先发生损伤,拉伸应变场中的高幅值区从加载端向中心迅速扩展;而采用弧形垫块或平台圆盘加载优化了应力集中问题,使得试件中心最先出现应变集中,继续加载时损伤向两端扩展,导致试件劈裂破坏。(2) 弧形垫块加载和平台圆盘加载满足了巴西劈裂试验的中心起裂假设。测得平台圆盘加载时混凝土试件的抗拉强度约为5 MPa, 比标准圆盘加载提高了31.2%左右,分析认为平台圆盘加载提高了试件中心的压拉比以及加载端处的摩擦力。(3) 3种加载方式下,混凝土试件中心位置变形的数字图像相关分析结果和应变试验测量结果吻合较好,验证了基于数字图像相关方法获得的混凝土试件全场变形的有效性。

双层碳纳米管薄膜的侵彻力学性能
王文帅, 王鹏飞, 田杰, 徐松林
2022, 36(4): 044105.   doi: 10.11858/gywlxb.20220508
摘要:

碳纳米管(carbon nanotube, CNT)薄膜具有优异的比强度和比韧性,同时具有优良的导电性和储能特性,在人工肌肉、电子屏蔽及冲击防护等领域都具有广泛的应用前景。然而,目前相关研究主要集中在CNT薄膜的准静态力学性能,其抗冲击力学性能方面的研究尚欠缺。通过实验研究CNT薄膜在中、低速压入穿透下的力学行为,结合数值模拟分析发现:直径为1 mm的钢珠穿透单层CNT薄膜的临界穿透速度约为25 m/s,最大吸能对应的速度约为30 m/s;双层CNT薄膜的临界穿透速度约为40 m/s,最大吸能对应的速度约为60 m/s。与冲击破坏孔洞相比,准静态下CNT薄膜的破坏孔洞边缘更薄,拉伸变形更明显。通过水、润滑油、高真空润滑脂等中间界面改性,可以提升双层CNT薄膜的抗冲击力学性能和吸能效果。研究结果有助于更好地理解CNT薄膜的吸能机理,为防护结构设计提供参考。

外部爆炸载荷下表面粗糙度对45钢柱壳剪切带行为的影响
杨智程, 刘龙飞, 刘炼煌, 殷鹏志, 吴志强
2022, 36(4): 044106.   doi: 10.11858/gywlxb.20220506
摘要:

通过厚壁圆筒爆轰坍塌实验和有限元数值模拟,研究了45钢柱壳内壁表面粗糙度对其剪切带行为的影响。实验结果表明:外爆加载下,金属柱壳内壁表面粗糙度显著改变试样剪切带的成核位置和数量;当柱壳内壁表面粗糙度增大时,剪切带的数量和长度均增加,部分剪切带的扩展速度也增大;而当柱壳内壁表面的峰谷单元的平均宽度减小时,其剪切带的成核点数量增加,相邻剪切带之间的相互作用增强。有限元模拟和分析结果表明,柱壳中的最大剪切应力产生于柱壳内壁表面峰谷单元的谷底两侧,表面粗糙度的增大和峰谷单元平均宽度的减小均会提升柱壳内表面的剪切应力,促进柱壳中剪切带的成核和扩展,进而导致剪切带成核数量增多,主剪切带发展加快,剪切带屏蔽效应增强。

拉伸加载下PBX炸药力学性能的分子动力学模拟
高飞艳, 刘睿, 陈鹏万, 龙瑶, 陈军
2022, 36(4): 044201.   doi: 10.11858/gywlxb.20220521
摘要:

采用分子动力学方法研究了拉伸加载下HMX基PBX界面力学行为的应变率依赖性。模拟结果显示,PBX的拉伸强度和弹性模量随着应变率的增加而增大。HMX-F2311的断裂方式与应变率相关:初始应变主要集中于黏结剂F2311,在低应变率下形成了一条大致垂直于加载方向的主裂纹;随着拉伸应变率的增加,破坏路径将分布在整个模型上;PBX的断裂失效是由于黏结剂F2311的脱粘。在单轴拉伸加载过程中,HMX-F2311的势能随拉伸应变率的增加而迅速增大,尤其在高应变率拉伸加载下,范德华力相互作用对势能的演变起到了决定性作用。分子动力学模拟揭示了应变率对HMX-F2311界面微观结构、力学行为和断裂损伤机制的影响,对PBX的设计、制备和安全使用具有重要意义。

斜冲击下内凹六边形蜂窝结构的面内动态力学响应
刘勇, 苏步云, 刘浩伟, 树学峰
2022, 36(4): 044202.   doi: 10.11858/gywlxb.20210895
摘要:

基于内凹六边形蜂窝模型,对内凹六边形蜂窝结构在不同冲击倾角(0°~10°)与不同冲击速度(6~100 m/s)下的面内动态力学响应进行了系统研究。采用一种新的截面计算公式,能够反映斜冲击下蜂窝结构与冲击板接触面积的变化和斜冲击过程中应力从局部到整体的变化,有效地捕捉了蜂窝结构的初始峰值应力。研究结果表明:内凹六边形蜂窝结构在斜冲击与正冲击时的变形模式不同,在低速斜冲击下为局部变形,在中高速斜冲击下为整体变形,而在正冲击下均为整体变形。与正六边形蜂窝结构相比,内凹六边形蜂窝结构受到负泊松比效应的影响,在相同工况下内凹六边形蜂窝结构的变形晚于正六边形蜂窝结构,变形模式产生延迟。此外,结合能量吸收时程曲线,对比分析了两种截面计算方法下的平台应力。可为蜂窝结构在斜冲击下的承载和稳定性研究提供依据。

层合多孔圆柱壳的轴向冲击吸能特性
贺璞, 邓庆田, 李新波
2022, 36(4): 044203.   doi: 10.11858/gywlxb.20210909
摘要:

为提高圆柱壳结构在轴向冲击载荷下的力学响应,设计了多层层合多孔圆柱壳结构,通过改变层合方式以及孔单元数目研究其力学行为。通过准静态压缩实验验证有限元分析的有效性,使用有限元模拟方法研究了结构在轴向冲击载荷下的变形模式和吸能特性。从层合多孔圆柱壳的压缩力-位移曲线得到总吸能、峰值压缩力和平均压缩力等指标。对比不同模型之间的吸能和压缩力特性,结果表明:改变层合方式对圆柱壳吸能效果影响较显著,增加孔单元数目对多孔圆柱壳吸能效果影响较小。对比正、负泊松比两种多孔圆柱壳,同等质量内凹圆柱壳总吸能较六边圆柱壳平均提高了17%。

动能块超高速碰撞多层防护结构的毁伤特性数值模拟
杨玉好, 郭香华, 张庆明
2022, 36(4): 044204.   doi: 10.11858/gywlxb.20220533
摘要:

基于有限元-光滑粒子流体动力学(FEM-SPH)自适应算法,采用有限元软件LS-DYNA对动能块超高速碰撞多层防护结构的毁伤特性进行了数值模拟,并结合量纲分析方法,分析了动能块的质量和撞击速度对多层防护结构穿孔特性的影响。结果表明:保持其他参数不变,在所研究的质量和撞击速度范围内,所有的动能块均可以穿透全部17层铝合金板,并在靶后形成碎片云,在撞击过程中动能块和铝合金板内部出现层裂现象;第1层铝合金板的穿孔直径随着动能块质量的增大近似呈幂函数增大,拟合误差在5%以内;第2层铝合金板的穿孔直径随着撞击速度的提升也呈幂函数增大,拟合误差在10%以内;碎片云的头部速度随着撞击速度的提升近似呈线性增大。研究结果可为后期分析靶后碎片云的质量与速度分布、建立冲击载荷模型奠定基础。

冰雹载荷下基于碳纤维增强复合材料的腔棘鱼鳞双螺旋仿生结构的撞击损伤分析
韩登安, 徐丹, 叶仁传, 任鹏
2022, 36(4): 044205.   doi: 10.11858/gywlxb.20220526
摘要:

为了提高纤维复合材料构件抗冰雹载荷性能,基于腔棘鱼鳞独特的双螺旋结构,建立了以碳纤维增强复合材料为基体的腔棘鱼鳞双螺旋仿生结构数值模型,并验证了该仿生结构模型的有效性。对比分析了双螺旋仿生结构和正交层合结构的毁伤特性,进而探究了冰雹撞击能量及分布密度对该双螺旋仿生结构动态响应的影响。结果表明,双螺旋仿生结构在冰雹作用下的毁伤程度低于相同密度条件下的正交层合结构。当撞击能量达到1149.3 J时,正交层合结构出现了明显的基体破碎及纤维断裂,而双螺旋仿生结构仅表现为撞击区域的浅表分层并伴随少量纤维断裂。双螺旋仿生结构在冰雹撞击下的力学响应可分为3个阶段。随着撞击能量的增加,撞击区域首先发生基体拉伸,撞击点临近区域发生分层及面外凸起;进而分层区域向四周扩展,在冰雹的持续加载下撞击位置的位移达最大值;此后,仿生结构出现回弹直至稳定。该双螺旋仿生结构的能量吸收比率及接触力均随撞击能量的增加而线性增大。在相同质量冰雹的作用下,随着冰雹分布密度的增加,双螺旋仿生结构的上表面损伤程度减小,下表面损伤区域增大。研究结果为基于碳纤维增强复合材料的腔棘鱼鳞仿生结构在冰雹载荷下的轻量化设计奠定了基础。

冲击载荷下正弦波纹夹芯圆柱壳的轴向压缩和吸能特性
郝孝恒, 张天辉, 王根伟, 沈文豪, 闫栋, 沙风焕
2022, 36(4): 044206.   doi: 10.11858/gywlxb.20220518
摘要:

薄壁夹芯结构因其优异的吸能和轻量化特性被广泛应用于防护结构中。正弦波纹夹芯圆柱壳的制备工艺简单,在工程上应用广泛,研究其在冲击载荷下的轴向变形行为和吸能特性具有重要意义。基于准静态轴向压缩实验,对正弦形波纹夹芯圆柱壳的轴向准静态压缩进行了有限元模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。在此基础上,探讨了夹芯圆柱壳芯层厚度A和正弦波周期数N对冲击载荷作用下夹芯圆柱壳的压溃模式和能量吸收特性的影响。结果表明,合理配置AN能够有效地提高比吸能,实现较理想的吸能变形模式。在准静态压缩下,结构参数为A3N12的夹芯圆柱壳具有最好的比吸能,为轴对称变形。在冲击载荷作用下,发生非轴对称变形模式的A7N12具有最好的比吸能和最高的平均压缩力效率。

高压科学应用
乳化炸药水下爆炸载荷输出特性实验研究
郑欣颖, 李海涛, 张弛, 吕岩松
2022, 36(4): 045101.   doi: 10.11858/gywlxb.20220502
摘要:

为了研究乳化炸药水下爆炸载荷输出特性,开展了乳化炸药水下爆炸实验,通过改变药量、爆距、爆深等参数,得到了不同工况下乳化炸药水下爆炸冲击波和气泡载荷典型参数,分析了其能量输出结构,并将实验结果与TNT炸药水下爆炸载荷计算公式进行对比,获得了乳化炸药水下爆炸载荷的TNT当量。结果表明:Geers-Hunter载荷公式可以预测乳化炸药水下爆炸载荷输出的一般规律,特别是气泡脉动周期;气泡脉动压力峰值是初始冲击波压力峰值的10%~20%,气泡能是冲击波能的2倍左右;脉动压力变化呈现先缓慢上升达到峰值后急速下降趋于零并保持平稳的态势,波形上升沿耗时普遍比下降沿耗时长;乳化炸药水下爆炸在等冲击波超压和等气泡脉动周期下的TNT当量平均值分别约为0.595和0.646。研究结果可为乳化炸药的水下爆炸应用提供重要参考。

抗侵彻孔结构装甲的可靠性优化设计
姚晨辉, 杨刚, 张哲, 李安祺
2022, 36(4): 045102.   doi: 10.11858/gywlxb.20220507
摘要:

孔结构装甲在满足抗侵彻性能的同时需实现减重,因而轻量化设计具有工程实际意义。以孔结构装甲的轻量化为设计目标,抗侵彻性能为约束条件,考虑不确定性因素的影响,开展孔结构装甲的可靠性优化设计。样本点采用最优拉丁超立方法设计生成,孔结构装甲抗侵彻仿真的参数化建模及响应计算通过商业软件ANSYS的二次开发实现,引入Kriging代理模型和期望改变量(expected improvement, EI)加点法构建性能函数,最后采用序列优化与可靠性评估方法(sequential optimization and reliabilityassessment, SORA)进行可靠性优化设计。结果表明,可靠性优化后,孔结构装甲在满足抗侵彻性能和相关可靠度指标的前提下,可有效地实现减重11.5%。研究结果可为其他抗侵彻防护结构的可靠性优化设计提供参考。

深埋引水隧洞光面爆破周边孔装药结构优化试验研究
赵晓明, 杨玉民, 蒋楠, 蔡忠伟, 欧阳松
2022, 36(4): 045301.   doi: 10.11858/gywlxb.20220503
摘要:

隧洞爆破周边孔不连续装药结构是影响光面爆破效果的重要因素之一。基于秘鲁圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞工程,针对现场爆破施工方案超挖现象,采用ANSYS/LS-DYNA建立周边孔不连续装药结构数值计算模型,分析了不同药卷间距下周边孔模型的围岩爆破效果;选择最优的周边孔装药结构设计方案开展现场爆破试验,对比验证了装药结构设计对隧洞超挖的改善效果。结果表明:当周边孔药卷间距小于350 mm时,爆破不会出现欠挖现象,且超挖范围随着药卷间距的增大而减小;当周边孔药卷间距大于400 mm时,爆破效果开始出现欠挖现象,且随着药卷间距的增大,欠挖范围增大。通过数值模型对比分析得出周边孔的最优药卷间距为350 mm,采用优化后的爆破设计方案进行爆破试验,得到的超挖范围明显减小,最大超挖距离由43 cm降至30 cm。

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