高压物理学报
ISSN 1000-5773
CN 51-1147/O4
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2018年 32卷 5期    刊出日期 2018-10-25

高压物性与结构
高压技术与新材料合成
高压下物质动态响应
高压科学应用
特别约稿与研究综述
特别约稿与研究综述
氢氘物态方程研究进展 Hot!
刘海风, 张弓木, 张其黎, 宋红州, 李琼, 赵艳红, 孙博, 宋海峰

针对近二十多年的氢氘物态方程理论研究工作进行了综述分析,结合本课题组改进的自由能模型、直接量子蒙特卡洛和量子分子动力学方法的模拟结果,对多个研究小组采用不同方法获得的氢氘宽区物态方程数据进行了定量评估分析。结果表明:在当前理论框架下,仅基于第一原理数值模拟得到的氢氘物态方程能够描述的热力学相空间有限;多模型集成的H-REOS.3数据库在105 K以下温度与数值模拟结果的相对差别较大,且数据稀少,二者均不能满足工程应用需求。建议采用基于半经验模型的宽区域物态方程研究方法,即结合高精度的实验研究、数值模拟和解析模型,构建满足工程应用需求的氢氘宽区实用物态方程。

2018 Vol. 32 (5): 50101-050101 [摘要] ( 40 ) [HTML] [PDF 4767KB] ( 73 )
高压物性与结构
磁驱动斜波加载下铋的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ相变实验
种涛, 谭福利, 王桂吉, 赵剑衡, 唐志平

设计了一套与磁驱动斜波加载实验装置CQ-4配套的样品预设温度系统,温度范围为室温至180℃。利用此装置联合双源光外差测速系统,完成了不同初始温度下铋的斜波压缩相变实验,并在单发实验中获得了同时含有Ⅰ-Ⅱ和Ⅱ-Ⅲ两次相变信息的速度剖面。实验结果显示,随着铋的初始温度从室温提高到148℃,Ⅰ-Ⅱ相变和Ⅱ-Ⅲ相变起始对应的特征拐点速度分别从251.6和275.7 m/s下降到239.4和259.7 m/s。

2018 Vol. 32 (5): 51101-051101 [摘要] ( 33 ) [HTML] [PDF 1804KB] ( 53 )
基于岩浆凝固的地壳动力学研究
霍睿智, 贺端威

地球在形成之初处于熔融状态,随着时间的推移,地球表面的岩浆不断冷却、凝固,发展成现在的圈层结构,并且地球物质的冷却及液-固转变依然在持续。通过对地震发生后地球日长变化进行统计分析,发现总体上地震后地球自转速率加快。分析认为,这一现象是由于地幔部分岩浆冷却凝固使地壳岩石圈下部体积塌缩所致。由此,建立了一个地壳动力学模型,以解释地壳各板块间的相互作用和相对运动,并且认为地震等地质活动的动力学成因主要是地球内部熔体持续凝固所导致的地壳下部体积收缩、压力减小,在重力作用下,构成地壳的各板块之间的相互作用加剧,原有力学结构失稳,发生大规模岩层错位、断裂,从而引起地震、火山爆发等剧烈的地质活动。通过建立热学模型和力学模型,验证了上述观点。

2018 Vol. 32 (5): 51201-051201 [摘要] ( 28 ) [HTML] [PDF 1214KB] ( 61 )
BiFeO3高压拉曼光谱研究
韩茜, 吴也, 黄海军

BiFeO3是少数在室温下同时具有铁电有序和铁磁有序的多铁材料之一。BiFeO3在室温下呈扭曲的三方钙钛矿结构,满足R3c空间群。通过六面顶大压机在高温高压下合成纯的BiFeO3粉晶,并结合高压拉曼光谱测试技术,得到了0~44 GPa压强下BiFeO3的拉曼光谱。结果表明:随着压强的增加,低波数的拉曼峰逐渐向高波数迁移并展宽,位于145、177和231 cm-1的拉曼峰强度逐渐减弱。第一次相变发生在5 GPa左右,位于145 cm-1左右的拉曼峰消失,与此同时在217 cm-1左右出现新的拉曼峰。当压强增加到11 GPa时,明显观察到位于340 cm-1左右的拉曼峰出现,而低波数(< 200 cm-1)的拉曼峰则全部消失,标志BiFeO3发生第二次相变,转为正交晶系的Pnma结构。压强增加到38 GPa时,BiFeO3发生第三次相变,位于340 cm-1左右的拉曼峰消失,谱线上不存在明显的拉曼峰,BiFeO3可能由正交晶系的Pnma结构转变为Pnmm结构或高对称的立方晶系结构。

2018 Vol. 32 (5): 51202-051202 [摘要] ( 26 ) [HTML] [PDF 2402KB] ( 57 )
用PVDF压力计研究未反应JB-9014钝感炸药的Grüneisen参数
刘俊明, 张旭, 赵康, 覃双, 裴红波, 张蓉

为了获得未反应JB-9014炸药的Grüneisen参数Γ,在火炮加载平台上对JB-9014炸药进行一维平面冲击实验。实验中,将炸药样品安装于两个铜板之间,两个PVDF压力计分别安装在炸药样品前表面和中部,记录两个位置处的压力随时间的变化历程;将圆形铜板作为飞片安装于弹托前表面,利用火炮加速弹托,使飞片以一定速度撞击样品装置前铜板,前铜板中产生右行冲击波对炸药样品形成一次压缩;随后冲击波在炸药样品/后铜板交界面发生反射,产生左行冲击波对炸药样品形成二次压缩。假设炸药样品的Grüneisen参数Γ为常数,计算不同Γ值下炸药样品前表面和中部压力随时间的变化历程,将不同Γ下的计算值与实验值进行对比,获得了JB-9014钝感炸药Grüneisen参数的最优值,为1.7。

2018 Vol. 32 (5): 51301-051301 [摘要] ( 25 ) [HTML] [PDF 2778KB] ( 47 )
高压技术与新材料合成
反应气体驱动二级轻气炮发射特性实验及数值计算
董石, 孟川民, 谷伟, 彭旭升, 张波涛, 肖元陆, 方茂林, 向耀民, 王翔

通过实验确定了20/57 mm构型反应气体驱动二级轻气炮的气体装填参数与弹丸动能的关系。实验结果表明,反应气体驱动二级轻气炮的弹丸动能与气体反应化学能之间基本满足二次函数关系,系统发射稳定性满足加载实验要求。发展了基于气体爆轰模型的计算方法,通过数值计算获得了反应气体驱动二级轻气炮的发射特性,弹丸速度的计算结果与实测结果吻合较好。

2018 Vol. 32 (5): 53201-053201 [摘要] ( 35 ) [HTML] [PDF 1400KB] ( 48 )
固相反应法制备钴掺杂氧化镁传压介质 Hot!
吴京军, 贺端威, 王强, 张佳威, 刘进

以氧化镁(MgO)和氧化钴(CoO)为初始材料,利用固相反应方法,经8 h的混料、200 MPa的预压以及在空气氛围下1200℃的烧结等步骤,成功制备出钴的摩尔分数为9%的氧化镁传压介质(MgO+9% CoO)。采用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜以及热重分析仪对样品进行表征,结果表明:在烧结过程中混合粉料之间发生了反应,金属离子相互交换,钴离子取代MgO晶格中的部分镁离子,从而形成MgO-CoO固溶体。与目前国产MgO传压介质(MgO+10% Na4SiO4(质量分数))相比,实验制备的钴掺杂MgO传压介质不含杂质,高温高压下更稳定,并且温度发生效率更高。

2018 Vol. 32 (5): 53301-053301 [摘要] ( 20 ) [HTML] [PDF 2990KB] ( 51 )
高压下物质动态响应
分段PELE弹体冲击多层靶板数值分析
周敬辕, 丁亮亮, 汤文辉, 冉宪文

为了实现侵彻体对多层靶板的高效毁伤,采用数值模拟方法研究了分段式横向效应增强体(PELE)对4层金属靶的侵彻效应,获得了弹体侵彻速度和靶板厚度对弹体终点效应的影响。结果表明,分段PELE弹侵彻4层靶的靶后效果优于普通PELE弹。与金属杆相比,分段PELE弹侵彻多层靶后的弹孔直径更大。弹丸贯穿各层靶板后壳体的径向速度峰值随着靶板厚度的增加而增大,而壳体破碎长度并不随之线性变化。提高弹丸侵彻速度时,弹丸穿过第1层靶板后壳体破碎长度的变化趋势与径向速度峰值的变化相似,穿过第2层和第3层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值在侵彻速度为1.4 km/s时达到极大值,随后下降,而穿过第4层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值随着初速度的增加而增大。

2018 Vol. 32 (5): 54101-054101 [摘要] ( 29 ) [HTML] [PDF 2384KB] ( 46 )
轴向荷载下功能梯度材料圆柱壳的动力屈曲
周佳华, 杨强, 韩志军, 路国运

基于Donnell壳体理论和经典板壳理论,利用Hamilton变分原理得到轴向荷载作用下材料属性呈幂律分布的功能梯度材料圆柱壳的动力屈曲控制方程。根据圆柱壳周向连续性设出径向位移的函数表达,利用分离变量法求解得到功能梯度材料圆柱壳在轴向荷载作用下的动力屈曲临界荷载的解析表达式和屈曲解。利用MATLAB软件编程计算,讨论了径厚比、梯度指数、环向模态数、轴向模态数等对功能梯度材料圆柱壳动力屈曲临界荷载的影响。结果表明:圆柱壳的临界荷载随临界长度的增加而减小;冲击端为夹支的临界荷载比冲击端为简支的临界荷载大,说明约束条件对临界荷载有较大影响;圆柱壳的临界荷载随着模态数的增加而增大,说明临界荷载越大,高阶模态越易被激发;屈曲模态图随着模态数的增加而复杂化。

2018 Vol. 32 (5): 54102-054102 [摘要] ( 16 ) [HTML] [PDF 3118KB] ( 67 )
液-液斜界面R-T失稳特征的实验研究
江荣宝, 黄熙龙, 邹立勇, 施红辉, 吴鋆

实验研究了不同加速度下不相溶流体斜界面Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性诱导湍流混合区的发展特征。利用高速阴影测试技术研究了硅油/碘化钾溶液界面R-T不稳定性诱导界面的演化规律,定量分析了混合区发展宽度、界面倾角与时间的关系。通过实验结果分析得出:水平界面与斜界面混合区宽度演化的差别主要体现在后期,前、中期两者演化规律基本一致;界面倾角的演化呈现出两种不同的趋势,随时间先呈抛物线增长,随后线性增长,演化后期流体界面发生翻转;由R-T不稳定性诱导的界面混合与K-H不稳定性诱导的界面混合呈相互竞争的关系。

2018 Vol. 32 (5): 54201-054201 [摘要] ( 25 ) [HTML] [PDF 2558KB] ( 58 )
内爆载荷作用下圆柱钢壳的动态破碎性能
陈虎, 沈正祥, 王杜, 陈定岳, 袁书强

针对高应变率条件下金属壳体破碎性问题,通过内爆加载试验研究了不同装药条件对圆柱钢壳破碎性能的影响规律,探索了一种新的适用于圆柱壳体的破碎性评估准则。实验结果表明:对于不同的给定材料与炸药组合,壳体的单位长度修正Payman破碎参数Cu和装药与壳体质量比值(C/M值)之间均存在线性关系;端部效应会使壳体破碎参数降低一固定值;壳体壁厚和无装药部分长度等因素对Cu值影响较小,且壳体无装药部分的破碎性较差,只与壳体材料有关。

2018 Vol. 32 (5): 54202-054202 [摘要] ( 19 ) [HTML] [PDF 2442KB] ( 71 )
截面几何参数对帽型梁轴向冲击响应的影响
田泽, 韩阳, 尹晓文, 辛浩, 赵隆茂, 李志强

帽型梁结构作为汽车前纵梁主要部件,其轴向冲击变形模式和吸能特性是汽车被动安全设计的主要参考指标。为此,对带有倒角的帽型梁进行了初始能量为17.8 kJ的落锤轴向冲击实验和数值模拟。保持梁结构的质量不变,对不带倒角和直角弯折的两种截面梁进行同等条件的数值模拟,在一定范围内探讨截面几何参数对帽型梁的变形模式、变形量、吸能总量、峰值载荷、平均碰撞载荷和碰撞力效率的影响。结果表明:对于带有倒角的帽型梁,其变形模式和变形量的计算结果与实验结果基本吻合,验证了计算模型的合理性;倒角的存在使结构变形模式从非紧凑型向紧凑型转变,提高了缓冲效果,降低了峰值载荷;弯折角度由93°变为90°时,对变形模式的影响较小,非直角弯折梁的吸能效果较直角弯折梁好。因此,截面几何参数对帽型梁结构的变形模式和吸能特性有一定影响。

2018 Vol. 32 (5): 54203-054203 [摘要] ( 27 ) [HTML] [PDF 3606KB] ( 63 )
高压科学应用
水下爆炸下有限尺度平板的载荷特性及结构响应试验研究
刘丽滨, 李海涛, 刁爱民, 王晓强

为研究近结构边界下水下爆炸冲击波和气泡载荷特性,设计几种典型尺寸的平板模型,通过调整爆径比、平板厚度等参数,试验研究了水下非接触爆炸下的气泡脉动过程,分析平板边界处的低压流场特性,并基于应变分析获得了平板结构的局部及整体响应特征。研究发现:在近平板爆炸气泡的运动过程中,平板边界处会出现低压(负压)流场,低压维持时间约占气泡脉动周期的60%~80%,最大负压值可达0.1 MPa;随着爆径比的减小,平板的最终变形由弹性变形、中垂变形向中拱变形转变。

2018 Vol. 32 (5): 55101-055101 [摘要] ( 21 ) [HTML] [PDF 3068KB] ( 67 )
基于SPH的分层钢板抗半球头弹侵彻的数值模拟
强洪夫, 孙新亚, 王广, 陈福振, 石超, 黄拳章

随着高强度、高抗冲击特性钢结构在防护装甲、武器库防护门等军事领域得到广泛应用,钢结构的抗冲击性能成为研究的重点和热点。采用光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)对半球头弹撞击多层钢板的过程进行了数值模拟,并与实验对比,分析了半球头弹撞击后钢板的失效形式,得到了撞击点处钢板盘式隆起、蝶形破坏等过程,得到了钢板的von Mises应力分布以及半球头弹的剩余速度,验证了SPH方法在模拟钢板侵彻变形问题上的有效性。通过数值模拟,研究了钢体层数、钢体厚度对其抗侵彻特性的影响,研究表明:3 mm时单层钢板比多层钢板的防护能力强,9 mm时多层钢板比单层钢板的防护能力强,12 mm时多层钢板和单层钢板的防护能力相当。

2018 Vol. 32 (5): 55102-055102 [摘要] ( 29 ) [HTML] [PDF 665KB] ( 54 )
基于总体经验模态分解和连续均方误差的侵彻过载信号分析方法
唐林, 陈刚, 吴昊

侵彻过载是攻坚武器及相关研究的重要参量。针对实测弹载侵彻过载曲线分析处理方法开展了研究,提出采用总体经验模态分解(EEMD)结合连续均方误差(CMSE)理论获取弹体刚体过载信号的方法。通过EEMD获得测试信号的本征模态函数分量,再运用CMSE理论判别高频干扰与侵彻信号的分界点,对不含分界点分量的高频分量进行抛弃处理,将其余低频信号进行重构获得弹体刚体过载信号。积分结果表明,重构信号在有效去除高频干扰的同时,完整保留了侵彻过载中弹体刚体的加速度信号。此外,整个分析过程所具有的信号自驱动特性避免了不同弹靶工况下滤波频率选择困难。

2018 Vol. 32 (5): 55104-055104 [摘要] ( 20 ) [HTML] [PDF 4377KB] ( 42 )
孔结构金属装甲抗弹能力的数值模拟
秦庆华, 崔天宁, 施前, 金永喜, 张建勋

采用数值模拟方法研究了高速弹体冲击下孔结构金属装甲的抗弹能力,系统讨论了弹体冲击速度、入射角、弹着点、孔径、孔间距等因素对抗弹能力的影响。结果表明,在弹道极限速度附近,随着弹体冲击速度的增加,弹着点效应逐渐变得不明显;弹体垂直入射不对称弹着点时会出现明显偏转,而倾斜入射时即使在对称弹着点上也会出现明显的偏转现象;当弹体入射角度大于45°时,弹体剩余速度和侵彻深度出现较明显的下降,当入射角度大于65°时,出现弹跳现象。

2018 Vol. 32 (5): 55105-055105 [摘要] ( 22 ) [HTML] [PDF 4747KB] ( 52 )
爆炸反应装甲防护包络的数值仿真
孙建军, 李如江, 万清华, 张明, 杨玥, 孙淼

为了得到爆炸反应装甲的防护包络(即爆炸反应装甲与射流的接触面上不同弹着点处的抗弹性能),应用三维有限元分析软件LS-DYNA,对弹着点处于不同位置时反应装甲的抗弹性能进行数值仿真,并开展对比实验。结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好。不同弹着点处的抗弹性能存在较大差异,抗弹性能最优区并非反应装甲的对称中心或其附近区域,而是距反应装甲底端22.7倍及46.9倍射流直径处;反应装甲的有效抗弹区域约占65.8%,有效抗弹区内的抗弹性能较边界区提高约37.5%,反应装甲下部的防护效能较上部好。

2018 Vol. 32 (5): 55106-055106 [摘要] ( 27 ) [HTML] [PDF 3960KB] ( 46 )
轨道炮复合身管纤维缠绕封装结构优化设计及预应力模拟
肖宏成, 尹冬梅, 林庆华, 栗保明

介绍了电磁轨道炮复合身管纤维缠绕封装的结构优化设计方法。给出了∅50 mm复合身管纤维层的缠绕厚度、缠绕角、层叠次序优化结果。基于生死单元及多步连续降温,给出了缠绕增强复合身管的预应力逐层模拟方法。采用分步逐层随机搜索法,优化了纤维缠绕张力制度,详细分析了两种状态约束下的张力优化结果,并给出了对应的身管初应力场和发射叠加应力场。优化结果表明,Ⅱ型张力方案中身管复合层发射前及发射过程的应力分布满足身管预应力设计要求。

2018 Vol. 32 (5): 55107-055107 [摘要] ( 20 ) [HTML] [PDF 4442KB] ( 52 )
海陆过渡相煤系页岩的渗流特征
张宏学, 刘卫群

利用脉冲衰减渗透率仪,测试了海陆过渡相煤系页岩在储层条件、不同应力状态下的渗透率,得到了渗透率随有效应力的演化规律,对比分析煤系页岩和美国Wilcox页岩的渗透率。结果表明:当围压为常数(17 MPa),有效应力从12.5 MPa降至2.0 MPa时,煤系页岩的渗透率范围为2.9×10-19~5.7×10-18 m2,比Wilcox页岩的渗透率高2~3个数量级。根据外部围压pc和内部孔隙压力pp定义有效应力σe=pc-χpp,有效应力系数χ约为1。渗透率试验数据的拟合结果显示,煤系页岩和Wilcox页岩的渗透率随有效应力、围压(常孔隙压力)和孔隙压力(常围压)按指数函数变化。

2018 Vol. 32 (5): 55901-055901 [摘要] ( 24 ) [HTML] [PDF 2546KB] ( 50 )
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