2021年  35卷  第2期

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2021-02期封面
2021, 35(2): 0-0.
摘要:
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2021-02期目录
2021, 35(2): 1-2.
摘要:
高压前沿评论
高压下氢基高温超导体研究的新进展
赵文迪, 段德芳, 崔田
2021, 35(2): 020101. doi: 10.11858/gywlxb.20210727
摘要:
富氢材料被认为是室温超导体的最佳候选体系,是物理学、材料科学等多学科的热点研究领域之一。理论和实验研究发现的新型共价氢化物H3S和笼状氢化物LaH10的超导转变温度(Tc)均超过 200 K,进一步推动了对富氢化合物超导电性的探索。最近,通过高压实验合成的碳质硫氢化物在288 K的室温下实现了零电阻,让人们看到了室温超导的曙光。本文结合课题组在此领域的主要成果,介绍了3类典型富氢化合物的结构及超导特性,包括近期首次在层状氢化物中发现的具有类五角石墨烯结构的富氢超导体HfH10,其超导转变温度高达213~234 K。
高压物性与结构
烧结压力对碳化钽陶瓷维氏硬度的影响
王菊巍, 张振钢, 梁浩, 陈海花
2021, 35(2): 021101. doi: 10.11858/gywlxb.20200600
摘要:
为了探究烧结压力对不同晶粒尺寸碳化钽(TaC)力学性能的影响,通过高温高压技术对纳米、微米尺寸TaC粉末进行高温高压烧结,制备不同烧结条件下的块状TaC陶瓷。利用X射线衍射等表征方法对烧结样品的物相、元素分布、压痕形态进行表征,结果表明:TaC在烧结过程中物相稳定,且无杂质渗入。利用维氏硬度计对不同烧结压力(3.0、4.0和5.5 GPa)条件下的3种陶瓷样品进行维氏硬度测试,并进行微观结构分析,结果表明:随着烧结压力由3.0 GPa提升到5.5 GPa,微米尺寸TaC的维氏硬度(21.0 GPa)优于3.0、4.0 GPa下的纳米尺寸TaC维氏硬度(17.5、19.2 GPa)。此外,研究发现,测试维氏硬度时,3.0 kg应用载荷对测试TaC维氏硬度更加精确。研究结果对结构陶瓷烧结和超高温陶瓷硬度研究具有指导意义。
高压下Nb3Sn单晶的超导相转变
石震天, 杨绪佳, 王豪阳, 乔力
2021, 35(2): 021102. doi: 10.11858/gywlxb.20200615
摘要:
研究高压下Nb3Sn单晶的超导相转变行为对探究力学变形诱导的材料超导性能弱化机理有重要意义。通过分子动力学模拟研究了Nb3Sn单晶在高压下的原子尺度变形和晶体结构变化,在此基础上,建立了高压下Nb3Sn单晶的超导相转变模型,模型预测结果与实验观测结果吻合较好。结果表明:静水压作用下,Nb3Sn单晶体发生了明显的晶格畸变,但晶体结构保持完整;压力诱导的费米面上电子态密度的变化在高压下Nb3Sn单晶体超导相转变中起主导作用。所得研究结果为研究高压下Nb3Sn多晶体以及复合多晶体的相转变行为奠定了基础,同时有助于进一步认识Nb3Sn材料超导性能的弱化机理。
高压技术
磁化套筒惯性聚变典型物理过程及特征参量
赵海龙, 王刚华, 肖波, 段书超
2021, 35(2): 023301. doi: 10.11858/gywlxb.20200619
摘要:
磁化套筒惯性聚变(MagLIF)结合了传统磁约束聚变(MCF)与惯性约束聚变(ICF)的优势,理论上在有限的驱动能力下可以有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。基于一维集成化物理模型编写了数值模拟程序,以ZR装置典型驱动能力27 MA为出发点,以时间演化为顺序,通过数值模拟系统性地总结分析了典型负载参数下MagLIF构型初始化、加速内爆及迟滞3个关键过程中重要特征参量的分布及演化情况。数值模拟结果有助于理解MagLIF构型从预加热经由燃料压缩到最终发生聚变这一快速而复杂的过程,从而为建立相应的物理图像和认知提供了重要支撑,与传统ICF典型参数的对比也体现了该构型的优势所在,为后续研究奠定了基础。
高压下物质的动态响应
梯度泡沫铝的各向异性压溃力学行为
张冰冰, 薛仲卿, 雷英春, 张西珠, 范志强
2021, 35(2): 024101. doi: 10.11858/gywlxb.20200618
摘要:
功能梯度泡沫金属因其密度连续变化,在轴向受压时可提供稳定增长的反馈载荷。然而当前研究多局限于其纵向压缩力学响应,考虑到实际应用中可能出现的横向冲击,基于低速冲击实验,考察梯度泡沫铝轴向和横向压缩力学响应的异同,并采用数字图像相关技术和数值模拟方法研究其宏细观压溃机制。结果表明:(1)在力学性能上,相比于纵向压缩加载的梯度泡沫铝,横向压缩加载下具有更高的抗压强度,而平台应力、致密化应变和能量吸收效果低于纵向压缩;(2)在失效变形模式上,纵向压缩变形模式为变形带渐进式压缩,而横向压缩变形模式的变形带则随机出现在试样的各个位置;(3)横向压缩下梯度泡沫铝致密化应变和比吸能的减小是由高孔隙率区的胞孔利用率降低导致的;(4)构建的弹性-塑性硬化-刚性模型能够较准确地描述梯度泡沫铝的纵向压缩力学行为。研究结果可为梯度泡沫金属在爆炸冲击结构防护工程中的设计提供理论参考。
三轴应力下花岗岩加载破坏的能量演化和损伤特征
刘鹏飞, 范俊奇, 郭佳奇, 朱斌忠
2021, 35(2): 024102. doi: 10.11858/gywlxb.20200622
摘要:
为揭示不同围压下硬岩在破坏过程中的力学性质和能量演化规律,基于RMT-150B岩石力学试验系统对花岗岩试样进行不同围压条件下常规三轴压缩试验。研究结果表明:岩样的峰值应力和围压具有较强的线性关系,利用Mohr-Coulomb强度准则求出花岗岩的黏聚力为23.548 MPa,内摩擦角为57.629°。围压对花岗岩加载破坏过程中能量演化的影响显著,岩石的峰值能量、弹性应变能以及耗散能都随着围压的增大而增大,且两者呈线性增加关系。根据岩石的线性储能规律,提出了确定岩石应力阈值的方法。围压越大,起裂应力和扩容应力越大,且岩样起裂点处与扩容点处的能量也越大;当围压较低时,岩石破坏前储存的能量较少,破坏时能量释放速率低,岩样表现为典型低劈裂破坏;在高围压情况下,能量快速释放,岩样表现为剪切破坏。基于能量演化规律,提出了岩石损伤演化模型,得到了花岗岩的损伤变量D在不同围压下加载破坏过程中的演化规律。
高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程
文彦博, 黄瑞源, 李平, 马剑, 肖凯涛
2021, 35(2): 024103. doi: 10.11858/gywlxb.20200617
摘要:
采用\begin{document}$\varnothing $\end{document}74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400 ℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400 ℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。
放电等离子烧结制备ZrB2-SiC超高温陶瓷的力学性能及氧化行为
何慧娟, 闫晓杰, 树学峰, 肖革胜, 郝鑫, 李志刚
2021, 35(2): 024104. doi: 10.11858/gywlxb.20200623
摘要:
在服役环境中,超高声速飞行器表面与空气剧烈摩擦导致温度极高。超高温陶瓷相较于一般陶瓷而言具有高熔点和良好的抗氧化烧蚀性能,是目前极具前景的热防护材料之一。采用放电等离子两步烧结工艺将ZrB2纳米粉末和SiC粉末在1 700 ℃下制备超高温陶瓷材料ZrB2-20%SiC,通过纳米压痕微观实验、三点弯实验研究其力学性能及其在高温环境下的氧化行为,着重分析1 000、1 200、1 400和1 600 ℃ 4种不同氧化温度下ZrB2-20%SiC超高温陶瓷的氧化表面、氧化截面和氧化层厚度。结果表明:ZrB2-20%SiC超高温陶瓷的硬度为18 GPa,弹性模量为541 GPa,断裂韧性为5.7 MPa·m1/2;当氧化温度为1600 ℃时,超高温陶瓷内部的SiC由被动氧化转变为主动氧化,并且随着氧化温度升高,超高温陶瓷氧化层厚度与氧化温度呈正相关。
内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应
姚永永, 苏步云, 肖革胜, 许海涛, 树学峰
2021, 35(2): 024201. doi: 10.11858/gywlxb.20200610
摘要:
利用有限元模拟方法研究了内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应。用节点扰动方法建立了具有不同规则度的内凹负泊松比蜂窝结构,并将其在不同冲击速度下的变形模态、应力-应变曲线和能量耗散能力与规则蜂窝进行了对比分析。结果表明,冲击速度是内凹蜂窝结构变形模态最主要的影响因素。此外,在双轴冲击下,由于不规则度的引入,延长了应力-应变曲线的平台阶段,抑制了结构的各向异性程度,从而使结构的变形特征从局部密实转向整体密实。在能量吸收能力方面,结构的不规则性导致了密实化阶段的滞后,因此在相同的压缩程度下,其塑性耗散能低于规则模型。
双石英玻璃珠的低速冲击破碎行为
简世豪, 苗春贺, 张磊, 单俊芳, 王鹏飞, 徐松林
2021, 35(2): 024202. doi: 10.11858/gywlxb.20200629
摘要:
应用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置,对直径为8.30、11.68、15.42、17.50 mm的石英玻璃珠开展了冲击速度为5.6~11.5 m/s的双玻璃珠系动态破碎实验。利用高速摄影技术记录双玻璃珠在动态冲击下的破碎过程,结合透射载荷-位移曲线以及破碎产物的粒度分析结果,探讨了石英玻璃双颗粒在冲击下的破坏机制。结果表明:由于双颗粒系中载荷的不均匀特性,两个玻璃珠的破碎具有时序特征,随冲击速度的增加而改变;玻璃珠的冲击破碎源于接触部位局部的Hertz裂纹扩张和裂纹系的扩散,而不是通常认为的贯穿性的斜裂纹体系;瞬态红外测温揭示了玻璃珠冲击破碎的两种主要机制和临界破碎扩散阻力的存在。研究结果对认识脆性颗粒介质的动态破坏机制具有良好的参考意义。
钽靶板在冲击下层裂过程的数值模拟
王云天, 曾祥国, 陈华燕, 杨鑫, 王放, 祁忠鹏
2021, 35(2): 024203. doi: 10.11858/gywlxb.20200634
摘要:
对平面冲击加载下延性金属钽的层裂行为开展了数值模拟研究。利用AUTODYN软件中的Lagrange与SPH求解模块,考察了3种本构模型Johnson-Cook、Steinberg-Cochran-Guinan与Zerilli-Armstrong的模拟结果,结合实验数据对模拟结果进行了验证;在此基础上,通过改变撞击速度与飞片厚度,获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的层裂特性。结果表明:在2.31×104~5.40×104 s−1应变率范围内,SPH求解器结合Steinberg-Cochran-Guinan本构模型的结果与实验数据具有较好的一致性;金属钽的层裂强度随拉伸应变率的增加而增大,在对数坐标系下近似呈线性关系;不同层裂强度计算方法得到的结果差异可达8%;随着拉伸应变率的增加,自由面速度回跳速率随之增长。最后,对自由面速度曲线中的特征参量的物理意义进行了解读。
螺旋拉胀纱线动态拉伸行为的数值模拟
戴金滔, 王文强
2021, 35(2): 024204. doi: 10.11858/gywlxb.20200570
摘要:
螺旋拉胀纱线是由高模量纱线螺旋式包缠低模量纱线所形成的复合纱线,在纵向拉伸下呈现沿横向膨胀的负泊松比现象。为揭示其抗冲击机理,基于有限元模拟,开展了螺旋拉胀纱线的动态拉伸行为研究,发现在螺旋拉胀纱线中存在着分别由包缠纱和芯纱所主导的一快和一慢两个应力波,且在两个波阵面之间横向变形和Mises应力均随时间和空间周期性变化。给出了双波波速随加载速度和摩擦系数的变化规律,并结合等效模量的概念进行了定性讨论。模拟结果还显示,螺旋拉胀纱线中内能与动能基本相等,且摩擦对能量吸收有重要贡献。
水泥砂浆抗弹性能研究
苗春贺, 陈丽娜, 单俊芳, 王鹏飞, 徐松林
2021, 35(2): 024205. doi: 10.11858/gywlxb.20200609
摘要:
对于水泥砂浆的抗弹性能研究,目前很少考虑靶体所处的应力状态,为此基于自研的真三轴静载混凝土侵彻实验装置和水泥砂浆抗弹性能实验结果,讨论了水泥砂浆在不同应力状态下的开坑深度和开坑阻力。应用侵彻深度的经验公式和基于HJC模型的有限元数值计算方法,对比分析了水泥砂浆侵彻实验,结果表明,对于低速冲击过程,采用UMIST公式和HJC模型的数值分析对开坑深度的预测较为有效。应力状态对开坑深度有明显的影响,即随着侧限增加,水泥砂浆的三轴强度提高,弹丸的开坑深度减小。应用基于HJC模型的数值分析方法,研究了弹丸开坑过程中弹体内的加速度波形和y轴支撑杆上的波形,结果表明:弹丸开坑过程对两种波形都有影响,其中y轴支撑杆上的波形可以更好地反映开坑过程。虽然数值模拟结果与实验波形的趋势基本一致,但是应力幅值有一定的差异,说明基于HJC模型的数值分析对开坑阻力的计算能力尚待提高。
高压科学应用
水下多点爆炸条件下的冲击波载荷特性
余俊, 盛振新, 毛海斌, 王海坤
2021, 35(2): 025101. doi: 10.11858/gywlxb.20200597
摘要:
针对水下多爆源起爆的实战背景,开展了两点同时起爆条件下冲击波载荷特性的数值模拟研究。基于自研的多相可压缩流体计算程序,采用高精度的数值格式对流体控制方程进行离散求解。将数值模型计算的自由场水下爆炸的结果与理论结果比较,初步验证了数值模型计算的准确性与可靠性。利用该模型计算了典型工况下水下两点起爆工况,计算结果表明:两爆源对称面上压力相比单爆源线性叠加后的峰值压力增加12%~16%;两爆源垂直截面之间的压力存在双峰现象;而对于两垂直截面之外的测点压力也存在双峰现象,第1个峰值压力与单爆源线性叠加的峰值相等,第2个峰值压力要远低于单爆源线性叠加的峰值,峰值压力下降幅度可高达30%左右。研究结果能够为水下武器防护设计与威胁评估提供参考。
全浸水带间隙发射高速射弹的入水冲击载荷分析
鲁春佳, 侯健, 魏平
2021, 35(2): 025102. doi: 10.11858/gywlxb.20200603
摘要:
全浸水带间隙发射方式可以将发射环境由水介质转化为气体介质。为了研究高速射弹在此条件下的入水冲击载荷,建立了射弹入水冲击载荷的理论模型。针对射弹在入水速度、头部锥角和入水攻角不同情况下的入水冲击载荷进行了计算,分析了入水速度、射弹头部参数和入水攻角对冲击载荷的影响。研究结果对全水下高速射弹入水冲击载荷的预测和射弹头部结构的设计具有重要意义。
爆炸载荷作用下钢-混凝土-钢组合板的动态响应数值模拟
曲艳东, 秦彦帅, 于跃, 张迪迪, 李正鹏
2021, 35(2): 025201. doi: 10.11858/gywlxb.20200631
摘要:
钢-混凝土组合结构的抗爆性能已成为防护工程和反恐防爆等领域的研究热点。以钢-混凝土-钢组合板为例,利用有限元软件ABAQUS对爆炸载荷作用(爆距为2.5~7.5 m,TNT炸药量为50~100 kg)下该结构的破坏形态和动力学性能进行了数值模拟。研究结果表明,组合板的破坏形态与炸药量和爆距有关。炸药量越大,爆距越小,组合板的破坏程度越明显。当TNT炸药量为100 kg、爆距为2.5 m时,组合板发生明显的翘曲,出现了塑性铰。钢板的存在有效地抑制了核心混凝土的剥落。在爆距相同的条件下,炸药量越大,组合板的变形越明显,跨中挠度和峰值速度也越大。当炸药量相同(100 kg)时,与爆距为7.5 m 相比,爆距为5.0 m 时组合板的跨中挠度为其1.53倍,爆距为2.5 m 时组合板的跨中挠度为其5.01倍。
杆式射流对充液防护结构的毁伤机理及影响因素的数值模拟
陈兴, 周兰伟, 李福明, 王毅, 李志文, 韩斌
2021, 35(2): 025202. doi: 10.11858/gywlxb.20200626
摘要:
运用ANSYS/LS_DYNA软件分析了聚能射流对充液结构的毁伤,初步获得了药型罩壁厚和材料等参数对聚能战斗部水下作用的影响特性。药型罩壁厚\begin{document}$\delta $\end{document}在0.04Dk~0.06Dk(Dk为装药直径)之间形成的射流对充液防护结构具有较优的侵彻性能;当\begin{document}$\delta $\end{document} < 0.04Dk时,杆流成型结构较差,在水中的动能抗衰减性能较低;\begin{document}$\delta $\end{document} > 0.06Dk时,射流的初始动能低,靶后效果差。药型罩可采用纯铁、紫铜和钽3种材料,其中纯铁射流的侵彻能力最高,钽射流在水中的动能抗衰减性能最好,紫铜射流具有较好的综合性能。
循环爆炸作用下地下洞室的动态响应及损伤累积
曹安生, 王光勇, 顿志林, 任连伟, 孙晓旺
2021, 35(2): 025203. doi: 10.11858/gywlxb.20200612
摘要:
为研究循环爆炸对地下洞室的影响,基于相似模型试验,采用通用有限元软件ABAQUS对比研究了洞室拱顶高水平单次爆炸和低水平10次循环爆炸作用下地下洞室围岩的应力波衰减规律、损伤累积规律及洞壁位移和环向应变分布特征。结果表明:循环爆炸中,洞室围岩的应力波衰减速度随着爆炸次数的增加先减小后增大。单次爆炸中,洞壁环向峰值应变从拱顶至直墙脚由拉应变转为压应变;循环爆炸中,随着爆炸次数的增加,拱顶环向峰值应变由压应变转为拉应变。爆炸荷载总水平相同时,低水平循环爆炸中洞室围岩的损伤面积和程度比高水平单次爆炸大。循环爆炸中,围岩的损伤累积呈现不可逆的逐级增加趋势,且累积损伤和爆炸次数之间呈明显的非线性关系。
炸药落锤实验及样品厚度效应的三维数值模拟
黄彬彬, 傅华, 喻寅, 刘仓理
2021, 35(2): 025301. doi: 10.11858/gywlxb.20200636
摘要:
为了研究落锤实验中炸药的概率点火行为以及试样厚度对点火的影响,对脆性炸药PBX-2的落锤实验开展了三维数值模拟。采用有限元与离散元相结合的方法,并考虑了炸药材料的非均匀性,获得了炸药在不同落高下的点火概率分布,落高计算结果与文献报道的实验结果相符。此外,研究了落锤实验中试样厚度对炸药温升过程及点火阈值的影响,拟合得到了压力峰值和点火阈值随试样厚度变化的估算公式,可以为实验设计提供参考。