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2020-06期封面
2020, 34(6): 0-0.
摘要:
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2020-06期目录
2020, 34(6): 1-2.
摘要:
高压前沿评论
纳米金属的塑性形变和细晶强化
周晓玲, 陈斌
2020, 34(6): 060101. doi: 10.11858/gywlxb.20200625
摘要:
高压技术已被引入纳米材料研究约30年。早期的纳米材料研究主要采用X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱等方法表征材料的结构转变和状态方程。近年来,我们采用径向金刚石对顶砧X射线衍射结合透射电镜的方法,扩展了对纳米金属塑性形变的探索,成功地在3 nm的小尺寸纳米晶中探测到位错活动的证据,发现偏位错和形变孪晶主导了20 nm以下纳米金属的塑性形变。利用该技术,我们观察到镍纳米晶晶粒旋转对晶粒尺寸依赖性的逆转,发现镍纳米晶体的强化可以扩展到3 nm。与传统技术相比,高压技术在将机械载荷施加到纳米尺寸样品上并在原位或离位表征结构和机械性能方面更具优势,从而有助于揭示微纳力学的奥秘,在多尺度材料力学中架起桥梁。这些发现有助于制造具有更广泛应用前景的先进材料。
高压物性与结构
低浓度氧化石墨烯改性环氧树脂基碳纤维层合板的拉伸性能
吴明宇, 闫晓鹏, 郭章新, 崔俊杰
2020, 34(6): 061301. doi: 10.11858/gywlxb.20200541
摘要:
将氧化石墨烯(GO)均匀分散到环氧树脂(EP)中,采用真空辅助树脂传递模塑成型的工艺方法制备增强碳纤维(CF)复合材料,研究常温下不同浓度(质量分数为0、0.03%、0.07%和0.10%)GO改性EP/CF层合板的抗拉性能和微观胶联性能,探究低浓度GO对CF增强复合材料力学性能明显改善的阈值。实验结果表明:GO对CF增强环氧复合材料的性能有明显改善作用,与纯环氧基CF层合板相比,随着GO浓度增加,其抗拉性能随之增强;GO官能团可以提高EP基体与CF的结合程度,通过扫描电镜观察到加入GO的层合板中CF与EP的黏结更加紧密,使得啮合效果更强,从而提高了复合材料层合板的拉伸强度;低浓度GO改性下,当GO的质量分数达到0.07%时,层合板的力学性能得到明显改善。
高压理论与计算
一维黏弹性声子晶体的色散与耗散关系
王航, 王文强
2020, 34(6): 062401. doi: 10.11858/gywlxb.20200573
摘要:
基于运动方程和广义麦克斯韦本构,推导了一维黏弹性局域共振型和布拉格散射型声子晶体的色散与耗散关系。结果表明:对于时间谐波传播问题,这两种声子晶体的色散关系中均不存在禁带,波的衰减完全依赖于黏性耗散和周期性调制,且周期性调制会增强这种耗散作用;相反,对于自由波传播问题,两种声子晶体的色散关系中均存在禁带,但在禁带之外,波的衰减仍需借助于黏性耗散和周期性调制。研究结果对于由高分子材料构成的层状复合材料中的应力波传播研究具有一定的意义。
仿生BCC结构的准静态压缩数值模拟及吸能性
吴伟, 张辉, 曹美文, 张霞, 陈飞, 梁清香, 常超
2020, 34(6): 062402. doi: 10.11858/gywlxb.20200578
摘要:
晶格点阵结构因具有质量轻、吸能性好等优点,被广泛应用于航空、航天、军工等领域。研究了仿生体心立方(BCC)结构的吸能性,并探讨了截面形貌对BCC晶格结构吸能性的影响。基于毛竹的宏观结构和细观结构,设计了3种不同的BCC仿竹晶格点阵结构,对3种结构及原始BCC晶格结构进行了轴向准静态压缩数值模拟。结果表明:静载下仿竹BCC结构的吸能性和比吸能均比原始BCC结构提高了25%以上,但3种仿竹BCC结构的吸能性、比吸能相差不大;仿竹BCC结构的相对密度对其吸能性和比吸能的影响较大;在压缩过程中,仿生结构的韧性截面有效保证了塌陷稳定性,这是该结构吸能稳定的重要原因。
高压技术
炸药内爆驱动多层密绕螺线管的压缩稳定性
刘亿, 李建明, 周中玉, 彭辉, 宋振飞, 谷卓伟
2020, 34(6): 063301. doi: 10.11858/gywlxb.20200571
摘要:
多层密绕螺线管是炸药柱面内爆磁通量压缩多级MC-1装置的核心构件。设计了一套内爆磁通量压缩装置,初步开展了两级内爆压缩多层密绕螺线管实验,得到了较为清晰的高速摄影图像。密绕螺线管在炸药强爆轰驱动下的界面不稳定性发展是能否获取超高磁场和超高磁压力的关键因素。高速摄影实验结果显示,多层密绕螺线管在内爆过程中没有出现垮塌,套筒内界面仍保持对称性,外界面出现强爆轰导致的周期扰动。为此建立了考虑磁压力的二维有限元内爆数值计算模型,系统研究了密绕螺线管在炸药内爆驱动下的稳定性问题。计算结果表明,炸药网络板多点起爆方式对套筒冲击不稳定性的发展影响较大,网络起爆点数量的增加可以有效抑制套筒界面不稳定性的增长。相比于环氧缓冲层,在炸药与螺线管套筒之间添加1~2 mm的间隙可以更有效地衰减爆轰波引入的周期扰动。
球弧式纵向剖分超高压模具
李胜华, 李金良
2020, 34(6): 063302. doi: 10.11858/gywlxb.20200538
摘要:
为了提高普通年轮式超高压模具的最大承载能力,提出了一种新型球弧式纵向剖分超高压模具结构。该模具的球弧式结构将对超高压模具损害最大的周向拉应力转变为轴向应力,并通过纵向剖分方式降低了轴向应力,提高了超高压模具压缸的极限承载能力。球弧式纵向剖分超高压模具不仅可以降低超高压模具的最大等效应力和最大切向应力,而且模具的腔体容积也相应增大。数值模拟结果表明:在相同载荷条件下,球弧式纵向剖分超高压模具的周向拉应力、等效应力和最大切向应力分别比普通年轮式超高压模具减小了68.1%、12.5%和18.0%。球弧式纵向剖分超高压模具的径向位移也有利于提高压缸的保压能力,同时球弧式纵向剖分超高压模具的腔体容积也比普通年轮式模具提高了约43%。分析表明,球弧式纵向剖分结构有利于提高生产效率,增加模具的使用寿命。
高压下物质的动态响应
聚脲涂覆钢复合结构的抗爆效应
王琪, 贾子健, 赵鹏铎, 王志军, 张鹏, 徐豫新
2020, 34(6): 064101. doi: 10.11858/gywlxb.20200545
摘要:
为研究不同涂覆方式下聚脲涂覆钢复合结构的抗爆性能及聚脲涂层的吸能机理。针对等面密度、等钢板厚度的无涂覆、迎爆面涂覆和背爆面涂覆3种结构,分别开展抗40和60 g TNT爆炸加载试验。通过对比复合结构破坏模式,分析聚脲涂层对复合结构抗爆性能的影响以及聚脲涂层防护机理。研究表明:等面密度条件下,迎爆面涂覆聚脲涂层不能提高复合结构的抗爆性能;等钢板厚度条件下,聚脲涂层可以提高复合结构的抗爆性能,且背爆面涂覆效果最佳;聚脲涂覆钢板复合结构的抗爆性能与聚脲涂层的本构弥散、界面弥散以及热软化效应等相关。
冲击载荷下仿贝壳珍珠层Voronoi结构的动态力学响应
武晓东, 张海广, 王瑜, 孟祥生
2020, 34(6): 064201. doi: 10.11858/gywlxb.20200559
摘要:
贝壳珍珠层复合结构是一种有效的抗压结构系统,微观上具有Voronoi随机结构,具有良好的力学特性。为了研究仿贝壳珍珠层Voronoi结构在冲击载荷下的动态力学响应,建立了一种铝/乙烯基复合材料的三维Voronoi模型。首先,应用随机Voronoi技术建立仿贝壳珍珠层Voronoi随机模型,然后在随机多边形铝片之间引入黏结层,模拟黏结和分层过程,从最大变形、损伤分布和耗散能量等方面探讨Voronoi片板模型在弹丸冲击荷载作用下的力学性能,并与规则片板模型进行对比分析。结果显示:Voronoi结构更有利于冲击能量的扩散与吸收,减小应力集中,更好地发挥能量共享机制;而规则模型的冲击损伤主要集中在弹丸冲击点附近区域。最后讨论了黏结层厚度和分块尺寸对Voronoi模型力学性能的影响,结果表明:分块尺寸对Voronoi模型抗冲击性能的影响很小;黏结层对损伤耗散能和塑性能的影响很明显,黏结层越薄,模型的抗冲击性能越好。
二维各向异性多孔材料多轴蠕变行为的数值模拟
刘浩伟, 苏步云, 邱吉, 李志强
2020, 34(6): 064202. doi: 10.11858/gywlxb.20200561
摘要:
基于二维各向异性多孔材料的Voronoi模型,对其单轴、多轴蠕变行为开展系统的研究。大量的数值模拟结果显示,二维各向异性多孔材料的力学性能对表征各向异性程度的几何拉伸系数R有明显的依赖性,其中参数r1ν12随着R的增大而逐渐增大,参数r2的变化规律则相反。对于二维各向异性多孔材料而言,随着R的增大,沿拉伸方向上的单轴稳态蠕变率增大,而另一方向上的性能却逐渐降低。基于特征应力-特征应变关系,建立了一个能够描述二维各向异性多孔材料多轴蠕变行为的理论模型。将不同各向异性程度及不同加载条件下材料的稳态蠕变率的数值模拟结果与该模型的预测结果进行对比,发现两者吻合较好,证明了该理论模型的有效性。
反应材料冲击压缩行为的三维细观数值模拟
杨相礼, 何勇, 何源, 王传婷, 徐涛, 田伟玺, 周杰
2020, 34(6): 064203. doi: 10.11858/gywlxb.20200539
摘要:
为研究反应材料的细观冲击响应行为,采用细观数值模拟方法对Al/PTFE(铝/聚四氟乙烯)与Al/Ni反应材料的冲击压缩行为进行了分析研究。采用球磨混合和静压方法,制备了两种反应材料试样,并使用纳米CT设备获得了材料的细观图像,借助图像处理和网格映射方法,建立了基于材料真实细观结构的三维有限元模型,计算获得的冲击Hugoniot关系与理论结果吻合较好。细观数值模拟结果表明:反应材料的冲击波阵面在细观尺度内呈不平整状态,颗粒相在冲击波作用下主要表现为沿冲击压缩方向的体积压缩和运动;在较高撞击速度下,Al/PTFE反应材料的PTFE基体将发生熔化,而Al/Ni反应材料在本研究范围内保持固态。
王莲仿生梯度蜂窝的面外压缩行为
王海任, 李世强, 刘志芳, 雷建银, 李志强, 王志华
2020, 34(6): 064204. doi: 10.11858/gywlxb.20200562
摘要:
利用ABAQUS有限元软件对仿王莲脉络分层梯度蜂窝进行准静态与动态压缩数值模拟,分析了其准静态压缩平台应力与相对密度,以及动态压缩强度与相对密度、冲击速度之间的关系。结果表明:当冲击速度较低时(10 m/s),芯层呈现渐进压溃模式;在高速冲击下(200 m/s),芯层压溃模式与梯度分布方式密切相关,初始为渐进压溃模式,当冲击波传播至远端时,各层的压溃和密实化取决于其静态压缩强度,密实化依次出现在压缩强度较低的芯层。
高压科学应用
分体式侵彻体斜侵彻钢靶的弹道稳定性数值模拟
吴翰林, 屈可朋, 沈飞, 周涛, 郭洪福, 谷鸿平
2020, 34(6): 065101. doi: 10.11858/gywlxb.20200563
摘要:
为提升弹体侵彻钢靶的弹道稳定性,设计了一种分体式侵彻体,运用LS-DYNA数值模拟得到了分体式侵彻体以不同着速、15°着角斜侵彻14 mm厚单层圆钢靶的弹道变化规律,讨论了前导体头部厚度和前导体安装间隙对弹体俯仰角和弹道偏移的影响机制。结果表明:分体式侵彻体可有效提升侵彻弹道稳定性;着速为500~700 m/s时,前导体头部厚度越大,弹体俯仰角度和弹道偏移越小,着速为800 m/s时,前导体头部厚度适中的弹体俯仰角和弹道偏移最小;前导体安装间隙能在特定工况下减少8%~12%的弹道偏转。这是由于低速侵彻时前导体未完全破坏,应力波的衰减程度随头部厚度的增加而增加;高速侵彻时前导体逐渐破损至完全破坏,可以最大程度地吸收撞击能量,提升弹道稳定性的效果最佳。增加前导体安装间隙可提升低速侵彻或头部厚度较大的前导体的破损程度。
新型结构炮口制退器的膛口冲击波数值研究与性能分析
余海伟, 袁军堂, 汪振华, 葛苗冉, 罗跃
2020, 34(6): 065102. doi: 10.11858/gywlxb.20200568
摘要:
面向炮口制退器综合性能设计需求,基于增材制造技术优势,提出了一种叠加冲击式内壁与反作用式外孔特征的新型小口径轻金属炮口制退器方案。基于三维无黏Euler方程,建立了后效期火药气体排空过程的有限元仿真模型,通过膛口流场仿真与流固耦合分析,研究了膛口流场发展、膛口冲击波与超压分布特征、制退器效率与其强度性能。结果表明:相比于传统结构,采用同种轻质钛合金材料的新型制退器具有较高的制退效率,对于机载平台具有较优的膛口超压分布特征和低冲击波危害效应,并且结构强度满足使用要求。
叠合双层靶抗球形破片的侵彻能耗
徐瑞, 智小琦, 范兴华
2020, 34(6): 065103. doi: 10.11858/gywlxb.20200551
摘要:
为了研究影响叠合双层靶抗弹性能的因素,在靶板总厚度为7.2 mm的条件下,采用直径为9.5 mm、质量为8.05 g的钨合金球形破片侵彻单层和不同组合方式的叠合双层Q235钢靶板。弹道极限试验结果表明:(3.6 + 3.6) mm靶板最高,(5.4 + 1.8) mm靶板次之,(1.8 + 5.4) mm靶板最低,单层7.2 mm靶板与(5.4 + 1.8) mm叠合靶基本相同。研究发现,叠合靶排列方式不同,则其破坏模式与耗能模式不同。当双层靶板均产生冲塞破坏时,压缩耗能和凹陷耗能是影响靶板抗弹性能的主要因素;当前靶板为冲塞破坏、后靶板为扩孔破坏时,凹陷耗能是影响靶板抗弹性能的主要因素。通过对多种组合靶的能耗计算表明,(3.6 + 3.6) mm的排列是本研究条件下的最优组合。这些研究结果对防护装置的设计有重要的参考价值。
EFP水下成型影响因素的数值模拟
孙远翔, 胡皓亮, 张之凡
2020, 34(6): 065104. doi: 10.11858/gywlxb.20200557
摘要:
由于密度、压力等物理量存在差异,爆炸成型弹丸(EFP)在空气和水中的成型过程差别较大。为了优化水下EFP的设计方案,利用AUTODYN有限元软件开展仿真研究,详细讨论了装药、药型罩及弹前空气域3部分共7个变量对EFP水下成型过程的影响,最终得出适合水下EFP装药的设计参数。根据仿真结果,总质量为1 kg的EFP装药优化后的设计参数:炸药长径比为1.5,炸药种类选择爆速较高的HMX,药型罩材料为紫铜,切向锥角\begin{document}$\alpha $\end{document}为145°,壁厚\begin{document}$\delta $\end{document}为2 mm,弹前空气域长度为3倍装药半径,起爆半径r为0.4倍装药半径。该方案对优化EFP速度、长径比及动能等有较好的效果。
杆式EFP用钽钨合金JC失效模型参数
门建兵, 卢易浩, 蒋建伟, 付恒, 韩伟
2020, 34(6): 065105. doi: 10.11858/gywlxb.20200550
摘要:
针对目前数值仿真不能有效预测钽钨合金药型罩聚能装药杆式爆炸成型弹丸(Explosive formed projectile,EFP)的爆炸成型和断裂问题,开展了钽钨合金材料在不同应力、应变率以及温度条件下的力学性能实验,通过实验数据拟合得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数。基于LS-DYNA嵌入该套模型参数开展了典型球缺钽钨药型罩EFP的成型仿真,通过同结构聚能装药静爆脉冲X射线摄影实验对仿真形成的EFP形状和速度计算结果进行对比验证。结果表明:将实测Johnson-Cook失效模型参数应用于杆式EFP成型的数值仿真时,各项成型参数的计算结果(形状、速度等)与实验结果的相对误差均小于9%,实现了对杆式EFP成型及断裂的准确预测。
聚醚酰亚胺长杆弹弹托在膛压载荷下的动力学响应
乔宇, 陈利, 张庆明, 巨圆圆, 陆阳予
2020, 34(6): 065106. doi: 10.11858/gywlxb.20200558
摘要:
建立了长杆弹的动力学计算模型,弹托采用新型玻璃纤维增强聚醚酰亚胺复合材料,利用LS-DYNA软件模拟了长杆弹在轻气炮膛压载荷下的运动过程,分析了复合材料弹托的动力学响应规律,并对弹托结构进行了改进。结果表明:最大膛压时弹托各处应力达到最大,高应力区分布在弹托尾部外围附近及后齿齿根上,齿根、齿顶应力大小不同;弹托头部强度裕度较大,通过改进弹托结构,在满足发射强度的同时,弹托质量减少了16 g,弹丸初速提高了612.2 m/s。
近爆作用下中空夹层超高性能钢管混凝土柱的抗爆性能
邓旭辉, 王达锋
2020, 34(6): 065201. doi: 10.11858/gywlxb.20200540
摘要:
为研究中空夹层超高性能钢管混凝土(Ultra-high performance concrete-filled double skin steel tubes, UHPCFDST)柱在近爆载荷作用下的抗爆性能,建立了TNT炸药-UHPCFDST柱-空气三维有限元模型,采用ALE多物质流固耦合算法分析了UHPCFDST柱在近爆作用下的损伤机理、能量吸收特性和影响参数,计算结果表明:UHPCFDST柱在近爆作用下的典型破坏模式为钢管的塑性变形和混凝土芯柱的凹陷破坏,且混凝土芯柱的损伤过程可以分为3个阶段;与填充普通混凝土柱相比,UHPCFDST柱具有优异的抗爆性能;在一定范围内,减小截面空心率可以有效提升UHPCFDST柱的抗爆性能;增加内外钢管厚度均可提升UHPCFDST柱的抗爆性能,但增加外层钢管厚度时提升效果更显著;有无轴压对UHPCFDST柱的变形有较大影响,在一定范围内增加轴压比有利于抵抗整体变形,但同时局部变形增大,当轴压比较大时,UHPCFDST柱在近爆载荷和轴向载荷作用下失去承载能力。