当期目录

2020-01期目录
2020, 34(1)
摘要:
2020-01期封面
2020, 34(1)
摘要:
高压物性与结构
斜波压缩下锡的相变动力学特性
种涛, 赵剑衡, 谭福利, 王桂吉
2020, 34(1): 011101. doi: 10.11858/gywlxb.20190828
摘要:
利用磁驱动加载装置(CQ-4)和高精度速度测试装置(DPV),开展了斜波加载下锡的动态压缩实验。实验结果表明:锡在加载阶段经历了弹塑性转变和相变等物理过程,相变压力约为7.5 GPa。βγ相变对应的特征速度随着锡厚度的增加,从676.3 m/s减小到636.8 m/s,对应的压力从7.62 GPa降低到7.11 GPa。结合Hayes多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对锡的斜波压缩实验过程进行了模拟,数值计算结果可以较好地描述锡在加载阶段的弹塑性转变和相变等物理过程。讨论了体模量在不同热力学过程中的物理形式,计算结果显示,斜波压缩过程需考虑压力对体模量的修正。分析了相变弛豫时间、体模量等典型物理参数对速度波形的影响,结果表明,相变弛豫时间和各相初始自由能主要影响混合区部分速度波形,γ相的体模量参数只影响相变后的速度波形,β相的体模量参数会影响整体速度波形。
高压下MgN8晶体结构理论模拟与物性研究
缪宇, 刘思远, 马雪姣, 金哲学
2020, 34(1): 011102. doi: 10.11858/gywlxb.20190818
摘要:
基于密度泛函理论第一性原理的方法,使用CALYPSO结构搜索技术结合VASP软件,在0~100 GPa压强范围内对MgN8的晶体结构进行预测,并对预测的结构进行系统研究。结果表明:在常压下,空间群为P4/mbmα-MgN8晶体结构的焓值最低;当压强达到24.3 GPa和68.3 GPa时发生相变,分别相变成空间群为P4/mncβ-MgN8相和空间群为Cmcmγ-MgN8相,两次相变均为对应体积坍塌的一级相变。电子性质计算结果表明,α-MgN8相的导带与价带之间具有3.09 eV的带隙,表明该结构具有非金属性;β相和γ相具有明显的金属特征。Bader电荷转移计算表明,随着压力的增加,Mg原子向N原子转移的电荷逐渐增多。
快速压缩作用下橄榄石的结构稳定性
何亚丽, 王君龙, 邓力维, 王志飞, 刘秀茹
2020, 34(1): 011201. doi: 10.11858/gywlxb.20190787
摘要:
结合不同的温度效应,研究了快速压缩过程对橄榄石结构稳定性的影响。分别在293、373、473、573、673、773 K下将橄榄石快速加压至3 GPa,在873、973、1 073、1 173 K下烧结橄榄石样品2 h后再在室温下快速加压至3 GPa。采用同步辐射X射线衍射、拉曼光谱、红外吸收光谱以及扫描电镜等技术分析了回收样品的结构和微观形貌。结果表明,上述过程中橄榄石结构均稳定,未发生由压力和温度导致的相变。橄榄石回收样品的微观形貌发生变化,晶粒细化。由于回收样品中存在残余应力以及晶粒细化,橄榄石的822 cm–1和854 cm–1拉曼特征峰出现了展宽和偏移。
钙钛矿结构ZrBeO3稳定性的第一性原理研究
温新竹, 彭玉颜, 刘明真
2020, 34(1): 011202. doi: 10.11858/gywlxb.20190802
摘要:
基于密度泛函理论构建了钙钛矿结构ZrBeO3晶体模型,计算了该晶体模型结合能,表明了该构型热力学稳定性;计算出该结构在不同压力下的弹性常数,并据此计算了ZrBeO3的体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、BH/GH(体模量/剪切模量)等参数,结果表明该材料具有机械稳定性,随着等静压力增加,材料由脆性向韧性转变;计算了零压下ZrBeO3的硬度,为34.5 GPa,表明该结构晶体应为超硬材料;计算了ZrBeO3的声子能谱,结果表明ZrBeO3在低温零压下热动力学不稳定,为此分析比较了不同压力下的声子能谱、不同原子轨道及化学键布居值,研究表明随着压力增加,Be原子sp杂化后形成的Be-O共价键成分增强、Zr-O键离子键成分增强,晶格动力学趋于稳定。
AlCrFeCuNi高熵合金力学性能的分子动力学模拟
李健, 郭晓璇, 马胜国, 李志强, 辛浩
2020, 34(1): 011301. doi: 10.11858/gywlxb.20190762
摘要:
高熵合金具有传统合金无法比拟的高强度、高硬度和高耐磨耐腐蚀性,具有广阔的应用前景。为研究AlCrFeCuNi高熵合金(High entropy alloy, HEA)在轴向载荷作用下的力学性能,采用分子动力学方法,模拟高熵合金的实验制备过程并建立原子模型,研究温度和Al的含量对AlCrFeCuNi高熵合金力学性能的影响,从材料学角度分析了变形过程及其具有高塑性的原因。模拟结果表明,AlCrFeCuNi高熵合金在拉伸载荷作用下依次经历弹性、屈服、塑性3个变形阶段。在屈服阶段,开始出现孪晶和层错,孪晶和层错的产生和生长是合金产生不均匀塑性变形的主要原因之一。高熵合金的杨氏模量和屈服应力随着Al含量的增加近似线性降低,同时具有很强的温度效应,温度越低,Al含量越小,其杨氏模量和屈服应力的下降幅度越大。
高压理论与计算
用于描述W-Cu粉末混合物冲击压缩行为的 p-αp-λ模型适用性
高明悦, 周强
2020, 34(1): 012101. doi: 10.11858/gywlxb.20190784
摘要:
研究了3种p-\begin{document}$\alpha $\end{document}模型和p-\begin{document}$\lambda $\end{document}模型在预测非均质W-Cu混合粉末冲击压实响应的适用性。利用Mie-Grüneisen方法和Barry等压混合法,基于单质W、Cu粉末的Hugoniot关系预测了同孔隙度的W-Cu混合粉末的Hugoniot线,在高压段与实验结果符合较好,但在低压段与实验偏差较大。分别应用3种p-\begin{document}$\alpha $\end{document}模型和p-\begin{document}$\lambda $\end{document}模型对实验结果进行拟合,发现除p-\begin{document}$\alpha $\end{document} PL模型外,其他模型均较好地描述W-Cu混合粉末的冲击压缩响应,受经验参数选择的影响,所有模型的压溃强度和压缩路径各不相同,预测功能较差。
高速气体与椭圆柱云相互作用的数值研究
王雅, 蒋灵杰, 邓小龙
2020, 34(1): 012301. doi: 10.11858/gywlxb.20190748
摘要:
高速颗粒流在天文、自然灾害、工业安全、医疗工业和国防等领域有着重要应用。采用基于分层流模型的直接数值模拟方法,对平面激波与椭圆柱云的相互作用进行数值研究,重点关注椭圆柱横截面的不同长短轴之比和椭圆柱横截面长轴与来流方向所成角度对流场的影响,从气体来流方向上的速度、x轴和y轴方向上的均方根速度、动能、内能和湍动能的分布上进行分析,对能量在计算域的上游区域、椭圆柱云区域和下游区域进行定量分析。同时针对椭圆柱改进了一维体积平均模型,利用该模型拟合了由直接数值模拟得到的反射激波和透射激波位置,获得了最适配的一维体积平均模型中的人工有效阻力系数,并探讨此系数的分布规律。
高压下物质的动态响应
石英玻璃球撞击刚性壁的破碎过程
方继松, 王珠, 熊迅, 郑宇轩, 周风华
2020, 34(1): 014101. doi: 10.11858/gywlxb.20190764
摘要:
利用高速枪对石英玻璃球撞击刚性靶板进行了实验研究,分析了不同速度下球体的破碎过程和失效模式。当冲击速度低于临界破坏速度时,石英玻璃球以略低于原速从靶板回弹;当超过临界破坏速度时,球体呈现“压缩破碎区-表面剥落区-剪切破坏区”的破坏结构;进一步提高碰撞速度,剪切破坏区的扩展导致球体碎裂为若干“月牙状”的碎块;更高撞击速度下,石英玻璃球发生坍塌式破碎,在远离撞击端处产生层裂现象。利用离散元软件对球体的撞击破坏过程进行了模拟研究,球体在高速碰撞下的破碎可以分为弹性压缩、整体破碎和二次撞击3个阶段。球体碎裂前Hertz接触理论可以较好描述其撞击力,而破碎后的撞击力由于碎裂卸载远小于理论值,且偏差随冲击速度逐渐增加。
3D打印贝壳仿生复合材料的拉伸力学行为
侯祥龙, 雷建银, 李世强, 王志华, 刘志芳
2020, 34(1): 014102. doi: 10.11858/gywlxb.20190768
摘要:
采用硬质和软质双组分材料,通过调控两种基体材料的装配夹角,采用光固化3D打印技术制备了不同装配方式的仿贝壳珍珠层复合材料,开展了准静态拉伸实验,结合扫描电镜观察,分析了其拉伸力学性能、断裂及能量耗散机理。研究结果表明,保持胞元边长不变,随着面内装配角度增加,仿贝壳珍珠层复合材料的强度呈线性增加趋势,断裂应变呈线性减小的趋势;随着面外装配角度增大,断裂应变呈线性减小趋势,而强度在面外装配角小于45°时呈增强趋势,超过45°时趋于稳定;面外装配角度为45°时,材料的强度达到最大值。试样在断裂前主要通过硬质材料的拔出、软/硬相界面处微裂纹的生成及微裂纹在扩展过程中的合并和偏转等方式耗散能量。
钢筋混凝土墙抗冲击性能的数值模拟分析
宿华祥, 易伟建
2020, 34(1): 014201. doi: 10.11858/gywlxb.20190772
摘要:
为了研究钢筋混凝土墙在冲击荷载作用下的动态响应,借助ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土墙的有限元模型。冲击体质量为2 t,冲击速度为3 m/s,分析了轴压比、墙宽和边缘构件对钢筋混凝土墙抗冲击性能的影响。在此基础上,分析了墙体在极限荷载作用下经历的3个阶段,提出了一种在极限荷载作用下墙体破坏失效的判别准则;利用所提出的判别准则分析了在极限荷载作用下轴压比、墙宽和边缘构件的影响。结果表明:在一定范围内,随着轴压比的增加,墙体抗冲击性能提高,有轴压的墙体损伤区域较为集中;增加墙宽和加入边缘构件均能有效增强墙体的抗冲击性能;在极限荷载作用下,冲击质量一定时,随着轴压比的增加,结构破坏失效所需的冲击能变小。
高压科学应用
柱状装药预制破片缩比战斗部爆炸冲击波和破片的作用时序
夏冰寒, 王金相, 周楠, 陈兴旺, 卢孚嘉
2020, 34(1): 015101. doi: 10.11858/gywlxb.20190780
摘要:
针对柱状装药的周向预制破片战斗部,结合无量纲分析方法和爆炸驱动理论,确定了影响破片和冲击波相遇位置的关键参数,给出了由缩比战斗部推广预测原型战斗部爆炸产生的破片冲击波作用时序的方法。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟,对比验证了理论分析和数值试验结果,分析了战斗部缩比比例对冲击波和破片作用时序的影响。结果表明:缩比模型与原型战斗部爆炸产生的破片和冲击波的相遇位置之比和相遇时间之比主要取决于两模型的质量比,在不考虑破片速度衰减时,两模型中载荷相遇位置之比和相遇时间之比等于其质量比的0.33次方。受破片速度衰减影响,该方法仅适用于质量缩比不小于0.2的模型。
水下爆炸冲击波数值仿真研究
胡亮亮, 黄瑞源, 李世超, 秦健, 王金相, 荣光
2020, 34(1): 015102. doi: 10.11858/gywlxb.20190773
摘要:
由于在水下爆炸冲击波的数值仿真研究中,水的状态方程、人工黏性系数和网格尺寸对数值计算结果影响很大,采用常规TNT炸药的水下爆炸为例,以冲击波的峰值压力和比冲量为衡量指标,研究了这3个主要影响因素对数值仿真结果的影响。首先,通过采用常用的5种水的状态方程进行系列仿真,给出了各种状态方程的适用范围;其次,讨论了人工黏性系数对计算结果的影响,并给出了一次与二次人工黏性系数的建议取值范围;最后,通过对不同炸药当量及不同网格尺寸开展系列运算,从而得到不同炸药当量在满足工程计算精度要求下所对应的建议网格尺寸,并得到了不同炸药当量所对应的建议网格尺寸的表达式。
超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟
李昕, 严平, 谭波, 秦一平
2020, 34(1): 015103. doi: 10.11858/gywlxb.20190798
摘要:
超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。
前舱物对低速大质量平头弹侵彻金属薄板的影响
刘雨佳, 侯海量, 李茂, 金键, 戴文喜
2020, 34(1): 015104. doi: 10.11858/gywlxb.20190830
摘要:
为了研究前舱物对低速大质量平头弹侵彻金属薄靶的影响,根据前舱物的力学特性,将前舱物等效为轻质泡沫铝材料,建立了含前舱物的平头弹结构有限元分析模型,开展了不同工况下带前舱物平头弹侵彻金属薄板的数值模拟计算,分析了带前舱物平头弹侵彻金属薄板的过程,对比了带前舱物平头弹和不计前舱物平头弹在不同工况下剩余速度的差异。数值计算结果表明:带前舱物平头弹与不计前舱物平头弹的侵彻过程存在明显差异,但靶板破坏模式相同;前舱物等效材料的屈服强度对平头弹侵彻性能的影响很小,可以忽略不计;前舱物有助于提高平头弹侵彻金属薄板的能力,但提升幅度有限。在实际工程应用中,可以忽略前舱物对平头弹侵彻金属薄板的影响。
氢气比例和点火能量对CH4-H2混合气体爆炸强度影响的实验研究
马秋菊, 邵俊程, 王众山, 刘家平
2020, 34(1): 015201. doi: 10.11858/gywlxb.20190803
摘要:
在20 L标准球形爆炸罐内开展了当量比为1的甲烷-氢气-空气混合气体爆炸实验,通过改变点火能量和氢气体积分数,探讨点火能量和气体比例对其爆炸压力和爆炸强度的影响。研究发现:氢气比例越高,爆炸冲击波传播速度越快,点火能对冲击波传播速度的影响相对较小;点火能量的提高对峰值超压有增强作用,氢气比例低时,此增强作用较显著,氢气比例高时,此增强作用较弱;点火能量对爆炸强度指数KG的影响较小,而氢气比例对爆炸强度指数KG的影响十分明显,氢气比例低于50%时,氢气比例的增加对爆炸强度的增强作用较弱,氢气比例高于50%时,氢气的增加对爆炸强度的激励作用急剧增强。另外发现,相同当量比条件下,氢气的爆炸强度指数近似为甲烷爆炸强度指数的10倍。
加载角度和线型缺口对锂离子电池隔膜拉伸性能的影响
薛鹏程, 范文杰, 王根伟, 王彬
2020, 34(1): 015301. doi: 10.11858/gywlxb.20190765
摘要:
锂离子电池隔膜作为防止正负极接触的物理屏障,其结构完整性对于电池安全至关重要。进行了4种商业隔膜单轴拉伸实验,分析加载角度和线型缺口对隔膜材料拉伸强度、弹性模量、断裂模式的影响。结果表明:无缺口试样在0°方向上的拉伸强度最大,90°方向上拉伸强度最小;当两个无缺口试样的加载角度互为补角时,它们的拉伸强度接近。对于缺口试样而言,缺口方向沿着90°的试样有最大破坏载荷;线型缺口试样有更高的弹性模量,但是塑性变形大幅减少。无缺口试样和缺口试样在拉伸过程中的断裂模式相同,即除0°试样沿横向断裂外,其他加载角度的试样均沿着纵向断裂。