当期目录

2019年 33卷 第1期
2019, 33(1): 1-1.
摘要:
特别约稿与研究综述
超低密度笼形冰相及其负压相图
黄盈盈, 苏艳, 赵纪军
2019, 33(1): 010001-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180643
摘要:
水不仅在地球上无处不在,而且在太阳系中(如彗星、小行星及巨行星的卫星上)也普遍存在。因此,探索存在于不同环境条件下不同形态的水冰晶体对物理学、化学、生物学、地球科学以及行星科学都有着重要意义。根据周围的环境条件(压强和温度),冰呈现出极其丰富和复杂的相图。目前,实验上已合成了18个晶体冰相,分别是ice Ic、ice Ih、ice II 直至ice XVII。此外,还有一些来自于笼形包合物的假想超低密度冰相,分别是I型、II型、H型、K型和T型笼形冰。近期,在实验室中合成的II型笼形冰(即ice XVI)出现在了水的负压相图中,极大地激发了人们去探索其他低密度笼形冰。结合带有色散修正的密度泛函理论计算和经典的蒙特卡罗、分子动力学模拟,我们预测了两个具有超低密度的立方笼形冰相,将其依次命名为s-III笼形冰(ρ=0.593 g/cm3)和s-IV笼形冰(ρ=0.506 g/cm3)。s-III笼形冰的元胞由2个二十六面体的大笼子(8668412)和6个十面体的小笼子(8248)组成。s-IV笼形冰的元胞中含有8个二十六面体的大笼子(12464418)、8个十二面体的中等尺寸笼子(6646)和6个八面体的小笼子(6246)。对于这两种笼形冰,超大尺寸的二十六面体水笼子以及不同笼子之间的独特堆积方式使它们的密度极低。把所有低密度冰相(其密度小于或者等于ice XI)考虑在内,我们基于TIP4P/2005模型势函数构建了水在负压下的p-T(压强-温度)相图。在s-II笼形冰下方的极低负压区域内,s-III和s-IV笼形冰取代了之前认为的s-H笼形冰,分别占据了高温和低温部分,因此在相图中产生了一个三相点(T=115 K,p=–488.2 MPa)。密度泛函理论计算表明,通过在二十六面体大笼子中添加合适尺寸的客体分子,比如十二面烷(C20H20)和富勒烯(C60),能够分别充分地稳定s-III和s-IV笼形冰晶格。基于实验室中已经制备出的无客体分子填充的s-II笼形冰,且被认定为ice XVI相,那么s-III和s-IV笼形冰很可能是ice XVIII或ice XIX的候选结构。它们一旦在实验室中被合成,则可以作为一种储存气体的材料用来封装气体分子(如H2、CH4、CO2等)。计算表明:s-III笼形冰在低温和室温下的储氢能力均为s-II的两倍左右,达到了美国能源部在海陆运输上制订的储氢目标。
高压物性与结构
榍石的冲击高压行为与辐照损伤效应对比研究
刘孙利, 白彬, 贺红亮, 褚健, 孙亚平, 王绪, 王洪龙, 张铭
2019, 33(1): 011101-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180546
摘要:
高压和辐照这两种极端条件会造成晶体材料的晶体结构发生改变或损伤。以榍石(CaTiSiO5)为研究对象,利用冲击高压和样品回收技术,探索冲击高压作用后结构的变化规律,并与辐照造成的损伤榍石作对比研究,认识冲击高压与辐照造成榍石结构损伤的异同。研究表明:冲击高压作用下,晶态的榍石出现结构损伤和非晶化,出现类似于榍石的辐照损伤现象,但具体过程和受损的晶体结构有明显不同。具体表现为:X射线衍射、红外和拉曼光谱的特征峰强度减弱,谱线变宽,细节丢失;冲击高压导致晶态榍石拉曼光谱的Ti–O伸缩振动主峰出现红移,与辐照损伤蜕晶化过程出现的蓝移相反。此外,晶胞参数abc和晶胞体积V减小,与辐照损伤过程相反。
机械合金化结合高压烧结制备PbSe-PbS固溶体合金的热电性能
杨曼曼, 朱红玉, 李洪涛, 樊浩天, 胡强, 胡美华, 李尚升, 宿太超
2019, 33(1): 011102-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180597
摘要:
硒化铅(PbSe)作为一种无碲热电材料受到广泛关注。采用机械合金化结合高压烧结方法制备了PbSe-PbS固溶体合金(PbSe1–xSx),并研究了Se/S含量对其结构和热电性能的影响。结果表明:采用机械合金化法能够快速合成出PbSe1–xSx固溶体合金粉末,高压烧结实现了其快速致密化;通过调整Se/S比例可以实现PbSe1–xSx电输运性能和导电类型的调控;固溶体合金能够实现短波声子散射,显著降低PbSe材料的热导率;当x = 0.5、温度为600 K时,PbSe1–xSx的最高品质因子达到0.54,比PbSe的品质因子(0.33@450K)高64%。
高压下Ir2P晶体结构预测与物理性质
李鑫, 马雪姣, 高文泉, 刘艳辉
2019, 33(1): 011103-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180645
摘要:
在压强为0~100 GPa范围内,运用CALYPSO结构搜索技术,结合基于密度泛函理论中的第一性原理方法,对Ir2P晶体进行结构预测,并对预测出的晶体结构和物理性质进行细致的研究。在常压下,预测得出α-Ir2P相具有立方结构,其空间群为Fm3m,与实验所得结构一致;压强为86.4 GPa时,发生结构相变,由α-Ir2P相转变为β-Ir2P相,为四方结构,其空间群为I4/mmm。在相变过程中,晶体体积发生坍塌,并且出现不连续变化的一级相变。电子性质计算表明,86.4 GPa时,预测的β-Ir2P相中导带和价带在费米面附近发生交叠,表明其结构具有金属性质;电子局域函数计算表明,β-Ir2P相具有丰富的化学键,包括极性共价键、金属键和离子键;Bader电荷转移计算得出,由于Ir原子具有较强的电负性,β-Ir2P相中每个P原子向每个Ir原子电荷转移0.19e
高压理论与计算
极端冲击下激波诱导附加电场加速金属/气体界面的经验模型
张嘉炜, 黄生洪
2019, 33(1): 012301-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180607
摘要:
采用基于电子力场势函数的分子动力学方法,模拟了极端冲击压缩(22.50~78.75 km/s)下Li/H2界面的演化过程。计算结果表明,在极端冲击压缩条件下,激波压缩导致物质电离,由于电子和离子的扩散差异,激波附近出现电荷分离区,进而诱导出现附加电场。通过沿激波传播方向进行一维电荷统计和理论分析,发现在激波强度一定的情况下,随着激波的运动,电荷分离区的强度和宽度在整个过程中基本保持恒定,与激波强度正相关;进一步对电荷分布进行积分,得到由电荷分离引起的附加电场沿冲击波传播方向的变化。统计分析了附加电场影响下金属/气体界面附近金属侧物质产生的加速度随时间的变化,发现附加加速过程呈脉冲形态,满足Rayleigh模型。通过计算拟合,得到该模型的关键参数与初始冲击加载速度的关系,最终获得电离诱导附加电场引起界面金属侧物质附加加速度的经验计算公式。
“反尖端”界面不稳定性数值计算分析
王涛, 汪兵, 林健宇, 柏劲松, 李平, 钟敏, 陶钢
2019, 33(1): 012302-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180575
摘要:
利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟代码(MVFT),在超算平台上对“反尖端”界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了大规模三维数值模拟分析。数值模拟结果清晰地显示了冲击波加载界面后分解产生的冲击波、稀疏波、压缩波及其在SF6气体中的运动和相互作用,以及波多次加载界面的复杂过程,波和界面的每一次作用都会加速湍流混合区的发展和物质混合。“反尖端”界面受冲击波加载后发生反相而形成典型的大尺度壁面气泡和中心轴尖钉结构,该大尺度结构基本确定了湍流混合区的平均几何特征和包络范围而不依赖计算网格。高分辨率的计算网格下,捕捉到了更精细的小尺度湍涡结构和更强的湍流脉动,显示了湍流混合区所具有的复杂结构和特征。
高压技术与新材料合成
有限元法在金刚石合成中的应用进展
王健康, 李尚升, 宋艳玲, 李露, 于昆鹏, 韩飞, 宿太超, 胡美华, 吴玉敏
2019, 33(1): 013101-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180550
摘要:
金刚石以其优异的性能广泛应用于国防工程、机械加工、电子科技等领域,其需求量也日益增大。有限元法适用于复杂几何结构和物理问题的模拟分析,由此开辟了有限元法应用于金刚石合成和相应设备优化的新途径。阐述了有限元方法在六面顶压机及金刚石合成腔体工艺方面的应用进展。首先,考虑静力、应力强度、应力分布和形变等影响因素,对铰链梁和工作缸进行模拟分析,运用有限元法对顶锤的作用、破坏机理及新型顶锤设计进行探讨;其次,总结有限元法在金刚石腔体内的温度场、压力场、电学场等研究中的应用进展;最后,对有限元法在金刚石合成中的应用前景进行展望。
新型切向分块式两面顶超高压模具
王伯龙, 李明哲, 刘志卫, 韩鑫
2019, 33(1): 013102-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180595
摘要:
以提高年轮式超高压模具的压力承载能力为目标,设计一种新型切向剖分式模具结构。切向剖分式结构通过剖分面上的相互摩擦和挤压,不仅能够消除压缸内壁的周向拉应力,而且在内壁上产生较大的周向压应力。这种受压状态对硬质合金材料非常有利,可以显著提高压缸的极限承载能力。数值模拟结果显示,在相同的载荷条件下,分块式压缸受到的等效应力显著小于年轮式压缸。分块式压缸内壁的3个主应力均为压应力,且差值较小,接近于等静压状态,因此能够承受更高的样品腔压力。对比实验结果同样证明切向剖分式超高压模具结构具有更高的极限承载能力。
高压下物质的动态响应
<100> LiF高速冲击变形过程的晶体塑性有限元模拟
刘静楠, 叶常青, 陈开果, 俞宇颖, 沈耀
2019, 33(1): 014101-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180551
摘要:
结合状态方程建立晶体塑性有限元模型,模拟高速冲击加载条件下<100> LiF的动态弹塑性大变形行为,得到应力波剖面特征、动态力学演化规律及其连续介质力学根源。结果表明:毫米级样品经约15 GPa以内的低压冲击,波剖面具有弹塑性双波响应、弹性前驱衰减和应力松弛现象,其决定性因素包括样品厚度、外加压力和材料本构;从连续介质力学角度分析得到,应力松弛本质上是由于黏性塑性流动,导致总应变增速小于塑性应变增速,从而使弹性应变减小、压力降低;提出用压力关于时间的三阶导数大于零作为判断条件,对应力波剖面上双波和单波响应的临界压力进行估测,发现随着样品掺杂浓度的增加,临界压力增大;高速冲击变形的温升效应不可忽略,且温升绝大部分来自弹性体积变形的贡献。
冲击载荷作用下岩体拉-压损伤破坏的边坡抛掷爆破模拟
梁瑞, 周文海, 余建平, 李珍宝, 杜超飞, 王敦繁
2019, 33(1): 014102-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180535
摘要:
为了获得边坡台阶爆破时岩体在冲击载荷作用下破碎和抛掷过程中各物理参量的变化规律,将构建的岩体动态拉-压损伤本构关系嵌入模拟软件进行数值分析。结果表明:振动波三轴合成速率曲线与质点振动位移曲线的变化趋势所对应的时间节点和步长基本吻合,可作为降振减灾的判定指标;岩体最早于0.6 ms左右从坡脚位置产生裂纹,直至12.5 ms左右裂纹裂隙完成扩展,所形成的炮孔粉碎区半径约28 cm;抛掷块状分离现象从炮孔药包的中间部位开始,最大抛掷速度集中于该部位至边坡自由面之间的垂直区域内,边坡自由面抛掷速度小于炮孔周围岩块抛掷速度,导致抛掷过程中形成二次挤压破碎现象;破碎大块主要来源于边坡坡脚、炸药与堵塞物接触面两侧围岩以及台阶顶部自由面处,大块块体直径分布于1.6~2.7 m范围。
A New Approach for the Failure of Metallic Materials
ZHOU Lin, WEN Heming
2019, 33(1): 014103-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180613
摘要:
A new approach is presented herein to predict the failure of metallic materials. A failure criterion that caters for the effects of stress triaxiality and Lode parameter is proposed and it is applicable not only to metals with ēf > ef but also to metals with ēfef , here ēf and ef are the two parameters defined as the true strains at stress triaxiality of η = 1/3 for Lode parameters of ξ = 1 (axisymmetric stress state) and ξ = 0 (plane strain state) respectively. Furthermore, only two laboratory tests such as smooth bar tension test and pure shear test are needed to calibrate the failure criterion. The present failure criterion is proved in good agreement with the test data for various metals under different loading conditions.
基于Lagrangian分析法的梯度泡沫金属 动态力学行为研究
荣誉, 刘志芳, 李世强, 王志华
2019, 33(1): 014104-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180534
摘要:
采用Lagrangian分析法,对梯度泡沫金属在高速冲击下的变形机理和应力响应进行研究。基于3D-Voronoi技术,构建了5种不同密度梯度的泡沫金属细观有限元模型,并进行了高速冲击下的Taylor数值实验,得到不同密度梯度泡沫金属的质点速度分布规律。采用Lagrangian分析法并结合数值实验结果,研究了高速冲击下密度梯度参数对泡沫金属的局部应变分布、应力分布以及冲击波传播与衰减规律的影响。结果表明:负密度梯度泡沫金属比正密度梯度泡沫金属具有更强的抵抗变形能力,且密度梯度参数越小,变形程度越小;负密度梯度泡沫金属的局部压实应力呈线性减小,最大局部压实应力随着密度梯度参数的减小而增大,在冲击端附近可以承受更大的载荷;正密度梯度泡沫金属的局部压实应力分布呈平台状,其最大局部压实应力小于负密度梯度泡沫金属。
球形孔开孔泡沫铝的力学特性及准静态压缩变形机制
王永欢, 徐鹏, 范志强, 王壮壮
2019, 33(1): 014201-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180532
摘要:
对胞孔形态和尺寸较为一致的球形孔泡沫铝开展静-动态压缩实验,利用数字图像相关法研究了泡沫铝在准静态压缩过程中的宏观和介观变形机理。结果表明:球形孔泡沫具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,平台应力及屈服强度增加,吸能效率也有所提高。由于胞元壁厚不均匀和孔壁缺陷的随机分布,泡沫铝在压缩过程中会出现多条局部变形带,单个胞孔表面在孔壁缺陷处也会出现应变集中带。胞元孔的变形模式主要有3种,轴向压缩、剪切、扭转加剪切复合变形,且整体变形带处的孔壁破坏模式以剪切变形为主,孔壁的变形模式又与孔壁自身厚度以及加载方向有关。
纤维金属层合板的抗爆性能及失效机理
张磊, 马小敏, 李如江, 李鑫, 吴桂英
2019, 33(1): 014202-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180567
摘要:
采用爆炸冲击摆锤系统,对玄武岩纤维-铝合金层合板和碳纤维-铝合金层合板进行了爆炸加载实验。实验中通过改变炸药质量获得不同的加载冲量,分析了载荷冲量、结构组合形式以及纤维类型对纤维金属层合板变形/失效模式的影响。实验中观察到分层、基质失效、金属撕裂、塑性大变形等典型的变形失效模式。实验结果表明:随着冲量的增加,纤维金属层合板中铝合金层的塑性变形以及纤维层的损伤区域不断增大;纤维金属层合板相对于单一的金属层合板具有更优异的抗冲击性能。
高压科学应用
近场爆炸冲击波对屏蔽压装TNT的冲击引爆试验和仿真
陈兴旺, 王金相, 唐奎, 陈日明, 周莲, 郝春杰
2019, 33(1): 015101-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180604
摘要:
为研究近场强冲击波对屏蔽装药的冲击引爆效应,通过试验和LS-DYNA3D非线性有限元计算程序对屏蔽压装TNT的冲击引爆进行研究,得到了接触爆炸时压装TNT被引爆的临界屏蔽板厚度和非接触爆炸时屏蔽压装TNT的殉爆距离,分析了非接触爆炸时屏蔽板厚度对殉爆距离的影响,并通过非线性最小二乘法拟合得到屏蔽板厚度与殉爆距离的函数关系。结果表明:数值计算结果与试验结果基本一致;接触爆炸时临界起爆的屏蔽板厚度在20~23 mm之间;屏蔽板采用3 mm厚的45钢时,非接触爆炸作用下压装TNT的殉爆距离在12~15 mm之间;非接触爆炸时殉爆距离随着屏蔽板厚度的增加而减小,当无屏蔽板时,压装TNT的殉爆距离为79 mm,当屏蔽板厚度从1 mm加大到9 mm时,殉爆距离从51 mm减为1.5 mm,被发装药的屏蔽板对冲击波有显著的防护作用。
金属隔层对同轴双元装药爆轰波形及驱动性能的影响
沈飞, 王辉, 罗一鸣
2019, 33(1): 015102-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180541
摘要:
根据同轴双元组合装药的实际应用工况,制备了两种组分及尺寸均相同的装药试样,其中一种试样的内、外层装药间设有薄壁铝隔层。采用脉冲X射线摄影法观测了铝隔层在装药爆轰过程中的膨胀轨迹,并通过高速扫描法及圆筒试验分别对比了两种装药爆轰波形及驱动性能的差异。结果表明:由于铝的冲击阻抗与炸药爆轰阻抗较为接近,因此冲击波穿越铝隔层时未产生较强的反射效应,从而未明显改变组合装药的爆轰波形;而在爆轰产物的膨胀过程中,当其相对比容小于3.0时,铝隔层可将内、外层装药的爆轰产物有效隔离,但并未降低整体装药的驱动性能,两种试样的圆筒比动能之比逐步趋近于有效装药的质量比。
立方体弹高速侵彻防护液舱剩余特性的数值模拟
张元豪, 程忠庆, 侯海量, 朱锡
2019, 33(1): 015103-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180576
摘要:
针对高速破片侵彻液舱后的剩余特性问题,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展了数值模拟研究,对比分析破片侵彻垂直和倾斜液舱后速度的衰减规律以及侵彻深度的变化规律,探讨了舰艇中液舱的较优斜置角度。结果表明:液舱壁面倾斜角的存在有利于降低破片入水的瞬时速度;破片入水瞬时速度越大,在水中运动时速度衰减越快;在冲击及空泡阶段,破片侵彻深度迅速增加,且破片入水瞬时速度越大,侵彻深度增加越明显,该阶段侵彻深度仅相当于破片最终静止时侵深的10%左右。根据弹体速度衰减速率及侵彻深度的增加速率,认为倾斜60°的液舱能够达到较好的防护效果。
串联战斗部不同介质组合的隔爆能力
刘宏杰, 王伟力, 苗润, 吴世永, 王俊华
2019, 33(1): 015104-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180585
摘要:
为了有效提升串联切割战斗部隔爆结构衰减爆炸冲击波的性能,解决前级聚能装药结构与后级随进弹的匹配及隔爆问题,在前级切割器和后级随进弹之间加装隔爆结构,使用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立模型,进行不同组合结构隔爆性能的数值模拟,比较隔爆能力。模拟结果表明:前级装药起爆后,爆炸冲击波首先向后级随进弹头靠里区域汇聚,而不是向弹头尖端区域汇聚,因此可以适当减薄外层金属隔爆介质头部尖端区域;将外层金属由硬质钢改成铝时,后端壳体应力峰值的变化很小,故确定外层金属介质为铝;铝-聚脲的隔爆能力优于铝-泡沫铝结构,最终确定“软”隔爆介质为聚脲。通过调整铝和聚脲层的厚度,确定了最佳隔爆参数,能够满足实际应用。
破片模拟弹侵彻船用钢靶板的计算模型
高照, 侯海量, 李永清
2019, 33(1): 015105-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180614
摘要:
为研究破片模拟弹侵彻钢板的过程,将模拟弹冲击钢装甲的侵彻过程分为初始接触、弹体侵入、剪切冲塞和穿甲破坏4个阶段进行理论分析。当靶板剩余厚度的剪切冲塞抗力小于延性扩孔抗力时,靶板的破坏模式完全转变为剪切冲塞;剪切塞块速度与剩余弹体速度相同时,推导出破片模拟弹侵彻钢靶板的能量转化及剩余速度公式,与实验及有限元分析结果吻合较好。研究结果对于破片侵彻钢靶板威力设计具有一定实用价值。
超高压结合竹醋液处理对冷藏鲈鱼片品质和蛋白特性的影响
蓝蔚青, 陈梦玲, 孙晓红, 赵宏强, 谢晶
2019, 33(1): 015301-1. doi: 10.11858/gywlxb.20180609
摘要:
为分析超高压结合竹醋液处理对冷藏鲈鱼片品质变化与蛋白特性的影响,将鲈鱼片分别用0%、1%、2%和3%竹醋液浸渍后,进行250 MPa、9 min超高压处理,随后置于4 ℃贮藏。分别在第0、4、8、12、14、16、18 d对各组样品进行理化指标(色差、pH值、电导率、TVB-N值)、感官及蛋白质特性(肌动球蛋白含量、总巯基含量、TCA可溶性寡肽溶出量)分析,综合评价不同处理方式对冷藏鲈鱼片品质与蛋白特性的影响。分析结果表明:超高压结合3%竹醋液处理后,鲈鱼片的TVB-N值在贮藏末期(18 d)达(31.88±1.33) mgN/100 g,明显低于超高压冷藏对照组样品(44.77±1.89) mgN/100 g;此外,该处理方式还能延缓样品pH值变化和电导率的升高;蛋白特性指标显示该处理同时显著减缓了样品中蛋白质的降解变性,并维持其良好特性。因此,超高压结合竹醋液处理能够明显改善鲈鱼片的综合品质并维持其蛋白特性,其中超高压结合3%竹醋液处理的效果最优,能使冷藏鲈鱼片的货架期至少延长4 d。