当期目录

封面
2021-06期封面
2021, 35(6): 0-0.
摘要:
目录
2021-06期目录
2021, 35(6): 1-2.
摘要:
特别约稿与研究综述
Fe高压熔化线的实验研究进展
甘波, 李俊, 蒋刚, 张友君
2021, 35(6): 060101. doi: 10.11858/gywlxb.20210859
摘要:
铁是典型的d电子过渡金属之一,其在高压下的熔化行为对于揭示地核的成分、热结构和热演化至关重要。在实验室中创造极端高温高压条件以及诊断和测量凝聚介质的熔化行为和熔化温度比较困难,导致长期以来不同实验之间以及实验与理论之间获得的铁的高压熔化线存在较大争议。近年来,随着高压实验技术的发展,对铁高压熔化线的认识逐渐趋于一致。本文介绍了用于研究铁在高压下熔化行为和熔化温度的动、静高压实验技术,总结了高压下诊断铁和过渡金属熔化的方法及其优缺点,并分析了不同实验之间产生差异的原因。基于目前关于铁高压熔化温度的实验和理论研究结果,铁在内外核边界压力(约330 GPa)下的熔化温度可限定为5900~6300 K。系统总结铁在高压下的熔化行为对于进一步认识熔化的物理机制、研究其他过渡金属的高压熔化行为等具有重要的指导和借鉴意义。
动态压力加载/卸载装置dDAC及原位表征技术研究进展
苏磊, 杨国强
2021, 35(6): 060102. doi: 10.11858/gywlxb.20210505
摘要:
动态压力加载/卸载装置dDAC(Dynamic diamond anvil cell)是近年来备受高压界关注的研究装置之一,可以用来开展亚稳态材料制备、相变动力学、超高压化学等方面研究,在材料学、凝聚态物理学、化学、地学等领域具有重要的应用前景。综述了近年来国内外动态压力加载/卸载装置及原位表征技术的研究进展,详细介绍了一套新型与原位时间分辨光谱测试系统及原位加热/冷却系统相结合的、具有较大加载/卸载速度和较宽压力范围的动态压力加载/卸载装置。该动态压力加载/卸载装置及原位光谱表征系统的建立,将成为新的高压实验研究平台,从而促进高压极端条件下材料新结构和新性能等方面的研究。
高压物性与结构
压力和碳含量调控BCxO化合物物理性质的机理研究
刘超, 应盼
2021, 35(6): 061101. doi: 10.11858/gywlxb.20210792
摘要:
结合粒子群优化算法生成的候选结构和第一性原理的稳定性分析,预测出新型B-C-O化合物B4C6O4。B4C6O4具有带隙宽度约2.25 eV的直接带隙半导体属性。研究同属BCxO系列,且结构具有相似性的B4C6O4、B2CO2和B4CO4,发现C含量的降低会导致体系带隙增大,三者的分子式体积随C含量的降低而降低,且100 GPa的高压对三者体积均形成高达20%的压缩。高压导致B2CO2和B4C6O4的带隙持续降低,而B4CO4的带隙先升后降。应力-应变模拟结果表明,3种BCxO(x = 3/2, 1/2, 1/4)化合物均具有较高的极限拉伸应力,同时应力引起的应变会影响3种BCxO化合物的带隙。力学性能研究表明,3种BCxO化合物均具有高弹性模量和高硬度等特点。常压下BCxO的最高声子振动频率均高于30 THz,且由高到低分别为B4CO4、B2CO2、B4C6O4,压力作用使该体系结构的键能持续增强。
δ-(Al,Fe)OOH的高压相变
王宝云, 肖万生, 宋茂双
2021, 35(6): 061201. doi: 10.11858/gywlxb.20210765
摘要:
δ-(Al,Fe)OOH被认为是将水输运到地球核幔边界的可能载体,厘清其在高压下的结构相变与物理性质对于理解深部水循环具有重要意义。利用金刚石压腔和同步辐射X射线衍射,研究了δ-Fe0.08Al0.92OOH(δ-Fe8)的压缩行为。压力-晶胞体积(p-V)曲线表明:δ-Fe8在0~78 GPa经历了氢原子的有序–无序转变和铁的自旋转变。其中氢原子有序–无序转变发生在约9.7 GPa,p-V曲线在相变点出现轻微转折,且轴比a/cb/c对压力的斜率在相变前后发生反转,空间群由P21nm变为Pnnm。铁自旋转变发生在31.5~39.5 GPa,伴随着约2%的晶胞体积塌缩,属于等结构相变。采用Birch-Murnaghan状态方程分段拟合了p-V曲线,得到了各个结构的状态方程参数。用铁高自旋态和低自旋态理想固溶体模型分析了自旋转变区域的p-V数据,拟合得到低自旋分数随压力变化的关系式。计算结果表明,体弹模量和体波速在自旋转变区域会出现软化行为,说明地球内部富集一定数量的δ-Fe8可能造成中下地幔局部体波低速异常。结合前人研究,给出了δ-(Al,Fe)OOH体系的相变压力与铁含量的线性关系式。
高压技术
初始条件对氢氧爆轰气体炮内弹道性能的影响规律
胡天翔, 张庆明, 薛一江, 龙仁荣, 任思远
2021, 35(6): 063301. doi: 10.11858/gywlxb.20210779
摘要:
为分析不同初始条件对氢氧爆轰气体炮内弹道性能的影响,基于计算流体力学方法,利用FLUENT软件建立了氢氧爆轰气体炮二维数值计算模型,同时基于40 mm口径气体炮开展发射实验,对计算模型的有效性进行了验证。通过数值模拟,得到了初始压力、氮气含量和反应气体配比对氢氧爆轰气体炮内弹道性能的影响规律。结果表明:提升气室初始压力和氮气含量均可以有效地提高弹丸发射速度,同时氮气能够降低气室平均温度,提升反应气体的能量利用率;存在反应气体的优化配比,在保持初始压力不变的条件下,通过注入适量的氮气能够在提高能量利用率的同时得到较高的发射速度。
高压下物质的动态响应
动态预压缩对CoCrFeNiMn高熵合金微尺度压入硬度的影响
许海涛, 邱吉, 肖革胜, 姚永永, 树学峰
2021, 35(6): 064101. doi: 10.11858/gywlxb.20210773
摘要:
高熵合金具有优异的力学性能,如高硬度、高强度、优良的耐磨能力,以及优异的磁性能、高电阻率、高温力学和抗氧化性能等,因此具有非常广阔的应用前景。在高熵合金的应用中会出现合金内部预存塑性应变的情况,然而人们对高熵合金塑性变形后的力学性能研究较少,如微尺度压缩下的硬度等。在微压入测试中,由于存在尺度效应,需要采用相应的微压入测试理论来剔除尺度效应的影响。为此,采用分离式霍普金森压杆对CoCrFeNiMn高熵合金进行室温和高温(600、800、1000 ℃)动态预压缩,使合金具有不同的预压缩塑性应变,采用描述尺度效应的Nix-Gao微尺度压入理论模型,对不同塑性变形的动态预压缩样品在微尺度下的硬度进行表征。结果表明:在宏观预压缩下,不同的塑性变形对合金的微尺度压入硬度具有显著的影响,与轴向压缩相比,径向压缩下剔除尺度效应的硬度更大。该研究方法建立了宏观塑性变形与微尺度压入硬度之间的联系,也为实现通过微尺度压入测试判定材料内部塑性变形提供了新思路。
爆炸载荷下中空钢化夹层玻璃的动态响应
牛欢欢, 张英杰, 李志强
2021, 35(6): 064102. doi: 10.11858/gywlxb.20210764
摘要:
采用自行设计的爆炸实验系统,研究了面内尺寸为300 mm × 300 mm和1 000 mm × 1 000 mm的中空钢化夹层玻璃在爆炸载荷下的动态响应规律,分析了PVB胶层厚度、空气层厚度、炸药量以及爆炸距离对中空钢化夹层玻璃抗爆性能的影响。结果表明:(1) 中空钢化夹层玻璃的抗爆性能随着面内尺寸的增加而增强;(2) 无论是大尺寸还是小尺寸的中空钢化夹层玻璃,随着PVB胶层厚度的增加,结构整体的强度增大,试样的承载能力逐渐增强,随着中间空气层厚度的增加,结构整体的稳定性降低,抗爆能力减弱;(3) 改变炸药量和爆炸距离对中空钢化夹层玻璃的动态响应有很大影响,随着炸药量增加、爆炸距离减小,中空钢化夹层玻璃的破坏程度逐渐增大。
大尺度锤头冲击下固支方板的动响应分析
甘霖, 伍星星, 王海坤, 刘建湖, 赵延杰
2021, 35(6): 064103. doi: 10.11858/gywlxb.20210733
摘要:
为探究大尺度锤头冲击下固支方板的动响应行为,结合落锤工装设计了大尺度冲击锤头,通过对固支方板开展不同冲击强度下的撞击试验,获取了固支方板在大尺度锤头撞击下的典型破坏模式。同时依据试验结果及冲击动力学理论,建立了大尺度锤头冲击下固支方板变形评估方法,并结合数值模拟建立了大尺度锤头冲击下方板边界撕裂判据。研究结果表明:大尺度锤头冲击下固支方板主要依靠边界塑性铰、面板内塑性铰耗能,固支方板的撕裂从边界位置开始。基于塑性铰耗能机制建立了方板塑性变形理论评估方法,理论计算结果与试验结果吻合较好。固支方板撕裂过程中,边界起始撕裂处应力三轴度基本在0.6左右,本试验中建立的临界失效判据Bh值可取1.6倍板厚。所建立的评估方法及失效判据进一步完善了落锤冲击下固支方板的动响应行为研究。
固溶温度对TB6钛合金动态力学性能和微观组织的影响
张昭, 郭保桥, 冉春, 陈稳, 陈鹏万
2021, 35(6): 064104. doi: 10.11858/gywlxb.20210762
摘要:
研究了固溶温度对近β相TB6钛合金动态力学性能和微观组织的影响。以分离式霍普金森压杆为加载手段,对固溶处理前后的TB6钛合金进行了动态压缩试验。结果表明:固溶处理前后TB6钛合金都具有应变率强化效应,压缩破坏形式为典型的剪切破坏;TB6钛合金由应变硬化效应转变为应变软化效应的固溶温度为700~750 ℃。光学显微镜观测、X射线衍射和扫描电镜表征结果表明:700 ℃固溶处理后,TB6钛合金中的初生α相部分溶解,强度下降;750 ℃及以上固溶处理后,初生α相全部转化为β相,β晶粒长大,强度提升,但塑性显著降低。
静、动态压缩下环氧树脂玻璃钢的力学行为和特性
张羲黄, 李金柱, 武海军, 黄风雷
2021, 35(6): 064105. doi: 10.11858/gywlxb.20210734
摘要:
为研究环氧树脂玻璃钢在静、动态载荷作用下的力学性能,采用材料测试系统(MTS)和分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)对材料进行面内和面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变曲线及相关力学参数。通过扫描电子显微镜(SEM)观察材料的微观破坏形貌,分析了材料的失效机理。静、动态压缩实验结果表明:环氧树脂玻璃钢具有明显的应变率敏感性以及各向异性;分层损伤是材料受面内加载发生破坏的原因,两个加载方向下材料均会产生层间贯穿的剪切裂纹。断口微观观测分析显示:动态载荷作用下,被拔出的纤维表面附着大量树脂基体,表明纤维-基体界面的作用力增强可能是导致环氧树脂玻璃钢动、静态力学响应差异的原因之一。针对材料的动态力学响应特性,建立了考虑应变率效应的非线性动态损伤模型。通过对比实验数据与拟合结果发现,该模型可以较好地描述环氧树脂玻璃钢在高应变率下的力学行为和特性。
不同W含量Al/W活性材料的冲击压缩特性
宋超慧, 任会兰, 李尉, 郝莉
2021, 35(6): 064106. doi: 10.11858/gywlxb.20210738
摘要:
采用模压烧结工艺制备不同W含量的Al/W活性材料,基于分离式霍普金森压杆(SHPB)技术,采用紫铜片和橡胶片进行波形整形,研究不同配比Al/W材料的动态压缩和破坏特性。实验结果表明:随着W含量增多,Al/W材料内部的孔洞、微裂纹逐渐增多;W含量不同,Al/W材料的动态压缩变形和破坏特性呈现明显的差异;W的质量分数为44%和64%时,不同应变率下Al/W的应力-应变曲线呈现出弹性-塑性强化的变形特点,破坏应变随应变率增加而增大; W的质量分数为83%的Al/W材料则表现为塑性阶段的应变软化特点;当W的质量分数达到91%时,Al/W材料达到破坏强度后便迅速失效,破坏应变保持在0.03左右。W含量增加时,Al/W变形模式的转化是增强相W和材料内缺陷相互竞争的结果。
横向爆炸载荷下泡沫铝填充管的动态响应
张春云, 刘志芳
2021, 35(6): 064201. doi: 10.11858/gywlxb.20210752
摘要:
采用数值模拟与理论分析相结合的方法,研究横向爆炸载荷下泡沫铝填充管的动态响应。利用有限元软件ABAQUS/EXPLICIT对横向爆炸载荷下泡沫铝填充管的塑性变形进行了数值模拟研究,分析了泡沫铝的相对密度、外管的直径与壁厚等因素对结构动态响应的影响。基于理想刚塑性地基梁模型,结合模态分析法,建立了预测横向爆炸载荷下泡沫铝填充管跨中挠度的理论分析模型,并进行了无量纲分析,给出了跨中无量纲挠度随无量纲冲量的变化规律。泡沫铝填充管跨中挠度的理论预测与数值模拟结果的误差在20%以内,表明所建立的理论分析模型合理可行。泡沫铝相对密度对横向爆炸载荷下填充管的跨中挠度有较大的影响,随着泡沫铝相对密度的增大,填充管跨中挠度减小。随着外管直径与壁厚的增大,跨中挠度减小。理论分析中,假设的两种模态函数对填充管跨中挠度的影响较小。
节理几何参数对岩体力学特征的影响
王正堂, 张祺, 王晨龙, 赵婷婷, 王志勇
2021, 35(6): 064202. doi: 10.11858/gywlxb.20210753
摘要:
岩体作为由完整岩块和节理组成的离散介质,其力学行为主要取决于节理的几何和力学特征,探明节理对岩体力学行为的影响具有重要的学术价值和工程意义。利用PFC2D软件,建立了人工合成岩体模型(SRM),研究了单轴压缩条件下节理几何参数对岩体力学强度指标和破坏模式等岩体力学特征的影响。通过正交实验分析,探讨了各节理几何参数对岩体强度指标的显著性影响。结果表明:当节理倾角为10°~50°时,节理长度、节理倾角、节理间距以及岩桥长度对岩体单轴压缩强度和弹性模量具有显著影响;当节理倾角为50°~90°时,岩桥长度对岩体单轴压缩强度和弹性模量的影响不明显;节理阶梯角在整个节理倾角范围内对岩体的单轴压缩强度和弹性模量没有显著影响。岩体破坏模式主要受节理倾角和节理阶梯角影响。研究结果可为岩体工程稳定性分析及支护方案设计提供借鉴。
Dynamic Response of Matter
Borehole Blasting-Induced Fractures in Rocks
GUO Xiaojun, WEN Heming
2021, 35(6): 064203. doi: 10.11858/gywlxb.20210763
摘要:
Dynamic fracture behavior of rocks under blasting loading are a major concern in civil engineering, mining, oil and gas industries. This study presented herein is on the borehole blasting-induced fractures in rocks. The paper consists of two parts: the first part gives a brief description of a constitutive model for rocks subjected to dynamic loading, which is mainly based on a recently developed model for concrete; the second part deals with numerical simulations of borehole blasting-induced fractures in rocks. The values of various parameters in the constitutive model for granite are first estimated and then employed in the numerical simulations. It is demonstrated that the numerical results in terms of peak pressures and crack patterns predicted from the present model are in good agreement with the experimental observations made both in cylindrical granite sample reported in the literature and in square granite specimens conducted in our own laboratory. Moreover, the analysis shows that the experimentally observed crack patterns are mainly caused by tensile stress, while the smaller cracks around borehole are created largely by compression/shear stress.
高压科学应用
不同类型装药侵彻安全性数值模拟
白晨, 杨昆, 吴艳青, 高洪泉, 薛海蛟
2021, 35(6): 065101. doi: 10.11858/gywlxb.20210754
摘要:
为研究侵彻过程典型装药的力学响应和损伤点火过程,采用高聚物黏结炸药微裂纹-微孔洞力热化学耦合细观模型,对侵彻过程中PBX装药的力学响应、应力波传播情况和损伤-温升机理进行了研究,标定了两类炸药的本构模型参数,对比分析了压装PBX04和浇注GOFL-5两类装药的力学-损伤-温升响应的差异性。结果表明:GOFL-5炸药的屈服强度、硬化模量、初始微裂纹密度和微裂纹尺寸均小于PBX04炸药;加载初期,压装药头部微裂纹损伤高于浇注药;整个侵彻过程中,两类炸药的微裂纹损伤较严重区域均为装药头部和尾部;剪切裂纹热点为压装药主导的温升机制,且浇注药GOFL-5在侵彻过程中的温升较压装药PBX04更低。
水下爆炸船体梁总体响应特性数值模拟
刘丽滨, 李海涛, 刁爱民, 张海鹏, 杨理华
2021, 35(6): 065102. doi: 10.11858/gywlxb.20210735
摘要:
为研究水下非接触爆炸作用下船体梁的总体损伤特性,建立了炸药在船体梁中部正下方爆炸模型,应用船体梁总体响应数值计算方法,并结合缩比船体梁模型,试验验证了该方法的有效性,从损伤模式、频率响应等方面研究了船体梁的总体响应特性。结果表明:该数值方法较好地模拟了第一次气泡脉动阶段内梁的响应周期和幅值;在气泡脉动频率接近船体梁一阶湿频率时,随着爆径比减小,船体梁的总体响应模式由鞭状运动逐渐向中垂损伤转变。
头部带肋板的异形结构弹体斜贯穿混凝土薄靶实验和数值模拟
张健东, 武海军, 李伟, 李金柱, 皮爱国
2021, 35(6): 065103. doi: 10.11858/gywlxb.20210723
摘要:
为了探究一种新型头部带肋板的异形结构弹体斜贯穿混凝土靶的能力和弹道稳定性,利用一级轻气炮,开展了250~350 m/s速度范围内,以0°、15°和30°倾角贯穿300 mm厚混凝土靶的实验,并对同质量、同质心位置的尖卵形头部弹体和头部带肋板异形弹进行了不同速度和倾角下贯穿混凝土靶的模拟计算,模拟结果与实验结果吻合较好。实验和数值模拟结果表明:斜侵彻会降低弹体的贯穿能力,同时影响弹体姿态;在实验工况下,靶板贯穿只有开坑区和冲塞区,开坑区会增大弹体姿态角,而冲塞区会减小弹体姿态角;与尖卵形弹相比,虽然该异形弹头部凸台结构增加了弹靶作用面积导致侵彻能力下降,但是头部的肋板结构使得弹体侵入靶体时受到的偏转力矩更小,弹体有更为优异的抗偏转效果和弹道稳定性。
RDX塑性炸药的爆电耦合效应
刘鹏, 简昊天, 张秋, 朱朋, 沈瑞琪
2021, 35(6): 065201. doi: 10.11858/gywlxb.20210744
摘要:
为了寻求一种新的提高炸药输出性能的途径,对外界电能与炸药自身爆炸能量耦合进行了研究,设计、组建了爆电耦合试验装置,选取平板RDX塑性炸药为研究对象,以爆速仪测量的爆速和光子多普勒测速技术测量的爆压作为爆电耦合增益的主要表征参量,研究爆电耦合对炸药输出性能的影响。通过分析炸药爆电耦合过程中的电学性能,定性地分析了爆电耦合效应的反应历程,并提出了RDX塑性炸药爆电耦合效应的可能作用机理。研究结果表明:爆电耦合效应可以有效地将电能沉积到炸药爆炸的反应区中,在保证其余条件相同的前提下,爆电耦合效应对RDX塑性炸药的爆速、von Neumann峰值压力和Chapman-Jouguet压力均有一定的提升。通过对爆电耦合的理论和试验研究,提出了一种增强炸药输出性能的方式,对炸药性能提升研究具有一定的理论价值和指导意义。
丝瓜络对甲烷/空气预混气体的阻火抑爆性能
贺云龙, 张玉铎, 袁必和, 陈先锋, 陈文涛, 杨满江, 王馨, 陈公轻
2021, 35(6): 065202. doi: 10.11858/gywlxb.20210778
摘要:
基于多孔材料阻火隔爆机理,采用管道爆炸系统、压力传感器、高速摄影仪等设备,研究了天然硬质丝瓜络在不同填充位置(距点火端1.9、4.4 m)及不同填充长度(5、8和10 cm)条件下,对甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气体爆炸压力与火焰传播的抑制效果。试验结果表明:丝瓜络在不同工况下均对爆炸压力和火焰传播产生抑制作用,同时又具有障碍物加压效果。具体表现为:丝瓜络填充于距点火端1.9 m时,对爆炸压力与火焰传播速率的抑制效果优于其填充于距点火端4.4 m时;当填充位置一定时,材料的填充长度显著影响爆炸压力与火焰传播速率;当材料填充在距起爆点1.9 m时,3种长度的丝瓜络均完全阻断了火焰传播,尤以填充长度为10 cm时的抑爆效果最佳,相比于未填充工况,其最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率分别降低了73.90%和71.72%。
靶机气囊缓冲着陆过程中的冲击特性
段文琪, 蒲克强, 方雄, 党万腾, 龙舒畅, 姚小虎
2021, 35(6): 065301. doi: 10.11858/gywlxb.20210712
摘要:
针对缓冲着陆过程中靶机气囊的瞬态动力学响应问题,采用显式动力计算方法和均压气囊模型分析靶机气囊缓冲着陆阶段机身、机翼在冲击作用下的动力学响应,得到靶机回收过程中的姿态与强度特性和气囊变化参数。探讨了气囊缓冲参数(排气口面积、气囊初始内压及排气阈值)和靶机状态等参数对靶机着陆过程中机身的影响。结果表明:标准工况下,经过气囊缓冲后的靶机姿态、强度符合安全着陆要求。通过分析着陆过程中的相关参数发现,气囊排气口面积对缓冲效果影响较大,气囊排气压力阈值和初始内压影响较小,同一气囊对靶机不同着陆初始速度的适应性高,带有俯仰角的靶机后着陆后机身部分区域的局部应力偏大。该方法可以广泛用于飞机气囊缓冲的动力学计算,结合气囊落震试验以获取相应的气囊参数和机身结构响应数据,为靶机设计提供依据。