当期目录

2022年 第36卷  第5期

封面
2022-05封面封底
2022, 36(5)
摘要:
2022 年 5 期目录
2022, 36(5): 1-2.
摘要:
高压物性与结构
7大晶系的力学稳定性判据及其应用:以SiO2为例
高娟, 刘其军, 蒋城露, 樊代和, 张淼, 刘福生, 唐斌
2022, 36(5): 051101. doi: 10.11858/gywlxb.20220575
摘要:

根据二次型的正定性,在Mouhat和Coudert推导的力学稳定性判据的基础上补充了单斜和三斜晶系的力学稳定性判据,给出了7大晶系的力学稳定性判据。基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了属于不同晶系的9种SiO2在0 GPa下的弹性常数。结合力学稳定性判据,对立方P213、六角P63/mmc、三角P3121和$R{\bar {3}}$、四方P41212和$I{\bar 4}$、正交Pbcn、单斜P21/c以及三斜$P\bar 1$晶系的SiO2进行了稳定性判定,结果显示这9种SiO2在0 GPa下都是力学稳定的。

hcp金属的高压拉曼散射光谱研究
刘静仪, 陶雨, 范春梅, 吴彬彬, 雷力
2022, 36(5): 051102. doi: 10.11858/gywlxb.20220522
摘要:

通过高压拉曼光谱可以从微观角度研究高压下材料的晶格动力学行为。然而,受金刚石荧光与金属样品强反射的影响,高压下金属样品的拉曼光谱信号较难获得。为此,发展了一种简易的金刚石对顶砧倾角散射高压拉曼光谱技术,可实现六角密排结构(hcp)金属样品的高压拉曼光谱信号测量。以hcp金属Be为例,通过测量最高压力达73 GPa时的剪切拉曼模E2g,获得了其弹性常数C44随压力的变化关系。所提出的金刚石对顶砧倾角散射高压拉曼光谱技术为研究金属材料的成键状态、电子结构、声子-电子耦合效应提供一种新手段。

变速增压法制备的聚丙烯晶体结构与热性能
徐明锟, 林嘉翔, 张效琳, 李贞印, 邵春光
2022, 36(5): 051103. doi: 10.11858/gywlxb.20220570
摘要:

在聚合物的高压成型过程中,压力、增压速率以及聚合物的分子量都会影响制品的最终结晶结构,研究不同高压处理方法与等规聚丙烯(isotactic polypropylene,iPP)结晶结构之间的关系,有利于深入认识高压成型工艺对聚合物结晶行为的影响。利用广角X射线衍射技术和差示扫描量热法,研究了两种不同分子量的iPP在不同增压速率、不同压力下的结晶行为及制品的热性能。结果表明:压力是决定中间相iPP形成的关键因素,只要压力足够高,就能够制备出完全的中间相iPP;在足够高的压力下,增压速率越高,越有利于中间相iPP的形成,相反更容易形成γ相iPP;分子量越高,制备中间相iPP需要的压力越高,需要的临界增压速率越大。制品的热性能分析表明,不同条件下得到的中间相制品在热性能上基本没有区别,但γ相iPP的晶体完善性与增压条件有关。

锗在高压下的往复相变行为
袁琴, 李帅锜, 周礼, 贺端威
2022, 36(5): 051104. doi: 10.11858/gywlxb.20220578
摘要:

利用基于六面顶压机的二级6-8型高压装置和金刚石对顶砧技术,结合北京同步辐射光源高压原位X射线衍射技术,对锗在高压下的相演化行为以及晶粒尺寸变化规律进行了系统的研究,发现往复压致相变对锗的晶粒细化有明显效果,同时在经历往复压致相变5次的块体样品中发现了非晶区域,为纳米结构和非晶材料制备提供了一种新的思路。

高压理论与计算
摩擦界面波动效应的数值模拟
刘永贵, 惠蒙蒙, 沈玲燕
2022, 36(5): 052301. doi: 10.11858/gywlxb.20220513
摘要:

界面摩擦是一种普遍的自然现象。基于摩擦的界面微接触断裂机制,采用线弹性本构关系和D-P破坏准则,建立了包含三角形微凸起的二维界面摩擦模型,采用有限元分析对入射波和摩擦界面的相互作用进行数值模拟。结果表明:在主动加载的微过程中,界面存在显著的应力波动及精细结构特征,波阵面在界面近区域内的演化具有对称扩散性,应力扰动作用于界面微凸起可诱发其断裂,从而以断裂面为中心形成纵波、横波和界面波结构。一个有趣的现象是,在加载的瞬间,界面几乎同步产生了微应力扰动,以纵波形式向基体内传播,更多比较算例和分析证实该扰动产生的物理机制同作用在界面的整体重力微调整有关。该工作揭示了摩擦早期的界面波动效应及其微断裂机制,有望为地震预测提供新的有效途径,从而实现将地震预测时间提前。

高压下物质的动态响应
弹簧质量系统在动量球撞击下的响应特性
莫晓磊, 林玉亮, 李钰钢
2022, 36(5): 054101. doi: 10.11858/gywlxb.20220566
摘要:

冲量是爆炸空气冲击波的重要威力参数,基于动量块的测试方法是获取冲量的途径之一。通过开展弹簧-质量块系统在动量球撞击下的响应特性研究,尝试将动量球的动量转换为弹簧的定量压缩位移。研究过程中,选定一种弹簧-质量块组合,通过开展聚甲醛、聚四氟乙烯、铝、钢4种不同动量球撞击试验,获得了弹簧-质量块压缩响应特性和动量转化效率。结果表明,在所试验的测试范围内,弹簧的最大压缩位移与动量球的加载速度线性相关,聚四氟乙烯动量球与弹簧-质量块系统耦合最稳定,适合作为冲击波冲量测试的转换载体。该系统可以为冲击波测量提供一种新方法。

时效温度对TB8钛合金动态力学性能的影响
陈稳, 郭保桥, 郭岩松, 栾可迪, 冉春, 陈鹏万
2022, 36(5): 054102. doi: 10.11858/gywlxb.20220528
摘要:

TB8(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)是一种亚稳态β型钛合金,在航空航天领域发挥着重要的作用。微观组织结构、应变和应变率是影响材料力学性能的3大重要因素,基于万能材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)测试手段,研究了固溶和时效热处理工艺对TB8钛合金力学性能的影响,并通过光学显微镜和扫描电子显微镜表征材料变形前后的微观组织结构及其断面形貌。结果表明:经过固溶+时效处理后,合金内部析出短条状α相,且时效温度越高,次生相尺寸越大,数量越少;在不同应变率加载条件下,热处理前后的TB8钛合金均表现出明显的应变率强化效应,动态加载条件下应变强化作用不明显;时效温度升高时,高应变率下合金屈服强度降低,塑性升高;动态加载条件下试样的破坏形式为典型的剪切破坏;绝热剪切带是裂纹形成和试样破坏的前兆。

TC4钛合金空心结构风扇叶片的鸟撞动力学响应及损伤失效
张永强, 贾林
2022, 36(5): 054103. doi: 10.11858/gywlxb.20220546
摘要:

航空发动机是鸟撞事件中的高概率、高危部件,对风扇叶片相关抗鸟撞问题的研究具有重要意义。采用三维数字图像相关(3D-DIC)法开展了TC4钛合金空心结构风扇叶片在不同高度下的静置鸟撞试验。此外,基于Johnson-Cook动态本构模型与损伤失效理论建立了相关计算模型,较好地描述并验证了航空发动机风扇叶片在鸟撞过程中的动态变形响应过程与失效情况。结果表明:鸟撞速度的变化主要影响叶片变形的量级,而不会引起叶片特征模态的改变;在鸟撞过程中,叶根是应力/应变局域化显著区域,更容易发生损伤失效;随着鸟撞位置的提高,空心结构风扇叶片在叶根处失效断裂对应的临界鸟撞速度逐渐提高,整体结构抗鸟撞性能越好。试验结果及相应的数值模拟为TC4钛合金空心结构风扇叶片的抗鸟撞设计提供了一定的参考。

冲击载荷下周期性多孔夹芯结构拓扑优化及动力响应
廖芳, 李世强, 吴桂英
2022, 36(5): 054201. doi: 10.11858/gywlxb.20220560
摘要:

在等效静力方法框架下基于双向渐进结构优化硬杀法构建了冲击载荷下周期性多孔夹芯结构的拓扑优化方法。采用ABAQUS有限元软件,研究了周期性优化夹芯结构与梯形波纹芯层、矩形波纹芯层和随机Voronoi芯层夹芯梁在刚体以100 m/s的速度撞击下的变形失效模式。在载荷作用前期,优化夹芯结构的上半部分芯层被完全压缩,能量吸收优于其他3种结构;在载荷作用后期,由于优化夹芯结构的最终塑性变形较小,在整个响应过程中总能量吸收略小于其他3种结构。为检验单一载荷工况下优化夹芯结构在其他载荷作用下的性能,采用不同速度的刚体以3种不同类型的脉冲载荷加载,比较了4种夹芯结构的能量吸收性能。综合考虑夹芯结构上下面板的跨中挠度、比吸能、芯层吸能占比和平均冲击力后发现:在刚体冲击下,优化夹芯结构具有更好的能量吸收性能和抗冲击性能;在矩形脉冲下,优化夹芯结构的比吸能小于矩形波纹芯夹芯结构,未能体现结构优化的优势。研究表明,单一工况下优化所得的结构不能在任意载荷下均表现出最优异的性能,因此,针对不同的载荷工况,需要进一步的研究。

空爆载荷作用下固支弹塑性圆板的动力学模型
吴迪, 米国, 郭香华, 张庆明
2022, 36(5): 054202. doi: 10.11858/gywlxb.20220525
摘要:

基于等效单自由度模型理论,考虑变形过程中弯矩和膜力的联合承载,建立了空中近爆作用下固支弹塑性圆板的动力学模型,实现了圆板加载和卸载的全过程描述。基于文献中的试验工况建立有限元模型,利用有限元数值模拟对空爆作用下固支圆板的动态响应进行分析,并将动力学模型计算结果与试验结果及有限元数值模拟结果进行对比,验证了动力学模型计算结果的准确性。结果表明,理论计算结果与试验结果及数值模拟结果吻合较好,建立的动力学模型可以应用于固支圆板在空中近爆载荷作用下的大变形预测,为结构抗爆提供技术支持。

冲击载荷下平板玻璃裂纹扩展和破坏形态的数值模拟
王木飞, 李志强
2022, 36(5): 054203. doi: 10.11858/gywlxb.20220558
摘要:

裂纹的萌生和扩展是计算力学领域长期存在的难点和热点,也是玻璃、岩石、混凝土等脆性材料中常见的工程实际问题。为了探究冲击载荷下平板钠钙玻璃的损伤破坏行为和细观裂纹扩展规律,分别采用单元删除法、不连续伽辽金近场动力学法(discontinuous Galerkin peridynamic, DG-PD)和无网格粒子近场动力学法(meshless peridynamic, M-PD),研究其裂纹扩展行为。单元删除法采用JH-2材料模型,同时添加最大主应力和最大主应变失效准则;DG-PD法采用节点分离操作,并施加临界能量释放率准则;M-PD法采用自编程序粒子离散方法,选择合适的计算域,并施加临界伸长率准则。模拟结果表明:(1) 单元删除法可大致模拟出玻璃在冲击载荷下的损伤形貌,但在捕捉裂纹分叉和贯通等方面略显不足,未见玻璃碎片的飞溅,无法通过碎片飞溅速度评估其安全性能;(2) DG-PD法中环状裂纹和径向裂纹明显,裂纹具有很高的对称性,冲击点和边框处有大量玻璃碎片飞溅;(3) M-PD法中能捕捉到径向裂纹和环向裂纹,且裂纹的对称性较好,近场域和冲击速度对平板玻璃的动态响应有着重要的影响,就损伤形态而言,M-PD法和DG-PD法具有很高的一致性。

煤岩组合体巴西劈裂动态力学特征数值分析
马泗洲, 刘科伟, 郭腾飞, 黄晓辉, 周占星
2022, 36(5): 054204. doi: 10.11858/gywlxb.20220589
摘要:

为探究冲击荷载条件下煤岩组合工程体的动力学响应特征,通过室内试验测得单一煤、岩的基本力学参数,为煤、岩体HJC模型材料参数的选取提供依据。在材料模型有效性验证的基础上,采用LS-DYNA显式动力学软件研究了不同冲击荷载、冲击方向及加载角度条件下煤岩组合体动态劈裂过程中的应力波传播规律、变形破坏过程及破坏特征。结果表明:(1) 在不同冲击方向作用下,R-C与C-R组合体的应力波波形基本相同,但应力幅值略有差异,对比发现入射波幅值基本相等,但R-C组合体的反射波幅值偏大,透射波应力幅值偏小,随着冲击荷载的增大,差异性逐渐减小;(2) 在不同冲击荷载作用下,煤岩组合体在劈裂过程中以煤体部分破坏为主,且组合体中煤体部分总是在交界面远处先产生宏观裂隙,而岩体部分则多在交界面近处先起裂破坏;(3) 当冲击荷载较小时,C-R与R-C组合体的破坏形态基本相同,以拉伸、剪切破坏为主,随着冲击荷载的增大,组合体的破坏程度加剧,破坏形态的差异性也更明显;(4) 提出了一种以单元损伤失效数量为评价指标的方法来定量分析组合体的破碎程度,从数据的变化规律发现,组合体在加载角度为45°时破坏最剧烈。

木贼属植物仿生薄壁结构的耐撞性优化
刘飞明, 雷建银, 乔力, 刘志芳
2022, 36(5): 054205. doi: 10.11858/gywlxb.20220516
摘要:

利用ABAQUS有限元软件构建木贼属植物仿生薄壁结构(horsetail-bionic thin-walled structure,HBTS)在侧向冲击下的数值模型,分析了结构的壁厚、内径和肋骨数对其耐撞性能和变形模态的影响。结果表明:肋骨数和整体壁厚的增加会明显提高HBTS的比吸能和最大峰值载荷,HBTS不同部分的壁厚变化显著影响其变形模态和耐撞性能。为了综合考虑HBTS各部分的壁厚、肋骨数、内径5个参数对耐撞性能的影响,集成modeFRONTIER优化软件与ABAQUS软件,通过参数化建模在设计空间上构建有限元模型,建立比吸能和最大峰值载荷的Kriging代理模型。使用基于Kriging代理模型的多目标优化方法获取Pareto前沿,以同时实现比吸能最大化和峰值载荷最小化。最后分析了Pareto前沿面上各HBTS的设计参数分布情况,并验证了优化结果,该方法可为薄壁结构的优化设计提供新思路。

高压科学应用
聚能装药宏观偏差耦合对射流横向偏移的影响
聂源, 梁斌, 袁小雅, 刘闯, 李毅
2022, 36(5): 055101. doi: 10.11858/gywlxb.20220511
摘要:

聚能装药宏观偏差是引发射流横向偏移的原因之一,为研究多种宏观偏差对射流横向偏移的影响规律,根据射流成形理论推导了同轴度偏差、壁厚偏差和位置偏差对射流横向偏移量的影响的理论分析模型。对存在多种宏观偏差的聚能装药采用数值模拟方法开展射流形成过程的计算,获得了各类宏观偏差对射流横向偏移量的影响规律。结果表明,单一的同轴度偏差和位置偏差均导致射流呈二次曲线状,单一的壁厚偏差使射流偏转,但射流仍保持直线状。在多种宏观偏差相互耦合的情况下,射流横向偏移量约为各单一因素引起的偏移量的矢量和。研究成果可为提高聚能装药的稳定性提供参考。

火焰特征量对快速烤燃的影响
肖游, 智小琦, 王琦, 于永利, 范兴华
2022, 36(5): 055201. doi: 10.11858/gywlxb.20220557
摘要:

为研究快速烤燃下池火中火焰特征量对烤燃弹的影响,建立了池火的快速烤燃模型,得到了烤燃弹的传热特性,分析了烤燃过程中烤燃弹放置高度和油池尺寸对火焰特征量的影响。结果表明:随着烤燃弹放置高度的增加,烤燃弹表面最高温度区域由上表面转移到下表面,辐射热通量峰值由烤燃弹上方转移到烤燃弹下方;随着油池尺寸增加,烤燃弹各表面温度更加均匀,烤燃弹吸收的热通量增加,烤燃弹表面温度升高。因此,快速烤燃试验中烤燃弹的放置高度与油池尺寸均会对火焰特征量造成影响,进而影响烤燃弹的快速烤燃特性。

HMX基含AP浇注炸药烤燃实验与数值模拟
刘润泽, 王昕捷, 刘瑞峰, 段卓平, 黄风雷
2022, 36(5): 055202. doi: 10.11858/gywlxb.20220538
摘要:

为研究新型奥克托今(HMX)基浇注炸药GOLA-1(HMX-Al-高氯酸铵(AP)-黏结剂(Kel-F))在热刺激下的响应特性,对GOLA-1炸药进行了温升速率为1.0和1.5 K/min的烤燃实验,获得了炸药中心点温升和点火时间等信息。在此基础上,结合烤燃数值模拟,预测了炸药的点火位置及温度。数值模拟与实验结果吻合较好,在1.0和1.5 K/min温升速率下GOLA-1炸药点火时间的相对偏差分别为1.3%和1.7%,表明所建立的数值模型较为合理。采用该模型进行了不同温升速率下的数值模拟,结果表明:当温升速率下降至0.4 K/min时,点火位置由装药底面边缘的环形区域移动至装药中心轴线上靠近下部的位置;点火位置随温升速率的下降而逐渐向药柱上部移动,温升速率对点火温度基本没有影响。

城市地铁联络通道下穿爆破地表振动空洞效应
董合费, 朱斌, 蒋楠, 杨玉民
2022, 36(5): 055301. doi: 10.11858/gywlxb.20220553
摘要:

研究城市地下工程爆破施工地表振动衰减规律对邻近建筑保护具有重要意义。以武汉地铁8号线二期联络通道爆破开挖工程为例,运用现场监测与ANSYS/LS-DYNA三维有限元数值模拟计算相结合的方法,分析了联络通道爆破开挖作用下地表振动的空洞效应,并预测其衰减规律。研究表明:地表质点的峰值振速随着与掌子面距离的增大而不断减小,成洞区域上方地表振速明显大于未开挖区域;空洞效应放大系数随着与爆源纵向距离的增大先增大后缓慢减小,沿通道两侧随着距离的增大而不断减小,空洞效应的影响减弱;在距爆源8 m处(掌子面后方6 m),放大系数达到最大,应重点在距离爆源2~8 m即空洞效应较大的地表区域内开展振动监测。在开挖区域,与介质和爆破条件相关的系数、振动衰减系数和层介质吸收系数分别为58.52、1.43和0.019,而在未开挖区域,则分别为152.09、1.74和0.023。

基于IAHP-Fuzzy的岩溶隧道突水风险预测
李录, 秦本东, 郭佳奇, 黄鑫, 田永超
2022, 36(5): 055302. doi: 10.11858/gywlxb.20220536
摘要:

突水突泥是岩溶隧道施工阶段的主要工程灾害之一,有必要对其潜在风险等级进行预测。以宜万铁路野三关隧道工程为背景,采用文献调研法,将影响隧道突水风险的因素归结为工程地质条件、水文地质条件和岩体质量条件,并建立了对应的评价指标体系,通过形成各层次因素的区间判断矩阵确定指标权重,运用IAHP-Fuzzy法实现了岩溶隧道突水风险分级。综合3个一级指标和11个二级指标形成了隧道突水突泥的层次分析模型和风险分级体系。通过区间层次分析法确定了指标权重,计算结果显示,水压力特征在各指标中占比最高,高水压是造成野三关隧道突水的最直接诱因。通过验算,水压力为0.1 MPa时隧道突水风险为弱风险,建议采取预注浆加固等主动防护措施降低水压力,该验算进一步证明了模型的可行性。