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2022-03期封面
2022, 36(3): 0-0.
摘要:
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2022 年 3 期目录
2022, 36(3): 01-1.
摘要:
前言
典型炸药晶体相变专题 • 前言
2022, 36(3): 2-2.
摘要:
典型炸药晶体相变
高温高压下高能钝感炸药TATB物性及相关实验技术研究进展
孙晓宇, 梁文韬, 李相东, 郜婵, 代如成, 王中平, 张增明
2022, 36(3): 030101. doi: 10.11858/gywlxb.20220520
摘要:
1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)作为典型的高能钝感炸药之一,在民用、军工等领域具有重要的研究价值。基于科学挑战专题,分别从实验技术和实验成果两方面详细概述了极端条件下TATB的物性研究进展,系统介绍了课题组自主设计和搭建的光谱测试系统和高温高压仪器装置,以及TATB在高压下的光吸收和结构演化规律。另外,还对低温环境下炸药的结构稳定性、高温环境下炸药的热稳定性以及压力参量对样品化学分解进程和热分解机制的影响进行了阐述和讨论。
非静水压下HMX炸药晶体的高压相变
随志磊, 代如成, 王中平, 郑贤旭, 张增明
2022, 36(3): 030102. doi: 10.11858/gywlxb.20220559
摘要:
HMX是一种性能优良的高能炸药,在武器工业中广泛使用。目前,HMX在高压下特别是非静水压下的相变规律仍存在争议。为此,采用不同的传压介质,开展了非静水压下HMX晶体的高压拉曼实验研究。结果表明,HMX晶体分别在4.9、13.9和17.5 GPa发生了结构相变。在13.9 GPa下,HMX开始发生相Ⅱ→相Ⅲ的相变,并在一定的压力范围内两相共存;当压力为17.5 GPa时,出现另一个新相(相Ⅳ),在17.5~23.6 GPa的压力范围内出现相Ⅱ、相Ⅲ和相Ⅳ三相共存现象。HMX晶体在非静水压下的相变路径与准静水压下的相变路径完全不同,非静水压环境下的压力梯度是造成该差异的原因。
35 GPa斜波加载下RDX单晶炸药的动力学行为
种涛, 张朝辉, 王贵林, 傅华, 李涛, 随志磊, 郑贤旭
2022, 36(3): 030103. doi: 10.11858/gywlxb.20210803
摘要:
利用磁驱动斜波加载10 MA装置和激光干涉测速技术,开展了35 GPa压力下(100)晶向RDX单晶炸药的斜波压缩实验,获得了RDX单晶/LiF单晶窗口界面速度数据。实验结果显示,速度波剖面表现为明显的三波结构,由低到高依次对应弹性波、塑性波和相变波,α-γ相变的起始压力为3.1 GPa。结合修正的多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对RDX单晶炸药的斜波压缩过程开展一维流体动力学数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致。
HMX晶体高温相变及裂纹对点火的影响
随志磊, 胡秋实, 尚海林, 傅华, 郑贤旭
2022, 36(3): 030104. doi: 10.11858/gywlxb.20220550
摘要:
炸药晶体的相结构、相变过程以及相变引起的微结构变化对炸药性能有重要影响。为研究HMX晶体的高温相变及其引起的裂纹对点火的影响,开展了HMX晶体的原位高温拉曼光谱、X射线衍射实验以及落锤实验。通过拉曼光谱和X射线衍射谱识别出不同温度加载和后处理方法对HMX晶体相结构和微结构的影响。制备了3类含有不同相结构和裂纹的HMX样品,实现了相结构和裂纹对点火影响的解耦。落锤实验结果显示,对于3类HMX晶体,按照敏感度由高到低排序依次为含裂纹的β-δ混相、含裂纹的β相、无裂纹的β相。最后,分析了高温相变和裂纹提高HMX晶体感度的原因。
HMX晶体热致相变对损伤的影响
杨昆, 吴艳青, 黄风雷
2022, 36(3): 030105. doi: 10.11858/gywlxb.20220545
摘要:
HMX基PBX炸药混合体系中炸药晶体在发生高温熔化和分解反应之前,会率先发生非均匀热膨胀和固相晶型转变,使材料的力学性能和安全性能发生突变。为探究HMX晶体的热致相变对材料内部损伤演化的影响机制,发展了考虑HMX晶体热膨胀和相变等变形机制的热力耦合晶体本构模型,从力学角度揭示了黏结剂包覆HMX晶体相变对体积变形、应力状态以及裂纹成核演化过程的影响机理,量化分析了升温速率对材料相变和裂纹损伤状态的影响规律。结果表明:随着加载温度升高,HMX晶体的热膨胀和\begin{document}$\,\beta $\end{document}\begin{document}$\delta $\end{document}相变导致体积增大,晶体内部形成拉伸应力状态,同时晶体与黏结剂相互挤压形成的局部压剪作用使晶体内部出现裂纹成核和扩展现象。相变温度附近HMX晶体内部裂纹成核和扩展数量显著增加,晶体内部发生不可逆损伤。外界升温速率对晶体内部裂纹形核扩展与损伤造成显著影响,较高的升温速率会加大晶体损伤程度,增加炸药内潜在热点源及意外点火风险。
高压下物质的动态响应
一维静载与循环冲击共同作用下砂岩动态力学特性试验研究
范利丹, 徐峰, 余永强, 张志伟, 余雳伟, 周桂杰
2022, 36(3): 034101. doi: 10.11858/gywlxb.20210879
摘要:
以硬岩巷道的煤系砂岩为研究对象,利用改进的动静组合加载分离式霍普金森压杆系统进行轴压梯度为5、15、20 MPa,冲击气压梯度为0.8、1.0、1.2 MPa的一维循环冲击压缩试验。结果表明:整个循环冲击过程中,在不考虑轴压和冲击气压的情况下,砂岩的峰值应力随着冲击次数的增加呈现先增大后减小的变化趋势,而峰值应变、最大应变及平均应变率均呈现相反的变化趋势;在相同的冲击气压下,砂岩的峰值应力和累计循环冲击次数随轴压的增大而减小;在相同的轴压下,随着冲击气压的增大,峰值应力不断增大,而累计冲击次数却先增大后减小;在一维静载与循环冲击的共同作用下,砂岩的整个冲击过程可划分为压密阶段、内部裂纹发展阶段和加速破坏阶段。研究表明,地下深部矿柱失稳大概率是在静载与动载的相互作用下导致的,而动载的频繁扰动是矿柱失稳的主要影响因素。
飞秒激光驱动超高应变率加载下铝材料的层裂特性
辛建婷, 席涛, 范伟, 何卫华, 李纲, 赵永强, 税敏, 储根柏
2022, 36(3): 034102. doi: 10.11858/gywlxb.20210904
摘要:
层裂损伤是材料动态损伤破坏研究中最重要的问题之一,其损伤特性和机制随加载应变率不同表现出明显的阶段性规律。超高应变率条件下材料层裂损伤特性、规律和机制研究已成为极端条件下材料动态响应研究的重要内容,在工程应用和基础研究领域均有重要意义。采用飞秒激光驱动冲击加载技术开展了超高应变率条件下铝材料的层裂损伤实验研究,利用啁啾频域干涉超快诊断方法对铝材料的层裂损伤过程进行了诊断,分析并获得了在109 s−1应变率条件下铝材料的层裂强度约为7 GPa,结合前人的研究数据,解读了铝材料层裂强度随应变率的变化规律。
电子互连导电胶的力学性能及胶连点跌落冲击行为
熊蘅, 马宇宏, 司博文, 肖革胜, 树学峰
2022, 36(3): 034103. doi: 10.11858/gywlxb.20210902
摘要:
电子互连导电胶在便携式电子产品中具有广泛的应用前景,其在服役过程中常承受跌落冲击工况,导致微小导电胶互连点处产生相对较高的应变率,因此关于导电胶在较高应变率下的力学行为及胶连点跌落可靠性研究显得尤为重要。以环氧树脂基添加银导电颗粒各向同性导电胶(ICA)为研究对象,采用万能试验机和分离式霍普金森压杆装置对其开展不同应变率下的力学性能研究,在此基础上进行导电胶互连封装结构的跌落冲击数值模拟分析。结果表明:固化导电胶在动态时具有明显的应变率效应;跌落冲击时,关键胶连点出现在4个边角处且小角度跌落比水平跌落更危险;两种跌落方式中,基座长边跌落方式在关键胶连点处产生的应力、应变相对较大。
近场多发爆炸荷载作用下方钢管构件的动态响应及其损伤
王万月, 耿少波, 王华, 李文强, 刘亚玲
2022, 36(3): 034104. doi: 10.11858/gywlxb.20210858
摘要:
为研究多发爆炸荷载作用下方钢管构件的动态响应及损伤情况,依据方钢管单发爆炸试验确定合理的模型参数,分析了近场爆炸总药量相同的条件下药量等分份数、药量质量比以及起爆时间间隔3种因素对方钢管构件抗爆性能的影响。结果表明:多发等分药量同时起爆时,方钢管迎爆面变形和挠度分别比单发爆炸时大17.5%和32.1%;对于两发爆炸荷载,当两发炸药的质量接近时,方钢管迎爆面变形和挠度比质量差异较大时大18.3%和19.7%。对于多发等分药量爆炸荷载:当各炸药爆心到方钢管跨中的距离相同时,非同时起爆时方钢管迎爆面的变形比同时起爆时小4.3%,且起爆时间间隔越长,变形越小;当各炸药爆心到方钢管跨中距离不同时,调整各炸药起爆时间可使方钢管迎爆面跨中变形比同时起爆时大13.9%。
高温高应变率下ZL101A铝合金的流变应力特征与本构模型
张延泽, 秦健, 孟祥尧, 刘元凯, 文彦博, 黄瑞源
2022, 36(3): 034105. doi: 10.11858/gywlxb.20210923
摘要:
采用分离式霍普金森压杆系统和高温设备对ZL101A铝合金进行了常温和高温下的动态压缩实验,得到了应变率范围为2900~6100 s−1、温度范围为20~600 ℃的动态压缩应力-应变曲线。实验结果表明:ZL101A铝合金具有应变率硬化效应,并且随着温度的升高,应变率硬化效应减弱;ZL101A铝合金在不同应变率下均存在明显的温度软化效应,且随着温度的升高,塑性变形引起的绝热温升使热软化作用增强。为了得到应变率和温度对材料流变应力的影响,将应变率效应和温度效应进行解耦,得到一种适用于ZL101A铝合金材料的动态本构模型。对比模型预测结果与实验数据发现,建立的本构模型可以很好地描述ZL101A铝合金的流变应力特征。
极低温下Nb3Sn超导体单晶裂纹动态扩展模拟
王豪阳, 卫颖, 乔力
2022, 36(3): 034201. doi: 10.11858/gywlxb.20210884
摘要:
研究Nb3Sn超导体的损伤断裂行为对于揭示超导临界性能弱化背后的力学机制具有重要的意义。采用分子动力学模拟方法,研究了极低温下不含裂纹和含中心裂纹的Nb3Sn单晶在力学拉伸变形作用下的断裂机制和裂纹扩展行为,同时分析了应变率效应对Nb3Sn单晶断裂机制与裂纹扩展行为的影响。结果表明:不含裂纹的Nb3Sn单晶在结构受力后出现滑移,滑移带上位错塞积导致应力集中,应力集中使原子键断裂从而萌生裂纹致使Nb3Sn单晶断裂;而含中心裂纹的Nb3Sn单晶则由于裂纹尖端应力集中使得原子键断裂形成微裂纹,裂纹扩展致使Nb3Sn单晶断裂。Nb3Sn单晶在不同的应变率下表现出不同的断裂机制,在低应变率下表现为脆性断裂,而在高应变率下表现为韧性断裂。
仿马尾草薄壁结构的设计与耐撞性研究
邓敏杰, 刘志芳
2022, 36(3): 034202. doi: 10.11858/gywlxb.20210880
摘要:
基于马尾草茎秆的结构特征,设计了一种新型马尾草仿生薄壁管。利用有限元软件ABAQUS,分析了双圆管和马尾草仿生薄壁管在轴向压缩下的耐撞性能和能量吸收特性。结果表明:在质量相同的情况下,仿生薄壁管的比吸能提高了34.74%,压缩力效率提高了37.50%,马尾草仿生薄壁管的比吸能随壁厚的增加而单调递增;对于肋数不同、质量相同的仿生薄壁管,肋数为4的结构耐撞性最好;在肋厚不变(比吸能损失较小)的前提下,调节肋角可以降低薄壁结构的初始峰值力。为了进一步提高薄壁管的能量吸收能力,以内半径、肋角和肋厚为设计变量,进行了多目标优化。采用响应面法和遗传算法(NSGA-Ⅱ),使比吸能最大化的同时初始峰值载荷最小化。与最初设计的仿生薄壁管相比,优化后薄壁管的比吸能提高了13.42%。
蓄能器壳体的塑性极限载荷和失效分析
蔡鹏辉, 李靖琳, 沈正祥, 翟彬彬, 吴彩保, 黄焕东, 宋鹏飞
2022, 36(3): 034203. doi: 10.11858/gywlxb.20210867
摘要:
结构完整性是液压蓄能器设计制造的重要依据,为确定内压作用下某蓄能器壳体的最大承载能力,采用弹塑性理论分析、数值仿真与试验研究相结合的方法,对壳体塑性极限载荷和失效位置进行研究。结果显示:由于未考虑壁厚的影响,理想弹塑性分析结果明显偏高;尽管忽略了应变强化效应,但是通过荷载因子逐步加载,非线性有限元仿真得出的极限载荷仍然比较接近爆破试验实测值,误差仅为3.5%,并且预测的塑性失效位置与实际破口部位基本一致,说明非线性有限元Risk法能够获得更符合实际的结果,可用于简单薄壁压力容器的分析设计。
高压科学应用
起爆方式对非圆截面装药结构释能特性的影响
张广华, 沈飞, 刘睿, 王辉
2022, 36(3): 035101. doi: 10.11858/gywlxb.20210894
摘要:
为了研究不同起爆方式下非圆截面装药结构的释能规律,采用AUTODYN软件开展了非圆截面装药结构在不同起爆方式下的释能特性数值模拟,分析了起爆方式对爆轰波形演变、破片质量、破片初速的影响。结果表明:由于装药结构的特殊性,采用端部单点起爆时装药能量分布不均匀,部分区域产生大量的无效小质量破片,且不同位置处的破片初速波动较大;采用端部两点和端部三点起爆时,能够对爆轰能量起到匀化效果,减少无效破片数量,提升破片初速的一致性。由此证明通过调整起爆方式可以对非圆截面装药结构的能量输出结构进行有效调控,对其周向能量场起到匀化效果。
典型结构参数对船体梁抗水下爆炸特性的影响
张弛, 李海涛, 梅志远, 李杰兵, 郑欣颖
2022, 36(3): 035102. doi: 10.11858/gywlxb.20210881
摘要:
为了提升舰船抗水下爆炸冲击防护设计水平,首先需要揭示舰船典型结构参数变化对其损伤特性的影响规律。以某型舰船为参考,保留主要结构特征参数,设计了接近真实尺度的梯形横截面船体梁。利用Geers-Hunter理论公式得到各计算工况下的水下爆炸载荷,基于ABAQUS有限元数值模拟方法,对比分析了船体梁长度、外板板厚、型深、型宽等参数变化对船体梁抗水下爆炸冲击的结构响应特性的影响。提出了一种可以表征各典型结构参数对船体梁整体结构强度影响规律的无因次结构强度因子。结果表明:气泡脉动频率与结构固有频率耦合将导致中垂变形;船体梁长度增加使得结构抗弯能力减弱,在水下爆炸响应中的初始中拱变形缓慢增加,最大中垂变形显著增加;船体梁外板板厚、型深、型宽的增加会导致结构在响应期间的初始中拱变形和最大中垂变形减小;初始中拱变形受结构参数变化影响的敏感程度低于最大中垂变形。提出的无因次结构强度因子可以较好地表征船体梁结构整体强度。
可变形定向破片战斗部在不同展开模式下的性能数值模拟
杜伊杨, 黄炫宁, 杨鸿铭, 周晴, 李伟兵
2022, 36(3): 035103. doi: 10.11858/gywlxb.20210887
摘要:
为使战斗部具有多种定向毁伤模式并实现一定程度上的可控毁伤,提出了一种扇形装药的可变形定向破片战斗部,该战斗部可实现轴向展开和侧向展开2种模式。采用AUTODYN软件进行破片场的数值模拟。首先,基于战斗部单元体分析获得了距离轴心25 mm处的最佳起爆点位置;其次,对整个战斗部进行分析,在轴向展开模式下分析了轴向展开角度对破片飞散速度、破片数目和破片空间分布的影响,发现轴向展开角在60°~75°范围内毁伤效果较佳;最后,在侧向展开模式下分析了整个战斗部的破片速度和破片空间分布情况,结果表明破片具有明显的定向飞散特性。
固体爆炸作用下地铁站台及围岩的响应规律
王桂林, 贺辰昊, 欧阳啸天, 翟俊, 陈相宇
2022, 36(3): 035201. doi: 10.11858/gywlxb.20210874
摘要:
地铁站内发生爆炸将造成巨大的人员伤亡和财产损失。依托上海某地铁站工程,将HJC模型嵌入开源物质点法程序中,研究了固体炸药爆炸作用下地铁站台及围岩的响应规律。结果表明:受爆炸应力波的影响,站台顶板和底板响应压强在短时间内达到峰值后迅速降低,站台结构在爆炸过程中既存在受拉区又存在受压区;在站台边墙处,由于应力波与反射波叠加,会出现超压突变区;爆炸作用使站台结构整体下沉,且起爆点正下方围岩会形成塌陷坑,起爆点正上方围岩和车站结构相对周围向上隆起;结构受损区域主要集中在结构底板,呈椭圆形;站台有柱区域的抗爆能力强于无柱区域。
爆炸作用下综合管廊燃气舱内同舱管道失效的影响因素
米红甫, 彭冲, 张小梅, 汪阳, 王莉莉, 杨雪, 蒋新生
2022, 36(3): 035202. doi: 10.11858/gywlxb.20210891
摘要:
为研究综合管廊燃气舱内天然气爆炸时预混气体长度、管道间距、管道壁厚和管道屈服强度4种因素对同舱管道失效的影响规律和影响程度,采用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA,根据实际案例建立燃气舱三维模型,基于应变的失效判定标准,获取同舱管道的椭圆度变化情况。结果表明:天然气爆炸作用下,同舱管道的椭圆度与预混气体长度正相关,与管道壁厚和管道屈服强度负相关;同舱管道椭圆度与管道间距先负相关后正相关,该燃气舱内最优管道安全间距为0.74 m;管道屈服强度对同舱管道椭圆度的影响程度最小;当影响因素的变化率在1%~12%、13%~18%和19%~25% 3个区间时,对同舱管道椭圆度影响最大的因素分别为预混气体长度、管道壁厚和管道间距。研究结论可为综合管廊燃气舱的设计提供参考。
深部煤层水压爆破裂纹扩展规律
李真珍, 于建新, 杨小林, 褚怀保, 王金星, 刘焕春
2022, 36(3): 035301. doi: 10.11858/gywlxb.20210912
摘要:
深部煤层的地应力高、瓦斯含量高、渗透系数低,严重威胁煤炭的高效安全生产,必须进行强化增透以提高瓦斯的抽采率。水压爆破具有传能效率高、安全性好的特点,可应用于深部煤层增透。为研究深部煤层水压爆破裂纹扩展规律,基于LS-DYNA数值模拟,分析了不同的地应力、不耦合系数、耦合介质等条件下煤层的致裂效果。结果表明:地应力对水压爆破产生的冲击荷载有削减作用,地应力增大致使煤层裂纹长度变短,裂隙区范围减小,地应力在1~20 MPa范围内时,随着地应力的增大,爆破应力波的衰减逐渐减弱;不耦合系数处于1.0~3.0区间时,随着不耦合系数的增大,破碎区范围减小,裂隙区范围先增大后减小,煤层水压爆破裂纹扩展范围先增大后减小,不耦合系数为2.0时,爆破致裂效果最佳;采用不同的耦合介质爆破时,水介质耦合下爆破煤层裂隙区范围大于空气介质,水介质条件下爆破产生的有效应力最大值是空气介质下的1.35倍,水介质更有利于煤层裂纹的扩展发育。研究成果对于深部煤层水压爆破致裂增透工程实践具有一定的指导作用。
基于代表性体积单元模型的矿石组分界面破碎特征
蔡改贫, 郝书灏, 余成, 宣律伟
2022, 36(3): 035302. doi: 10.11858/gywlxb.20210896
摘要:
矿物组分的界面破碎特征一般指黏结界面在外部载荷作用下产生的应力、应变等,其对研究矿物组分解离、提高矿石破碎效率具有重要意义。针对矿石内部组分矿物聚集、有用矿物非均匀分布的特点,开展了岩石内部岩相分析实验和矿物界面原位加载实验,在此基础上,利用非线性、多尺度建模平台DIGIMAT构建符合组分矿物微观结构的代表性体积单元(RVE)模型,并通过DIGIMAT-ABAQUS耦合开展矿石RVE模型原位破碎模拟。结果表明:(1)黑钨矿石中有用矿物以颗粒状分布在矿石内部,主要分布在石英矿物内及其与硅质岩矿物黏结界面处;(2)不同组分黏结界面的力学性质存在差异,且与组成矿物的物理属性、形态特征等相关,石英-硅质岩界面的最小破碎应力(界面发生破坏时的应力)范围为1.1785~1.4826 GPa,石英-钨界面的最小破碎应力范围为1.3355~1.5420 GPa;(3)加载速率为0.010或0.005 kN/s时,矿石破碎峰值应力无明显变化,但其对矿石内部形变的影响较大,且加载速率为0.010 kN/s时,强化阶段应力易突然降低并不断波动;(4)原位载荷产生的破坏主要发生在载荷作用区域边界,且两组界面中石英矿物破碎力学性能参数大于钨矿物和硅质岩矿物,即界面组成矿物中石英矿物优先形成破坏。