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GYWLXB-06ML 目录
2019, 33(6): 1-2.
摘要:
高压地球与行星科学专题
Fe-3.24%Si的状态方程和声速的第一性原理计算:地球内核Si元素的约束
李佩芸, 黄海军, 李艳丽
2019, 33(6): 060101. doi: 10.11858/gywlxb.20190781
摘要:
硅(Si)被认为是地球内核的主要轻元素,但其在内地核中的含量仍然存在争议。为了探索内地核中Si的含量,应用第一性原理方法对Fe-3.24%Si(Si的质量分数为3.24%)进行了研究。构造了4种Fe-3.24%Si的超晶胞,研究了不同的晶胞大小和自旋对优化结构的影响。结果表明:在100 GPa以上,自旋对Fe-3.24%Si的密度无影响;而在100 GPa以下,考虑自旋时的计算结果更接近实验值。基于0 K下的声速、状态方程和相关热力学参数,计算了Fe-3.24%Si在内地核条件下的密度和声速。研究发现:Fe-3.24%Si的密度低于纯铁的密度,略高于内地核的密度;纵波声速及剪切波声速与纯铁的声速很接近,但均明显高于内地核声速,因此排除了内地核含有大量Si元素的可能性。
下地幔温压条件下碳对(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石的影响
苘廉洁, 苑洪胜, 秦礼萍, 张莉
2019, 33(6): 060102. doi: 10.11858/gywlxb.20190788
摘要:
利用激光加温金刚石对顶砧技术模拟下地幔温压条件(36~88 GPa, 1 850~2 800 K),探索了碳与含铁的(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石的相互作用过程。同步辐射X射线衍射实验表明,(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石与碳在大于42 GPa、2 000 K的温压条件下发生了氧化还原反应,即(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石中的二价铁(Fe2+)被单质碳还原成金属铁(Fe0);而在较低的温压条件下,布里奇曼石中的Fe2+可以稳定存在。该结果表明,在下地幔深部的温压条件下,CCO缓冲的氧逸度值比IW缓冲更低,热力学计算结果也证实了这一结果。实验结果为地幔深部氧化还原条件的不均一性和局部极端还原状态的出现提供了解释。
高压下单晶橄榄石的电导率
田浩然, 徐良旭, 李娜娜, 张茜, 林俊孚, 刘锦
2019, 33(6): 060103. doi: 10.11858/gywlxb.20190775
摘要:
以圣卡洛斯(San Carlos)单晶橄榄石为研究对象,结合交流阻抗谱和金刚石对顶砧(DAC)技术,在300 K、0~19 GPa条件下对其电导率的各向异性进行系统研究。压力标定根据红宝石荧光谱线的漂移以及硅油的拉曼光谱。实验结果表明:在300 K、0~19 GPa条件下,橄榄石[100]方向上的电导率最大,从3.8×10–8 S/m增加到9.0×10–8 S/m,[010]与[001]方向上的电导率接近,约为[100]方向电导率的1/2~1/3;橄榄石电导率随着压力线性增加,其中[100]方向的电导率随着压力变化的斜率最大。在室温条件下,橄榄石主要的导电机制是小极化子导电,且具有负的活化体积。研究结果表明,在含水量较低的上地幔区域,随着深度增加,压力效应可能导致电导率横向和纵向的不均一性增强。
高压下石榴子石结构和弹性的第一性原理研究
杨龙星, 刘雷, 刘红, 易丽, 顾小雨
2019, 33(6): 060104. doi: 10.11858/gywlxb.20190785
摘要:
石榴子石是上地幔和地幔转换带的重要成分,掌握其高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成、结构以及动力学过程具有重要意义。为此,利用第一性原理计算了0~16 GPa压力下铝系列和钙系列常见的6种榴石(镁铝榴石、铁铝榴石、锰铝榴石、钙铬榴石、钙铝榴石和钙铁榴石)的晶体结构和弹性性质。结果表明:铝系列榴石的晶胞体积小于钙系列榴石;除镁铝榴石外,铝系列榴石的密度高于钙系列榴石。在石榴子石压缩过程中,多面体体积变化率由大到小依次为[XO8]十二面体、[YO6]八面体、[SiO4]四面体,且变化率之比接近3∶2∶1,表明石榴子石的压缩机制主要受其结构中的十二面体控制。键角方差的变化表明:高压可以使钙系列榴石的四面体和八面体变得更加规则;而铝系列榴石则与其不同,高压下铝系列榴石的四面体变得更加不规则。研究发现:石榴子石的体弹模量随着铁铝榴石含量的增加而增大,随着钙铬榴石和钙铝榴石含量的增加而减小;而剪切模量则随着钙铝榴石含量的增加而增大,随着铁铝榴石和钙铬榴石含量的增加而减小。除镁铝榴石外,铝系列榴石的波速整体小于钙系列榴石。通过计算结果发现,石榴子石及其固溶体的波速在410 km附近与地球典型波速模型有交点,证明了石榴子石是地幔中的重要组分,且不同组成的石榴子石及固溶体的存在可能对地球地幔的波速结构产生重要影响。
羟碳铈矿的高压拉曼光谱研究
宋海鹏, 刘云贵, 李想, 靳树宇, 王欣宇, 巫翔
2019, 33(6): 060105. doi: 10.11858/gywlxb.20190847
摘要:
羟碳铈矿是一种重要的含水稀土氟碳酸盐矿物,了解其高压下的物理性质对于探讨氟和水的存在对碳酸盐矿物物性的影响具有重要意义。运用金刚石压腔(DAC)技术与激光拉曼光谱,在室温下原位开展了羟碳铈矿的高压拉曼光谱学研究。结果显示,在常压下由[CO3]2–振动引起的拉曼峰共有6条:面内弯曲振动引起的拉曼峰位于604、742 cm–1,对称伸缩振动引起的拉曼峰位于1 083、1 096和1 103 cm–1,而1 430 cm–1属于非对称伸缩振动;由[OH]振动引起的拉曼峰有6条,分别位于3 174、3 197、3 290、3 345、3 526和3 648 cm–1。随着压力的增加(0~30 GPa),未发现拉曼峰的消失或新拉曼峰的出现,表明在测试压力范围内羟碳铈矿未发生相变。拉曼峰均往高波数偏移,其位移与压力呈现良好的线性正相关关系,由[CO3]2–的面内弯曲振动引起的拉曼峰对压力的依赖系数最小,为2(0.06) cm–1/GPa,而基团外振动引起的拉曼峰对压力的依赖系数最大,为4.2(0.11) cm–1/GPa。对比无水碳酸盐高压下拉曼峰的位移,认为[OH]和F的存在导致羟碳铈矿高压下结构中[CO3]2–基团的振动模式对压力的依赖性发生变化,进一步影响到晶体高压下的各向异性。这为研究地球深部碳酸盐的高压物性行为提供了新的启示。
高压下FeNiP的压缩性
贺雪菁, KAGIHiroyuki, 秦善, 巫翔
2019, 33(6): 060106. doi: 10.11858/gywlxb.20190837
摘要:
利用金刚石压腔技术和原位同步辐射X射线衍射技术,对FeNiP(\begin{document}$P\bar 62m$\end{document})的压缩性进行了实验研究。常温下,FeNiP在0~23.4 GPa压力范围内保持\begin{document}$P\bar 62m$\end{document}结构不变。用Birch-Murnaghan状态方程对单位晶胞体积随压力的变化关系(p-V关系)进行拟合,得到:体积模量K0=153(2) GPa,体积模量微商\begin{document}$K'_0 $\end{document} = 5.7(2),零压下晶胞体积V0 = 101.6(1) Å3;或K0 = 167(1) GPa,\begin{document}$K'_0 $\end{document} = 4.0(固定值),V0 = 101.5(1) Å3。与Fe2P相比,FeNiP的体积模量更小,呈现出与Fe2P相反、与Ni2P相同的轴向压缩各向异性,据此探讨了Ni对(Fe,Ni)2P压缩性的影响。应用当前实验结果,估算了FeNiP、Fe2P、Fe3P、Fe2.15Ni0.85P和Fe3S在月球外核温压条件下的密度,通过与γ-Fe及月球外核密度的比较,得出Ni的加入会使“Fe-轻元素”体系的密度更接近月球外核密度,进一步阐释以多元合金体系(如Fe-Ni-S-P)为对象来研究行星核部物质组成更具合理性。
高压理论与计算
结合能的新势函数对高压稠密惰性元素压缩特性的影响
郑兴荣
2019, 33(6): 062201. doi: 10.11858/gywlxb.20190731
摘要:
基于量子理论和原子团簇理论,运用多体展开方法和第一性原理的从头算方法,提出了一种计算稠密惰性元素(氦、氖、氩和氪)原子结合能的新势函数,运用新公式研究了结合能对高压稠密惰性元素高压压缩特性的影响。此公式引入了一个物理参量\begin{document}$\beta $\end{document}(其值为0.5),使得势函数的表达形式更加简单、准确。对比结果表明,结合能的新势函数能够准确地描述多体相互作用对结合能的贡献,且平均相对误差在5%以内。结合能的新势函数对压缩特性的影响在当前实验压强范围内(氦60 GPa、氖238 GPa、氩114 GPa、氪128 GPa)做出了令人满意的描述,且与实验值及理论计算结果基本完全吻合,平均相对误差在3%以内。最后,以固氩的压强数据为例,验证了势函数的准确性。该势函数不仅适用于更宽密度和更高压强范围,而且对所有惰性元素原子各种状态的结合能、高压压缩特性、定容比热容、熔化曲线和弹性模量的研究具有重要的指导意义。
高压技术与新材料合成
爆炸烧结制备W-Al含能结构材料及其准静态压缩特性研究
王比, 安二峰, 陈鹏万, 周强, 高鑫
2019, 33(6): 063401. doi: 10.11858/gywlxb.20190753
摘要:
通过爆炸烧结法,采用不同粒度的W、Al混合粉末,成功制备了近乎致密的W-Al含能结构材料(ESM)。研究发现:冲击波压力是粉末致密化的主导因素,粉末粒径对烧结密度和微观结构的影响显著,W的粒径越小,颗粒团聚越明显,从而阻碍致密化,在致密块体中形成连续分布的W相。所制备样品的最大抗压强度和失效应变分别达到288 MPa和20%,材料的力学性能和断裂模式主要取决于连续相,Al相连续的ESM抗压强度低、塑性较好,呈轴向劈裂破坏;而W相连续的ESM则表现出脆性和高抗压强度,破坏模式为剪切破坏,与Al的低强度高塑性和W高强度脆性特性一致。
高压下物质动态响应
弹体材料在超高速碰撞过程中的物相演化
李依潇, 王生捷
2019, 33(6): 064101. doi: 10.11858/gywlxb.20190723
摘要:
在碰撞速度大于10 km/s的超高速碰撞问题中,弹体材料大部分发生液化、汽化,以现有技术手段对此类问题进行实验研究存在一定难度。为深入了解超高速碰撞过程中材料物相的演化规律,揭示不同密度、熔点的材料在超高速碰撞过程中的物相演化特征,采用物质点法,结合GRAY三相物态方程,对铜、镍、铝3种金属材料的超高速碰撞问题进行数值模拟研究,得到不同碰撞速度下弹体材料物相分布随时间变化曲线,并总结出材料特性和碰撞速度对物相演化的影响规律,为开展超高速碰撞等效实验提供参考。
冲击载荷下分层梯度泡沫材料中的应力波传播特性
赵转, 李世强, 刘志芳
2019, 33(6): 064102. doi: 10.11858/gywlxb.20190724
摘要:
以一维应力波传播理论为基础,建立了3层金属泡沫材料受到刚性块撞击时的理论模型,研究了刚性块撞击3层泡沫圆杆时的动力响应过程,从理论上给出了刚性块在撞击过程中的速度衰减规律数值解。利用ANSYS/LS-DYNA分析了受刚性块撞击时塑性应力波在3层泡沫材料中的传播过程,比较了刚性块以及层间界面处节点速度的变化规律。通过对比有限元结果与理论结果发现:理论模型能够较好地预测冲击载荷下分层泡沫材料各界面的速度衰减规律;3层梯度泡沫材料比相同质量的单层均质泡沫材料具有更加高效的吸能和缓冲能力。由于理论假设忽略了反射波以及泡沫材料应变硬化效应的影响,理论解与有限元模拟结果之间存在一定的误差。
动载下准脆性材料的泛形裂纹研究
明德涵, 欧卓成, 杨筱, 段卓平, 黄风雷
2019, 33(6): 064103. doi: 10.11858/gywlxb.20190754
摘要:
为建立动态拉伸载荷作用下准脆性材料裂纹扩展路径的泛形表征,提出了一种非均匀准脆性材料动态裂纹扩展的泛形模型,计算得到的泛形裂面复杂度与已有实验数据吻合较好。结果表明:动态拉伸载荷作用下的裂纹扩展路径是泛形的,其复杂度随加载应变率的增大而减小,并与材料动态拉伸承载能力的空间随机分布无关,且随Weibull分布形状参数m的增加而减小。研究结果为分析动态拉伸载荷作用下准脆性材料的裂纹扩展机理即泛形表征提供了依据。
面内冲击荷载下半凹角蜂窝的抗冲击特性
陈鹏, 侯秀慧, 张凯
2019, 33(6): 064104. doi: 10.11858/gywlxb.20190759
摘要:
半凹角蜂窝结构因其零泊松比特征,具有独特的变形方式。将其与传统正泊松比(正六边形)蜂窝以及负泊松比(凹角)蜂窝在面内冲击荷载作用下的抗冲击性能进行对比分析,揭示出零泊松比效应对动力学性能的影响。在给定胞元几何参数(长细比)的情况下,分析了3种蜂窝构型在不同冲击速度下的变形特征,得出半凹角蜂窝的零泊松比特性使结构的局部变形带以“I”型为主。根据一维冲击波理论,推导出半凹角蜂窝的平均抗压强度理论公式,与有限元结果进行对比,验证了该方法的有效性。数值结果表明,半凹角蜂窝的抗冲击性能介于正六边形蜂窝和凹角蜂窝之间。通过在半凹角蜂窝内部增加直杆,设计出一种新型零泊松比蜂窝,进一步提高了蜂窝结构的抗冲击性能,可为其他结构优化设计提供一定的理论参考。
基于固有型内聚力模型模拟双层夹胶玻璃冲击断裂行为
姚蓬飞, 韩阳, 姚芬, 李志强
2019, 33(6): 064105. doi: 10.11858/gywlxb.20190718
摘要:
为了研究双层夹胶玻璃(LG)在冲击荷载作用下的裂纹扩展规律,采用零厚度固有型内聚力单元裂纹扩展方法建立了球形锤头冲击下两边支撑的LG动力响应的计算模型,内聚力单元使用最大主应力失效准则,探讨玻璃罚刚度K值和厚度对裂纹形成路径、范围和数量以及下面板位移的影响。结果表明:(1)冲击荷载作用下,上玻璃板中心首先产生大量细小裂纹和玻璃颗粒,随后径向裂纹不断向外扩展,同时产生大量环向裂纹;(2)随着玻璃K值的增加,LG裂纹扩展范围缩小、数量减少,下玻璃板中心位移减小;(3)随着玻璃厚度的增大,LG裂纹范围缩小、数量减少,下玻璃板中心位移减小。研究结果为LG抗冲击设计和安全防护提供了直接依据。
杆式钨合金弹超高速撞击薄靶的能量损耗
孙欢腾, 李名锐, 周刚, 马坤, 舒孝鸿
2019, 33(6): 064106. doi: 10.11858/gywlxb.20190732
摘要:
超高速撞击过程伴随着复杂的物理过程。为分析杆式圆柱形钨合金弹超高速撞击薄钢靶时的物理过程,采用AUTODYN/SPH数值仿真计算方法获得了撞击过程模型及每个光滑粒子流体动力学信息,并通过广度搜索破片识别程序识别每个破片所含粒子,利用MATLAB编程对破片粒子数据信息进行统计分析,获得弹靶撞击过程的变化特性、弹靶破片数量、相关能量随撞击时间的变化规律。通过分析发现:随着弹体撞击速度的增加,剩余弹体被严重侵蚀,且弹体能量损耗增加,弹体损失的能量主要转变为弹靶破片动能;计算得到了撞击20 \begin{document}${\text{μ}}{\rm{s}}$\end{document}时的能量损耗直方图,同时分析了发生撞击时靶板的能量变化过程,并简要描述了该过程。
铝铜药型罩射流与侵彻数值模拟
刘志跃, 翟俊昭
2019, 33(6): 064107. doi: 10.11858/gywlxb.20190728
摘要:
为提高射流侵彻性能,根据聚能射流装置的射流形成特点,设计了爆炸复合铝铜金属体作为药型罩的聚能射流装置。此装置依据已有的锥角为42°的聚能装药紫铜药型罩改进而来。利用LS-DYNA软件中的MMALE多物质算法,对此装置的射流形成、侵彻金属靶体全过程进行数值模拟。在保持装药量不变的情况下,计算了当铝铜药型罩锥角分别为36°、38°、40°和42°时的射流形成及侵彻过程。结果表明:射流头部速度随着铝铜药型罩锥角的减小而增大;且锥角为38°时射流穿深最大。相比单纯金属铜药型罩情况,射流头部速度提高了13.2%,侵彻深度提高了14.5%。
基于3D-DIC对爆炸作用下碳纤维层合板的变形研究
刘青青, 郭保桥, 石晨, 陈鹏万
2019, 33(6): 064201. doi: 10.11858/gywlxb.20190739
摘要:
针对3种不同铺层的碳纤维复合材料层合板,设计了开放式爆炸加载实验,研究不同的炸药质量和爆炸距离下层合板的动态力学行为。基于两台高速相机,搭建了高速三维变形场的实验测量系统,记录层合板在爆炸作用下动态变形过程。通过三维数字图像相关方法(3D-DIC)软件计算得到层合板在冲击波作用下的动态位移场和应变场。研究发现:层合板在弱冲击波作用下只发生弹性变形,正交铺层和准均质铺层均表现出良好的抗冲击能力;在强冲击波作用下层合板会产生分层、基体开裂、纤维断裂等形式的损伤,铺层顺序对损伤形式有很大影响。
高压科学应用
铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响
田俊宏, 孙远翔, 张之凡
2019, 33(6): 065101. doi: 10.11858/gywlxb.20190745
摘要:
为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。
球形破片侵彻多层板弹道极限的量纲分析
王雪, 智小琦, 徐锦波, 范兴华
2019, 33(6): 065102. doi: 10.11858/gywlxb.20190757
摘要:
为了研究Q235钢多层板的抗侵彻性能,进行了直径为9.45 mm的钨合金球形破片侵彻7.2 mm和(3.6+3.6)mm厚Q235钢双层板试验,获得了相应的弹道极限。在此基础上,建立数值仿真模型,研究了钨合金球侵彻接触式等厚3层、4层、5层、6层板的弹道极限。通过量纲分析方法,分析了分层数对靶板弹道极限的影响。结果表明:对于球形破片,总厚度为7.2 mm的等厚双层板的抗侵彻性能高于单层板;当分层数大于2时,接触式多层等厚靶板的弹道极限随着层数的增加而减小,即分层数越多,靶板的抗侵彻性能越低,通过量纲分析方法得到了靶板分层数与破片弹道极限的关系。研究结果可为未来装甲防护设计提供一定的参考。
活性破片的动态压缩力学性能和反应性能
陈鹏, 屈可朋, 全嘉林, 陈荣, 袁宝慧
2019, 33(6): 065103. doi: 10.11858/gywlxb.20190769
摘要:
为了研究在冲击作用下烧结和未烧结工艺对活性破片的动态力学性能和反应性能影响,分别使用分离式霍普金森压杆和落锤加载装置对两种工艺的活性破片进行加载,并且对两种实验结果进行了对比。研究结果表明:烧结后的活性破片具有较好的力学性能,并且两种材料都具有明显的应变率效应,动态屈服强度约为静态屈服强度的2.8~3.3倍;落锤加载下烧结后的活性破片更容易发生反应,发生反应的临界落高为1.15 m。研究结果能够反映该材料的力学性能和反应性能。
爆炸驱动亚毫米级金属颗粒群的飞散特性
冯吉奎, 皮爱国, 刘源, 景莹琳
2019, 33(6): 065104. doi: 10.11858/gywlxb.20190741
摘要:
采用试验与数值模拟相结合的方法,研究了爆炸驱动下亚毫米级WC颗粒群的飞散特性及其影响因素。首先对重金属嵌层碳纤维复合材料(CFRP)壳体开展静爆试验研究,测得距爆心一定距离处颗粒速度;然后基于离散元方法(DEM),依据实体情况对WC颗粒层的颗粒进行无序建模与数值模拟,分析了颗粒无序排列时不同颗粒、装填比及长径比对颗粒速度的影响规律。结果表明:在相同装填比下,颗粒粒径越大,单个颗粒所获得的速度越小;端部附近内外层颗粒速度相同,相对轴向位置X/L=0.62附近速度差最大;长径比在0.5~1.5范围内时,随着长径比的增加,颗粒的速度及速度差增大,起爆端相对于非起爆端颗粒速度增加较小。
压缩载荷作用下锂离子电池的安全性能
范文杰, 薛鹏程, 王根伟, 王彬
2019, 33(6): 065901. doi: 10.11858/gywlxb.20190752
摘要:
动力电池的安全性是制约电动汽车快速发展的重要因素之一。以圆柱形18650动力锂离子电池为研究对象,分别从径向和轴向对不同荷电状态的单体电池进行压缩加载实验,研究了锂离子电池在载荷作用过程中的力学响应、电压变化、温度变化以及失效破坏模式。结果表明:荷电状态、加载速度以及加载方向的不同都会对锂离子电池的安全性能产生一定的影响。电池在发生较大变形时会出现电解液泄漏和瞬间短路现象,短路后电池的温度在短时间内会急剧升高。在径向压缩实验中,当荷电状态较高、加载速度较快时,电池在发生变形后会出现爆炸喷火等剧烈的热失控现象。研究锂离子电池在受到外载荷作用时的机械完整性对汽车的安全性设计具有十分重要的意义。