当期目录

2020-04期封面
2020, 34(4): 0-0.
摘要:
2020-04期目录
2020, 34(4): 1-2.
摘要:
拉曼光谱在高压地球科学中的应用
钙铝榴石-钙铁榴石固溶体的拉曼光谱
王一川
2020, 34(4): 040101. doi: 10.11858/gywlxb.20200512
摘要:
为了研究Al3+-Fe3+离子替代对固溶体结构的影响,进行了钙铝榴石-钙铁榴石固溶体的拉曼光谱研究。结果表明:钙铝榴石、钙铁榴石端元分别观测到20和19个拉曼峰,多数峰位随成分呈连续、线性变化,光谱中未发现双模式振动;中频峰峰位变化较大,可能与结构联动或耦合振动有关;由于结构对称性降低,振动光谱中发现了额外峰;拉曼峰宽化现象与有序度降低及结构的畸变有关。通过单参数的Margules方程拟合半峰宽,预测了固溶体的混合焓特征。
Re-H2O体系高温高压化学反应的拉曼证据
赵慧芳, 谭大勇, 姜峰, 谢亚飞, 姜昌国, 罗兴丽, 肖万生
2020, 34(4): 040102. doi: 10.11858/gywlxb.20200518
摘要:
铼片是金刚石对顶砧超高压装置实验中常用的封垫材料,深部水是地球深部物质循环与能量交换的纽带,Re-H2O体系高温高压化学反应研究具有重要的科学和技术意义。比较高温高压与常温常压条件的显微观察和拉曼测试结果表明:Re-H2O体系在高压、高温环境(如40.5 GPa,(1 800 ± 200) K)发生氧化还原反应(\begin{document}${2{{\rm{H}}_2}{\rm{O}} + {\rm{Re}}\;\;\;\begin{matrix}{40.5\;{\rm{GPa}}} \\\hline \hline{1\;800\;{\rm{K}}}\\\end{matrix}\;\;\;{\rm{Re}}{{\rm{O}}_2} + 4{\rm{H}}}$\end{document})生成4价态的铼氧化物(β-ReO2)和零价态的氢(H)。氧化产物β-ReO2的14个特征拉曼峰随着压力卸载向低波数方向连续不等性移动,未观察到还原产物氢原子在高压下与水分子、金属铼及其反应产物β-ReO2和H发生明显相互作用,直到压力卸载至常压时,氢原子发生聚合生成氢分子。Re-H2O体系高温高压化学反应揭示了地球深部的温度、压力以及还原性物质环境中水(羟基)裂解为氢原子,该发现为地幔和核幔边界的深部水裂解反应提供了新的实验证据,为探讨地球深部水的可能地球化学行为提供了重要依据。
自旋-轨道耦合型莫特绝缘体Sr2IrO4的高压拉曼光谱
尹霞, 张建波, 丁阳
2020, 34(4): 040103. doi: 10.11858/gywlxb.20190865
摘要:
5d过渡金属化合物内部的电子相互作用(U)、自旋-轨道耦合(SOC)、晶体场效应呈现既耦合又竞争的复杂关系。这些耦合竞争关系可以在温度、磁场或压力调控下诱发许多新奇的电磁性质,成为当前凝聚态物理的研究热点之一。通过对目前研究最多的化合物Sr2IrO4单晶进行常温高压下的拉曼光谱分析发现,加压至19.6~22.2 GPa时,拉曼光谱在波数为199 cm–1处出现新峰,清楚表明结构发生了相变,而该相变在此前一直无法确认。进一步的研究表明:这种结构相变的发生独立于低温下的磁性相变,可以通过自旋-轨道耦合对高压下Sr2IrO4的磁有序消失起到决定性作用。实验结果揭示了利用莫特绝缘体晶格变化来调控其电磁特性的新途径,也为未来设计新型功能材料提供了新思路。
CuS2的高压拉曼光谱和X射线衍射
姜峰, 赵慧芳, 谢亚飞, 姜昌国, 谭大勇, 肖万生
2020, 34(4): 040104. doi: 10.11858/gywlxb.20200509
摘要:
利用金刚石压腔在高温高压条件下合成了黄铁矿结构CuS2,结合显微拉曼光谱和同步辐射X射线衍射实验,发现黄铁矿结构CuS2在低于30 GPa的压力范围内保持稳定,无结构相变发生。高压拉曼光谱研究结果显示,CuS2的所有拉曼模频率随压力升高呈连续单调线性增加。对X射线衍射实验获得的CuS2体积随压力变化关系进行Birch-Murnaghan状态方程拟合,得到零压晶胞体积V0 = 193.8(5)Å3,体积模量K0 = 99(2)GPa,K0'=4(固定)。运用第一性原理理论计算,得到CuS2的拉曼模频率和晶胞体积随压力变化关系均与实验观测结果保持一致。与其他黄铁矿结构过渡金属二硫化物MS2(M = Mn,Fe,Co,Ni)对比,发现MS6配位八面体大小(M—S键长)主导晶胞的体积大小和晶体的压缩性,并推测CuS2中Cu离子可能以+2价形式存在。研究结果弥补了黄铁矿结构CuS2高压拉曼光谱和X射线衍射研究的缺失,证实其在高温高压下的结构稳定性,对全面认识CuS2的物理化学性质及黄铁矿结构物质的统一规律具有重要价值,对于探索Cu在地球深部的价态和赋存形式也具有指示意义。
高压物性与结构
高压下HBT晶体的弹性性质
李佐, 张凤玲, 廖大麟
2020, 34(4): 041301. doi: 10.11858/gywlxb.20190823
摘要:
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了HBT晶体在常压和高压下的晶格常数和弹性性质及各向异性,利用3种不同理论模型研究了高压下HBT晶体的各向异性性质。研究结果表明:高压下HBT晶体的弹性常数和弹性模量显著增加,晶体表现出高压韧性;同时,高压下HBT晶体具有较大的弹性模量和力学各向异性,随着压强的增大,HBT晶体的各向异性程度减弱。此外,热力学性质计算结果表明,HBT晶体具有较高的德拜温度,并且德拜温度随着压强的增大而升高。
高压下物质的动态响应
饱水细砂岩动态抗拉与抗压强度试验对比研究
王光勇, 余锐, 马东方, 侯远
2020, 34(4): 044101. doi: 10.11858/gywlxb.20190857
摘要:
使用霍普金森压杆(SHPB)装置对天然状态和饱水状态下的细砂岩进行单轴动态压缩试验和动态劈裂试验,研究水和加载速率对细砂岩动态抗拉、抗压强度的影响及其差异性,并且结合数字图像相关(DIC)技术,分析细砂岩动态抗拉、抗压时的破坏机制。试验结果表明:两种状态下的细砂岩动态抗拉、抗压强度有明显的率效应,随着加载速率的增大而增大,且相同加载速率下,细砂岩在饱水状态下比天然状态下的动态抗压强度小,而抗拉强度比天然状态下的大;水的存在对细砂岩动态抗压强度和抗拉强度的应变率效应影响不大,但水能提高细砂岩动态抗压和抗拉强度增强因子,并且对细砂岩动态抗拉强度增强因子的提高更显著;在动态受压过程中饱水状态岩样表面的应变集中处较天然状态下明显更少,应变梯度更显著,在动态受拉过程中拉剪效果被削弱。
鸟撞冲击下TC4钛合金平板的变形和破坏
贾林, 李从富, 邹学韬, 姚小虎
2020, 34(4): 044102. doi: 10.11858/gywlxb.20200515
摘要:
为了分析航空用TC4钛合金板材在鸟撞冲击下的动态响应,通过3D-DIC动态变形场测试技术,研究了鸟撞冲击过程中TC4钛合金平板变形场,并基于显式有限元分析软件ABAQUS,建立了鸟撞数值计算模型。将考虑拉压不对称性的修正von Mises屈服准则引入TC4钛合金材料的Johnson-Cook动态本构模型和动态损伤模型中,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)建立了鸟体模型。数值计算和鸟撞实验的对比结果表明,计算应变与实验结果吻合很好,验证了TC4钛合金鸟撞冲击数值分析模型的合理性和可靠性。
对称与非对称钢化夹层玻璃的抗冲击性能
姚芬, 张英杰, 姚蓬飞, 韩阳, 李志强
2020, 34(4): 044103. doi: 10.11858/gywlxb.20190861
摘要:
钢化夹层玻璃的透光性好、安全性能高,广泛应用于汽车、高层建筑等领域。为了研究不同玻璃厚度分布钢化夹层玻璃的抗冲击性能,进行了9种PVB钢化夹层玻璃的落锤冲击实验,分析未破裂状态和破裂状态下钢化夹层玻璃的冲击力、应变和位移随时间的变化规律。同时,利用高速摄像机记录裂纹的产生和扩展情况,分析破裂状态下夹层玻璃的裂纹分布形态。结果表明:钢化夹层玻璃的抗冲击性能与玻璃层数、厚度分布密切相关。双层钢化夹层玻璃中,外层玻璃越厚,内层玻璃越薄,抗冲击性能越好;三层钢化夹层玻璃中,外层玻璃越薄,内层玻璃越厚,抗冲击性能越好。
外界条件对中空结构物内爆冲击波的影响
孟令存, 闫明, 杜志鹏, 张磊
2020, 34(4): 044104. doi: 10.11858/gywlxb.20190849
摘要:
在深水中工作的中空结构物承受巨大的静水压,突然被压溃时会发生内爆,产生冲击波,对周围结构造成损伤。针对内爆冲击波受静水压力、真空体积影响机理不清的问题,开展了光电倍增管水下内爆试验,验证了ABAQUS中CEL耦合计算方法满足光电倍增管内爆模拟精度的要求,并通过数值模拟分析了外界静水压、中空结构物的真空体积对内爆冲击波的影响规律。结果表明:随着静水压、真空体积的增加,冲击波压力峰值呈线性增加,且距离内爆中心越远,冲击波峰值增加越缓慢;冲击波脉宽随静水压力的增加基本保持不变,随真空半径的增加缓慢降低。
应力波在散体颗粒中的传播规律
王秉相, 程普锋, 郑宇轩, 周风华
2020, 34(4): 044202. doi: 10.11858/gywlxb.20200508
摘要:
脆性散体颗粒在受到冲击加载时,会对应力波传播产生显著的衰减作用。基于离散元颗粒流软件PFC3D建立了散体颗粒模型,通过不同加载速率下的数值模拟,研究应力波在散体颗粒中的传播规律和影响因素。结果表明:在冲击加载下,散体颗粒中传播的应力波峰值整体呈指数型衰减,随着传播距离的增大,应力波衰减程度逐渐减小,颗粒破碎程度也逐渐减小;应力波在散体颗粒中传播时会发生显著的波形弥散,并且应力波波长越短,传播过程中的衰减越大;应力波衰减的率相关性本质上是由散体颗粒的冲击破碎引起的,加载速度越大,颗粒破坏程度越大,应力波的衰减程度越大,而在颗粒不破碎的情况下,加载速度增大时,应力波的衰减程度变化不明显。
高围压下砂岩循环加-卸载损伤本构及损伤阈值
刘之喜
2020, 34(4): 044203. doi: 10.11858/gywlxb.20190809
摘要:
在深部巷道掘进过程中,岩体受周期荷载和高地应力共同作用,一般的强度准则无法对岩石的应力-应变曲线进行描述和表征,而高地应力下岩石的循环加-卸载本构是预测深部巷道在周期荷载作用下长期稳定性的关键,因此关于高围压下岩石的本构研究具有一定的工程意义。岩石受外部荷载直至破坏的过程是旧裂纹扩展和新裂纹增长、扩展的过程,已有的研究表明,单位体积岩石裂纹数服从Weibull分布,Griffith准则认为岩石的破坏是由岩石的裂纹扩展所导致的,为此通过对Weibull建立的统计损伤本构扩展,基于裂纹数服从Weibull分布以及裂纹扩展服从Griffith准则,建立了高围压下岩石循环加-卸载统计损伤本构。通过本构的等式变换,对本构损伤阈值进行了研究,并进一步以砂岩的偶数次循环加-卸载试验数据对本构参数进行拟合,得到参数的演化规律,将本构理论值与砂岩奇数次循环加-卸载试验数据对比,验证了本构模型的正确性,为高围压下岩石的循环加-卸载本构研究提供了新的思路。
负梯度泡沫金属中的局部密实化现象
刘冕, 王根伟, 宋辉, 王彬
2020, 34(4): 044204. doi: 10.11858/gywlxb.20190866
摘要:
基于一维非线性的刚性-塑性硬化模型,研究了在恒速冲击作用下负梯度泡沫的冲击波控制方程和传播特性。采用LS-DYNA有限元软件对三维随机Voronoi技术生成的梯度泡沫金属模型进行数值模拟,验证了理论预测,并定义了冲击波模型下梯度泡沫材料的局部密实化应变与第二临界速度。通过对冲击速度、密度梯度、相对密度参数的影响研究发现:冲击波模型的理论解与有限元模型的数值解吻合较好,基于R-PH模型的冲击波理论能较好地预测负梯度泡沫金属的力学性能;局部密实化应变在不同冲击速度下存在3个增长阶段;密度梯度绝对值和相对密度越大,局部密实化应变越小,第二临界速度越大。最后讨论了负梯度泡沫中局部密实化现象对支撑端应力的影响。
超声动态载荷下混凝土过渡区域的损伤演化
王力晓, 陈启东, 刘鑫
2020, 34(4): 044205. doi: 10.11858/gywlxb.20190833
摘要:
混凝土是由粗骨料、水泥砂浆以及过渡区域组成的三相非均质复合材料。混凝土过渡区域(Interfacial transition zone, ITZ)是三相中最薄弱的环节,且难以观测,对混凝土的宏观力学性能有着重要影响。基于ABAQUS的Dynamic/Explicit模块,建立了能反映混凝土基质、骨料形状和 ITZ等真实细观结构的有限元模型,并应用该模型研究了过渡区域对混凝土损伤破坏的影响。研究结果表明:粗骨料的形状对混凝土损伤性能有一定影响,当骨料形状为凸多边形时,其抗损伤性能最弱;混凝土的抗损伤性能随着ITZ强度的降低而减弱,当ITZ的强度高于砂浆的60%时,抗损伤性能逐渐增强;随着ITZ厚度的增加,混凝土的抗损伤能力减弱。
3D打印浆砌层合结构复合材料层间断裂韧性的数值模拟
孟祥生, 武晓东, 张海广
2020, 34(4): 044206. doi: 10.11858/gywlxb.20190827
摘要:
通过有限元数值模拟研究了3D打印浆砌层合结构复合材料的层间断裂韧性。首先建立了基于内聚力原理和位移控制加载法的I型和II型断裂韧性有限元模型,模拟复合材料层间张开和错开的过程,随后通过有限元数值模拟与模型试验对比分析,验证了有限元数值方法的可靠性,最后分析了复合材料初始裂纹长度、断裂韧性、起始界面刚度、界面强度、黏结层厚度以及净距等参数对3D打印浆砌层合结构复合材料层间力学性能的影响。研究结果表明:对I型模型,减小初始裂纹长度、增大断裂韧性和增大黏结层厚度均能提高层间承载能力,起始界面刚度和界面强度的改变对拉伸力峰值无明显变化;对II型模型,减小初始裂纹长度、增强界面强度、增大断裂韧性和减小黏结层厚度均能提高层间承载能力,起始界面刚度的改变对荷载-位移曲线无明显影响。
Dynamic Response of Materials
A Macroscopic Dynamic Constitutive Model for Ceramic Materials
TANG Ruitao, XU Liuyun, WEN Heming, WANG Zihao
2020, 34(4): 044201. doi: 10.11858/gywlxb.20190863
摘要:
A macroscopic constitutive model is presented herein for ceramic materials subjected to dynamic loadings by closely following a previous study on concrete. The equation of state is described by a polynomial equation and the strength model takes into account various effects such as pressure hardening, Lode angle, strain rate, shear damage and tensile softening. In particular, the strength surface of ceramic materials is characterized by a new function which levels out at very high pressures and strain rate effect is taken into account by dynamic increase factor (DIF) which excludes inertial effect. The present model is verified against some available experimental data for ceramic materials in terms of pressure-volumetric response, quasi-static strength surface and strain rate effect. The model is further verified against the data for triaxial test by single element simulation approach and the test data for depth of penetration in AD99.5/RHA struck by tungsten alloy penetrators. Furthermore, comparisons are also made between numerical results of the present model and the JH-2 model. It is demonstrated that the present model can be employed to describe the mechanical behavior of ceramic materials under different loading conditions with reasonable confidence and is advantageous over the existing model.
高压科学应用
水下爆炸作用下高桩码头毁伤效应的数值研究
刘靖晗, 唐廷, 韦灼彬, 李凌锋
2020, 34(4): 045101. doi: 10.11858/gywlxb.20190850
摘要:
为研究水下爆炸对高桩码头的毁伤作用,建立高桩码头全耦合模型,从冲击波传播和气泡脉动两个阶段,通过LS-DYNA程序对水下爆炸作用下高桩码头的毁伤过程进行研究,探讨了水下爆炸作用下高桩码头动态响应和破坏机理,分析了炸药当量对高桩码头毁伤现象的影响,通过高桩码头剩余承载力评估了不同炸药当量的毁伤效应。结果表明:高桩码头毁伤积累主要在气泡第1次膨胀阶段快速发展,在气泡第1次脉动结束后毁伤基本形成;桩基随气泡脉动产生周期性往复变形,桩基顶部和中部为抗爆性能最薄弱部位,桩基浅水区的毁伤程度大于深水区,码头面板和横、纵梁毁伤较弱;随着炸药当量增加,炸药近场桩基发生弯剪破坏,码头横、纵梁连接处以及码头面板相继出现不同程度损伤。
双模成型装药战斗部药型罩结构的正交设计
王彦盛, 李伟兵, 黄炫宁, 王晓鸣
2020, 34(4): 045102. doi: 10.11858/gywlxb.20200537
摘要:
针对双模战斗部小型化设计及其应用问题,利用LS-DYNA仿真软件,研究了双模战斗部药型罩结构参数(药型罩锥角、药型罩壁厚)对双模毁伤元成型性能的影响规律,揭示了各结构参数对双模毁伤元成型性能的控制规律:随着药型罩锥角和壁厚的增大,双模毁伤元的头部速度下降明显。结合正交设计方法,确定了药型罩壁厚是决定两毁伤元头部速度差的主要因素,锥角是决定各毁伤元头部速度的主要因素。得到了双模毁伤元成型性能均较佳的药型罩结构参数组合:药型罩锥角为80°,药型罩上端壁厚为5.0 mm,药型罩下端壁厚为4.0 mm,药型罩倒角弧度半径为10.0 mm。为验证模拟结果,进行了X射线成像试验,数值模拟结果与试验结果吻合较好。研究结果可为双模战斗部的进一步优化设计提供参考依据。
C2H4/N2O预混气体的爆轰性能与火焰淬熄特性
李玉艳, 蒋榕培, 李智鹏, 徐森, 潘峰, 解立峰
2020, 34(4): 045201. doi: 10.11858/gywlxb.20190845
摘要:
采用自制的燃爆实验装置对C2H4/N2O预混气体的爆轰性能与火焰淬熄特性进行了实验研究。结果表明:在大直径有机玻璃管中预混气体均经历了爆燃转爆轰过程,点火初期火焰速度及加速度在内径为5、10和15 mm的管道中依次减小;预混气体中加入CO2(2.4%,质量分数)后,火焰加速进程明显延缓,点火初期处于稳定燃烧阶段;预混气体的稳定爆速为2 207 m/s,爆压为3.92 MPa,与理论值一致;常压下预混火焰在小直径不锈钢管中的临界淬熄管径为0.5~0.7 mm,预混气体火焰传播速度越大,管径越大,淬熄越困难。依据淬熄管径、湍流火焰速度和淬熄管道长度的关系,可计算防回火管道的有效长度,从而为防回火装置设计提供参考。