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doi: 10.11883/bzycj-2024-0486
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为研究温压炸药隧道内爆炸冲击波传播规律和火团热效应，基于OpenFOAM开展温压炸药隧道内爆炸数值模拟，与温压炸药隧道内爆炸试验数据对比验证数值模拟精度，研究沿隧道轴线距离、炸药质量对爆炸冲击波传播特性及火团热效应的影响。研究结果表明：相同装药质量条件下，沿隧道轴线距离大于1/3倍隧道等效圆直径时，爆炸冲击波超压峰值衰减规律和平面波形成距离不随沿隧道轴线距离变化而变化；冲击波平面波形成后，冲量随沿隧道轴线距离的增加先增加后不变。沿隧道轴线相同距离处爆炸，冲击波形成平面波距离随炸药质量的增加而增大；平面波形成后，冲击波超压峰值衰减规律不受装药质量影响，但冲击波冲量随装药质量的增加而增长。受隧道口泄能效应的影响，隧道内爆炸火团总是向近隧道口方向移动，隧道壁面约束使得火团沿隧道轴线垂直方向发展受限；火团轴线方向上出现高温尖端，隧道内轴线方向温度分布呈现“几”字型。进一步建立爆炸火团不同温度轴线方向上传播最大距离与炸药质量的拟合公式，可预测典型温压炸药隧道内爆炸火球不同温度轴线方向上传播最大距离。
为研究温压炸药隧道内爆炸冲击波传播规律和火团热效应，基于OpenFOAM开展温压炸药隧道内爆炸数值模拟，与温压炸药隧道内爆炸试验数据对比验证数值模拟精度，研究沿隧道轴线距离、炸药质量对爆炸冲击波传播特性及火团热效应的影响。研究结果表明：相同装药质量条件下，沿隧道轴线距离大于1/3倍隧道等效圆直径时，爆炸冲击波超压峰值衰减规律和平面波形成距离不随沿隧道轴线距离变化而变化；冲击波平面波形成后，冲量随沿隧道轴线距离的增加先增加后不变。沿隧道轴线相同距离处爆炸，冲击波形成平面波距离随炸药质量的增加而增大；平面波形成后，冲击波超压峰值衰减规律不受装药质量影响，但冲击波冲量随装药质量的增加而增长。受隧道口泄能效应的影响，隧道内爆炸火团总是向近隧道口方向移动，隧道壁面约束使得火团沿隧道轴线垂直方向发展受限；火团轴线方向上出现高温尖端，隧道内轴线方向温度分布呈现“几”字型。进一步建立爆炸火团不同温度轴线方向上传播最大距离与炸药质量的拟合公式，可预测典型温压炸药隧道内爆炸火球不同温度轴线方向上传播最大距离。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0298
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摘要:
在军事行动、工业事故等爆炸事件中，爆炸冲击波引起的头部损伤已成为主要致伤形式之一，而爆炸载荷下头部的损伤机理及损伤阈值尚不明确。本文对头部在不同药量及不同传播介质的损伤机理进行了研究。首先，基于欧拉-拉格朗日耦合的方法建立了爆炸冲击波-头部流固耦合模型并对其有效性进行验证；分别从颅骨与脑组织压力、加速度和频率等方面对头部动态响应过程进行了分析。研究发现，爆炸冲击波正面作用于头部时，头部组织均发生高频振动，振动频率可达7kHz，前额骨和脑组织受冲击加速度先大后小并且颅内压呈周期性变化。在水下，额叶、顶叶、颞叶脑组织压力会出现高频的周期性超压波动，并且在前额骨会产生2097kPa的超压峰值，远超重度脑损伤阈值235kPa。在水中脑组织受到的压力峰值是空气中的6倍，加速度比空气中增加了5倍，频率增加了2倍。研究成果为爆炸冲击波对人体损伤的机制提供了新的视角，也为未来的防护措施制定提供了重要的参考依据。
在军事行动、工业事故等爆炸事件中，爆炸冲击波引起的头部损伤已成为主要致伤形式之一，而爆炸载荷下头部的损伤机理及损伤阈值尚不明确。本文对头部在不同药量及不同传播介质的损伤机理进行了研究。首先，基于欧拉-拉格朗日耦合的方法建立了爆炸冲击波-头部流固耦合模型并对其有效性进行验证；分别从颅骨与脑组织压力、加速度和频率等方面对头部动态响应过程进行了分析。研究发现，爆炸冲击波正面作用于头部时，头部组织均发生高频振动，振动频率可达7kHz，前额骨和脑组织受冲击加速度先大后小并且颅内压呈周期性变化。在水下，额叶、顶叶、颞叶脑组织压力会出现高频的周期性超压波动，并且在前额骨会产生2097kPa的超压峰值，远超重度脑损伤阈值235kPa。在水中脑组织受到的压力峰值是空气中的6倍，加速度比空气中增加了5倍，频率增加了2倍。研究成果为爆炸冲击波对人体损伤的机制提供了新的视角，也为未来的防护措施制定提供了重要的参考依据。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0454
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摘要:
冲击损伤和疲劳问题是航空和轨交等国防和民生重点领域所面临的新挑战，先进制造工艺的应用使得这一场景下的力学分析和寿命研究变得更为困难。当前尚无既能考虑金属多尺度微结构特点等微观特性、又便捷易用的金属跨尺度冲击损伤和疲劳性能的预测和设计方法。本文立足于冲击损伤和疲劳过程中的金属塑性力学机理，研究了冲击损伤过程中尺度效应影响下的材料构效行为，建立了金属材料的去局域化、跨尺度冲击本构关系和模型，形成了面向先进制造的多尺度微结构金属材料的冲击损伤和疲劳仿真方法。该方法利用低阶应变梯度理论（CMSG）实现尺度效应描述，并兼顾了一种形如Johnson-Cook的冲击动力学模型和一个修正改进的Lemaitre冲击损伤模型，并可以在VUMAT子程序中便捷地实现该本构的有限元计算，模拟结果表明本文的本构能够较好地描述具有微结构尺度效应的金属材料在冲击和多次冲击载荷下的力学响应。同时，有限元的模拟表明材料微结构所致的不均匀变形带来了较高的应变梯度，进一步放大了冲击过程的率硬化效应，使得材料的在冲击载荷下的应力和应变水平进一步提高，导致材料更快地进入损伤阶段，使材料承载力降低或提前失效，这与金属材料在强度与韧性间的拮抗关系相一致。
冲击损伤和疲劳问题是航空和轨交等国防和民生重点领域所面临的新挑战，先进制造工艺的应用使得这一场景下的力学分析和寿命研究变得更为困难。当前尚无既能考虑金属多尺度微结构特点等微观特性、又便捷易用的金属跨尺度冲击损伤和疲劳性能的预测和设计方法。本文立足于冲击损伤和疲劳过程中的金属塑性力学机理，研究了冲击损伤过程中尺度效应影响下的材料构效行为，建立了金属材料的去局域化、跨尺度冲击本构关系和模型，形成了面向先进制造的多尺度微结构金属材料的冲击损伤和疲劳仿真方法。该方法利用低阶应变梯度理论（CMSG）实现尺度效应描述，并兼顾了一种形如Johnson-Cook的冲击动力学模型和一个修正改进的Lemaitre冲击损伤模型，并可以在VUMAT子程序中便捷地实现该本构的有限元计算，模拟结果表明本文的本构能够较好地描述具有微结构尺度效应的金属材料在冲击和多次冲击载荷下的力学响应。同时，有限元的模拟表明材料微结构所致的不均匀变形带来了较高的应变梯度，进一步放大了冲击过程的率硬化效应，使得材料的在冲击载荷下的应力和应变水平进一步提高，导致材料更快地进入损伤阶段，使材料承载力降低或提前失效，这与金属材料在强度与韧性间的拮抗关系相一致。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0346
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摘要:
为了研究循环冲击作用下砂岩型铀矿裂缝及渗透率特征，基于SHPB实验、CT扫描及三维重构、渗透率测试及数值模拟等技术，研究了不同冲击次数试样动态力学性能、孔裂缝参数演化、微观渗流特征响应等，结果表明：循环冲击使得试样产生累积损伤，降低了其动态力学性能，随着冲击次数的增加，试样内能量循环蓄积-释放，导致裂缝“扩展-压实-再扩展-再压实”；循环冲击过程中，试样内部小而孤立的裂缝逐步形成大且相互贯通的裂缝，而中裂缝同时存在错断、连通的双重效应，呈现非线性变化特征；循环冲击作用使得试样内产生更多复杂裂缝，导致流体渗流通道更多、渗流规模更大，但裂缝壁面的粗糙性和较多的喉道也对流体渗流起到一定的抑制作用。受制于冲击后矿物碎屑堵塞、围压、三维重构精度等影响，数值模拟渗透率要大于实测渗透率，但数值模拟更能反映循环冲击后试样裂缝微观渗流过程，有助于研究爆破后砂岩型铀矿裂缝非均匀渗流行为。
为了研究循环冲击作用下砂岩型铀矿裂缝及渗透率特征，基于SHPB实验、CT扫描及三维重构、渗透率测试及数值模拟等技术，研究了不同冲击次数试样动态力学性能、孔裂缝参数演化、微观渗流特征响应等，结果表明：循环冲击使得试样产生累积损伤，降低了其动态力学性能，随着冲击次数的增加，试样内能量循环蓄积-释放，导致裂缝“扩展-压实-再扩展-再压实”；循环冲击过程中，试样内部小而孤立的裂缝逐步形成大且相互贯通的裂缝，而中裂缝同时存在错断、连通的双重效应，呈现非线性变化特征；循环冲击作用使得试样内产生更多复杂裂缝，导致流体渗流通道更多、渗流规模更大，但裂缝壁面的粗糙性和较多的喉道也对流体渗流起到一定的抑制作用。受制于冲击后矿物碎屑堵塞、围压、三维重构精度等影响，数值模拟渗透率要大于实测渗透率，但数值模拟更能反映循环冲击后试样裂缝微观渗流过程，有助于研究爆破后砂岩型铀矿裂缝非均匀渗流行为。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0502
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摘要:
多孔材料在冲击压缩过程中伴随着孔隙坍塌行为，本文基于前人开展的试验中所观测到的冲击波结构，对多孔材料的冲击波形成过程及孔隙坍塌行为间的联系进行了理论分析。首先，考虑多孔材料的压缩曲线特性和冲击波追赶问题，提出了多孔材料的冲击波结构存在低压单波模式、双冲击波模式和、高压单波三种模式。进一步，结合Wu-Jing物态方程发展了与不同冲击波模式相容的冲击压缩特性计算方法，得到了与单冲击波模式相容的冲击比容计算方程，可以无需采取近似条件直接计算临界比容。此外，通过对弹性阶段与弹塑性阶段材料的孔隙度随压力的变化规律采取线性近似，并考虑了多孔材料中基体材料受力与宏观应力之间的关系，修正了Carroll建立的孔隙坍塌关系方程。基于本文发展的考虑孔隙坍塌行为的冲击压缩特性计算模型，对材料的Hugoniot数据进行了计算，讨论了孔隙坍塌行为对多孔材料冲击压缩特性的影响。结果表明在较低压力时材料的冲击物态特性受孔隙坍塌行为影响明显，本文模型能够更加精确地预测多孔材料的冲击波参量。
多孔材料在冲击压缩过程中伴随着孔隙坍塌行为，本文基于前人开展的试验中所观测到的冲击波结构，对多孔材料的冲击波形成过程及孔隙坍塌行为间的联系进行了理论分析。首先，考虑多孔材料的压缩曲线特性和冲击波追赶问题，提出了多孔材料的冲击波结构存在低压单波模式、双冲击波模式和、高压单波三种模式。进一步，结合Wu-Jing物态方程发展了与不同冲击波模式相容的冲击压缩特性计算方法，得到了与单冲击波模式相容的冲击比容计算方程，可以无需采取近似条件直接计算临界比容。此外，通过对弹性阶段与弹塑性阶段材料的孔隙度随压力的变化规律采取线性近似，并考虑了多孔材料中基体材料受力与宏观应力之间的关系，修正了Carroll建立的孔隙坍塌关系方程。基于本文发展的考虑孔隙坍塌行为的冲击压缩特性计算模型，对材料的Hugoniot数据进行了计算，讨论了孔隙坍塌行为对多孔材料冲击压缩特性的影响。结果表明在较低压力时材料的冲击物态特性受孔隙坍塌行为影响明显，本文模型能够更加精确地预测多孔材料的冲击波参量。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0363
PDF(7)
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软管锥套式空中加油过程涉及气动力、燃油流动、柔性结构变形的复杂耦合，其耦合求解对仿真技术要求高、计算量大，严重制约了软管空中加油的准确性与安全性。为了准确分析软管锥套组合体在对接输油过程中的动力学特性，避开动力学方程建模的劣势，提出了一种考虑气动力、尾涡、软管变形与气流场双向影响、燃油内部流动综合影响下软管锥套组合体结构变形过程的流固耦合有限元模型及求解方法。模型中计算了稳定伞的作用效果并等效解耦成力和转角边界条件，推导了机翼尾涡作用力方程，采用联合仿真技术进行了流固耦合分析。将软管拖曳平衡状态的计算结果与真实试验数据对比，吻合性良好。通过进一步仿真计算，对燃油流动、对接参数及飞行参数等甩鞭现象产生的影响因素进行了分析。结果表明，对接速度和回收加速度的匹配关系是甩鞭载荷的主要影响因素，回收加速度与最优匹配对接速度大小正相关。其次，飞行参数是次要影响因素，在不考虑燃油流动时，每一种高度下都呈现出“飞行速度越高，甩鞭载荷越低”的特点。燃油流动是一项干扰因素，一定程度会干扰上述规律，但不会影响整体规律，需要针对工况进行分析。
软管锥套式空中加油过程涉及气动力、燃油流动、柔性结构变形的复杂耦合，其耦合求解对仿真技术要求高、计算量大，严重制约了软管空中加油的准确性与安全性。为了准确分析软管锥套组合体在对接输油过程中的动力学特性，避开动力学方程建模的劣势，提出了一种考虑气动力、尾涡、软管变形与气流场双向影响、燃油内部流动综合影响下软管锥套组合体结构变形过程的流固耦合有限元模型及求解方法。模型中计算了稳定伞的作用效果并等效解耦成力和转角边界条件，推导了机翼尾涡作用力方程，采用联合仿真技术进行了流固耦合分析。将软管拖曳平衡状态的计算结果与真实试验数据对比，吻合性良好。通过进一步仿真计算，对燃油流动、对接参数及飞行参数等甩鞭现象产生的影响因素进行了分析。结果表明，对接速度和回收加速度的匹配关系是甩鞭载荷的主要影响因素，回收加速度与最优匹配对接速度大小正相关。其次，飞行参数是次要影响因素，在不考虑燃油流动时，每一种高度下都呈现出“飞行速度越高，甩鞭载荷越低”的特点。燃油流动是一项干扰因素，一定程度会干扰上述规律，但不会影响整体规律，需要针对工况进行分析。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0300
PDF(9)
摘要:
爆炸冲击波具有鲜明的特征参数，在实验复现时具有难度大、可重复性差的问题。而大型激波管的构建为解决这一问题提供低成本、高效率的实验平台，且能规避小尺度缩尺实验中由于尺寸效应造成的实验结果不准确。应用大型激波管产生不同种类冲击加载的具体驱动方法仍值得深入研究。其中，利用大型激波管氢氧爆轰模拟爆炸波的可行性问题，已由中国科学院力学研究所基于大型激波风洞进行的大量实验研究加以论证，但目前仍然缺乏利用大型激波管直接模拟炸药爆炸冲击波形的研究。因此，进行大型激波管内氢氧爆轰驱动方式下冲击波生成与传播过程的数值模拟研究，并基于模拟研究结果提出在大型激波管内对爆炸冲击波的模拟复现条件。首先，根据现存大型激波设备结构特点，建立具有驱动管、激波整形段和变截面出口特征的大型激波管二维模型。冲击波的生成与传播过程使用含有七步氢氧反应模型的二维非定常粘性可压缩流体控制方程表达，湍流模型选取RNG k-ε模型，并选用二维瞬态耦合式求解器进行数值模拟计算。其次，通过数值模拟计算研究在大型激波管采用氢氧爆轰驱动方式时，驱动初始条件、低反应活性气体掺混、激波管构型等一系列因素对于爆轰形成冲击波波形的影响，并提出其影响规律。最后，选取黑火药爆炸冲击波实验数据作为目标，依据数值计算结果，模拟了大型激波管中冲击波波形调控过程，实现了在大型激波管中利用氢氧爆轰驱动方式对爆炸冲击波的模拟复现。
爆炸冲击波具有鲜明的特征参数，在实验复现时具有难度大、可重复性差的问题。而大型激波管的构建为解决这一问题提供低成本、高效率的实验平台，且能规避小尺度缩尺实验中由于尺寸效应造成的实验结果不准确。应用大型激波管产生不同种类冲击加载的具体驱动方法仍值得深入研究。其中，利用大型激波管氢氧爆轰模拟爆炸波的可行性问题，已由中国科学院力学研究所基于大型激波风洞进行的大量实验研究加以论证，但目前仍然缺乏利用大型激波管直接模拟炸药爆炸冲击波形的研究。因此，进行大型激波管内氢氧爆轰驱动方式下冲击波生成与传播过程的数值模拟研究，并基于模拟研究结果提出在大型激波管内对爆炸冲击波的模拟复现条件。首先，根据现存大型激波设备结构特点，建立具有驱动管、激波整形段和变截面出口特征的大型激波管二维模型。冲击波的生成与传播过程使用含有七步氢氧反应模型的二维非定常粘性可压缩流体控制方程表达，湍流模型选取RNG k-ε模型，并选用二维瞬态耦合式求解器进行数值模拟计算。其次，通过数值模拟计算研究在大型激波管采用氢氧爆轰驱动方式时，驱动初始条件、低反应活性气体掺混、激波管构型等一系列因素对于爆轰形成冲击波波形的影响，并提出其影响规律。最后，选取黑火药爆炸冲击波实验数据作为目标，依据数值计算结果，模拟了大型激波管中冲击波波形调控过程，实现了在大型激波管中利用氢氧爆轰驱动方式对爆炸冲击波的模拟复现。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0455
PDF(4)
摘要:
为了选择适合水中大距离非接触性侵彻毁伤的聚能装药结构，针对爆炸成型弹丸（explosively formed projectile, EFP）、杆式射流（jetting projectile charge, JPC）、聚能射流（shaped charge jet, JET）三种典型聚能装药结构，开展了不同侵彻体入水前、着靶前、穿靶后的速度测试及对水中双层间隔靶的侵彻试验。建立了靶前水介质长度在0~100 cm时的水中侵彻数值计算模型，分析了不同靶前水介质长度对侵彻过程中侵彻体和前向冲击波到达时序、侵彻体着靶速度及穿靶性能的影响。研究结果表明：三种聚能装药侵彻水中间隔靶板时，前向冲击波均先于侵彻体到达靶板。随着水介质长度增加，前靶板处的前向冲击波压力峰值呈线性下降，后靶板处的前向冲击波压力峰值呈非线性下降。EFP、JPC和JET速度随着水介质增加呈非线性下降，其JET靶前速度约是JPC的2倍左右；对于靶前水介质长度不大于25cm时，EFP在前靶板上形成的最大穿孔直径达到了5 cm，是JPC穿孔直径的1.3倍，是JET穿孔直径的3倍。在靶前水介质长度在0~100 cm时，JPC和JET对双层间隔靶均具有较好的侵彻效果，且JPC的侵彻性能要优于JET。
为了选择适合水中大距离非接触性侵彻毁伤的聚能装药结构，针对爆炸成型弹丸（explosively formed projectile, EFP）、杆式射流（jetting projectile charge, JPC）、聚能射流（shaped charge jet, JET）三种典型聚能装药结构，开展了不同侵彻体入水前、着靶前、穿靶后的速度测试及对水中双层间隔靶的侵彻试验。建立了靶前水介质长度在0~100 cm时的水中侵彻数值计算模型，分析了不同靶前水介质长度对侵彻过程中侵彻体和前向冲击波到达时序、侵彻体着靶速度及穿靶性能的影响。研究结果表明：三种聚能装药侵彻水中间隔靶板时，前向冲击波均先于侵彻体到达靶板。随着水介质长度增加，前靶板处的前向冲击波压力峰值呈线性下降，后靶板处的前向冲击波压力峰值呈非线性下降。EFP、JPC和JET速度随着水介质增加呈非线性下降，其JET靶前速度约是JPC的2倍左右；对于靶前水介质长度不大于25cm时，EFP在前靶板上形成的最大穿孔直径达到了5 cm，是JPC穿孔直径的1.3倍，是JET穿孔直径的3倍。在靶前水介质长度在0~100 cm时，JPC和JET对双层间隔靶均具有较好的侵彻效果，且JPC的侵彻性能要优于JET。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0411
PDF(9)
摘要:
针对车辆爆炸防护结构优化中数据来源匮乏、代理模型精度低、优化效率低和可靠性不足的问题，提出了一种数据增广方法结合半监督回归的数据驱动方法。通过改进对抗生成网络（GAN），提出了GDE-WGAN；分别采用GDE-WGAN、高斯模型、最优拉丁超立方方法，并结合半监督支持向量回归，对原始数据集进行增广，通过对比不同方法的数据增广效果，验证了GDE-WGAN的可行性与优越性；通过多目标优化分别求解数据增广前后代理模型的最优解，并通过有限元仿真验证比较。研究表明，GDE-WGAN结合半监督回归的方法可以显著提升代理模型精度，两个输出变量的精度分别提升了16.7%和4.2%。结合半监督回归的数据增广优化方法在准确性和优化效率方面具有较大提升。
针对车辆爆炸防护结构优化中数据来源匮乏、代理模型精度低、优化效率低和可靠性不足的问题，提出了一种数据增广方法结合半监督回归的数据驱动方法。通过改进对抗生成网络（GAN），提出了GDE-WGAN；分别采用GDE-WGAN、高斯模型、最优拉丁超立方方法，并结合半监督支持向量回归，对原始数据集进行增广，通过对比不同方法的数据增广效果，验证了GDE-WGAN的可行性与优越性；通过多目标优化分别求解数据增广前后代理模型的最优解，并通过有限元仿真验证比较。研究表明，GDE-WGAN结合半监督回归的方法可以显著提升代理模型精度，两个输出变量的精度分别提升了16.7%和4.2%。结合半监督回归的数据增广优化方法在准确性和优化效率方面具有较大提升。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0365
PDF(25)
摘要:
地应力显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为和分布特征，导致深部岩体超/欠挖等问题。本文基于弹性力学理论建立了地应力下岩体预裂爆破理论模型，通过Laplace变换和数值反演的方法分析了爆炸应力波的衰减规律，讨论了地应力对岩体预裂爆破应力场分布的影响。此外，采用显式动力学有限元方法模拟了静水压力和非静水压力条件下岩体预裂爆破的压力演化过程和裂纹扩展行为，并通过Hough变换的方法定量表征了爆炸裂纹的分布特征。研究结果表明：深部岩体预裂爆破成缝困难主要是由于地应力削弱了爆炸引起的切向拉应力作用，孔间岩体质点因切向位移受限而无法形成拉伸破裂面，拉伸破裂成缝机制通过切向拉应力演化和质点位移矢量变化得以验证。基于应力波干涉破坏理论提出的预裂爆破孔间成缝准则可以预测岩体孔间裂纹是否贯穿，得到的不同地应力条件下装药直径和孔距的关系可用于指导预裂孔布置方式，从而为岩体预裂爆破提供理论指导。
地应力显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为和分布特征，导致深部岩体超/欠挖等问题。本文基于弹性力学理论建立了地应力下岩体预裂爆破理论模型，通过Laplace变换和数值反演的方法分析了爆炸应力波的衰减规律，讨论了地应力对岩体预裂爆破应力场分布的影响。此外，采用显式动力学有限元方法模拟了静水压力和非静水压力条件下岩体预裂爆破的压力演化过程和裂纹扩展行为，并通过Hough变换的方法定量表征了爆炸裂纹的分布特征。研究结果表明：深部岩体预裂爆破成缝困难主要是由于地应力削弱了爆炸引起的切向拉应力作用，孔间岩体质点因切向位移受限而无法形成拉伸破裂面，拉伸破裂成缝机制通过切向拉应力演化和质点位移矢量变化得以验证。基于应力波干涉破坏理论提出的预裂爆破孔间成缝准则可以预测岩体孔间裂纹是否贯穿，得到的不同地应力条件下装药直径和孔距的关系可用于指导预裂孔布置方式，从而为岩体预裂爆破提供理论指导。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0466
PDF(7)
摘要:
深部开挖引起的围岩梯度应力和岩层天然赋存的缓倾硬性结构面是影响岩爆特性的重要因素。本文借助气液复合加载的岩爆模拟装置对预制的含不同硬性缓倾结构面大尺寸（400 ×600 × 1000 mm）类岩体试件进行三向加载-单面卸载的应力梯度加载岩爆试验，通过DIC(digital image correlation)、声发射、红外辐射和高速摄影等多种监测手段，研究含缓倾斜结构面试件岩爆演化特征及破坏机制。研究结果表明，缓倾结构面的存在对试件的破坏模式有控制性作用，极大程度上限制了岩爆坑的边界与范围，并加速了岩爆的发生。试件发生岩爆的位置主要分布在试件结构面之间的区域，且该区域的红外辐射值和DIC应变场在破坏之前显著高于卸载面的其它位置。随着缓倾结构面倾角增大，试件声发射峰值能量与累计能量均随之增大，产生剪切破坏占总破坏比例上升，孕育的岩爆烈度增强。研究成果可为深埋高应力地下工程灾害防控与治理提供重要参考。
深部开挖引起的围岩梯度应力和岩层天然赋存的缓倾硬性结构面是影响岩爆特性的重要因素。本文借助气液复合加载的岩爆模拟装置对预制的含不同硬性缓倾结构面大尺寸（400 ×600 × 1000 mm）类岩体试件进行三向加载-单面卸载的应力梯度加载岩爆试验，通过DIC(digital image correlation)、声发射、红外辐射和高速摄影等多种监测手段，研究含缓倾斜结构面试件岩爆演化特征及破坏机制。研究结果表明，缓倾结构面的存在对试件的破坏模式有控制性作用，极大程度上限制了岩爆坑的边界与范围，并加速了岩爆的发生。试件发生岩爆的位置主要分布在试件结构面之间的区域，且该区域的红外辐射值和DIC应变场在破坏之前显著高于卸载面的其它位置。随着缓倾结构面倾角增大，试件声发射峰值能量与累计能量均随之增大，产生剪切破坏占总破坏比例上升，孕育的岩爆烈度增强。研究成果可为深埋高应力地下工程灾害防控与治理提供重要参考。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0283
PDF(7)
摘要:
摘 要：双钢板-混凝土组合墙（SCS墙）已在超高层建筑、核电站等重要工程中得到应用，其在全生命周期内遭受偶然、极端荷载作用下的性能值得关注。鉴于火灾与爆炸通常同时发生，而高温会显著降低钢材和混凝土的力学性能，从而导致结构构件的抗爆性能严重退化。为此，本文采用ABAQUS有限元软件建立了120个火灾-爆炸耦合作用下SCS墙分析模型。首先，基于已有的火灾下耐火极限试验和常温下爆炸试验对有限元模型进行验证；其次，分析了火灾-爆炸耦合作用下SCS墙工作机理，重点研究了受火时间、爆炸当量、含钢率、材料强度、钢筋连接间距与轴压比对抗爆性能的影响规律；最后基于等效单自由度模型提出了火灾-爆炸耦合作用下SCS墙跨中最大挠度的预测公式。研究结果表明：SCS墙在火灾与爆炸耦合作用下主要表现为整体受弯破坏；随着受火时间增加，受火面钢板耗能占比降低，背火面钢板的塑性变形逐渐成为墙体的主要耗能机制；受火时间、爆炸当量与钢材强度对火灾下SCS墙抗爆性能影响明显，而混凝土强度影响较小；基于等效单自由度模型提出的计算公式可较好预测火灾与爆炸耦合作用下SCS墙的跨中最大挠度。
摘 要：双钢板-混凝土组合墙（SCS墙）已在超高层建筑、核电站等重要工程中得到应用，其在全生命周期内遭受偶然、极端荷载作用下的性能值得关注。鉴于火灾与爆炸通常同时发生，而高温会显著降低钢材和混凝土的力学性能，从而导致结构构件的抗爆性能严重退化。为此，本文采用ABAQUS有限元软件建立了120个火灾-爆炸耦合作用下SCS墙分析模型。首先，基于已有的火灾下耐火极限试验和常温下爆炸试验对有限元模型进行验证；其次，分析了火灾-爆炸耦合作用下SCS墙工作机理，重点研究了受火时间、爆炸当量、含钢率、材料强度、钢筋连接间距与轴压比对抗爆性能的影响规律；最后基于等效单自由度模型提出了火灾-爆炸耦合作用下SCS墙跨中最大挠度的预测公式。研究结果表明：SCS墙在火灾与爆炸耦合作用下主要表现为整体受弯破坏；随着受火时间增加，受火面钢板耗能占比降低，背火面钢板的塑性变形逐渐成为墙体的主要耗能机制；受火时间、爆炸当量与钢材强度对火灾下SCS墙抗爆性能影响明显，而混凝土强度影响较小；基于等效单自由度模型提出的计算公式可较好预测火灾与爆炸耦合作用下SCS墙的跨中最大挠度。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0446
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针对舰船结构舱内爆炸响应试验，船用特种钢材价格昂贵，极大增加试验成本，故由此开展舱内爆炸响应试验中普通钢材替代特种钢材的等效性研究。为确定不同材料靶板之间的等效关系，基于靶板结构中心点变形相似原则，考虑靶板不破的情况下，采用量纲分析的方法，提出靶板材料等效替换方法。运用有限元分析软件ATUODYN对封闭空间内爆炸载荷作用在921A钢、907A钢、Q235钢、Q355钢四种不同型号钢制靶板过程进行数值仿真，得到计算结果与试验结果最大误差值为5.6%，验证了数值仿真方法的正确性。通过对数值仿真计算得到的等效板厚拟合，结合不同材料靶板等效板厚与动态屈服强度之间的经验公式，验证了所提不同型号钢制靶板在舱内爆炸载荷作用下的等效方法具有合理性和良好的适用性。为用普通船用钢材替代船用特种钢材进行舱内爆炸试验提供了理论依据和数据参考。
针对舰船结构舱内爆炸响应试验，船用特种钢材价格昂贵，极大增加试验成本，故由此开展舱内爆炸响应试验中普通钢材替代特种钢材的等效性研究。为确定不同材料靶板之间的等效关系，基于靶板结构中心点变形相似原则，考虑靶板不破的情况下，采用量纲分析的方法，提出靶板材料等效替换方法。运用有限元分析软件ATUODYN对封闭空间内爆炸载荷作用在921A钢、907A钢、Q235钢、Q355钢四种不同型号钢制靶板过程进行数值仿真，得到计算结果与试验结果最大误差值为5.6%，验证了数值仿真方法的正确性。通过对数值仿真计算得到的等效板厚拟合，结合不同材料靶板等效板厚与动态屈服强度之间的经验公式，验证了所提不同型号钢制靶板在舱内爆炸载荷作用下的等效方法具有合理性和良好的适用性。为用普通船用钢材替代船用特种钢材进行舱内爆炸试验提供了理论依据和数据参考。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0315
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为研究硝酸酯增塑聚醚固体推进剂内部结构损伤演化行为，采用同步辐射X射线三维成像和自主研发的原位压缩试验系统，在0.1、1.0和5.0 mm/s加载速率下进行了宏细观结构的原位可视化观测，探究了推进剂宏观变形及其内部微裂纹的空间分布与传播模式。结果表明，微裂纹主要形核并生长于填充颗粒与基体界面处，细观孔隙的演化表现出率相关性。与拉伸加载下损伤持续生长不同，压缩过程中孔隙形核、生长与闭合并存。尤其在高速压缩下，推进剂产生“喇叭”状形貌且微裂纹沿四周分布，表面宏观破坏由近表面颗粒与基体界面处微裂纹扩展传播所致。研究还发现，微裂纹的传播与填充颗粒的空间位置相关，在动态压缩载荷作用下，微裂纹存在横向和轴向两种扩展模式；基体竖直取向微裂纹易发生向水平取向微裂纹的转变，从而导致裂纹闭合。
为研究硝酸酯增塑聚醚固体推进剂内部结构损伤演化行为，采用同步辐射X射线三维成像和自主研发的原位压缩试验系统，在0.1、1.0和5.0 mm/s加载速率下进行了宏细观结构的原位可视化观测，探究了推进剂宏观变形及其内部微裂纹的空间分布与传播模式。结果表明，微裂纹主要形核并生长于填充颗粒与基体界面处，细观孔隙的演化表现出率相关性。与拉伸加载下损伤持续生长不同，压缩过程中孔隙形核、生长与闭合并存。尤其在高速压缩下，推进剂产生“喇叭”状形貌且微裂纹沿四周分布，表面宏观破坏由近表面颗粒与基体界面处微裂纹扩展传播所致。研究还发现，微裂纹的传播与填充颗粒的空间位置相关，在动态压缩载荷作用下，微裂纹存在横向和轴向两种扩展模式；基体竖直取向微裂纹易发生向水平取向微裂纹的转变，从而导致裂纹闭合。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0453
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摘要：为研究民航客机用高性能碳纤维复合材料的冰雹撞击损伤特性，通过试验首先对冰球在高速冲击下的撞击力特性进行研究，给出了冲击力时程曲线以及峰值冲击力与冰球动能的线性增长关系；随后对T800/3200碳纤维复合材料层合板进行单次冰球撞击，根据高速摄影发现其损伤形态和损伤程度与冰球的初速度有关，同时超声C扫描结果表明其内部层间脱粘面积与冰球撞击时的动能呈线性增长关系；而后又对相同厚度的靶板进行了冰球重复撞击试验，其宏观损伤程度随撞击次数增加而加重，且碳纤维板中心点挠度与冰球累积动能呈二次关系，并最终呈现前后贯穿且伴有大量纤维拔出的损伤形态。
摘要：为研究民航客机用高性能碳纤维复合材料的冰雹撞击损伤特性，通过试验首先对冰球在高速冲击下的撞击力特性进行研究，给出了冲击力时程曲线以及峰值冲击力与冰球动能的线性增长关系；随后对T800/3200碳纤维复合材料层合板进行单次冰球撞击，根据高速摄影发现其损伤形态和损伤程度与冰球的初速度有关，同时超声C扫描结果表明其内部层间脱粘面积与冰球撞击时的动能呈线性增长关系；而后又对相同厚度的靶板进行了冰球重复撞击试验，其宏观损伤程度随撞击次数增加而加重，且碳纤维板中心点挠度与冰球累积动能呈二次关系，并最终呈现前后贯穿且伴有大量纤维拔出的损伤形态。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0177
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为研究近爆载荷作用下高强钢板的抗爆性能，首先利用ANSYS/LS-DYNA软件开展了高强钢材料的SHPB冲击试验模拟，标定了表征高强钢动态本构的Johnson-Cook模型参数；基于该参数开展了84组近爆条件下高强钢板的爆炸模拟，系统分析了爆炸冲击波与钢板的相互作用过程，阐明了钢板的宽度及厚度等几何参数对其变形特征与破坏模式的影响规律。此外，通过汇总分析数值模拟结果，进一步提供了近爆作用下高强钢板最大变形位移的预测模型。研究表明：Johnson-Cook模型能有效模拟高强钢在高应变率下的力学行为；在冲击波传播方面，高强钢板厚度的增加会削弱冲击波穿透钢板后的影响范围；针对不同几何参数的高强钢板，近距离爆炸荷载会造成花瓣形破口、小破口以及大变形3种毁伤模式，且钢板厚度是决定其破坏模式的重要因素；在大变形毁伤模式下，钢板厚度的增加或边长的减小会提高其抗爆能力，故宽厚比与钢板抗爆性能之间呈现正相关的关系。
为研究近爆载荷作用下高强钢板的抗爆性能，首先利用ANSYS/LS-DYNA软件开展了高强钢材料的SHPB冲击试验模拟，标定了表征高强钢动态本构的Johnson-Cook模型参数；基于该参数开展了84组近爆条件下高强钢板的爆炸模拟，系统分析了爆炸冲击波与钢板的相互作用过程，阐明了钢板的宽度及厚度等几何参数对其变形特征与破坏模式的影响规律。此外，通过汇总分析数值模拟结果，进一步提供了近爆作用下高强钢板最大变形位移的预测模型。研究表明：Johnson-Cook模型能有效模拟高强钢在高应变率下的力学行为；在冲击波传播方面，高强钢板厚度的增加会削弱冲击波穿透钢板后的影响范围；针对不同几何参数的高强钢板，近距离爆炸荷载会造成花瓣形破口、小破口以及大变形3种毁伤模式，且钢板厚度是决定其破坏模式的重要因素；在大变形毁伤模式下，钢板厚度的增加或边长的减小会提高其抗爆能力，故宽厚比与钢板抗爆性能之间呈现正相关的关系。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0485
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为了准确预测冲击爆炸荷载作用下混凝土材料的动态拉伸断裂破坏，基于非常规态近场动力学理论框架，本文首先建立了修正的Monaghan人工体积粘性计算方法用于消除数值振荡，然后将前期建立的等效计算应变率方法植入到课题组前期研发的Kong-Fang模型中，用以准确计算应变率突变时的应变率效应。在此基础上，开展了一维杆中的弹性波传播的数值模拟，发现在力矢量状态上额外附加修正的Monaghan人工体积粘性力矢量状态，可有效地抑制由变形梯度近似导致的非物理数值振荡现象，进而讨论分析了人工体积粘性参数的影响并给出参数建议值。最后将模型用于混凝土试件层裂的数值模拟，对比分析了人工体积粘性、不同应变率效应计算方法对动态拉伸断裂预测结果的影响规律，数值模拟结果表明，准确预测混凝土材料动态拉伸断裂破坏需同时考虑人工体积粘性和等效计算应变率，建立的考虑人工体积粘性和等效计算应变率的非常规态近场动力学模型可以较好地预测裂缝位置和数量，为冲击爆炸荷载作用下混凝土材料动态拉伸断裂破坏的数值模拟提供了新思路。
为了准确预测冲击爆炸荷载作用下混凝土材料的动态拉伸断裂破坏，基于非常规态近场动力学理论框架，本文首先建立了修正的Monaghan人工体积粘性计算方法用于消除数值振荡，然后将前期建立的等效计算应变率方法植入到课题组前期研发的Kong-Fang模型中，用以准确计算应变率突变时的应变率效应。在此基础上，开展了一维杆中的弹性波传播的数值模拟，发现在力矢量状态上额外附加修正的Monaghan人工体积粘性力矢量状态，可有效地抑制由变形梯度近似导致的非物理数值振荡现象，进而讨论分析了人工体积粘性参数的影响并给出参数建议值。最后将模型用于混凝土试件层裂的数值模拟，对比分析了人工体积粘性、不同应变率效应计算方法对动态拉伸断裂预测结果的影响规律，数值模拟结果表明，准确预测混凝土材料动态拉伸断裂破坏需同时考虑人工体积粘性和等效计算应变率，建立的考虑人工体积粘性和等效计算应变率的非常规态近场动力学模型可以较好地预测裂缝位置和数量，为冲击爆炸荷载作用下混凝土材料动态拉伸断裂破坏的数值模拟提供了新思路。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0284
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气体爆燃转爆轰（Deflagration-to-Detonation Transition，DDT）研究对于工业爆炸预防、爆轰推进技术研发等领域具有重要意义。障碍物交错阵列是气体燃爆场景可能涉及的一类典型障碍物布局，其存在通常可显著促进DDT发生。鉴于目前对障碍物交错阵列内DDT现象的认识不足，采用高精度算法和动态自适应网格求解完全可压缩反应性Navier-Stokes方程，对不同障碍物间距条件下方形障碍物交错阵列内预混氢-空气DDT引发过程进行数值模拟研究。结果表明：减小障碍物间距有利于在火焰加速前期增加火焰面积、后期增强激波压缩未燃气体，从而缩短DDT时间和距离。不过，当障碍物间距减小至一阈值时会出现结巴式爆轰，使DDT距离增加。DDT主要由障碍物前壁反射激波与火焰相互作用引起。爆轰绕过障碍物时发生局部解耦，然后在与壁面或来自障碍物另一侧的激波和失效爆轰波碰撞时可能引发爆轰再起爆。若障碍物间距太小，激波强度随爆轰解耦衰减严重，易导致爆轰失效。方形障碍物交错阵列比圆形更易引发DDT，因前者可在垂直和平行于火焰传播方向产生反射激波，有助于激波作用于火焰和未燃气体。
气体爆燃转爆轰（Deflagration-to-Detonation Transition，DDT）研究对于工业爆炸预防、爆轰推进技术研发等领域具有重要意义。障碍物交错阵列是气体燃爆场景可能涉及的一类典型障碍物布局，其存在通常可显著促进DDT发生。鉴于目前对障碍物交错阵列内DDT现象的认识不足，采用高精度算法和动态自适应网格求解完全可压缩反应性Navier-Stokes方程，对不同障碍物间距条件下方形障碍物交错阵列内预混氢-空气DDT引发过程进行数值模拟研究。结果表明：减小障碍物间距有利于在火焰加速前期增加火焰面积、后期增强激波压缩未燃气体，从而缩短DDT时间和距离。不过，当障碍物间距减小至一阈值时会出现结巴式爆轰，使DDT距离增加。DDT主要由障碍物前壁反射激波与火焰相互作用引起。爆轰绕过障碍物时发生局部解耦，然后在与壁面或来自障碍物另一侧的激波和失效爆轰波碰撞时可能引发爆轰再起爆。若障碍物间距太小，激波强度随爆轰解耦衰减严重，易导致爆轰失效。方形障碍物交错阵列比圆形更易引发DDT，因前者可在垂直和平行于火焰传播方向产生反射激波，有助于激波作用于火焰和未燃气体。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0153
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摘要:
撞击溅射是撞击过程的重要组成部分，在深空探测领域中的小行星附着固锚、撞击采样、动能撞击偏转、星球表面溅射沉积物分布等工程应用与科学分析中发挥着重要作用。小行星表面多覆盖有砾石堆状风化层，实验室通常利用颗粒状靶体进行模拟并开展实验研究。本文综述了颗粒靶体撞击溅射行为的研究进展，介绍了颗粒靶体撞击溅射形成过程及溅射幕的描述方法；剖析了基于量纲分析的撞击溅射相似律及其适用范围与局限性；总结了靶体材料参数、撞击参数、靶体表面形貌及撞击体形状与结构等因素对撞击溅射行为的影响。最后提出了颗粒靶体撞击溅射行为研究存在的问题及待开展的研究。
撞击溅射是撞击过程的重要组成部分，在深空探测领域中的小行星附着固锚、撞击采样、动能撞击偏转、星球表面溅射沉积物分布等工程应用与科学分析中发挥着重要作用。小行星表面多覆盖有砾石堆状风化层，实验室通常利用颗粒状靶体进行模拟并开展实验研究。本文综述了颗粒靶体撞击溅射行为的研究进展，介绍了颗粒靶体撞击溅射形成过程及溅射幕的描述方法；剖析了基于量纲分析的撞击溅射相似律及其适用范围与局限性；总结了靶体材料参数、撞击参数、靶体表面形貌及撞击体形状与结构等因素对撞击溅射行为的影响。最后提出了颗粒靶体撞击溅射行为研究存在的问题及待开展的研究。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0213
PDF(30)
摘要:
设计了两种不同材料的结构弹，利用203mm平衡炮为发射平台，开展了11kg级弹体在1400m/s速度段侵彻钢筋混凝土靶的实验研究。基于试验结果，对侵彻弹体进行了宏微观结构表征，探究了不同材料弹体在高速侵彻下的侵蚀机理，分析了壳体材料对弹体侵彻效应的影响。结果表明：在实验速度段，弹体材料主导弹体的结构响应，材料强度越高，抗冲击压缩性能越强，弹体头部的侵蚀越小；材料的抗剪和耐磨性越好，弹身的磨蚀越少。高速侵彻条件下，锥形结构弹体的质量损失主要集中在弹身部分。弹体头部的侵蚀和墩粗会一定程度上降低弹体的侵彻深度，弹体头部侵蚀程度越小，侵彻深度越高，其中，DT1900实验弹的极限侵彻深度可达9倍弹长。
设计了两种不同材料的结构弹，利用203mm平衡炮为发射平台，开展了11kg级弹体在1400m/s速度段侵彻钢筋混凝土靶的实验研究。基于试验结果，对侵彻弹体进行了宏微观结构表征，探究了不同材料弹体在高速侵彻下的侵蚀机理，分析了壳体材料对弹体侵彻效应的影响。结果表明：在实验速度段，弹体材料主导弹体的结构响应，材料强度越高，抗冲击压缩性能越强，弹体头部的侵蚀越小；材料的抗剪和耐磨性越好，弹身的磨蚀越少。高速侵彻条件下，锥形结构弹体的质量损失主要集中在弹身部分。弹体头部的侵蚀和墩粗会一定程度上降低弹体的侵彻深度，弹体头部侵蚀程度越小，侵彻深度越高，其中，DT1900实验弹的极限侵彻深度可达9倍弹长。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0417
PDF(33)
摘要:
为了探究岩石粗糙结构面的动态剪切力学响应以及损伤结构面渗流特性，采用动态恒速剪切系统对砂岩粗糙结构面开展不同剪切速率条件下的剪切力学试验，分析了剪切速率v 以及粗糙度系数JRC 对砂岩结构面峰值剪切强度以及滑移特征的影响。此外，利用三维扫描技术获得粗糙结构面剪切前后的损伤特征，并开展不同围压条件下的渗流试验，探究损伤结构面嗣后渗流特性。剪切试验结果表明，砂岩结构面的动态峰值抗剪强度随着剪切速率的增加而降低。随着剪切速率由50 mm/s增加至210 mm/s，粗糙度系数为12.43±1.06的砂岩结构面峰值抗剪强度由8.49 MPa下降至6.88 MPa。在相同剪切速度条件下，砂岩结构面的动态峰值抗剪强度随着结构面粗糙度的增加而增大。三维扫描结果表明，砂岩结构面高程分布频率均随着剪切速度的增加而下降。相同粗糙度条件下，结构面损伤程度随着剪切速率的增加而加剧，使得裂隙开度降低，进而降低结构面的渗透性能。渗流试验结果表明，动态剪切作用对结构面渗流特性具有显著影响，损伤后的砂岩结构面水力梯度和体积流量具有非线性关系，符合Forchheimer方程。Forchheimer方程线性系数a 和非线性系数b 均随着剪切速率的增加而增大。当剪切速率从50 mm/s增加至210 mm/s时，线性系数a 和b 增加幅度分别为68%和229%。此外，随着剪切速率的增加，结构面水力开度下降，损伤结构面渗透系数呈下降趋势。
为了探究岩石粗糙结构面的动态剪切力学响应以及损伤结构面渗流特性，采用动态恒速剪切系统对砂岩粗糙结构面开展不同剪切速率条件下的剪切力学试验，分析了剪切速率
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0442
PDF(24)
摘要:
为研究爆轰产物后燃烧效应对封闭空间的毁伤特性。以密闭空间结构和基于能量守恒的简化计算公式为基础，提出一种计算装药爆轰产物后燃烧能量的方法，基于该方法开展内爆毁伤模拟，以无后燃烧能量数值模拟结果为基础，率先采用恒定速率与线性增加率两种方式施加后燃烧能量，对比研究了爆炸载荷作用下的动态响应。研究结果表明：以不同速率方式开展后燃烧效应数值仿真时，除温度载荷外均有着不同程度的增强效果；以恒定速率方式施加后燃烧能量对内爆特性影响最大，其速度与加速度载荷的增幅分别为42.67%和71.21%，超压与准静态压力分别增大63.68%和74.95%，动能特性提升约212%。以不同速率方式施加后燃烧能量载荷，对内爆毁伤特性有着明显的增强效果，所提出的后燃烧能量计算方法能够较好地模拟密闭空间内爆毁伤时的动态响应，可为抗爆结构设计及评估提供更精确的后燃烧效应仿真方法。
为研究爆轰产物后燃烧效应对封闭空间的毁伤特性。以密闭空间结构和基于能量守恒的简化计算公式为基础，提出一种计算装药爆轰产物后燃烧能量的方法，基于该方法开展内爆毁伤模拟，以无后燃烧能量数值模拟结果为基础，率先采用恒定速率与线性增加率两种方式施加后燃烧能量，对比研究了爆炸载荷作用下的动态响应。研究结果表明：以不同速率方式开展后燃烧效应数值仿真时，除温度载荷外均有着不同程度的增强效果；以恒定速率方式施加后燃烧能量对内爆特性影响最大，其速度与加速度载荷的增幅分别为42.67%和71.21%，超压与准静态压力分别增大63.68%和74.95%，动能特性提升约212%。以不同速率方式施加后燃烧能量载荷，对内爆毁伤特性有着明显的增强效果，所提出的后燃烧能量计算方法能够较好地模拟密闭空间内爆毁伤时的动态响应，可为抗爆结构设计及评估提供更精确的后燃烧效应仿真方法。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0424
PDF(58)
摘要:
爆炸应力波穿过异质界面时，其传播特性会发生显著变化。工程岩体常存在不连续结构面，特别是深部岩体中的节理和裂隙较为发育。为了深入研究围压与爆破耦合作用下节理岩体的动力响应及损伤机制，本文采用显式动力学数值模拟方法，结合ALE算法和流固耦合技术，对节理岩体的破裂过程进行模拟。基于时域递归理论，分别计算了爆炸应力波穿过节理面时的透射与反射系数。通过爆炸光弹性试验，分析了爆炸应力波在节理岩体中的传播过程与特征。此外，利用Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) 损伤模型，讨论了不同节理角度及不同围压对爆破裂纹扩展行为的影响，并结合FracPaQ程序定量描述了爆破裂纹的分布规律。最后，通过分析节理尖端的主应力分布及动态应力强度因子(DSIFs)变化规律，揭示了节理岩体的爆破损伤机制。结果表明：节理面与主围压对爆破裂纹扩展均有导向作用，且各向异性围压的导向效应会因节理面的存在而减弱。当主围压与节理面垂直时，应力波透射和反射系数随着压力的增加分别呈增大和减小的趋势。由节理面两侧法向与切向位移变化规律，发现剪切应力是尖端翼裂纹扩展的主要原因。根据动态应力强度因子判断，拉伸裂纹在爆破初期主导节理尖端的损伤，而剪切裂纹在后期占主导地位。
爆炸应力波穿过异质界面时，其传播特性会发生显著变化。工程岩体常存在不连续结构面，特别是深部岩体中的节理和裂隙较为发育。为了深入研究围压与爆破耦合作用下节理岩体的动力响应及损伤机制，本文采用显式动力学数值模拟方法，结合ALE算法和流固耦合技术，对节理岩体的破裂过程进行模拟。基于时域递归理论，分别计算了爆炸应力波穿过节理面时的透射与反射系数。通过爆炸光弹性试验，分析了爆炸应力波在节理岩体中的传播过程与特征。此外，利用Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) 损伤模型，讨论了不同节理角度及不同围压对爆破裂纹扩展行为的影响，并结合FracPaQ程序定量描述了爆破裂纹的分布规律。最后，通过分析节理尖端的主应力分布及动态应力强度因子(DSIFs)变化规律，揭示了节理岩体的爆破损伤机制。结果表明：节理面与主围压对爆破裂纹扩展均有导向作用，且各向异性围压的导向效应会因节理面的存在而减弱。当主围压与节理面垂直时，应力波透射和反射系数随着压力的增加分别呈增大和减小的趋势。由节理面两侧法向与切向位移变化规律，发现剪切应力是尖端翼裂纹扩展的主要原因。根据动态应力强度因子判断，拉伸裂纹在爆破初期主导节理尖端的损伤，而剪切裂纹在后期占主导地位。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0457
PDF(44)
摘要:
为了研究近水面爆炸场景下沿着水面传播的冲击波载荷特性，采用100 g、200 g和400 g TNT/RDX(40/60)炸药开展了触水（H_ = 0）、近水（H_ ≈ 0.2 m/kg1/3）和空中（H_ ≈ 0.6 m/kg1/3）3种典型比爆高条件下的爆炸实验，测量了冲击波超压和爆炸的高速摄影图像，同时采用数值模拟方法对实验进行了仿真。基于实验和数值模拟结果，开展了爆炸现象和水面冲击波载荷特性研究。结果表明：触水、近水和空中爆炸现象存在显著差异。触水爆炸时爆轰产物直接驱动水面形成半球形空腔，水坑边缘的水被挤压向上飞溅形成空心水柱；近水爆炸时爆轰产物对水面的碰撞作用相对较弱，水面上的冲击波主要以马赫波沿着水面向外传播；空中爆炸时冲击波在水面存在明显的规则和非规则反射区；触水爆炸的水面冲击波超压低于近水爆炸的水面冲击波超压，因此触水爆炸时水面不能再看成刚性平面；触水爆炸的水中冲击波压力相比近水爆炸的高。通过数据拟合得到了触水和典型近水爆炸条件下，水面上水平距离0.5~4.0 m/kg1/3范围内的冲击波超压和正压持续时间计算公式，可为冲击波载荷计算和分析提供参考。
为了研究近水面爆炸场景下沿着水面传播的冲击波载荷特性，采用100 g、200 g和400 g TNT/RDX(40/60)炸药开展了触水（H_ = 0）、近水（H_ ≈ 0.2 m/kg1/3）和空中（H_ ≈ 0.6 m/kg1/3）3种典型比爆高条件下的爆炸实验，测量了冲击波超压和爆炸的高速摄影图像，同时采用数值模拟方法对实验进行了仿真。基于实验和数值模拟结果，开展了爆炸现象和水面冲击波载荷特性研究。结果表明：触水、近水和空中爆炸现象存在显著差异。触水爆炸时爆轰产物直接驱动水面形成半球形空腔，水坑边缘的水被挤压向上飞溅形成空心水柱；近水爆炸时爆轰产物对水面的碰撞作用相对较弱，水面上的冲击波主要以马赫波沿着水面向外传播；空中爆炸时冲击波在水面存在明显的规则和非规则反射区；触水爆炸的水面冲击波超压低于近水爆炸的水面冲击波超压，因此触水爆炸时水面不能再看成刚性平面；触水爆炸的水中冲击波压力相比近水爆炸的高。通过数据拟合得到了触水和典型近水爆炸条件下，水面上水平距离0.5~4.0 m/kg1/3范围内的冲击波超压和正压持续时间计算公式，可为冲击波载荷计算和分析提供参考。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0434
PDF(12)
摘要:
抑爆剂在防止粉尘爆炸事故中起着至关重要的作用。本文通过原位合成方法制备了一种新型的NiP@Fe-SBA-15抑爆剂，采用哈特曼管道爆炸测试系统，对爆燃火焰的传播行为进行实验研究，测定NiP@Fe-SBA-15抑爆剂对聚丙烯（PP）爆炸火焰的抑制作用，以及添加不同比例NiP@Fe-SBA-15抑爆剂条件下对PP爆炸火焰的抑制效果。实验结果表明：NiP@Fe-SBA-15抑爆剂能够显著降低PP粉尘爆燃火焰的温度和燃烧速度，当添加70wt% NiP@Fe-SBA-15时，可实现对PP爆燃火焰的完全抑制。此外，结合爆炸产物后的实验分析结果，提出了NiP@Fe-SBA-15对PP粉尘爆燃的物理和化学抑制机制。
抑爆剂在防止粉尘爆炸事故中起着至关重要的作用。本文通过原位合成方法制备了一种新型的NiP@Fe-SBA-15抑爆剂，采用哈特曼管道爆炸测试系统，对爆燃火焰的传播行为进行实验研究，测定NiP@Fe-SBA-15抑爆剂对聚丙烯（PP）爆炸火焰的抑制作用，以及添加不同比例NiP@Fe-SBA-15抑爆剂条件下对PP爆炸火焰的抑制效果。实验结果表明：NiP@Fe-SBA-15抑爆剂能够显著降低PP粉尘爆燃火焰的温度和燃烧速度，当添加70wt% NiP@Fe-SBA-15时，可实现对PP爆燃火焰的完全抑制。此外，结合爆炸产物后的实验分析结果，提出了NiP@Fe-SBA-15对PP粉尘爆燃的物理和化学抑制机制。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0388
PDF(55)
摘要:
钢筋混凝土（RC）箱型结构中爆炸冲击波难以向外自由扩散，多次反射叠加后可加剧结构的破坏程度。为全面探究RC箱型结构内爆炸的载荷特性及其动力行为，首先，通过复现完全密闭和半密闭（带泄爆口）箱型结构的内爆炸试验，验证了所采用数值仿真材料模型和参数、MAPPING映射方法以及流固耦合算法的适用性。进一步，针对典型RC箱型结构和美国联邦应急管理署（FEMA）规定的恐怖爆炸袭击类型，开展了三种爆炸威胁和四种泄爆面积下的内爆炸数值仿真分析，考察了结构内壁面中心和内角隅处载荷及其分布以及结构动力行为特征。结果表明：泄爆面积对各特征点爆炸波峰值超压影响较小，而爆炸波冲量随泄爆面积增加近似指数型降低；结构内壁面载荷分布受结构尺寸的显著影响，呈“内凹”或“W”型；泄爆系数从0.457增大至1.220时墙板最大位移可降低50%以上；冲量准则相较于超压准则可以更加准确地评估构件毁伤等级。最后，提出了考虑泄爆面积的冲量增强因子和毁伤增强因子计算方法，较好地预测了不同泄爆系数下的内爆炸载荷和结构动力行为。
钢筋混凝土（RC）箱型结构中爆炸冲击波难以向外自由扩散，多次反射叠加后可加剧结构的破坏程度。为全面探究RC箱型结构内爆炸的载荷特性及其动力行为，首先，通过复现完全密闭和半密闭（带泄爆口）箱型结构的内爆炸试验，验证了所采用数值仿真材料模型和参数、MAPPING映射方法以及流固耦合算法的适用性。进一步，针对典型RC箱型结构和美国联邦应急管理署（FEMA）规定的恐怖爆炸袭击类型，开展了三种爆炸威胁和四种泄爆面积下的内爆炸数值仿真分析，考察了结构内壁面中心和内角隅处载荷及其分布以及结构动力行为特征。结果表明：泄爆面积对各特征点爆炸波峰值超压影响较小，而爆炸波冲量随泄爆面积增加近似指数型降低；结构内壁面载荷分布受结构尺寸的显著影响，呈“内凹”或“W”型；泄爆系数从0.457增大至1.220时墙板最大位移可降低50%以上；冲量准则相较于超压准则可以更加准确地评估构件毁伤等级。最后，提出了考虑泄爆面积的冲量增强因子和毁伤增强因子计算方法，较好地预测了不同泄爆系数下的内爆炸载荷和结构动力行为。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0431
PDF(37)
摘要:
相比混凝土结构和钢结构，针对木结构抗爆性能的研究相对较少。目前，虽然已有关于轻型木框架墙抗爆性能的试验研究，但相关的数值仿真研究仍然有限。本文对爆炸荷载作用下轻型木框架墙的数值建模方法开展研究，重点探讨了木立柱-面板钉连接动力放大系数以及木立柱破坏准则的确定。本研究基于部分组合理论，通过引入木立柱和轻型木框架墙的动力放大系数实测结果，给出了钉连接动力放大系数的合理取值。基于上述成果，构建了考虑木基结构板正交各向异性、钉连接动力非线性力学行为以及木立柱动力弹塑性特征的轻型木框架墙抗爆分析有限元模型。验证结果表明，本文提出的模型能够准确预测爆炸荷载作用下轻型木框架墙的动力响应以及木立柱发生断裂的时间和对应的峰值位移。数值分析结果显示，若能合理考虑不同木立柱的材性差异，模型预测的木立柱断裂后木框架墙动力响应与破坏模式也与试验结果一致。本文提出的模型可为今后轻型木框架结构的抗爆易损性评估提供模型基础。
相比混凝土结构和钢结构，针对木结构抗爆性能的研究相对较少。目前，虽然已有关于轻型木框架墙抗爆性能的试验研究，但相关的数值仿真研究仍然有限。本文对爆炸荷载作用下轻型木框架墙的数值建模方法开展研究，重点探讨了木立柱-面板钉连接动力放大系数以及木立柱破坏准则的确定。本研究基于部分组合理论，通过引入木立柱和轻型木框架墙的动力放大系数实测结果，给出了钉连接动力放大系数的合理取值。基于上述成果，构建了考虑木基结构板正交各向异性、钉连接动力非线性力学行为以及木立柱动力弹塑性特征的轻型木框架墙抗爆分析有限元模型。验证结果表明，本文提出的模型能够准确预测爆炸荷载作用下轻型木框架墙的动力响应以及木立柱发生断裂的时间和对应的峰值位移。数值分析结果显示，若能合理考虑不同木立柱的材性差异，模型预测的木立柱断裂后木框架墙动力响应与破坏模式也与试验结果一致。本文提出的模型可为今后轻型木框架结构的抗爆易损性评估提供模型基础。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0227
PDF(21)
摘要:
缩比实验具有成本低，风险小，周期短等优势，在航空航天等领域得到了广泛应用。以典型民机机身下部结构为对象，开展了民机结构坠撞缩比理论分析和实验方法研究。推导了民机坠撞缩放比例因子，设计并加工了1/4缩比实验件，开展了6m/s工况下坠撞实验，获得了全尺寸坠撞实验与缩比实验中机身结构关键位置处速度和加速度响应、地面撞击载荷响应以及局部关键部位的变形和破坏模式，并对其进行了对比分析。结果表明：缩比实验件与全尺寸实验件在框和立柱处的变形和破坏模式具有较好一致性。缩比结构对全尺寸原型结构的坠撞载荷峰值预测误差为14.4%，座椅加速度峰值预测误差为14.8%，横梁处加速度峰值预测误差为13.1%。缩比实验可以有效预测全尺寸原型结构的变形、破坏过程和关键部位动态响应，缩比实验可用于民机结构坠撞性能验证和评估。
缩比实验具有成本低，风险小，周期短等优势，在航空航天等领域得到了广泛应用。以典型民机机身下部结构为对象，开展了民机结构坠撞缩比理论分析和实验方法研究。推导了民机坠撞缩放比例因子，设计并加工了1/4缩比实验件，开展了6m/s工况下坠撞实验，获得了全尺寸坠撞实验与缩比实验中机身结构关键位置处速度和加速度响应、地面撞击载荷响应以及局部关键部位的变形和破坏模式，并对其进行了对比分析。结果表明：缩比实验件与全尺寸实验件在框和立柱处的变形和破坏模式具有较好一致性。缩比结构对全尺寸原型结构的坠撞载荷峰值预测误差为14.4%，座椅加速度峰值预测误差为14.8%，横梁处加速度峰值预测误差为13.1%。缩比实验可以有效预测全尺寸原型结构的变形、破坏过程和关键部位动态响应，缩比实验可用于民机结构坠撞性能验证和评估。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0261
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摘要:
加工与装配的公差导致间隙在工程结构中广泛存在，强动载下间隙内可能产生威胁结构可靠性与安全性的间隙射流，而间隙射流的形成机制与传统高速金属射流不同，其形成过程尚需进行系统的研究。基于二级轻气炮对带有间隙的金属钨样品进行超高速冲击加载实验，通过高速分幅照相系统记录了间隙射流的形成及演化过程。采用ANSYS Autodyn软件建立了预测间隙射流形成的数值模型，并基于代表性实验获取的射流形态及头部速度历史验证了该数值模型的适用性。通过调整数值模型中的飞片速度、间隙宽度和间隙半角，分别研究了这三者对间隙射流形成的影响，分析了定常射流模型的局限性。在此基础上，结合数值模拟结果，提出了预测间隙射流头部速度与质量的经验模型。研究表明，基于欧拉方法建立的数值模型能够较为准确地预测强动载下间隙射流的形成。加载压力是控制射流头部速度与质量的主要因素，随着加载压力的增加，射流头部速度与质量也相应增加。间隙宽度与间隙半角对射流头部速度的影响较小，但其质量随间隙宽度与间隙半角的增加呈线性增长。由于间隙闭合速度的估算存在较大误差，定常射流模型未能准确预测间隙射流的形成，而所提出的经验模型与数值模拟结果具有较好的吻合度。
加工与装配的公差导致间隙在工程结构中广泛存在，强动载下间隙内可能产生威胁结构可靠性与安全性的间隙射流，而间隙射流的形成机制与传统高速金属射流不同，其形成过程尚需进行系统的研究。基于二级轻气炮对带有间隙的金属钨样品进行超高速冲击加载实验，通过高速分幅照相系统记录了间隙射流的形成及演化过程。采用ANSYS Autodyn软件建立了预测间隙射流形成的数值模型，并基于代表性实验获取的射流形态及头部速度历史验证了该数值模型的适用性。通过调整数值模型中的飞片速度、间隙宽度和间隙半角，分别研究了这三者对间隙射流形成的影响，分析了定常射流模型的局限性。在此基础上，结合数值模拟结果，提出了预测间隙射流头部速度与质量的经验模型。研究表明，基于欧拉方法建立的数值模型能够较为准确地预测强动载下间隙射流的形成。加载压力是控制射流头部速度与质量的主要因素，随着加载压力的增加，射流头部速度与质量也相应增加。间隙宽度与间隙半角对射流头部速度的影响较小，但其质量随间隙宽度与间隙半角的增加呈线性增长。由于间隙闭合速度的估算存在较大误差，定常射流模型未能准确预测间隙射流的形成，而所提出的经验模型与数值模拟结果具有较好的吻合度。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0268
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摘要:
为了探究包覆铝粉爆炸火焰发展演化规律与传播机理，本文采用溶剂蒸发法制备了壳-核结构硬脂酸包覆铝粉（SA@Al），应用改进的哈特曼管，实验研究了粉尘云浓度对5%、10%与15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰传播特性的影响；同时应用CHEMKIN模拟分析其气相爆炸反应动力学特征，进而揭示SA@Al爆炸火焰传播机理。结果表明，随粉尘云浓度增大，5%、10%和15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰饱满度与连续性均先增强后减弱，平均火焰传播速度均呈先增大后减小的趋势，当粉尘云浓度为500 g/m3时火焰传播速度均达到最大。相比而言，纯铝粉爆炸火焰传播速度在750 g/m3时达到最大，表明硬脂酸包覆层促进了铝粉爆炸火焰的传播。此外，各粉尘云浓度下，10%包覆浓度SA@Al爆炸火焰最剧烈，平均火焰传播速度最大。SA@Al爆炸火焰升温主要包括两个阶段，快速升温阶段R2、R11和R10的温度敏感性较高，缓慢升温阶段R5、R11的温度敏感性较高。粉尘云浓度对缓慢升温阶段温升速率影响显著，使得500 g/m3时SA@Al的爆炸平衡温度最高。硬脂酸包覆层的燃烧促进了铝核的氧化，使爆炸反应得以强化，但过高的粉尘云浓度会导致O自由基受限，在一定程度上削弱反应强度。
为了探究包覆铝粉爆炸火焰发展演化规律与传播机理，本文采用溶剂蒸发法制备了壳-核结构硬脂酸包覆铝粉（SA@Al），应用改进的哈特曼管，实验研究了粉尘云浓度对5%、10%与15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰传播特性的影响；同时应用CHEMKIN模拟分析其气相爆炸反应动力学特征，进而揭示SA@Al爆炸火焰传播机理。结果表明，随粉尘云浓度增大，5%、10%和15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰饱满度与连续性均先增强后减弱，平均火焰传播速度均呈先增大后减小的趋势，当粉尘云浓度为500 g/m3时火焰传播速度均达到最大。相比而言，纯铝粉爆炸火焰传播速度在750 g/m3时达到最大，表明硬脂酸包覆层促进了铝粉爆炸火焰的传播。此外，各粉尘云浓度下，10%包覆浓度SA@Al爆炸火焰最剧烈，平均火焰传播速度最大。SA@Al爆炸火焰升温主要包括两个阶段，快速升温阶段R2、R11和R10的温度敏感性较高，缓慢升温阶段R5、R11的温度敏感性较高。粉尘云浓度对缓慢升温阶段温升速率影响显著，使得500 g/m3时SA@Al的爆炸平衡温度最高。硬脂酸包覆层的燃烧促进了铝核的氧化，使爆炸反应得以强化，但过高的粉尘云浓度会导致O自由基受限，在一定程度上削弱反应强度。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0395
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摘要:
岩石断层颗粒夹层的粘性特性对于断层的动力学行为影响很大，但在不同滑移速度下断层颗粒夹层粘性系数的确定问题还没有得到解决。本文针对此问题进行了理论研究。首先，对于颗粒夹层的慢速剪切滑移，采用Maxwell松弛模型，得到了力链长度对于剪切应变率、剪切带的有效扩展速度、颗粒介质强度的依赖关系，进一步获得剪切带的松弛时间和颗粒介质的粘性系数表达式，建立了颗粒介质固-液力学行为转换的条件。与已有试验数据对比验证了本模型的正确性。对于高速的滑移剪切，颗粒介质运动具有湍流特征，应用统计物理学来描述岩石颗粒之间的相互作用，得到了粘性系数与剪切率成反比的结论。研究成果对于理解断层颗粒夹层的粘性等物理力学特性具有基础性意义。
岩石断层颗粒夹层的粘性特性对于断层的动力学行为影响很大，但在不同滑移速度下断层颗粒夹层粘性系数的确定问题还没有得到解决。本文针对此问题进行了理论研究。首先，对于颗粒夹层的慢速剪切滑移，采用Maxwell松弛模型，得到了力链长度对于剪切应变率、剪切带的有效扩展速度、颗粒介质强度的依赖关系，进一步获得剪切带的松弛时间和颗粒介质的粘性系数表达式，建立了颗粒介质固-液力学行为转换的条件。与已有试验数据对比验证了本模型的正确性。对于高速的滑移剪切，颗粒介质运动具有湍流特征，应用统计物理学来描述岩石颗粒之间的相互作用，得到了粘性系数与剪切率成反比的结论。研究成果对于理解断层颗粒夹层的粘性等物理力学特性具有基础性意义。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0403
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摘要:
通过试验和数值模拟分析，研究了传统锚索和新型管索组合结构(简称ACC)在不同加载速率条件下的双结构面剪切力学特性和变形破坏机制。在55MPa混凝土试块强度，200kN预紧力条件下，分别以2、10、20、30、40mm/min的剪切位移加载速率进行双结构面剪切试验。试验以剪切变形曲线、结构峰值剪切荷载、钢丝破坏形态和结构面抗剪强度贡献为主要考量参数。结果表明：加载速率对结构的抗剪性能具有显著的影响，在一定的加载速率区间内，受损伤累积速度和应变率强化效应的影响，结构分别会表现出强度弱化和强度强化的特性，抗剪承载能力会出现较大的变化。在结构面附近，支护结构会表现出拉剪组合破坏情况，但ACC结构由于C形管的存在，使得应力集中效应降低，试验曲线波动情况减弱，内部钢丝受剪切作用破坏的情况与传统锚索相比明显减弱。同时以试验结果为基础构建的ACC结构双剪试验数值模型准确性较高，数值模拟动荷载试验表明，ACC结构形成的锚固系统具备良好的吸能效果，冲击能量越大吸能效果越明显；且ACC结构在高速冲击作用下，受应变率强化效应影响显著，冲击速度越大，抗剪承载能力越高。
通过试验和数值模拟分析，研究了传统锚索和新型管索组合结构(简称ACC)在不同加载速率条件下的双结构面剪切力学特性和变形破坏机制。在55MPa混凝土试块强度，200kN预紧力条件下，分别以2、10、20、30、40mm/min的剪切位移加载速率进行双结构面剪切试验。试验以剪切变形曲线、结构峰值剪切荷载、钢丝破坏形态和结构面抗剪强度贡献为主要考量参数。结果表明：加载速率对结构的抗剪性能具有显著的影响，在一定的加载速率区间内，受损伤累积速度和应变率强化效应的影响，结构分别会表现出强度弱化和强度强化的特性，抗剪承载能力会出现较大的变化。在结构面附近，支护结构会表现出拉剪组合破坏情况，但ACC结构由于C形管的存在，使得应力集中效应降低，试验曲线波动情况减弱，内部钢丝受剪切作用破坏的情况与传统锚索相比明显减弱。同时以试验结果为基础构建的ACC结构双剪试验数值模型准确性较高，数值模拟动荷载试验表明，ACC结构形成的锚固系统具备良好的吸能效果，冲击能量越大吸能效果越明显；且ACC结构在高速冲击作用下，受应变率强化效应影响显著，冲击速度越大，抗剪承载能力越高。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0399
PDF(35)
摘要:
随着全球资源需求的持续上升，深部地下工程的开发规模不断扩大，面临日益复杂的地质条件和高地应力环境。这种转变使得深部含结构面岩体的动力特性研究成为近年来的研究热点与难点问题。本文系统总结了结构面的动剪切和动拉压特性，并深入分析了多种因素对结构面动力行为的影响。此外，探讨了结构面效应对岩体动力特性的影响，特别是对岩体动强度和动变形的作用。针对常见的深部动力灾害，如岩爆、大变形和冲击地压，本文梳理了其触发机制与防治技术，强调了建立有效理论和技术体系的重要性。最后，本文对未来深部岩体结构面动力特性及动力灾害防控技术的研究方向进行了前瞻性展望，呼吁结合新兴技术与理论方法，以提升研究的深度与广度，从而推动工程实践中的安全性和有效性。
随着全球资源需求的持续上升，深部地下工程的开发规模不断扩大，面临日益复杂的地质条件和高地应力环境。这种转变使得深部含结构面岩体的动力特性研究成为近年来的研究热点与难点问题。本文系统总结了结构面的动剪切和动拉压特性，并深入分析了多种因素对结构面动力行为的影响。此外，探讨了结构面效应对岩体动力特性的影响，特别是对岩体动强度和动变形的作用。针对常见的深部动力灾害，如岩爆、大变形和冲击地压，本文梳理了其触发机制与防治技术，强调了建立有效理论和技术体系的重要性。最后，本文对未来深部岩体结构面动力特性及动力灾害防控技术的研究方向进行了前瞻性展望，呼吁结合新兴技术与理论方法，以提升研究的深度与广度，从而推动工程实践中的安全性和有效性。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0225
PDF(30)
摘要:
增材制造具有的高设计自由度和快速成形特点，使其在制造复杂几何结构的航空航天和国防领域关键部件上具有巨大的优势。Ti-6Al-4V钛合金凭借其低密度、高比强度及抗蠕变性的特性，在经常承受冲击载荷的航天器、武器装备等关键部位上得到广泛应用，深入了解增材制造Ti-6Al-4V钛合金在动静载荷作用下的力学性能及影响机制是提高构件使役性能的重要基础。本文对增材制造Ti-6Al-4V钛合金的力学响应最新进展进行了系统的梳理和归纳。首先简要概括了典型金属增材制造技术分类和工作原理，其次，梳理了增材制造Ti-6Al-4V钛合金的准静态拉伸性能和动态压缩性能方面的研究工作，并与铸造和锻造Ti-6Al-4V构件力学性能进行比较。进一步，对增材制造钛合金显微组织和力学行为的关联机制展开讨论。此外，针对增材制造Ti-6Al-4V合金在静态载荷作用下的各向异性力学响应，总结了常用改善各向异性的后处理工艺。
增材制造具有的高设计自由度和快速成形特点，使其在制造复杂几何结构的航空航天和国防领域关键部件上具有巨大的优势。Ti-6Al-4V钛合金凭借其低密度、高比强度及抗蠕变性的特性，在经常承受冲击载荷的航天器、武器装备等关键部位上得到广泛应用，深入了解增材制造Ti-6Al-4V钛合金在动静载荷作用下的力学性能及影响机制是提高构件使役性能的重要基础。本文对增材制造Ti-6Al-4V钛合金的力学响应最新进展进行了系统的梳理和归纳。首先简要概括了典型金属增材制造技术分类和工作原理，其次，梳理了增材制造Ti-6Al-4V钛合金的准静态拉伸性能和动态压缩性能方面的研究工作，并与铸造和锻造Ti-6Al-4V构件力学性能进行比较。进一步，对增材制造钛合金显微组织和力学行为的关联机制展开讨论。此外，针对增材制造Ti-6Al-4V合金在静态载荷作用下的各向异性力学响应，总结了常用改善各向异性的后处理工艺。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0282
PDF(17)
摘要:
摘 要：天然气掺氢技术已被逐渐运用于管道运输，但氢气/甲烷易发生泄漏爆炸事故。文中采用20L球形装置研究了掺氢比和添加CO2对甲烷爆炸特性的影响。实验结果表明：掺氢比对甲烷爆炸压力和火焰传播速度有促进作用，其中对最大爆炸压力上升速率促进作用最显著，二氧化碳对混合气体爆炸压力和火焰传播速度有抑制作用，但对高掺氢比的压力参数较低掺氢比时抑制效果弱。随着掺氢比的增大，火焰的流体动力学不稳定性和热质扩散不稳定性先增强后减弱。二氧化碳对流体动力学不稳定性有抑制作用，对热质扩散不稳定性有促进作用。通过反应动力学分析可知，随着掺氢比增大，火焰层流燃烧速度和绝热火焰温度逐渐上升，活性自由基浓度和产物生成速率明显上升，并且掺混氢气改变了甲烷的反应路径，当XH2>0.5，正向最敏感的反应步骤由R38变为R84。而二氧化碳能降低混合气体的层流燃烧速率、绝热火焰温度、活性自由基浓度以及产物生成速率，但添加二氧化碳并不改变甲烷的反应路径。
摘 要：天然气掺氢技术已被逐渐运用于管道运输，但氢气/甲烷易发生泄漏爆炸事故。文中采用20L球形装置研究了掺氢比和添加CO2对甲烷爆炸特性的影响。实验结果表明：掺氢比对甲烷爆炸压力和火焰传播速度有促进作用，其中对最大爆炸压力上升速率促进作用最显著，二氧化碳对混合气体爆炸压力和火焰传播速度有抑制作用，但对高掺氢比的压力参数较低掺氢比时抑制效果弱。随着掺氢比的增大，火焰的流体动力学不稳定性和热质扩散不稳定性先增强后减弱。二氧化碳对流体动力学不稳定性有抑制作用，对热质扩散不稳定性有促进作用。通过反应动力学分析可知，随着掺氢比增大，火焰层流燃烧速度和绝热火焰温度逐渐上升，活性自由基浓度和产物生成速率明显上升，并且掺混氢气改变了甲烷的反应路径，当XH2>0.5，正向最敏感的反应步骤由R38变为R84。而二氧化碳能降低混合气体的层流燃烧速率、绝热火焰温度、活性自由基浓度以及产物生成速率，但添加二氧化碳并不改变甲烷的反应路径。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0353
PDF(20)
摘要:
在实际工程中，岩体经常会遭受频繁往复的动力扰动，对工程安全造成严重威胁。为探究节理岩体在循环动力扰动作用下的动态力学行为，采用分离式霍普金森压杆试验系统，对含单节理辉长岩进行了单轴循环冲击试验，从试件的抗冲击能力、应力应变性质、能量和损伤的演化对其动态力学行为进行了全面分析。结果表明，试件在循环冲击作用下的破坏模式为劈裂，节理倾角显著影响了试件的抗冲击能力；试件在循环冲击过程中均出现了应变回弹现象，其力学性质并不随着冲击次数的增加而单调弱化；用耗散能表示的累积损伤系数随着冲击次数的增加近似线性增加，增幅随节理倾角的增大而减小。在低应力冲击作用下，单节理试件内的压剪应力不足以产生剪切裂纹，试件的破坏主要是由拉应力引起的张拉裂纹逐渐扩展并与节理相互贯通造成的。最后讨论了完整岩石、单节理岩体和多节理岩体在循环冲击作用下的破坏机理和模式的异同。
在实际工程中，岩体经常会遭受频繁往复的动力扰动，对工程安全造成严重威胁。为探究节理岩体在循环动力扰动作用下的动态力学行为，采用分离式霍普金森压杆试验系统，对含单节理辉长岩进行了单轴循环冲击试验，从试件的抗冲击能力、应力应变性质、能量和损伤的演化对其动态力学行为进行了全面分析。结果表明，试件在循环冲击作用下的破坏模式为劈裂，节理倾角显著影响了试件的抗冲击能力；试件在循环冲击过程中均出现了应变回弹现象，其力学性质并不随着冲击次数的增加而单调弱化；用耗散能表示的累积损伤系数随着冲击次数的增加近似线性增加，增幅随节理倾角的增大而减小。在低应力冲击作用下，单节理试件内的压剪应力不足以产生剪切裂纹，试件的破坏主要是由拉应力引起的张拉裂纹逐渐扩展并与节理相互贯通造成的。最后讨论了完整岩石、单节理岩体和多节理岩体在循环冲击作用下的破坏机理和模式的异同。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0062
PDF(30)
摘要:
为研究薄壁椭球壳在局部冲击载荷作用下的变形特征，开展了实验研究和仿真分析。利用轻气枪开展弹丸冲击实验，使用三维DIC技术记录变形过程，得到了椭球壳在圆柱弹丸不同初始冲击速度作用下的全局变形形貌以及中心凹陷深度和凹陷边界。在弹丸冲击椭球壳的仿真分析中，重点研究了三种曲率半径变化对椭球壳凹陷深度、凹陷长短轴的影响规律，通过量纲分析方法得出无量纲变形特征所依赖的主要无量纲自变量，通过参数敏感性分析消减影响较小的参数，在保持相同材料、弹体尺寸与壳体厚度同一缩比时，得到了无量纲变形特征与三种曲率半径和速度之间的具体响应面函数表达式，并提出根据凹陷深度、凹陷边界预测全局变形的公式，所得表达式尺寸效应良好，预测精度较高，可为工程中大尺寸曲面薄壳冲击载荷防护设计提供参考。
为研究薄壁椭球壳在局部冲击载荷作用下的变形特征，开展了实验研究和仿真分析。利用轻气枪开展弹丸冲击实验，使用三维DIC技术记录变形过程，得到了椭球壳在圆柱弹丸不同初始冲击速度作用下的全局变形形貌以及中心凹陷深度和凹陷边界。在弹丸冲击椭球壳的仿真分析中，重点研究了三种曲率半径变化对椭球壳凹陷深度、凹陷长短轴的影响规律，通过量纲分析方法得出无量纲变形特征所依赖的主要无量纲自变量，通过参数敏感性分析消减影响较小的参数，在保持相同材料、弹体尺寸与壳体厚度同一缩比时，得到了无量纲变形特征与三种曲率半径和速度之间的具体响应面函数表达式，并提出根据凹陷深度、凹陷边界预测全局变形的公式，所得表达式尺寸效应良好，预测精度较高，可为工程中大尺寸曲面薄壳冲击载荷防护设计提供参考。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0350
PDF(86)
摘要:
以往针对常规武器的抗爆结构设计中，对固体介质中爆炸应力波的研究多针对土壤和岩石介质（即地冲击问题），对混凝土中爆炸应力波的传播与衰减规律研究依然较少。为了探究柱形装药爆炸应力波在混凝土介质中的传播规律，本文基于KCC本构模型和多物质ALE算法开展数值模拟研究。首先，通过与已有的试验数据进行对比，验证了本构模型参数和数值算法的适用性；在此基础上以峰值应力为准则，对装药周围混凝土介质的爆炸破坏分区进行划分，并讨论了各破坏分区中爆炸应力波的衰减规律；随后，分析了装药形状对爆炸破坏分区和爆炸应力波传播规律的影响，并建立了柱形装药爆炸应力波峰值应力计算公式；最后，引入峰值应力耦合系数，定量分析了埋深对爆炸应力波法向峰值应力分布的影响。研究结果表明：各爆炸破坏分区中爆炸应力波衰减规律存在显著差异，与中远区（过渡区和破裂区）相比，装药近区（拟流体区和压碎区）衰减更快，另外柱形装药长径比增加会加快法向峰值应力的衰减；并且建立的爆炸应力波峰值应力计算公式可以较为准确快速地计算出不同形状、不同埋深下柱形装药爆炸应力波法向峰值应力，可为混凝土结构抗爆设计提供参考。
以往针对常规武器的抗爆结构设计中，对固体介质中爆炸应力波的研究多针对土壤和岩石介质（即地冲击问题），对混凝土中爆炸应力波的传播与衰减规律研究依然较少。为了探究柱形装药爆炸应力波在混凝土介质中的传播规律，本文基于KCC本构模型和多物质ALE算法开展数值模拟研究。首先，通过与已有的试验数据进行对比，验证了本构模型参数和数值算法的适用性；在此基础上以峰值应力为准则，对装药周围混凝土介质的爆炸破坏分区进行划分，并讨论了各破坏分区中爆炸应力波的衰减规律；随后，分析了装药形状对爆炸破坏分区和爆炸应力波传播规律的影响，并建立了柱形装药爆炸应力波峰值应力计算公式；最后，引入峰值应力耦合系数，定量分析了埋深对爆炸应力波法向峰值应力分布的影响。研究结果表明：各爆炸破坏分区中爆炸应力波衰减规律存在显著差异，与中远区（过渡区和破裂区）相比，装药近区（拟流体区和压碎区）衰减更快，另外柱形装药长径比增加会加快法向峰值应力的衰减；并且建立的爆炸应力波峰值应力计算公式可以较为准确快速地计算出不同形状、不同埋深下柱形装药爆炸应力波法向峰值应力，可为混凝土结构抗爆设计提供参考。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0269
PDF(29)
摘要:
为获得PBX造型粉缝隙挤压加载下的点火响应行为，基于射弹撞击的方式，设计了造型粉缝隙挤压实验装置，为保证样品在设计的缝隙之外无其他流动空间，在样品表面覆盖垫层及涂抹油脂进行密封，采用高速摄影记录了造型粉挤入缝隙的运动及反应情况。改变缝隙面积和样品截面积的比例，研究了压实效应对点火的影响。结果表明，对于无油脂密封的情况，加载开始后PBX造型粉先历经颗粒破碎和压实，随后压实的造型粉从垫层附近的间隙挤出，挤出过程中发生点火，点火位置在炸药与垫层界面。对于有油脂密封的情况，PBX造型粉在压实后的一段时间内未发生点火，当压头行进到一半行程时，“楔形”滑移区形成，高速相机照片可见明显的滑移区-死区界面，随后变形模式从“单楔形”滑移区向“双楔形”滑移区演化，滑移区-死区界面剪切效应未引发点火。加载后期压头行进到接近缝隙表面，“楔形”滑移区消失，炸药在压头与缝隙发生碰撞的前后时刻分别发生一次点火，第一次点火发生在缝隙入口处，第二次点火发生在压头边角处。压实效应对点火行为有重要影响，造型粉压实后点火速度阈值明显降低，撞击速度仅4.5 m/s即可导致点火。
为获得PBX造型粉缝隙挤压加载下的点火响应行为，基于射弹撞击的方式，设计了造型粉缝隙挤压实验装置，为保证样品在设计的缝隙之外无其他流动空间，在样品表面覆盖垫层及涂抹油脂进行密封，采用高速摄影记录了造型粉挤入缝隙的运动及反应情况。改变缝隙面积和样品截面积的比例，研究了压实效应对点火的影响。结果表明，对于无油脂密封的情况，加载开始后PBX造型粉先历经颗粒破碎和压实，随后压实的造型粉从垫层附近的间隙挤出，挤出过程中发生点火，点火位置在炸药与垫层界面。对于有油脂密封的情况，PBX造型粉在压实后的一段时间内未发生点火，当压头行进到一半行程时，“楔形”滑移区形成，高速相机照片可见明显的滑移区-死区界面，随后变形模式从“单楔形”滑移区向“双楔形”滑移区演化，滑移区-死区界面剪切效应未引发点火。加载后期压头行进到接近缝隙表面，“楔形”滑移区消失，炸药在压头与缝隙发生碰撞的前后时刻分别发生一次点火，第一次点火发生在缝隙入口处，第二次点火发生在压头边角处。压实效应对点火行为有重要影响，造型粉压实后点火速度阈值明显降低，撞击速度仅4.5 m/s即可导致点火。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0147
PDF(76)
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为了实现对钨合金弹丸侵彻靶板过程的精确表征，分别采用FEM、SPG、SPH、FE-SPH自适应数值仿真方法，对钨合金弹丸侵彻Q235A钢靶开展了数值仿真计算，对比了四种数值仿真方法在描述弹丸侵彻穿靶后，弹丸剩余速度、靶板穿孔孔径以及弹丸穿靶后二次破片的生成方面的优势和不足。结果表明：在描述弹丸剩余速度方面，由于FEM方法在材料失效时基于单元侵蚀算法，因此FEM方法以及FE-SPH自适应方法严格依赖于失效准则以及失效参数的选择，而SPG方法无需调整失效参数就可以得到相对准确的结果；在描述靶板穿孔孔径上，FEM以及FE-SPH自适应方法具有精确的物质边界，可以精确刻画穿孔形貌特征，但不同失效准则下的靶板穿孔直径相差较大，SPG方法对失效参数不敏感，可以精确表征靶板的穿孔直径；在弹丸穿靶后二次破片的生成方面，FE-SPH自适应以及SPH方法均能对二次破片进行表征，FE-SPH自适应方法可以直接获取大质量破片信息，但相比于SPH方法，求解效率低下。
为了实现对钨合金弹丸侵彻靶板过程的精确表征，分别采用FEM、SPG、SPH、FE-SPH自适应数值仿真方法，对钨合金弹丸侵彻Q235A钢靶开展了数值仿真计算，对比了四种数值仿真方法在描述弹丸侵彻穿靶后，弹丸剩余速度、靶板穿孔孔径以及弹丸穿靶后二次破片的生成方面的优势和不足。结果表明：在描述弹丸剩余速度方面，由于FEM方法在材料失效时基于单元侵蚀算法，因此FEM方法以及FE-SPH自适应方法严格依赖于失效准则以及失效参数的选择，而SPG方法无需调整失效参数就可以得到相对准确的结果；在描述靶板穿孔孔径上，FEM以及FE-SPH自适应方法具有精确的物质边界，可以精确刻画穿孔形貌特征，但不同失效准则下的靶板穿孔直径相差较大，SPG方法对失效参数不敏感，可以精确表征靶板的穿孔直径；在弹丸穿靶后二次破片的生成方面，FE-SPH自适应以及SPH方法均能对二次破片进行表征，FE-SPH自适应方法可以直接获取大质量破片信息，但相比于SPH方法，求解效率低下。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0245
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实验利用PMMA材料在切槽炮孔壁上预制缺陷裂纹，以TATP炸药为装药，采用动态焦散线结合数值模拟的方法，探究炮孔壁缺陷对切槽爆破裂纹扩展的影响。研究结果表明，在平行缺陷处的应力波反射会导致切槽裂纹起裂方向发生向下偏移，在垂直缺陷处应力波的折射不影响裂纹起裂方向；孔壁缺陷的存在会抑制应力波及爆生气体对切槽处裂纹的作用，使其裂纹长度、扩展速度及强度因子数值均减小；且抑制作用与缺陷到炮孔中心的距离有关，随其远离炮孔中心，平行缺陷对两侧切槽裂纹抑制作用逐渐减弱，垂直缺陷对远侧切槽裂纹抑制作用逐渐减弱，对近侧切槽裂纹抑制作用逐渐增强；垂直缺陷左右切槽裂纹受边界反射应力波作用相较于平行缺陷更加显著，左侧裂纹由于前期受缺陷处反射应力波作用，并不呈现明显规律，但右侧裂纹随垂直缺陷远离炮孔中心，受边界反射应力波作用显著降低。
实验利用PMMA材料在切槽炮孔壁上预制缺陷裂纹，以TATP炸药为装药，采用动态焦散线结合数值模拟的方法，探究炮孔壁缺陷对切槽爆破裂纹扩展的影响。研究结果表明，在平行缺陷处的应力波反射会导致切槽裂纹起裂方向发生向下偏移，在垂直缺陷处应力波的折射不影响裂纹起裂方向；孔壁缺陷的存在会抑制应力波及爆生气体对切槽处裂纹的作用，使其裂纹长度、扩展速度及强度因子数值均减小；且抑制作用与缺陷到炮孔中心的距离有关，随其远离炮孔中心，平行缺陷对两侧切槽裂纹抑制作用逐渐减弱，垂直缺陷对远侧切槽裂纹抑制作用逐渐减弱，对近侧切槽裂纹抑制作用逐渐增强；垂直缺陷左右切槽裂纹受边界反射应力波作用相较于平行缺陷更加显著，左侧裂纹由于前期受缺陷处反射应力波作用，并不呈现明显规律，但右侧裂纹随垂直缺陷远离炮孔中心，受边界反射应力波作用显著降低。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0381
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摘要:
为研究不同爆炸当量与不同装药位置下的坑道内冲击波传播过程,本文建立了满足单兵人员通行的试验坑道。通过试验对比了装药量与装药位置对超压时程曲线及冲击波参数分布的影响。开展与试验工况相同的仿真模拟,结合压力云图和超压时程曲线,发现波阵面运动是导致超压时程曲线演变和参数分布变化的主要原因。基于试验和数值模拟结果得到了具有实际工程参考意义的坑道内冲击波超压预测模型。
为研究不同爆炸当量与不同装药位置下的坑道内冲击波传播过程,本文建立了满足单兵人员通行的试验坑道。通过试验对比了装药量与装药位置对超压时程曲线及冲击波参数分布的影响。开展与试验工况相同的仿真模拟,结合压力云图和超压时程曲线,发现波阵面运动是导致超压时程曲线演变和参数分布变化的主要原因。基于试验和数值模拟结果得到了具有实际工程参考意义的坑道内冲击波超压预测模型。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0371
PDF(37)
摘要:
航空发动机机匣包容性问题非常复杂，涉及大变形、材料粘塑性及结构非线性动态响应等。本文以某型航空发动机风扇机匣为研究对象，提出一种结合弹道冲击试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。采用叶片型弹体冲击半环模拟机匣以获取钛合金机匣的冲击损伤基本特性，并基于商业显式有限元软件LS-DYNA建立相应的数值仿真模型，对比弹体剩余速度、靶板径向变形量以及结构损伤形貌的数值仿真结果与试验测试结果，二者良好的一致性表明本文数值仿真方法的准确性。最后，采用验证过的数值仿真方法建立真实断裂叶片撞击风扇机匣的计算模型，研究断叶转速及断叶尺寸对机匣包容性的影响。结果表明，风扇叶片与机匣发生两次主要撞击，第二次撞击对机匣的损伤最大。随着飞断叶片转速的提高，机匣损伤区域变大，塑性变形能迅速增加，但包容能力下降。飞断叶片尺寸主要影响机匣受到的第二次撞击，尺寸越大，相互作用力越大。
航空发动机机匣包容性问题非常复杂，涉及大变形、材料粘塑性及结构非线性动态响应等。本文以某型航空发动机风扇机匣为研究对象，提出一种结合弹道冲击试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。采用叶片型弹体冲击半环模拟机匣以获取钛合金机匣的冲击损伤基本特性，并基于商业显式有限元软件LS-DYNA建立相应的数值仿真模型，对比弹体剩余速度、靶板径向变形量以及结构损伤形貌的数值仿真结果与试验测试结果，二者良好的一致性表明本文数值仿真方法的准确性。最后，采用验证过的数值仿真方法建立真实断裂叶片撞击风扇机匣的计算模型，研究断叶转速及断叶尺寸对机匣包容性的影响。结果表明，风扇叶片与机匣发生两次主要撞击，第二次撞击对机匣的损伤最大。随着飞断叶片转速的提高，机匣损伤区域变大，塑性变形能迅速增加，但包容能力下降。飞断叶片尺寸主要影响机匣受到的第二次撞击，尺寸越大，相互作用力越大。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0414
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摘要:
节理的存在对岩石爆破效果有显著影响。通过试验与数值模拟相结合的方式研究不同节理倾角对爆破块度的影响。采用一组含有不同角度节理的混凝土模型试样开展爆破试验，在试样竖直孔中装填雷管并爆破，使用高速摄像机记录试样爆破破碎过程，观测了起爆后不同时刻节理面的动态响应，利用图像处理方法进行爆破块度提取，分析了节理倾角对爆破块度的影响，采用LS-DYNA有限元数值模拟获得应力波的传播过程以及应变场的演变过程。试验与数值计算结果表明，节理对爆破块度分布及应力波传播有显著影响，主要源于爆炸应力波在节理处的反射，这与节理的变形特性有关，随着节理倾角增大，爆破块度先减小后增大，节理中的有效应力和峰值质点振动速度（peak particle velocity /PPV）透射总体呈下降趋势，但在45°至60°之间回升，其中45°左右为爆破最有利条件。数值裂纹网络重建和图像处理结果表明，随着节理倾角的增加，试样中产生的垂直裂纹增加，水平裂纹有所减少。研究结果有助于理解节理与爆炸应力波之间的相互作用，并优化节理岩体的爆破参数。
节理的存在对岩石爆破效果有显著影响。通过试验与数值模拟相结合的方式研究不同节理倾角对爆破块度的影响。采用一组含有不同角度节理的混凝土模型试样开展爆破试验，在试样竖直孔中装填雷管并爆破，使用高速摄像机记录试样爆破破碎过程，观测了起爆后不同时刻节理面的动态响应，利用图像处理方法进行爆破块度提取，分析了节理倾角对爆破块度的影响，采用LS-DYNA有限元数值模拟获得应力波的传播过程以及应变场的演变过程。试验与数值计算结果表明，节理对爆破块度分布及应力波传播有显著影响，主要源于爆炸应力波在节理处的反射，这与节理的变形特性有关，随着节理倾角增大，爆破块度先减小后增大，节理中的有效应力和峰值质点振动速度（peak particle velocity /PPV）透射总体呈下降趋势，但在45°至60°之间回升，其中45°左右为爆破最有利条件。数值裂纹网络重建和图像处理结果表明，随着节理倾角的增加，试样中产生的垂直裂纹增加，水平裂纹有所减少。研究结果有助于理解节理与爆炸应力波之间的相互作用，并优化节理岩体的爆破参数。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0405
PDF(47)
摘要:
为探究高温对大理岩能量特性的影响，利用ANSYS/LS-DYNA对大理岩开展6级温度梯度、 5种冲击速度的动态压缩试验，分析高温动载作用下大理岩力学特性、能量演化的温度效应，最终从能量耗散角度探讨高温大理岩强度失效的能量判据。研究结果表明：（1）HJC本构模型能够合理有效模拟不同温度下大理岩动态变化破坏过程；（2）随着温度的增加，大理岩动态峰值强度和动弹性模量与温度呈二次函数负相关，动态峰值应变与温度呈二次函数正相关，破坏形态由“X型”共轭剪切破坏向粉碎性破坏转变，破碎细粒尺寸减小；（3）当温度到达600℃时，峰值强度大幅降低，大理岩延性增加，呈现粉碎性破坏，耗散应变能达到最大值，600℃可作为大理岩脆延转化的阈值温度；（4）依据能量演化过程特征，将耗散应变能陡增点视为大理岩整体失稳破坏前兆信息点，根据应力-弹性能耗比-应变关系曲线界定弹性能耗比增长速率首次出现的拐点作为大理岩的强度失效能量判据。
为探究高温对大理岩能量特性的影响，利用ANSYS/LS-DYNA对大理岩开展6级温度梯度、 5种冲击速度的动态压缩试验，分析高温动载作用下大理岩力学特性、能量演化的温度效应，最终从能量耗散角度探讨高温大理岩强度失效的能量判据。研究结果表明：（1）HJC本构模型能够合理有效模拟不同温度下大理岩动态变化破坏过程；（2）随着温度的增加，大理岩动态峰值强度和动弹性模量与温度呈二次函数负相关，动态峰值应变与温度呈二次函数正相关，破坏形态由“X型”共轭剪切破坏向粉碎性破坏转变，破碎细粒尺寸减小；（3）当温度到达600℃时，峰值强度大幅降低，大理岩延性增加，呈现粉碎性破坏，耗散应变能达到最大值，600℃可作为大理岩脆延转化的阈值温度；（4）依据能量演化过程特征，将耗散应变能陡增点视为大理岩整体失稳破坏前兆信息点，根据应力-弹性能耗比-应变关系曲线界定弹性能耗比增长速率首次出现的拐点作为大理岩的强度失效能量判据。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0404
PDF(33)
摘要:
发展基于结构装药非冲击点火反应演化的物理机制的工程模型，描述反应演化过程并量化表征反应烈度，对评估武器弹药安全性具有重要意义。当前，描述装药反应演化行为的模型主要有燃烧裂纹一维增压模型与装药燃烧裂纹网络模型，但上述模型假定较多且存在未考虑空腔膨胀体积，燃烧裂纹扩展系数物理定义不明确等限制性问题。本文基于装药反应裂纹扩展的主控机制，以断裂韧性与反应压力为主要参量，构建了约束装药燃烧反应演化调控模型，可描述装药燃烧过程中燃烧气体产物增压和壳体结构约束强度的变化过程。利用质量惯性约束作用下的PBX-3炸药燃烧反应演化实验，验证了约束装药反应燃烧演化调控模型的可靠性。分析结果表明：模型计算获得的反应增压历程与实验中的反应压力增长趋势（通过质量块运动速度历程推算）大致吻合，考虑结构泄压效应的调控模型能够反映压力增长历程中燃烧产气增压与泄气释压竞争的物理机制，压力增长趋势随泄压面积系数的变化关系符合机理分析预期。研究成果可为加深认识受约束炸药燃烧反应演化机制提供支撑。
发展基于结构装药非冲击点火反应演化的物理机制的工程模型，描述反应演化过程并量化表征反应烈度，对评估武器弹药安全性具有重要意义。当前，描述装药反应演化行为的模型主要有燃烧裂纹一维增压模型与装药燃烧裂纹网络模型，但上述模型假定较多且存在未考虑空腔膨胀体积，燃烧裂纹扩展系数物理定义不明确等限制性问题。本文基于装药反应裂纹扩展的主控机制，以断裂韧性与反应压力为主要参量，构建了约束装药燃烧反应演化调控模型，可描述装药燃烧过程中燃烧气体产物增压和壳体结构约束强度的变化过程。利用质量惯性约束作用下的PBX-3炸药燃烧反应演化实验，验证了约束装药反应燃烧演化调控模型的可靠性。分析结果表明：模型计算获得的反应增压历程与实验中的反应压力增长趋势（通过质量块运动速度历程推算）大致吻合，考虑结构泄压效应的调控模型能够反映压力增长历程中燃烧产气增压与泄气释压竞争的物理机制，压力增长趋势随泄压面积系数的变化关系符合机理分析预期。研究成果可为加深认识受约束炸药燃烧反应演化机制提供支撑。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0366
PDF(28)
摘要:
为了有效预测和控制封闭空间内油气爆炸的后果，进而减少事故导致的人员伤亡和财产损失，对油气爆炸的超压特性与爆炸发生空间尺度的关系进行了研究。在控制初始油气浓度以及点火位置和点火能量不变的情况下，开展了不同长径比、不同体积和不同长度的密闭方形管道条件下油气的爆炸超压特性实验。实验结果表明，在爆炸过程中，超压上升的速率经历急剧增长期、持续震荡期和衰减终止期这三个阶段，其反映了反应速率与热损失之间的动态变化关系。体积不变（21.2L），随着长径比的增加（从7.1增加至35.7），最大超压下降47.5%（从472.9kPa下降至248.5kPa）、平均超压上升率下降73.5%（1359kPa·s-1下降到360kPa·s-1）、最大超压上升速率下降66.4%（从3204kPa·s-1下降至1078kPa·s-1）及爆炸威力下降86.2%（从643 (kPa)2/ms下降到89 (kPa)2/ms），这是由于管口面积的变化（从207cm2减小到71cm2）影响反应速率以及管道内表面积的变化（从629cm2增加到1022cm2）影响热损失。进一步分析试验结果发现，管口面积变化会直接影响火焰前锋面积和反应速率，对最大超压的影响更为直接和显著，而内表面积变化对最大超压的影响相对间接，是通过调节能量传递和热损失来起作用。此外，管道长度是影响到达最大超压时间的关键因素，管道增长不仅增加了热损失，还使反射波与入射波的叠加时间点延后，并且反射波的能量会相对较多地衰减。
为了有效预测和控制封闭空间内油气爆炸的后果，进而减少事故导致的人员伤亡和财产损失，对油气爆炸的超压特性与爆炸发生空间尺度的关系进行了研究。在控制初始油气浓度以及点火位置和点火能量不变的情况下，开展了不同长径比、不同体积和不同长度的密闭方形管道条件下油气的爆炸超压特性实验。实验结果表明，在爆炸过程中，超压上升的速率经历急剧增长期、持续震荡期和衰减终止期这三个阶段，其反映了反应速率与热损失之间的动态变化关系。体积不变（21.2L），随着长径比的增加（从7.1增加至35.7），最大超压下降47.5%（从472.9kPa下降至248.5kPa）、平均超压上升率下降73.5%（1359kPa·s-1下降到360kPa·s-1）、最大超压上升速率下降66.4%（从3204kPa·s-1下降至1078kPa·s-1）及爆炸威力下降86.2%（从643 (kPa)2/ms下降到89 (kPa)2/ms），这是由于管口面积的变化（从207cm2减小到71cm2）影响反应速率以及管道内表面积的变化（从629cm2增加到1022cm2）影响热损失。进一步分析试验结果发现，管口面积变化会直接影响火焰前锋面积和反应速率，对最大超压的影响更为直接和显著，而内表面积变化对最大超压的影响相对间接，是通过调节能量传递和热损失来起作用。此外，管道长度是影响到达最大超压时间的关键因素，管道增长不仅增加了热损失，还使反射波与入射波的叠加时间点延后，并且反射波的能量会相对较多地衰减。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0274
PDF(39)
摘要:
本文通过实验方法，研究了铝蜂窝夹芯板在入水冲击载荷作用下的压力载荷特性和结构变形机理。首先，搭建了蜂窝夹芯板入水冲击实验平台，开展了蜂窝夹芯板落体冲击实验，并验证了实验的可重复性。在此基础上，研究了蜂窝夹芯板入水冲击过程中的载荷特性，以及蜂窝夹芯板的变形模式、最终挠度等特性。研究结果表明，由于气垫效应的影响，蜂窝夹芯板表面的入水冲击压力分布不均匀，当落体高度大于0.5m时，中间测点的压力峰值大于1/4测点的压力峰值。此外，由于蜂窝夹芯板在入水过程中会产生弹塑性变形，进而影响入水冲击压力，即与刚性平板入水冲击相比，蜂窝夹芯板的入水冲击压力峰值较小。相比同质量的等效铝板，蜂窝夹芯板的入水冲击压力峰值更小，压力持续时间更长。对于不同方法获得的入水冲击压力而言，其峰值均与落体高度近似呈线性变化。不同落体高度下，蜂窝夹芯板的面板变形模式基本一致，均为中间区域产生由四条塑性铰线组成的矩形变形区，而四周为梯形变形区，且随着落体高度的增加，矩形变形区向四周扩大。随落体高度的增加，蜂窝夹芯板前面板和后面板中点处的最终挠度近似呈斜率减小的二次抛物线增长。蜂窝夹芯板在入水冲击载荷作用下，蜂窝芯层会变形吸能，后面板变形明显小于等效铝板变形，即与等效铝板相比，蜂窝夹芯板具有更好的抗冲击性能。
本文通过实验方法，研究了铝蜂窝夹芯板在入水冲击载荷作用下的压力载荷特性和结构变形机理。首先，搭建了蜂窝夹芯板入水冲击实验平台，开展了蜂窝夹芯板落体冲击实验，并验证了实验的可重复性。在此基础上，研究了蜂窝夹芯板入水冲击过程中的载荷特性，以及蜂窝夹芯板的变形模式、最终挠度等特性。研究结果表明，由于气垫效应的影响，蜂窝夹芯板表面的入水冲击压力分布不均匀，当落体高度大于0.5m时，中间测点的压力峰值大于1/4测点的压力峰值。此外，由于蜂窝夹芯板在入水过程中会产生弹塑性变形，进而影响入水冲击压力，即与刚性平板入水冲击相比，蜂窝夹芯板的入水冲击压力峰值较小。相比同质量的等效铝板，蜂窝夹芯板的入水冲击压力峰值更小，压力持续时间更长。对于不同方法获得的入水冲击压力而言，其峰值均与落体高度近似呈线性变化。不同落体高度下，蜂窝夹芯板的面板变形模式基本一致，均为中间区域产生由四条塑性铰线组成的矩形变形区，而四周为梯形变形区，且随着落体高度的增加，矩形变形区向四周扩大。随落体高度的增加，蜂窝夹芯板前面板和后面板中点处的最终挠度近似呈斜率减小的二次抛物线增长。蜂窝夹芯板在入水冲击载荷作用下，蜂窝芯层会变形吸能，后面板变形明显小于等效铝板变形，即与等效铝板相比，蜂窝夹芯板具有更好的抗冲击性能。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0252
PDF(51)
摘要:
为探究Zr基活性壳体的爆炸释能及对油盒的毁伤效果，采用合金熔炼浇铸方式制备了Zr基活性材料壳体，通过爆炸驱动试验，并结合高速摄影记录结果，对比等质量45号钢壳体，对爆炸火球参数、冲击波波速进行了观测，研究了不同材料壳体产生的破片对油盒的冲击效应。结果表明：与等质量钢壳体相比，爆炸驱动下Zr基活性材料壳体火光持续时间更长、冲击波波速更快，Zr基活性材料壳体在爆炸驱动下对空气冲击波具有强化作用；活性材料击穿油盒后引燃盒内燃油，具备引燃燃油能力，而等质量钢壳体未引燃盒内燃油。
为探究Zr基活性壳体的爆炸释能及对油盒的毁伤效果，采用合金熔炼浇铸方式制备了Zr基活性材料壳体，通过爆炸驱动试验，并结合高速摄影记录结果，对比等质量45号钢壳体，对爆炸火球参数、冲击波波速进行了观测，研究了不同材料壳体产生的破片对油盒的冲击效应。结果表明：与等质量钢壳体相比，爆炸驱动下Zr基活性材料壳体火光持续时间更长、冲击波波速更快，Zr基活性材料壳体在爆炸驱动下对空气冲击波具有强化作用；活性材料击穿油盒后引燃盒内燃油，具备引燃燃油能力，而等质量钢壳体未引燃盒内燃油。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0278
PDF(33)
摘要:
为研究锆基非晶合金破片侵彻碳纤维损伤机理和后效靶毁伤能力，采用12.7mm弹道枪开展了球型锆基非晶合金破片侵彻6mm厚碳纤维靶和后效2mm厚LY12靶组成的叠层靶和间隔靶的弹道枪试验研究，采用图像识别技术分析了后效LY12靶毁伤的面积。研究结果表明：碳纤维靶损伤面积与破片速度成正比且无明显扩孔反应，迎弹面主要为纤维剪切破坏和压缩变形损伤，背弹面则主要为拉伸撕裂破坏以及层间失效。随着速度的提高，碳纤维的剪切破坏比例逐渐增加；破片冲击相同设置靶板时，LY12靶毁伤面积随速度增加而增大，速度低于954.7m?s-1时，间隔靶后效靶LY12靶板毁伤面积小于叠层靶后效靶LY12靶毁伤面积，随着速度提高间隔靶后效LY12靶的毁伤面积快速提高，而叠合靶后效LY12靶的毁伤面积增长趋于平缓，且前者远大于后者。因此，高速撞击时，设置间隔靶对于后效毁伤更有利。
为研究锆基非晶合金破片侵彻碳纤维损伤机理和后效靶毁伤能力，采用12.7mm弹道枪开展了球型锆基非晶合金破片侵彻6mm厚碳纤维靶和后效2mm厚LY12靶组成的叠层靶和间隔靶的弹道枪试验研究，采用图像识别技术分析了后效LY12靶毁伤的面积。研究结果表明：碳纤维靶损伤面积与破片速度成正比且无明显扩孔反应，迎弹面主要为纤维剪切破坏和压缩变形损伤，背弹面则主要为拉伸撕裂破坏以及层间失效。随着速度的提高，碳纤维的剪切破坏比例逐渐增加；破片冲击相同设置靶板时，LY12靶毁伤面积随速度增加而增大，速度低于954.7m?s-1时，间隔靶后效靶LY12靶板毁伤面积小于叠层靶后效靶LY12靶毁伤面积，随着速度提高间隔靶后效LY12靶的毁伤面积快速提高，而叠合靶后效LY12靶的毁伤面积增长趋于平缓，且前者远大于后者。因此，高速撞击时，设置间隔靶对于后效毁伤更有利。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0280
PDF(65)
摘要:
为研究爆炸作用下碳纤维增强聚合物（CFRP）布加固砌体填充墙的抗爆性能及其设计方法，首先采用商用有限元软件LS-DYNA建立砌体填充墙的简化分离有限元模型及其CFRP布加固抗爆分析模型，通过与已有9组未加固和CFRP布加固砌体填充墙的野外爆炸试验结果对比，验证了所采用的墙体简化分离建模方法、砌体和CFRP布本构模型及其参数的适用性。进一步参考GB 50608-2020标准推荐的砌体墙CFRP抗震加固方式，通过对比分析爆炸作用下CFRP布加固原型砌体填充墙的动力行为，建议优先采用对角双向加固方式，其次是垂直双向和横向满铺加固方式，不建议采用竖向满铺和混合三向加固方式。最后，以同时满足CFRP布基本保持完整、墙体中心不发生砌块飞散，以及墙体中心最大面外挠度小于墙厚为设计目标，得出典型小轿车（227 kg TNT当量）和手提包炸弹（23 kg TNT当量）在不同比例距离爆炸时，对应6~9度抗震设防等级要求的三种拉结筋布置形式（无/截断/通长拉结筋）原型墙体需要加固的比例距离范围分别为0.8~2 m/kg1/3和0.2~1.2 m/kg1/3，进一步给出了最优CFRP布加固层数建议。
为研究爆炸作用下碳纤维增强聚合物（CFRP）布加固砌体填充墙的抗爆性能及其设计方法，首先采用商用有限元软件LS-DYNA建立砌体填充墙的简化分离有限元模型及其CFRP布加固抗爆分析模型，通过与已有9组未加固和CFRP布加固砌体填充墙的野外爆炸试验结果对比，验证了所采用的墙体简化分离建模方法、砌体和CFRP布本构模型及其参数的适用性。进一步参考GB 50608-2020标准推荐的砌体墙CFRP抗震加固方式，通过对比分析爆炸作用下CFRP布加固原型砌体填充墙的动力行为，建议优先采用对角双向加固方式，其次是垂直双向和横向满铺加固方式，不建议采用竖向满铺和混合三向加固方式。最后，以同时满足CFRP布基本保持完整、墙体中心不发生砌块飞散，以及墙体中心最大面外挠度小于墙厚为设计目标，得出典型小轿车（227 kg TNT当量）和手提包炸弹（23 kg TNT当量）在不同比例距离爆炸时，对应6~9度抗震设防等级要求的三种拉结筋布置形式（无/截断/通长拉结筋）原型墙体需要加固的比例距离范围分别为0.8~2 m/kg1/3和0.2~1.2 m/kg1/3，进一步给出了最优CFRP布加固层数建议。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0335
PDF(37)
摘要:
裂隙对岩体动态力学特性的影响机制一直是岩石力学领域的一个重点与难点问题，而裂隙岩体动态损伤模型的建立则是解决这一问题的关键，因而备受关注。目前大多数的裂隙岩体动态损伤模型均是针对平直裂隙，而无法考虑裂隙粗糙度的影响，为此针对这一不足，首先基于前人提出的能够同时考虑裂隙几何参数、强度参数及变形参数的岩体宏观损伤变量计算模型，通过引入Barton建立的粗糙裂隙JRC-JCS抗剪强度模型，提出了能够同时考虑裂隙粗糙度的岩体宏观损伤变量计算模型。其次，将该计算模型引入到前人提出的考虑宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体单轴压缩动态损伤模型中，建立了能够同时考虑裂隙粗糙度的非贯通裂隙岩体单轴压缩动态损伤模型。最后，通过参数敏感性分析研究了裂隙粗糙度JRC、裂隙面基本摩擦角φb、裂隙长度2a对岩体动态力学特性的影响。以动态峰值强度为例，算例表明，当JRC由0分别增加到10和20时，岩体动态峰值强度由26.42MPa分别增加到27.28MPa和28.37MPa。当φb由0º分别增加到15º和30º时，岩体动态峰值强度由26.24MPa分别增加到27.28MPa和28.80MPa。当2a由1cm分别增加到2cm和3cm时，岩体动态峰值强度由31.37MPa分别降低至27.28MPa和23.90MPa。同时为了更精确地刻画裂隙面粗糙度的影响，将裂隙面分形维数引入到岩体动态损伤模型中，不但提高了模型计算精度，而且拓宽了其应用范围，更便于实际工程应用。
裂隙对岩体动态力学特性的影响机制一直是岩石力学领域的一个重点与难点问题，而裂隙岩体动态损伤模型的建立则是解决这一问题的关键，因而备受关注。目前大多数的裂隙岩体动态损伤模型均是针对平直裂隙，而无法考虑裂隙粗糙度的影响，为此针对这一不足，首先基于前人提出的能够同时考虑裂隙几何参数、强度参数及变形参数的岩体宏观损伤变量计算模型，通过引入Barton建立的粗糙裂隙JRC-JCS抗剪强度模型，提出了能够同时考虑裂隙粗糙度的岩体宏观损伤变量计算模型。其次，将该计算模型引入到前人提出的考虑宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体单轴压缩动态损伤模型中，建立了能够同时考虑裂隙粗糙度的非贯通裂隙岩体单轴压缩动态损伤模型。最后，通过参数敏感性分析研究了裂隙粗糙度JRC、裂隙面基本摩擦角φb、裂隙长度2a对岩体动态力学特性的影响。以动态峰值强度为例，算例表明，当JRC由0分别增加到10和20时，岩体动态峰值强度由26.42MPa分别增加到27.28MPa和28.37MPa。当φb由0º分别增加到15º和30º时，岩体动态峰值强度由26.24MPa分别增加到27.28MPa和28.80MPa。当2a由1cm分别增加到2cm和3cm时，岩体动态峰值强度由31.37MPa分别降低至27.28MPa和23.90MPa。同时为了更精确地刻画裂隙面粗糙度的影响，将裂隙面分形维数引入到岩体动态损伤模型中，不但提高了模型计算精度，而且拓宽了其应用范围，更便于实际工程应用。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0336
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摘要:
岩石动态本构模型对理解动载下岩石的力学行为和解决岩石动力学问题具有重要作用。基于连续介质损伤力学，建立了一个弹塑性损伤耦合的岩石动态本构模型。该模型以统一强度理论作为屈服准则，并引入动态拉压比充分反映应变率效应；采用有效塑性应变和体积塑性应变表示压损伤变量和用有效塑性应变表示拉损伤变量从而反映拉压条件下岩石不同的损伤演化规律；采用分段函数来刻画岩石拉压条件下的不同塑性硬化行为；基于Fortran语言和LS-DYNA用户材料自定义接口（Umat）对所建立的本构模型进行数值实现；通过岩石单轴和三轴压缩试验、岩石单轴拉伸试验和岩石弹道试验等三个经典算例对所建立的本构模型展开验证，结果表明，该本构模型能全面刻画岩石的动静态力学行为。
岩石动态本构模型对理解动载下岩石的力学行为和解决岩石动力学问题具有重要作用。基于连续介质损伤力学，建立了一个弹塑性损伤耦合的岩石动态本构模型。该模型以统一强度理论作为屈服准则，并引入动态拉压比充分反映应变率效应；采用有效塑性应变和体积塑性应变表示压损伤变量和用有效塑性应变表示拉损伤变量从而反映拉压条件下岩石不同的损伤演化规律；采用分段函数来刻画岩石拉压条件下的不同塑性硬化行为；基于Fortran语言和LS-DYNA用户材料自定义接口（Umat）对所建立的本构模型进行数值实现；通过岩石单轴和三轴压缩试验、岩石单轴拉伸试验和岩石弹道试验等三个经典算例对所建立的本构模型展开验证，结果表明，该本构模型能全面刻画岩石的动静态力学行为。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0309
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摘要:
摘 要：为揭示动荷载下硅砂的破碎特性及吸能效应，基于改进的分离式霍普金森杆（SHPB）研究了四种粒组砂样的动力响应特征。结果表明，粒径和应变率会影响砂的动态应力-应变行为。砂的变形可分为弹性、屈服和塑性三个阶段，试样的压实过程主要由屈服阶段的塑性压密和塑性阶段的破碎压密组成；颗粒相对破碎指数与应变率及有效粒径均近似呈正比关系，而与分形维数呈反比；颗粒粒度对吸能效率的影响随颗粒特性的不同而变化（矿物组成、粒径及分化程度等）；相同应力水平下，颗粒粒径越大，能量吸收效率越高；相同加载应变率条件下，颗粒越大，试样的峰值应力越小。为提高砂的吸能效率和减小负荷水平，建议采用较大粒径的硅砂。
摘 要：为揭示动荷载下硅砂的破碎特性及吸能效应，基于改进的分离式霍普金森杆（SHPB）研究了四种粒组砂样的动力响应特征。结果表明，粒径和应变率会影响砂的动态应力-应变行为。砂的变形可分为弹性、屈服和塑性三个阶段，试样的压实过程主要由屈服阶段的塑性压密和塑性阶段的破碎压密组成；颗粒相对破碎指数与应变率及有效粒径均近似呈正比关系，而与分形维数呈反比；颗粒粒度对吸能效率的影响随颗粒特性的不同而变化（矿物组成、粒径及分化程度等）；相同应力水平下，颗粒粒径越大，能量吸收效率越高；相同加载应变率条件下，颗粒越大，试样的峰值应力越小。为提高砂的吸能效率和减小负荷水平，建议采用较大粒径的硅砂。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0294
PDF(54)
摘要:
一端中心起爆装药的圆柱套筒是破片型武器最常用的结构，其破碎产生的破片初速是评估杀伤威力和防护结构性能的重要参数。针对精确预测不同长径比（L/D）下圆柱套筒的初速分布问题，首先基于试验验证的数值模型研究了L/D对破片初速的影响，在此基本上，提出了适用于L/D≥1圆柱套筒的初速分布计算模型，该模型中添加了与L/D相关的受轴向稀疏波影响的修正项，最后，通过试验和数值模拟对所提出的初速计算模型进行了验证。研究结果表明：不同L/D下的破片初速分布均呈现两端初速低，中间高的变化趋势，且L/D越大，破片初速越大，当L/D达到5时，最大破片初速与Gurney公式计算结果之间的相对误差仅为1.99％；公式计算结果与试验结果和数值计算结果的平均误差不超过6％，表明了该模型在预测不同L/D下的破片初速分布是可靠的。研究工作可为破片毁伤威力评估及反恐工程中防护装置的结构设计提供参考。
一端中心起爆装药的圆柱套筒是破片型武器最常用的结构，其破碎产生的破片初速是评估杀伤威力和防护结构性能的重要参数。针对精确预测不同长径比（L/D）下圆柱套筒的初速分布问题，首先基于试验验证的数值模型研究了L/D对破片初速的影响，在此基本上，提出了适用于L/D≥1圆柱套筒的初速分布计算模型，该模型中添加了与L/D相关的受轴向稀疏波影响的修正项，最后，通过试验和数值模拟对所提出的初速计算模型进行了验证。研究结果表明：不同L/D下的破片初速分布均呈现两端初速低，中间高的变化趋势，且L/D越大，破片初速越大，当L/D达到5时，最大破片初速与Gurney公式计算结果之间的相对误差仅为1.99％；公式计算结果与试验结果和数值计算结果的平均误差不超过6％，表明了该模型在预测不同L/D下的破片初速分布是可靠的。研究工作可为破片毁伤威力评估及反恐工程中防护装置的结构设计提供参考。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0128
PDF(106)
摘要:
在简易自制爆炸装置的近场爆炸中，防护结构常受到爆炸冲击波和破片的复合作用，为了提高结构的防护性能，设计并制备了含“泡沫铝/纤维”夹芯复合结构材料，通过开展“爆炸+侵彻”实验，研究复合结构在爆炸冲击波和高速破片复合作用下的失效模式，重点讨论爆炸冲击波和破片两种载荷时序性对毁伤特性的影响，并分析不同材料的吸能机理。研究结果表明：爆距的变化直接影响爆炸冲击波和破片作用的时序性，在本文讨论的工况中，当爆距大于600mm时，破片先于冲击波作用。在冲击波和破片的复合作用下，铝面板除了破片的贯穿破坏外，还伴有局部凹陷变形；泡沫铝自身胞孔结构在冲击载荷作用下发生压溃变形和胞壁屈服碎裂；弹孔处纤维则在破片的侵彻下发生拉伸变形和断裂，并伴有高温失效；铝背板主要以瓣裂撕裂破坏为主。在两种时序性作用下，弹孔的存在削弱了冲击波对铝面板的作用，后序夹芯结构材料和铝背板的变形破坏程度较前序材料更为严重。本研究的开展对轻质复合结构材料在有限空间近爆防护领域中的应用和功能设计提供了技术依据。
在简易自制爆炸装置的近场爆炸中，防护结构常受到爆炸冲击波和破片的复合作用，为了提高结构的防护性能，设计并制备了含“泡沫铝/纤维”夹芯复合结构材料，通过开展“爆炸+侵彻”实验，研究复合结构在爆炸冲击波和高速破片复合作用下的失效模式，重点讨论爆炸冲击波和破片两种载荷时序性对毁伤特性的影响，并分析不同材料的吸能机理。研究结果表明：爆距的变化直接影响爆炸冲击波和破片作用的时序性，在本文讨论的工况中，当爆距大于600mm时，破片先于冲击波作用。在冲击波和破片的复合作用下，铝面板除了破片的贯穿破坏外，还伴有局部凹陷变形；泡沫铝自身胞孔结构在冲击载荷作用下发生压溃变形和胞壁屈服碎裂；弹孔处纤维则在破片的侵彻下发生拉伸变形和断裂，并伴有高温失效；铝背板主要以瓣裂撕裂破坏为主。在两种时序性作用下，弹孔的存在削弱了冲击波对铝面板的作用，后序夹芯结构材料和铝背板的变形破坏程度较前序材料更为严重。本研究的开展对轻质复合结构材料在有限空间近爆防护领域中的应用和功能设计提供了技术依据。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0119
PDF(57)
摘要:
H型钢柱在工业厂房、停车场等应用时容易遭受吊装荷载和车辆撞击作用。基于上述背景，本文在前期试验研究基础上，通过有限元开展H型钢柱撞击下及撞击后力学性能全过程分析。首先通过机理分析，获得不同轴压比影响下试件的变形特征、应力与耗能发展。结果表明，侧向撞击下H型钢柱以整体变形为主，上翼缘与腹板分别发生局部凹陷与平面外屈曲；撞击力时程曲线呈现明显的平台段，预加轴力明显削弱试件的抗撞能力。其次，建立108个参数分析模型，重点研究荷载参数（撞击质量m、撞击速度v与轴压比n）、材料参数（屈服强度fy）与几何参数（截面面积A与试件长度L）对撞击力、撞击变形和剩余承载力的影响规律。最后，基于响应面法提出了多因子交互影响的撞击下整体与局部变形及撞击后剩余承载力预测公式，可用于H型钢柱撞击全过程损伤评估与设计。
H型钢柱在工业厂房、停车场等应用时容易遭受吊装荷载和车辆撞击作用。基于上述背景，本文在前期试验研究基础上，通过有限元开展H型钢柱撞击下及撞击后力学性能全过程分析。首先通过机理分析，获得不同轴压比影响下试件的变形特征、应力与耗能发展。结果表明，侧向撞击下H型钢柱以整体变形为主，上翼缘与腹板分别发生局部凹陷与平面外屈曲；撞击力时程曲线呈现明显的平台段，预加轴力明显削弱试件的抗撞能力。其次，建立108个参数分析模型，重点研究荷载参数（撞击质量m、撞击速度v与轴压比n）、材料参数（屈服强度fy）与几何参数（截面面积A与试件长度L）对撞击力、撞击变形和剩余承载力的影响规律。最后，基于响应面法提出了多因子交互影响的撞击下整体与局部变形及撞击后剩余承载力预测公式，可用于H型钢柱撞击全过程损伤评估与设计。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0102
PDF(76)
摘要:
为降低瓦斯爆炸对煤矿作业人员和煤炭安全开采的巨大威胁，对巷道中不同体积的瓦斯-空气混合气体爆炸超压和冲击气流速度随传播距离衰减的规律进行了深入研究。首先，根据量纲分析法和能量相似律，综合考虑巷道中瓦斯爆炸超压、冲击气流速度随传播距离衰减的影响因素，建立了超压和冲击气流速度随传播距离衰减的无量纲式。其次，对大尺寸巷道中的实验数据进行回归分析，得到了超压、冲击气流速度的衰减模型及二者之间的关系式。最后，对所建立的衰减模型和关系式进行验证。结果表明：混合气体能量、气体积聚量、测点距离、水力直径和巷道截面积是超压、冲击气流速度衰减的主要影响因素；超压、冲击气流速度均与混合气体聚积量正相关，起始超压和冲击气流速度越大，衰减越迅速；衰减模型理论值与试验值的相对误差及关系式理论值与试验值的相对误差均控制在10%左右，数据整体吻合度较高，验证了其可靠性，能够更简洁直观的描述瓦斯爆炸传播规律，实现对超压、气流速度的快速计算。
为降低瓦斯爆炸对煤矿作业人员和煤炭安全开采的巨大威胁，对巷道中不同体积的瓦斯-空气混合气体爆炸超压和冲击气流速度随传播距离衰减的规律进行了深入研究。首先，根据量纲分析法和能量相似律，综合考虑巷道中瓦斯爆炸超压、冲击气流速度随传播距离衰减的影响因素，建立了超压和冲击气流速度随传播距离衰减的无量纲式。其次，对大尺寸巷道中的实验数据进行回归分析，得到了超压、冲击气流速度的衰减模型及二者之间的关系式。最后，对所建立的衰减模型和关系式进行验证。结果表明：混合气体能量、气体积聚量、测点距离、水力直径和巷道截面积是超压、冲击气流速度衰减的主要影响因素；超压、冲击气流速度均与混合气体聚积量正相关，起始超压和冲击气流速度越大，衰减越迅速；衰减模型理论值与试验值的相对误差及关系式理论值与试验值的相对误差均控制在10%左右，数据整体吻合度较高，验证了其可靠性，能够更简洁直观的描述瓦斯爆炸传播规律，实现对超压、气流速度的快速计算。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0071
PDF(95)
摘要:
岩石中存在许多微裂纹和微孔洞，这些微裂纹和微孔洞在动荷载作用下会萌生、扩展和聚并，导致岩石失稳和破坏。在进行爆破开挖时，预留岩体会受到循环爆破产生的动载荷影响，产生累积损伤，从而导致岩体强度降低，甚至破坏。为了模拟这一物理过程，将现有的能够较好地描述岩石动力损伤的岩石动力损伤本构模型通过二次开发嵌入到FLAC中，用于分析锁固型岩质边坡在循环爆破作用下的损伤效应及稳定性。结果表明:考虑岩质边坡累积损伤效应后，随着循环爆破次数的增加，边坡稳定性逐渐降低。对于锁固型岩质边坡，锁固段的破坏首先发生在两端，然后向中间扩散，岩体在其中呈现递进破坏模式。由于考虑了岩质边坡的累积损伤，每次爆破后边坡的安全系数都会减小。当不考虑累积损伤时，边坡的安全系数基本不变。另外，锁固段在软弱夹层中的位置影响边坡的破坏模式和稳定性。因此，在进行类似工程活动时，应考虑岩体的累积损伤效应，避免工程事故的发生。
岩石中存在许多微裂纹和微孔洞，这些微裂纹和微孔洞在动荷载作用下会萌生、扩展和聚并，导致岩石失稳和破坏。在进行爆破开挖时，预留岩体会受到循环爆破产生的动载荷影响，产生累积损伤，从而导致岩体强度降低，甚至破坏。为了模拟这一物理过程，将现有的能够较好地描述岩石动力损伤的岩石动力损伤本构模型通过二次开发嵌入到FLAC中，用于分析锁固型岩质边坡在循环爆破作用下的损伤效应及稳定性。结果表明:考虑岩质边坡累积损伤效应后，随着循环爆破次数的增加，边坡稳定性逐渐降低。对于锁固型岩质边坡，锁固段的破坏首先发生在两端，然后向中间扩散，岩体在其中呈现递进破坏模式。由于考虑了岩质边坡的累积损伤，每次爆破后边坡的安全系数都会减小。当不考虑累积损伤时，边坡的安全系数基本不变。另外，锁固段在软弱夹层中的位置影响边坡的破坏模式和稳定性。因此，在进行类似工程活动时，应考虑岩体的累积损伤效应，避免工程事故的发生。
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摘要:
为了提高核乏燃料储运容器等球墨铸铁结构在低温、冲击环境下的服役安全性，本文通过改进的霍普金森压杆技术对球墨铸铁材料在常温与低温（20℃、-40℃、-60℃和-80℃）下的I型动态断裂韧性进行了测试，并着重研究了材料的韧脆转变行为。试样的起裂时间由应变法确定，采用实验-数值方法确定了裂尖动态应力强度因子和材料的I型动态断裂韧性。结果表明，在相同冲击速度加载下，球墨铸铁的I型动态断裂韧性随温度的降低而明显降低，起裂时间也随温度降低而减少。通过对断口的微观分析，发现在不同温度下材料存在失效机理的转变。随着温度的降低，断口韧窝减少，河流花样以及解理台阶增多。通过对韧性与脆性微观形貌特征进行量化统计，表明了材料在低温下存在延性特征变弱、脆性增强的规律，这种韧脆转变现象与材料断裂韧性的测试结果相吻合。
为了提高核乏燃料储运容器等球墨铸铁结构在低温、冲击环境下的服役安全性，本文通过改进的霍普金森压杆技术对球墨铸铁材料在常温与低温（20℃、-40℃、-60℃和-80℃）下的I型动态断裂韧性进行了测试，并着重研究了材料的韧脆转变行为。试样的起裂时间由应变法确定，采用实验-数值方法确定了裂尖动态应力强度因子和材料的I型动态断裂韧性。结果表明，在相同冲击速度加载下，球墨铸铁的I型动态断裂韧性随温度的降低而明显降低，起裂时间也随温度降低而减少。通过对断口的微观分析，发现在不同温度下材料存在失效机理的转变。随着温度的降低，断口韧窝减少，河流花样以及解理台阶增多。通过对韧性与脆性微观形貌特征进行量化统计，表明了材料在低温下存在延性特征变弱、脆性增强的规律，这种韧脆转变现象与材料断裂韧性的测试结果相吻合。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0272
摘要:
为研究冲击作用下混凝土的动态力学性质和裂纹处的动态温度，采用系统响应速率达到微秒级的自搭建高速红外测温系统，结合霍普金森压杆试验装置，通过静态标定试验拟合了钢-聚丙烯纤维混凝土(steel-polypropylene fiber reinforced concrete，SPFRC)的温度曲线。结果表明：混凝土试件的温度演化与力学性能存在明显的耦合效应，钢纤维体积掺量对动力学性能和温度影响很大，混凝土抗压强度随着钢纤维掺量的增加而增大；其中1.5%钢纤维体积掺量的试件表现出最佳的力学性能，当钢纤维体积掺量达到2.0%时，由于混凝土内部空隙增多，导致其力学性能略有下降。在冲击过程中，裂纹处的动态温度效应呈现“台阶状”特征，温度变化分为两个阶段：在裂纹初期温度上升缓慢，而裂纹扩展后摩擦和剪切效应加剧，导致裂纹处温度急剧上升。不同钢纤维体积掺量对温度变化的影响有限，其峰值温度和峰值应力呈现相似规律，温度的主要变化由裂纹扩展和摩擦效应决定。
为研究冲击作用下混凝土的动态力学性质和裂纹处的动态温度，采用系统响应速率达到微秒级的自搭建高速红外测温系统，结合霍普金森压杆试验装置，通过静态标定试验拟合了钢-聚丙烯纤维混凝土(steel-polypropylene fiber reinforced concrete，SPFRC)的温度曲线。结果表明：混凝土试件的温度演化与力学性能存在明显的耦合效应，钢纤维体积掺量对动力学性能和温度影响很大，混凝土抗压强度随着钢纤维掺量的增加而增大；其中1.5%钢纤维体积掺量的试件表现出最佳的力学性能，当钢纤维体积掺量达到2.0%时，由于混凝土内部空隙增多，导致其力学性能略有下降。在冲击过程中，裂纹处的动态温度效应呈现“台阶状”特征，温度变化分为两个阶段：在裂纹初期温度上升缓慢，而裂纹扩展后摩擦和剪切效应加剧，导致裂纹处温度急剧上升。不同钢纤维体积掺量对温度变化的影响有限，其峰值温度和峰值应力呈现相似规律，温度的主要变化由裂纹扩展和摩擦效应决定。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0192
摘要:
格构柱是工程结构中的主要承重构件，为评估格构柱在冲击载荷下的防护性能并优化其设计，对格构柱沿不同冲击方向进行了二次冲击试验，并与相同总能量下的单次冲击试验进行了对比，分析了格构柱在冲击荷载下的受力和变形特点。随后，基于试验验证的有限元模型对足尺格构柱进行连续二次冲击模拟，得到了总能量不变时遭受2次连续冲击的格构柱的动力响应，分析了不同能量分配对冲击力、残余位移和残余动能的影响。结果表明：总能量相同时，单次冲击作用下格构柱的位移大于二次冲击，数值模拟中，最优能量分配可使沿不同方向冲击的构件残余位移减小约12%；当格构柱第1次受到的冲击能占比越大，第2次受到的冲击能占比越小时，格构柱吸收的总能量越小。最终，基于试验与数值模拟结果，提出受损柱能承受第2次冲击的最大冲击速度的计算方法。
格构柱是工程结构中的主要承重构件，为评估格构柱在冲击载荷下的防护性能并优化其设计，对格构柱沿不同冲击方向进行了二次冲击试验，并与相同总能量下的单次冲击试验进行了对比，分析了格构柱在冲击荷载下的受力和变形特点。随后，基于试验验证的有限元模型对足尺格构柱进行连续二次冲击模拟，得到了总能量不变时遭受2次连续冲击的格构柱的动力响应，分析了不同能量分配对冲击力、残余位移和残余动能的影响。结果表明：总能量相同时，单次冲击作用下格构柱的位移大于二次冲击，数值模拟中，最优能量分配可使沿不同方向冲击的构件残余位移减小约12%；当格构柱第1次受到的冲击能占比越大，第2次受到的冲击能占比越小时，格构柱吸收的总能量越小。最终，基于试验与数值模拟结果，提出受损柱能承受第2次冲击的最大冲击速度的计算方法。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0250
摘要:
为降低具有初始攻角的弹体在侵彻时产生的横向过载峰值。采用数值模拟方法，研究了一种带锯齿弹身的新型钻地弹以非零攻角姿态侵彻混凝土靶体时其特有的横向降载效应和机理。考虑初始攻角、质心系数等的影响，以常规光滑弹作为对比对象，分析了弹体运动规律、弹靶接触力、接触力矩、接触面积等。结果表明，在1°、2°和3°的小初始攻角范围内，锯齿弹较光滑弹可分别降低横向过载峰值约30.6%、5.2%、11.3%，但相应的接触力矩的峰值和脉宽、偏转角度等均有所增大。研究结果揭示了锯齿弹的横向降载机理：锯齿弹身减小了弹靶的接触面积，横向接触力主要集中在弹身锯齿区靠近头部的前两个锯齿环槽的右锯齿上，使得锯齿弹身与靶的横向接触力减小，而非锯齿区（主要是弹体头部）与靶的横向接触力增大，二者的竞争可增强锯齿弹整体的横向降载效果。通过结构设计等手段抑制锯齿弹的弹道偏转后，可有效提升锯齿弹的横向降载效率。
为降低具有初始攻角的弹体在侵彻时产生的横向过载峰值。采用数值模拟方法，研究了一种带锯齿弹身的新型钻地弹以非零攻角姿态侵彻混凝土靶体时其特有的横向降载效应和机理。考虑初始攻角、质心系数等的影响，以常规光滑弹作为对比对象，分析了弹体运动规律、弹靶接触力、接触力矩、接触面积等。结果表明，在1°、2°和3°的小初始攻角范围内，锯齿弹较光滑弹可分别降低横向过载峰值约30.6%、5.2%、11.3%，但相应的接触力矩的峰值和脉宽、偏转角度等均有所增大。研究结果揭示了锯齿弹的横向降载机理：锯齿弹身减小了弹靶的接触面积，横向接触力主要集中在弹身锯齿区靠近头部的前两个锯齿环槽的右锯齿上，使得锯齿弹身与靶的横向接触力减小，而非锯齿区（主要是弹体头部）与靶的横向接触力增大，二者的竞争可增强锯齿弹整体的横向降载效果。通过结构设计等手段抑制锯齿弹的弹道偏转后，可有效提升锯齿弹的横向降载效率。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0093
摘要:
为探究常用增材制造用铝及铝硅合金粉尘的爆炸特性，采用20 L球形爆炸装置，对Al、Al-12Si和Al-20Si等3种样品进行密闭空间内的爆炸实验，测试其在不同影响因素下爆炸参数的变化，采用热重分析-差示扫描量热法分析样品的热氧化特性。结果表明：随着合金中硅含量的增加，爆炸下限升高，最大爆炸压力及爆炸峰值温度下降，氧化过程的放热量减少，氧化速率减慢；Al、Al-12Si和Al-20Si达到最大爆炸压力的质量浓度分别为300、750和900 g/m3；当点火能量增加时，铝硅合金的最大爆炸压力上升速率的增幅低于铝粉；环境温度变化对样品爆炸下限的影响小于粒径变化带来的影响。根据爆炸产物的X射线衍射测试分析铝硅合金的爆炸机理，发现爆炸是由颗粒受热汽化形成的气态铝和气态硅组成的可燃气体与氧气混合燃烧所致。
为探究常用增材制造用铝及铝硅合金粉尘的爆炸特性，采用20 L球形爆炸装置，对Al、Al-12Si和Al-20Si等3种样品进行密闭空间内的爆炸实验，测试其在不同影响因素下爆炸参数的变化，采用热重分析-差示扫描量热法分析样品的热氧化特性。结果表明：随着合金中硅含量的增加，爆炸下限升高，最大爆炸压力及爆炸峰值温度下降，氧化过程的放热量减少，氧化速率减慢；Al、Al-12Si和Al-20Si达到最大爆炸压力的质量浓度分别为300、750和900 g/m3；当点火能量增加时，铝硅合金的最大爆炸压力上升速率的增幅低于铝粉；环境温度变化对样品爆炸下限的影响小于粒径变化带来的影响。根据爆炸产物的X射线衍射测试分析铝硅合金的爆炸机理，发现爆炸是由颗粒受热汽化形成的气态铝和气态硅组成的可燃气体与氧气混合燃烧所致。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0214
摘要:
为了研究冲击荷载作用下含铜矿岩的破碎块度与能量耗散关系，借助分离式霍普金森压杆试验装置，分析不同冲击荷载下含铜凝灰岩的力学特性及能量传递规律，结合分形理论构建耗散能与矿岩破碎块度之间的关系；同时，基于有限离散元方法（finite discrete element method，FDEM）模拟矿岩的裂纹扩展行为。结果表明：随着入射能的增加，透射能、耗散能、反射能三者的能量分布规律基本保持一致，即透射能、耗散能、反射能依次减小；根据耗散能的不同，碎石块度分布也呈现出明显的差异性。当耗散能由19.52 J增加至105.72 J时，矿岩的平均块度从27.98 mm降低至16.94 mm，分形维数提升了26.43%，表明耗散能越高，矿岩的宏观破碎程度越剧烈，破碎块度的数目越多，碎块粒径越小，均匀性越好；随着冲击荷载的增大，裂纹起裂时间缩短，拉伸裂纹数量占总裂纹数量的比重提高。FDEM数值计算方法的应用为深入解析岩石断裂破坏特性提供了新的思路。
为了研究冲击荷载作用下含铜矿岩的破碎块度与能量耗散关系，借助分离式霍普金森压杆试验装置，分析不同冲击荷载下含铜凝灰岩的力学特性及能量传递规律，结合分形理论构建耗散能与矿岩破碎块度之间的关系；同时，基于有限离散元方法（finite discrete element method，FDEM）模拟矿岩的裂纹扩展行为。结果表明：随着入射能的增加，透射能、耗散能、反射能三者的能量分布规律基本保持一致，即透射能、耗散能、反射能依次减小；根据耗散能的不同，碎石块度分布也呈现出明显的差异性。当耗散能由19.52 J增加至105.72 J时，矿岩的平均块度从27.98 mm降低至16.94 mm，分形维数提升了26.43%，表明耗散能越高，矿岩的宏观破碎程度越剧烈，破碎块度的数目越多，碎块粒径越小，均匀性越好；随着冲击荷载的增大，裂纹起裂时间缩短，拉伸裂纹数量占总裂纹数量的比重提高。FDEM数值计算方法的应用为深入解析岩石断裂破坏特性提供了新的思路。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0089
摘要:
为给深部应力作用下爆破破岩工程提供新型破岩方法，开展了4组不同围压作用下的等离子体砂岩爆破实验，通过CT扫描和三维重构，对比分析了岩石内部三维裂纹的形态结构和分布状况，研究了等离子体爆破破岩技术在不同围压作用下的破岩效果，并通过LS-DYNA进行了数值模拟，建立了等离子体等效炸药模型，补充验证了耦合应力场中等离子体爆破的作用规律，探究了不同围压作用下等离子体爆破破岩机理以及在爆破过程中岩体内部的裂纹扩展、分布及损伤演化规律。结果表明：相同电压作用下，随着三向围压的升高，岩石表面裂纹的数量和分布范围都呈逐渐减小的趋势，砂岩内部裂纹的复杂程度和贯通程度显著降低。由于在等离子体爆破产生的动态应力场和围压作用产生的静态应力耦合场中，等离子体爆破产生的冲击波在爆炸初始阶段发挥主要作用，不同围压作用下岩石的裂纹形态和中心膨胀区域未出现明显差异，随着冲击波的衰减，三向围压在等离子体爆破过程的中后期发挥决定作用，抑制岩体的裂纹扩展和损伤演化。同时，围压越高，其对岩体内部裂纹扩展的抑制效果越显著，导致岩石内部三维裂纹的体分形维数和损伤度与围压均近似呈线性减小关系。
为给深部应力作用下爆破破岩工程提供新型破岩方法，开展了4组不同围压作用下的等离子体砂岩爆破实验，通过CT扫描和三维重构，对比分析了岩石内部三维裂纹的形态结构和分布状况，研究了等离子体爆破破岩技术在不同围压作用下的破岩效果，并通过LS-DYNA进行了数值模拟，建立了等离子体等效炸药模型，补充验证了耦合应力场中等离子体爆破的作用规律，探究了不同围压作用下等离子体爆破破岩机理以及在爆破过程中岩体内部的裂纹扩展、分布及损伤演化规律。结果表明：相同电压作用下，随着三向围压的升高，岩石表面裂纹的数量和分布范围都呈逐渐减小的趋势，砂岩内部裂纹的复杂程度和贯通程度显著降低。由于在等离子体爆破产生的动态应力场和围压作用产生的静态应力耦合场中，等离子体爆破产生的冲击波在爆炸初始阶段发挥主要作用，不同围压作用下岩石的裂纹形态和中心膨胀区域未出现明显差异，随着冲击波的衰减，三向围压在等离子体爆破过程的中后期发挥决定作用，抑制岩体的裂纹扩展和损伤演化。同时，围压越高，其对岩体内部裂纹扩展的抑制效果越显著，导致岩石内部三维裂纹的体分形维数和损伤度与围压均近似呈线性减小关系。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0159
摘要:
为探究多次落石冲击下棚洞结构的动力响应特征，建立并验证了基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件的落石冲击棚洞FEM-SPH耦合数值模型，并结合LS-DYNA完全重启动技术，研究了落石冲击速度、质量、冲击角度、形状等4个因素对多次落石冲击棚洞结构动力响应的影响。结果表明：冲击力、缓冲层顶部冲击位移、棚顶位移、棚洞塑性应变均与落石质量、速度、冲击方向与棚洞平面的夹角呈正相关；长方体落石冲击产生的冲击力、棚顶位移和塑性应变均大于球体落石，球体落石产生的冲击位移大于长方体；对于长方体落石，冲击位移、棚顶位移、塑性应变与接触面积呈负相关；随着落石冲击次数的增加，峰值冲击力通常会先增大而后趋于稳定。
为探究多次落石冲击下棚洞结构的动力响应特征，建立并验证了基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件的落石冲击棚洞FEM-SPH耦合数值模型，并结合LS-DYNA完全重启动技术，研究了落石冲击速度、质量、冲击角度、形状等4个因素对多次落石冲击棚洞结构动力响应的影响。结果表明：冲击力、缓冲层顶部冲击位移、棚顶位移、棚洞塑性应变均与落石质量、速度、冲击方向与棚洞平面的夹角呈正相关；长方体落石冲击产生的冲击力、棚顶位移和塑性应变均大于球体落石，球体落石产生的冲击位移大于长方体；对于长方体落石，冲击位移、棚顶位移、塑性应变与接触面积呈负相关；随着落石冲击次数的增加，峰值冲击力通常会先增大而后趋于稳定。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0244
摘要:
准确评估钻地武器战斗部侵彻和装药运动爆炸（侵彻动爆）的连续作用是对防护结构遮弹层进行可靠设计的前提。首先，基于装药体积填充和侵彻爆炸分步耦合技术，提出了三阶段弹体侵彻动爆一体化有限元分析方法，通过与已有的装药运动爆炸试验以及普通混凝土（normal strength concrete，NSC）和超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）靶体的侵彻静爆试验结果进行对比，充分验证了所提出方法对侵彻爆炸过程中爆炸波传播、靶体内应力峰值和开裂行为及其损伤演化描述的准确性。然后，基于105 mm口径缩比弹体打击NSC靶体工况，对比了所提出方法与传统侵彻静爆法预测靶体损伤破坏的差异，分析了侵彻爆炸应力场的叠加效应以及弹壳约束和断裂破片的影响，并基于弹载装药在不同时刻起爆下靶体的破坏特征，确定了战斗部最不利起爆时刻。最后，针对SDB、WDU-43/B和BLU-109/B等3种原型战斗部打击工况开展数值模拟，其侵彻动爆作用下的NSC和UHPC遮弹层破坏深度分别为1.33、2.70、2.35 m和0.79、1.76、1.70 m，进一步给出了相应的遮弹层临界震塌厚度和临界贯穿厚度。结果表明，采用侵彻动爆一体化方法计算得到的破坏深度、临界震塌厚度和临界贯穿厚度较传统侵彻静爆法计算结果增大约5%~30%。
准确评估钻地武器战斗部侵彻和装药运动爆炸（侵彻动爆）的连续作用是对防护结构遮弹层进行可靠设计的前提。首先，基于装药体积填充和侵彻爆炸分步耦合技术，提出了三阶段弹体侵彻动爆一体化有限元分析方法，通过与已有的装药运动爆炸试验以及普通混凝土（normal strength concrete，NSC）和超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）靶体的侵彻静爆试验结果进行对比，充分验证了所提出方法对侵彻爆炸过程中爆炸波传播、靶体内应力峰值和开裂行为及其损伤演化描述的准确性。然后，基于105 mm口径缩比弹体打击NSC靶体工况，对比了所提出方法与传统侵彻静爆法预测靶体损伤破坏的差异，分析了侵彻爆炸应力场的叠加效应以及弹壳约束和断裂破片的影响，并基于弹载装药在不同时刻起爆下靶体的破坏特征，确定了战斗部最不利起爆时刻。最后，针对SDB、WDU-43/B和BLU-109/B等3种原型战斗部打击工况开展数值模拟，其侵彻动爆作用下的NSC和UHPC遮弹层破坏深度分别为1.33、2.70、2.35 m和0.79、1.76、1.70 m，进一步给出了相应的遮弹层临界震塌厚度和临界贯穿厚度。结果表明，采用侵彻动爆一体化方法计算得到的破坏深度、临界震塌厚度和临界贯穿厚度较传统侵彻静爆法计算结果增大约5%~30%。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0218
摘要:
为了预测密闭环境活性材料与炸药环状复合后内爆准静态压力，基于已有的考虑后燃效应的碳氢氧氮炸药内爆准静态压力计算模型，提出了一种适用于活性材料与炸药环状复合内爆的准静态压力计算模型；然后开展了活性材料与炸药复合装药和含铝炸药的内爆试验，利用试验获得的数据对模型精度进行了验证；最后对比分析两种炸药内爆准静态压力试验结果，将计算模型推广至一般含铝炸药，并利用文献数据进行了验证。研究结果表明，所建立的考虑后燃的复合炸药准静态压力修正模型结果与试验数据、文献数据吻合较好，平均误差为9.1%，最大误差为15.8%；对一般含铝炸药的计算结果平均误差为12.1%，最大误差20.6%。
为了预测密闭环境活性材料与炸药环状复合后内爆准静态压力，基于已有的考虑后燃效应的碳氢氧氮炸药内爆准静态压力计算模型，提出了一种适用于活性材料与炸药环状复合内爆的准静态压力计算模型；然后开展了活性材料与炸药复合装药和含铝炸药的内爆试验，利用试验获得的数据对模型精度进行了验证；最后对比分析两种炸药内爆准静态压力试验结果，将计算模型推广至一般含铝炸药，并利用文献数据进行了验证。研究结果表明，所建立的考虑后燃的复合炸药准静态压力修正模型结果与试验数据、文献数据吻合较好，平均误差为9.1%，最大误差为15.8%；对一般含铝炸药的计算结果平均误差为12.1%，最大误差20.6%。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0136
摘要:
针对钻地武器战斗部侵彻爆炸作用下块石混凝土遮弹层的抗力评估与工程设计，首先，提出了块石混凝土遮弹层的有限元建模方法，其可靠性通过含不同粗骨料类型（刚玉和玄武岩）、粒径（5~15 mm、5~20 mm、35~45 mm和65~75 mm）和体积率（15%和30%）的超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）靶体的准静态和弹体侵彻试验进行验证。然后，以小直径炸弹SDB侵彻半无限厚块石混凝土靶体为基准工况，定量分析了块石类型（刚玉、玄武岩和花岗岩）和无量纲块石粒径（0.3~2.2倍弹径）对侵彻深度的影响，并确定了最优设计原则。最后，开展了3种典型钻地武器（SDB、WDU-43/B和BLU-109/B）的侵彻效应分析，定量对比了普通强度混凝土（normal strength concrete, NSC）、超高性能混凝土和刚玉块石混凝土（corundum rubble concrete, CRC）的抗侵彻能力，提出了原型战斗部侵彻爆炸作用下刚玉块石混凝土遮弹层的工程设计方法。结果表明：粒径为1.3~1.7倍弹径的CRC遮弹层抗侵彻性能最优；3种战斗部侵彻作用下，最优设计CRC遮弹层的侵彻深度分别为0.29、0.78和0.68 m，较NSC和UHPC遮弹层分别降低了61.8%~69.1%和43.3%~58.0%；3种战斗部侵彻爆炸作用下，CRC遮弹层的临界贯穿厚度及临界震塌厚度分别为0.55、1.41和1.48 m及1.11、2.26和3.17 m，与NSC和UHPC遮弹层相比，临界贯穿厚度分别降低了58.5%~61.2%和43.2%~58.1%，临界震塌厚度分别降低了61.8%~69.2%和34.7%~40.5%。
针对钻地武器战斗部侵彻爆炸作用下块石混凝土遮弹层的抗力评估与工程设计，首先，提出了块石混凝土遮弹层的有限元建模方法，其可靠性通过含不同粗骨料类型（刚玉和玄武岩）、粒径（5~15 mm、5~20 mm、35~45 mm和65~75 mm）和体积率（15%和30%）的超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）靶体的准静态和弹体侵彻试验进行验证。然后，以小直径炸弹SDB侵彻半无限厚块石混凝土靶体为基准工况，定量分析了块石类型（刚玉、玄武岩和花岗岩）和无量纲块石粒径（0.3~2.2倍弹径）对侵彻深度的影响，并确定了最优设计原则。最后，开展了3种典型钻地武器（SDB、WDU-43/B和BLU-109/B）的侵彻效应分析，定量对比了普通强度混凝土（normal strength concrete, NSC）、超高性能混凝土和刚玉块石混凝土（corundum rubble concrete, CRC）的抗侵彻能力，提出了原型战斗部侵彻爆炸作用下刚玉块石混凝土遮弹层的工程设计方法。结果表明：粒径为1.3~1.7倍弹径的CRC遮弹层抗侵彻性能最优；3种战斗部侵彻作用下，最优设计CRC遮弹层的侵彻深度分别为0.29、0.78和0.68 m，较NSC和UHPC遮弹层分别降低了61.8%~69.1%和43.3%~58.0%；3种战斗部侵彻爆炸作用下，CRC遮弹层的临界贯穿厚度及临界震塌厚度分别为0.55、1.41和1.48 m及1.11、2.26和3.17 m，与NSC和UHPC遮弹层相比，临界贯穿厚度分别降低了58.5%~61.2%和43.2%~58.1%，临界震塌厚度分别降低了61.8%~69.2%和34.7%~40.5%。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0361
摘要:
为研究爆破作用下钙结砾岩破坏规律，基于损伤断裂力学理论揭示了钙结砾岩爆破损伤断裂过程与机理，采用LS-DYNA和Fortran编程建立了包括填隙物、砾石和界面过渡区（interfacial transition zone，ITZ）的细观数值模型，分析了钙结砾岩爆炸应力波传播规律及损伤特征。钙结砾岩爆破损伤断裂过程可分为4个阶段，即砾石和填隙物均发生压缩破坏；砾石发生拉伸破坏，填隙物发生压缩破坏；砾石和填隙物均发生拉伸破坏；砾石和填隙物交接面发生拉伸破坏。数值结果表明：砾石在爆破荷载作用下表征出更高的等效应力，填隙物等效应力最小，ITZ处出现明显的应力集中现象，随着距离的增大，砾石和填隙物承受的应力差距减小。砾石的损伤较小，存在损伤“绕石”现象，填隙物的损伤较大。钙结砾岩爆破裂纹的扩展形式主要以沿着应力波的传播方向优先选择物理力学性能较低的填隙物以及交接面进行发育，对于砾石的破坏较弱。爆破块度主要表现为填隙物包裹砾石，爆破块度分布受交接面的粘结力、砾石分布的影响。
为研究爆破作用下钙结砾岩破坏规律，基于损伤断裂力学理论揭示了钙结砾岩爆破损伤断裂过程与机理，采用LS-DYNA和Fortran编程建立了包括填隙物、砾石和界面过渡区（interfacial transition zone，ITZ）的细观数值模型，分析了钙结砾岩爆炸应力波传播规律及损伤特征。钙结砾岩爆破损伤断裂过程可分为4个阶段，即砾石和填隙物均发生压缩破坏；砾石发生拉伸破坏，填隙物发生压缩破坏；砾石和填隙物均发生拉伸破坏；砾石和填隙物交接面发生拉伸破坏。数值结果表明：砾石在爆破荷载作用下表征出更高的等效应力，填隙物等效应力最小，ITZ处出现明显的应力集中现象，随着距离的增大，砾石和填隙物承受的应力差距减小。砾石的损伤较小，存在损伤“绕石”现象，填隙物的损伤较大。钙结砾岩爆破裂纹的扩展形式主要以沿着应力波的传播方向优先选择物理力学性能较低的填隙物以及交接面进行发育，对于砾石的破坏较弱。爆破块度主要表现为填隙物包裹砾石，爆破块度分布受交接面的粘结力、砾石分布的影响。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0165
摘要:
为阐明装药结构中纵向气隙对炸药爆轰输出性能的影响，基于激光照明结合超高速分幅成像技术研究了HMX基炸药爆轰正向驱动及滑移驱动下钢板的变形及损伤情况，并通过密排光纤测速技术测量了钢板的运动速度，实现了气隙影响下钢板附带损失的量化表征。结果表明，纵向气隙宽度为0.05、0.10和0.20 mm时，爆轰正向驱动下，钢板的运动模式发生了显著变化，中心点的运动趋势由阶跃式上升转变为斜波式上升，且爆轰波的超前时间大幅度增加，钢板有明显的变形和破坏击穿现象；爆轰滑移驱动下，钢板的运动模式和爆轰波的超前时间基本不变，钢板没有出现明显的变形和击穿现象。爆轰正向驱动下，前驱冲击波和两侧爆轰波构成的楔形波系是造成底部钢板破坏击穿的关键；爆轰滑移驱动下，前驱冲击波和爆轰波作用于侧面钢板的动量分量较小，不会造成明显的变形和损伤。
为阐明装药结构中纵向气隙对炸药爆轰输出性能的影响，基于激光照明结合超高速分幅成像技术研究了HMX基炸药爆轰正向驱动及滑移驱动下钢板的变形及损伤情况，并通过密排光纤测速技术测量了钢板的运动速度，实现了气隙影响下钢板附带损失的量化表征。结果表明，纵向气隙宽度为0.05、0.10和0.20 mm时，爆轰正向驱动下，钢板的运动模式发生了显著变化，中心点的运动趋势由阶跃式上升转变为斜波式上升，且爆轰波的超前时间大幅度增加，钢板有明显的变形和破坏击穿现象；爆轰滑移驱动下，钢板的运动模式和爆轰波的超前时间基本不变，钢板没有出现明显的变形和击穿现象。爆轰正向驱动下，前驱冲击波和两侧爆轰波构成的楔形波系是造成底部钢板破坏击穿的关键；爆轰滑移驱动下，前驱冲击波和爆轰波作用于侧面钢板的动量分量较小，不会造成明显的变形和损伤。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0229
摘要:
为探究破碎浮冰覆盖密度对结构物入水空泡演化的影响，利用高速摄影技术开展了不同破碎浮冰覆盖密度下结构物倾斜入水实验。通过对比不同碎冰覆盖密度工况下的结构物倾斜入水过程，获得了碎冰覆盖密度对结构物倾斜入水空泡演化特性的影响规律。结果表明：与无冰环境相比，当空泡扩张时，破碎浮冰通过阻碍液面流体向外扩张，致使空泡直径减小；而空泡闭合时，碎冰会阻碍液面流体向内收缩，延长空泡扩张时间，此时空泡内空气总量增加，空泡内外压差减小，最终导致空泡闭合延迟。碎冰覆盖密度较小的工况在空泡溃灭时会出现指向空泡内部的射流。随着碎冰覆盖密度的逐渐增大，其对液面流体向内收缩的阻碍作用逐渐增强，进一步延迟了空泡的闭合时间，空泡的长度和最大直径也相应增大。此外，碎冰覆盖密度较大的工况下，流体的无规则冲击使得空泡壁出现褶皱。随着结构物入水深度的增加，空泡在环境压力作用下会出现深颈缩现象；随着碎冰覆盖密度的逐渐增大，结构物的水下运动速度相较于无冰环境呈现更快的衰减趋势。
为探究破碎浮冰覆盖密度对结构物入水空泡演化的影响，利用高速摄影技术开展了不同破碎浮冰覆盖密度下结构物倾斜入水实验。通过对比不同碎冰覆盖密度工况下的结构物倾斜入水过程，获得了碎冰覆盖密度对结构物倾斜入水空泡演化特性的影响规律。结果表明：与无冰环境相比，当空泡扩张时，破碎浮冰通过阻碍液面流体向外扩张，致使空泡直径减小；而空泡闭合时，碎冰会阻碍液面流体向内收缩，延长空泡扩张时间，此时空泡内空气总量增加，空泡内外压差减小，最终导致空泡闭合延迟。碎冰覆盖密度较小的工况在空泡溃灭时会出现指向空泡内部的射流。随着碎冰覆盖密度的逐渐增大，其对液面流体向内收缩的阻碍作用逐渐增强，进一步延迟了空泡的闭合时间，空泡的长度和最大直径也相应增大。此外，碎冰覆盖密度较大的工况下，流体的无规则冲击使得空泡壁出现褶皱。随着结构物入水深度的增加，空泡在环境压力作用下会出现深颈缩现象；随着碎冰覆盖密度的逐渐增大，结构物的水下运动速度相较于无冰环境呈现更快的衰减趋势。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0142
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为探究U形通风采煤工作面瓦斯爆炸的传播规律并探讨瓦斯爆炸超压衰减对不同影响因素的敏感性，利用Fluent模拟软件并结合某矿3906 工作面情况开展了数值模拟研究。首先，根据瓦斯爆炸机理搭建数学模型，并依据前人实验方案进行数值模拟，以此验证该数学模型的可靠性；其次，依序进行模拟关键参数的优化，并得到关键参数网格尺寸、迭代步长和点火温度的最合理设置分别为0.2 m、0.05 ms和1900 K，通过拟合得到工作面爆炸超压峰值及其到达时间与爆心距之间的函数关系。通过正交试验分析瓦斯爆炸超压衰减对不同影响因素的敏感性。极差分析得到温度、瓦斯浓度和瓦斯积聚区压力3个主控因素的极差值依次减小，此次模拟中温度对于爆炸超压衰减的影响最显著，其中R值达到5.928；运用方差分析对影响瓦斯爆炸超压衰减率的主控因素进行显著性研究，温度的方差值最大，瓦斯积聚区压力的方差值次之，瓦斯浓度的方差值最小，其中温度的显著值F达到31.835，其余两项不显著。
为探究U形通风采煤工作面瓦斯爆炸的传播规律并探讨瓦斯爆炸超压衰减对不同影响因素的敏感性，利用Fluent模拟软件并结合某矿
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0232
摘要:
针对航行体高速入水时的缓冲降载问题，设计了适用的缓冲头罩及多种开孔形式的缓冲泡沫构型，基于任意拉格朗日-欧拉方法，建立了航行体高速入水缓冲降载数值计算模型。并通过数值模拟对不同开孔形式的缓冲泡沫降载性能进行了深入研究。结果表明，多孔缓冲泡沫在分散航行体入水冲击力及吸收冲击能量方面表现出显著优势，具有更好的缓冲效果。同时，缓冲头罩在入水时会发生局部渐进破碎，缓冲罩壳与航行体之间的连接器处的缓冲头罩外壁面的变形和破裂是由于撞水时产生的应力集中分布引起的。多孔泡沫接触水面时，前端部分会进入坍塌阶段，吸收大量能量并产生塑性变形，孔隙减少，此阶段为缓冲泡沫的主要能量吸收阶段。相比之下，不开孔泡沫的降载性能较差。因此，采用多孔泡沫是一种更优的航行体高速入水缓冲降载方案。
针对航行体高速入水时的缓冲降载问题，设计了适用的缓冲头罩及多种开孔形式的缓冲泡沫构型，基于任意拉格朗日-欧拉方法，建立了航行体高速入水缓冲降载数值计算模型。并通过数值模拟对不同开孔形式的缓冲泡沫降载性能进行了深入研究。结果表明，多孔缓冲泡沫在分散航行体入水冲击力及吸收冲击能量方面表现出显著优势，具有更好的缓冲效果。同时，缓冲头罩在入水时会发生局部渐进破碎，缓冲罩壳与航行体之间的连接器处的缓冲头罩外壁面的变形和破裂是由于撞水时产生的应力集中分布引起的。多孔泡沫接触水面时，前端部分会进入坍塌阶段，吸收大量能量并产生塑性变形，孔隙减少，此阶段为缓冲泡沫的主要能量吸收阶段。相比之下，不开孔泡沫的降载性能较差。因此，采用多孔泡沫是一种更优的航行体高速入水缓冲降载方案。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0132
摘要:
薄片炸药加载技术是实验室考核X射线辐照下空间结构动态响应的重要手段。为实现新型空间飞行器结构考核所需的超低比冲量化爆加载载荷，研制了以PETN为主炸药、高聚物橡胶为黏结剂的超薄片炸药。薄片炸药中PETN的质量分数为90%～92%，厚度范围为0.15～0.50 mm，密度范围为1.63～1.68 g/cm3，爆速范围为7.44～7.71 km/s。基于炸痕法的爆轰性能实验结果表明：厚度为0.15～0.50 mm的薄片炸药可由装药线密度为0.2 g/m的柔爆索可靠引爆，厚度为0.20～0.50 mm的炸药条均能可靠传爆。利用冲击摆测量装置对不同直径、不同厚度薄片炸药的比冲量特性进行了测试，结合理论分析，给出薄片炸药的比冲量与厚度成正比，比例系数为3 418.56 Pa·s/mm，成功实现了厚度为0.20 mm、比冲量约为680 Pa·s超薄片炸药的研制。
薄片炸药加载技术是实验室考核X射线辐照下空间结构动态响应的重要手段。为实现新型空间飞行器结构考核所需的超低比冲量化爆加载载荷，研制了以PETN为主炸药、高聚物橡胶为黏结剂的超薄片炸药。薄片炸药中PETN的质量分数为90%～92%，厚度范围为0.15～0.50 mm，密度范围为1.63～1.68 g/cm3，爆速范围为7.44～7.71 km/s。基于炸痕法的爆轰性能实验结果表明：厚度为0.15～0.50 mm的薄片炸药可由装药线密度为0.2 g/m的柔爆索可靠引爆，厚度为0.20～0.50 mm的炸药条均能可靠传爆。利用冲击摆测量装置对不同直径、不同厚度薄片炸药的比冲量特性进行了测试，结合理论分析，给出薄片炸药的比冲量与厚度成正比，比例系数为3 418.56 Pa·s/mm，成功实现了厚度为0.20 mm、比冲量约为680 Pa·s超薄片炸药的研制。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0181
摘要:
为探究超高速撞击条件下混凝土靶内的应力波特性，建立了基于PVDF（polyvinylidene difluoride）压电应力计的应力波测试系统，研究了PVDF压电应力计的标定方法，测量了克级柱形93W钨合金弹体超高速撞击条件下混凝土靶体内的应力波形，并利用数值模拟方法分析了应力波的产生和传播机制。结果表明：PVDF压电应力计的动态灵敏度系数为(17.5±0.5) pC/N；信噪比高的超高速撞击条件下实验测量的混凝土靶内的应力波形与数值模拟结果吻合较好，模拟和实验获得的应力波峰值的最大偏差不超过20%。
为探究超高速撞击条件下混凝土靶内的应力波特性，建立了基于PVDF（polyvinylidene difluoride）压电应力计的应力波测试系统，研究了PVDF压电应力计的标定方法，测量了克级柱形93W钨合金弹体超高速撞击条件下混凝土靶体内的应力波形，并利用数值模拟方法分析了应力波的产生和传播机制。结果表明：PVDF压电应力计的动态灵敏度系数为(17.5±0.5) pC/N；信噪比高的超高速撞击条件下实验测量的混凝土靶内的应力波形与数值模拟结果吻合较好，模拟和实验获得的应力波峰值的最大偏差不超过20%。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0121
摘要:
云雾的起爆状态决定爆轰威力，装置结构和比药量是影响云雾形态的主要因素。基于装置结构与云雾形状相似性的原理，对125 kg云雾的成雾性能进行试验研究，利用高速摄像进行全过程记录，获取了不同轴向强度装置结构和比药量对云雾特征的影响规律。结果表明：大体积燃料抛撒试验的成雾稳定性较好；轴向约束强的复合结构形成的云雾直径具有优势，相同比药量下，复合结构的云雾直径可以达到25.5 m，较强结构的云雾覆盖面积增加13%；比药量为0.8%时，复合结构燃料的成雾性能最佳，125 kg燃料的2次起爆延迟时间为240 ms，此时，云雾瞬时计算浓度为64 g/m3，当量比为0.54。
云雾的起爆状态决定爆轰威力，装置结构和比药量是影响云雾形态的主要因素。基于装置结构与云雾形状相似性的原理，对125 kg云雾的成雾性能进行试验研究，利用高速摄像进行全过程记录，获取了不同轴向强度装置结构和比药量对云雾特征的影响规律。结果表明：大体积燃料抛撒试验的成雾稳定性较好；轴向约束强的复合结构形成的云雾直径具有优势，相同比药量下，复合结构的云雾直径可以达到25.5 m，较强结构的云雾覆盖面积增加13%；比药量为0.8%时，复合结构燃料的成雾性能最佳，125 kg燃料的2次起爆延迟时间为240 ms，此时，云雾瞬时计算浓度为64 g/m3，当量比为0.54。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0359
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为探究清洁燃料乙炔在O2/CO2气氛下的可燃下限，在5 L圆柱体爆炸反应装置中进行实验，测得了乙炔的可燃下限。随着CO2的体积分数从14%增加到85%，乙炔的可燃下限从2.64%增长到3.93%，在较小的范围内呈线性增加。烷烃、烯烃和炔烃的可燃下限依次降低，表明炔烃具有更大燃烧范围。基于极限层流速度法计算模型，建立了适用于乙炔可燃下限的预测模型。通过实验数据，验证了该模型的可靠性，采用该模型讨论了CO2的热力学、化学、输运效应对可燃下限的影响。结果表明：热力学效应的平均占比约为64%，化学效应占比35%，输运效应占比1%。
为探究清洁燃料乙炔在O2/CO2气氛下的可燃下限，在5 L圆柱体爆炸反应装置中进行实验，测得了乙炔的可燃下限。随着CO2的体积分数从14%增加到85%，乙炔的可燃下限从2.64%增长到3.93%，在较小的范围内呈线性增加。烷烃、烯烃和炔烃的可燃下限依次降低，表明炔烃具有更大燃烧范围。基于极限层流速度法计算模型，建立了适用于乙炔可燃下限的预测模型。通过实验数据，验证了该模型的可靠性，采用该模型讨论了CO2的热力学、化学、输运效应对可燃下限的影响。结果表明：热力学效应的平均占比约为64%，化学效应占比35%，输运效应占比1%。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0163
摘要:
为获得间隙尺寸对金属飞片起爆TATB基钝感炸药到爆轰距离的影响，采用激光测速技术和太赫兹波测速技术，对不同间隙飞片起爆TATB基钝感炸药的动作过程开展了实验研究，获得了钛飞片在0～20 mm间隙内的速度发展历程、击靶速度及形貌，给出了TATB基钝感炸药在不同起爆间隙下的到爆轰距离。结果表明：随着起爆间隙的增大，TATB基钝感炸药的到爆轰距离呈非单调变化特征，与飞片的速度及结构特性相关。飞片起爆炸药的5个速度阶段中，飞片主体与层裂层融合完成阶段的飞片起爆能力最强，隔层起爆次之，层裂层发生前的速度衰减阶段及层裂层与飞片主体融合过程中的飞片起爆能力最弱。
为获得间隙尺寸对金属飞片起爆TATB基钝感炸药到爆轰距离的影响，采用激光测速技术和太赫兹波测速技术，对不同间隙飞片起爆TATB基钝感炸药的动作过程开展了实验研究，获得了钛飞片在0～20 mm间隙内的速度发展历程、击靶速度及形貌，给出了TATB基钝感炸药在不同起爆间隙下的到爆轰距离。结果表明：随着起爆间隙的增大，TATB基钝感炸药的到爆轰距离呈非单调变化特征，与飞片的速度及结构特性相关。飞片起爆炸药的5个速度阶段中，飞片主体与层裂层融合完成阶段的飞片起爆能力最强，隔层起爆次之，层裂层发生前的速度衰减阶段及层裂层与飞片主体融合过程中的飞片起爆能力最弱。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0112
摘要:
为研究爆破漏斗的形成过程和机理，并探究该过程中爆炸应力波与爆生气体的破岩作用，基于双指数型爆炸载荷函数和爆生气体压力状态方程，构建了考虑药包爆破动-静时序作用的爆炸载荷加载模型，结合爆炸应力波和爆生气体的加载特点，建立了爆破漏斗离散元数值模型，并开展了被爆岩体的裂隙发育及破碎抛掷过程的模拟研究，对比了加载和不加载爆生气体的模拟结果，探讨了爆破漏斗形成过程中爆炸应力波和爆生气体的不同作用。结果表明：考虑药包爆破动-静时序作用的爆炸载荷加载模型模拟的爆破漏斗尺寸与现场试验结果基本吻合，可以较好地反映爆破岩体区域内裂隙的形成与演化规律及破碎岩体的抛掷效果。爆炸应力波加载率较大是引起爆源近区环状微裂隙的主要原因，同时，它会在自由面处发生反射拉伸，形成“片落”破坏；而爆生气体则是爆源远区径向长裂隙形成的主要原因，此外，它会推动破碎岩体以较大速度向外抛掷。爆生气体不仅具有准静态作用，也存在一定的动态作用，延长了爆破振动的作用时间，加强了爆破振动的速度峰值。漏斗形成过程中的裂隙发育可大致分为爆炸应力波加载致裂、爆生气体加载致裂以及变形能释放致裂3个阶段。
为研究爆破漏斗的形成过程和机理，并探究该过程中爆炸应力波与爆生气体的破岩作用，基于双指数型爆炸载荷函数和爆生气体压力状态方程，构建了考虑药包爆破动-静时序作用的爆炸载荷加载模型，结合爆炸应力波和爆生气体的加载特点，建立了爆破漏斗离散元数值模型，并开展了被爆岩体的裂隙发育及破碎抛掷过程的模拟研究，对比了加载和不加载爆生气体的模拟结果，探讨了爆破漏斗形成过程中爆炸应力波和爆生气体的不同作用。结果表明：考虑药包爆破动-静时序作用的爆炸载荷加载模型模拟的爆破漏斗尺寸与现场试验结果基本吻合，可以较好地反映爆破岩体区域内裂隙的形成与演化规律及破碎岩体的抛掷效果。爆炸应力波加载率较大是引起爆源近区环状微裂隙的主要原因，同时，它会在自由面处发生反射拉伸，形成“片落”破坏；而爆生气体则是爆源远区径向长裂隙形成的主要原因，此外，它会推动破碎岩体以较大速度向外抛掷。爆生气体不仅具有准静态作用，也存在一定的动态作用，延长了爆破振动的作用时间，加强了爆破振动的速度峰值。漏斗形成过程中的裂隙发育可大致分为爆炸应力波加载致裂、爆生气体加载致裂以及变形能释放致裂3个阶段。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0117
摘要:
选用粉煤灰中的漂珠作为敏化剂和惰性添加剂来制备低爆速乳化炸药，研究了漂珠粒径和含量对乳化炸药爆炸特性和安全性的影响；采用探针法、铅柱压缩法和空中爆炸测试法分别测得添加不同粒径含量漂珠乳化炸药的爆速、猛度和空中爆炸冲击波参数，并通过储存期实验和热分析实验对乳化炸药进行安全性测试。结果表明，乳化炸药的爆速、猛度、冲击波峰值压力、正冲量和正压作用时间均随漂珠含量的增加呈先增大后降低的趋势。当漂珠质量分数为15%时，乳化炸药的爆轰性能最佳；当漂珠质量分数为45%时，炸药的爆速显著降低，爆速范围在2191 ～2312 m/s，可满足爆炸焊接用炸药的使用条件。此外，漂珠含量相同时，添加D50=79 μm漂珠的乳化炸药爆轰性能要高于添加D50=116 μm和D50=47 μm漂珠的乳化炸药。储存期和热分析实验结果表明，添加漂珠的低爆速乳化炸药储存期显著优于传统添加黏土颗粒的低爆速乳化炸药，漂珠的加入并未引发乳化基质产生新的热分解反应，添加15%漂珠的乳化炸药的热分解活化能比乳化基质只增加了0.3%，说明漂珠的加入并未对乳化基质热稳定性产生明显影响。
选用粉煤灰中的漂珠作为敏化剂和惰性添加剂来制备低爆速乳化炸药，研究了漂珠粒径和含量对乳化炸药爆炸特性和安全性的影响；采用探针法、铅柱压缩法和空中爆炸测试法分别测得添加不同粒径含量漂珠乳化炸药的爆速、猛度和空中爆炸冲击波参数，并通过储存期实验和热分析实验对乳化炸药进行安全性测试。结果表明，乳化炸药的爆速、猛度、冲击波峰值压力、正冲量和正压作用时间均随漂珠含量的增加呈先增大后降低的趋势。当漂珠质量分数为15%时，乳化炸药的爆轰性能最佳；当漂珠质量分数为45%时，炸药的爆速显著降低，爆速范围在
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0393
摘要:
创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）是发病率、患病率最高的神经系统疾病，为全社会带来了巨大的公共卫生负担。深入研究TBI的生物力学原理有助于提升头部防护效果，发展快速评估技术并采取及时干预，从而降低伤情恶化的风险。人类头部有限元模型（finite element head model, FEHM）作为一种数值分析工具，能够模拟头部在受到冲击时的动态响应，包括脑组织的应力应变时空分布、颅内压的变化等，为理解创伤性脑损伤的力学机制提供了重要依据。本文详细总结了国内外主流的人类头部有限元模型的现状与发展，追溯了模型的发展历程，总结了模型的特点并介绍了基于有限元模型的TBI机制研究进展。对相关研究的总结和梳理将有助于开发新型FEHM，并为创伤性脑损伤的风险评估及防护装备的设计提供理论指导和技术支撑。
创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）是发病率、患病率最高的神经系统疾病，为全社会带来了巨大的公共卫生负担。深入研究TBI的生物力学原理有助于提升头部防护效果，发展快速评估技术并采取及时干预，从而降低伤情恶化的风险。人类头部有限元模型（finite element head model, FEHM）作为一种数值分析工具，能够模拟头部在受到冲击时的动态响应，包括脑组织的应力应变时空分布、颅内压的变化等，为理解创伤性脑损伤的力学机制提供了重要依据。本文详细总结了国内外主流的人类头部有限元模型的现状与发展，追溯了模型的发展历程，总结了模型的特点并介绍了基于有限元模型的TBI机制研究进展。对相关研究的总结和梳理将有助于开发新型FEHM，并为创伤性脑损伤的风险评估及防护装备的设计提供理论指导和技术支撑。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0191
摘要:
对于复杂结构的爆炸载荷估计，传统数值模拟方法计算耗时长，而基于神经网络的快速估计仅能进行点估计，无法给出结果的置信度。为此，结合贝叶斯理论和深度学习，构建了复杂结构爆炸载荷快速估计的贝叶斯深度学习方法。通过开源数值模拟软件，计算了爆炸当量、位置、速度等参数大范围变化下复杂结构的爆炸载荷数据，基于贝叶斯理论将深度学习模型参数视为随机变量，利用变分贝叶斯推断高效训练模型，在保证爆炸载荷快速估计精度的同时，赋予模型不确定性量化的能力。结果表明，该方法对训练数据以外的爆炸载荷快速估计的误差约为12.2%，置信区间涵盖真实值的百分比超过81.6%，单点爆炸载荷估计时间不超过20 ms。该方法是实现复杂结构爆炸载荷快速、可信估计的新方法。
对于复杂结构的爆炸载荷估计，传统数值模拟方法计算耗时长，而基于神经网络的快速估计仅能进行点估计，无法给出结果的置信度。为此，结合贝叶斯理论和深度学习，构建了复杂结构爆炸载荷快速估计的贝叶斯深度学习方法。通过开源数值模拟软件，计算了爆炸当量、位置、速度等参数大范围变化下复杂结构的爆炸载荷数据，基于贝叶斯理论将深度学习模型参数视为随机变量，利用变分贝叶斯推断高效训练模型，在保证爆炸载荷快速估计精度的同时，赋予模型不确定性量化的能力。结果表明，该方法对训练数据以外的爆炸载荷快速估计的误差约为12.2%，置信区间涵盖真实值的百分比超过81.6%，单点爆炸载荷估计时间不超过20 ms。该方法是实现复杂结构爆炸载荷快速、可信估计的新方法。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0248
摘要:
缩比模型试验是研究弹体侵彻规律的重要手段，模型试验结果与原型之间的尺寸效应是建立侵深计算方法必须解决的问题。依据已有基础理论推导了钻地弹侵彻岩石类靶体介质的应力与应变状态演化和弹体侵彻阻抗函数，得到了表征尺寸效应的弹径系数公式，并在常规钻地弹侵彻速度范围内对弹形系数和弹径系数作了简化分析，提出了常规钻地弹侵彻岩石类介质的实用计算公式，系数可直接由弹靶参数确定。结果表明，弹体侵彻阻抗的主要影响因素是靶体波阻抗，尺寸效应是由于靶体破坏区范围不满足几何相似律，弹形系数可简化为弹头长径比的线性函数，平头弹弹形系数为0.57，弹径系数由侵彻空腔半径与破碎区半径之比决定，对于常规钻地弹，弹径系数可取1.2~1.4。侵深理论公式与试验结果对比符合较好，具有较高的可靠性。
缩比模型试验是研究弹体侵彻规律的重要手段，模型试验结果与原型之间的尺寸效应是建立侵深计算方法必须解决的问题。依据已有基础理论推导了钻地弹侵彻岩石类靶体介质的应力与应变状态演化和弹体侵彻阻抗函数，得到了表征尺寸效应的弹径系数公式，并在常规钻地弹侵彻速度范围内对弹形系数和弹径系数作了简化分析，提出了常规钻地弹侵彻岩石类介质的实用计算公式，系数可直接由弹靶参数确定。结果表明，弹体侵彻阻抗的主要影响因素是靶体波阻抗，尺寸效应是由于靶体破坏区范围不满足几何相似律，弹形系数可简化为弹头长径比的线性函数，平头弹弹形系数为0.57，弹径系数由侵彻空腔半径与破碎区半径之比决定，对于常规钻地弹，弹径系数可取1.2~1.4。侵深理论公式与试验结果对比符合较好，具有较高的可靠性。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0203
摘要:
为了获得炸药爆轰产物状态方程，对RDX炸药进行了水下爆炸气泡膨胀过程试验，测试了水下爆炸气泡半径和冲击波阵面随时间的变化规律，通过水下爆炸气泡膨胀过程中的能量守恒关系，获得了基于水下爆炸试验的爆轰产物JWL状态方程确定方法，分析了RDX炸药水下爆炸气泡膨胀和冲击波阵面运动过程，测定了RDX炸药爆轰产物JWL状态方程参数，并与圆筒试验获得的参数进行了比较。结果表明，通过水下爆炸法和圆筒试验方法标定的JWL方程参数得到的气泡膨胀过程基本相同，但水下爆炸法得到的气泡半径的计算值和实验值在低压阶段的偏差更小。该方法提供了一种更适用于水下爆炸的炸药爆轰产物状态方程的测定方法。
为了获得炸药爆轰产物状态方程，对RDX炸药进行了水下爆炸气泡膨胀过程试验，测试了水下爆炸气泡半径和冲击波阵面随时间的变化规律，通过水下爆炸气泡膨胀过程中的能量守恒关系，获得了基于水下爆炸试验的爆轰产物JWL状态方程确定方法，分析了RDX炸药水下爆炸气泡膨胀和冲击波阵面运动过程，测定了RDX炸药爆轰产物JWL状态方程参数，并与圆筒试验获得的参数进行了比较。结果表明，通过水下爆炸法和圆筒试验方法标定的JWL方程参数得到的气泡膨胀过程基本相同，但水下爆炸法得到的气泡半径的计算值和实验值在低压阶段的偏差更小。该方法提供了一种更适用于水下爆炸的炸药爆轰产物状态方程的测定方法。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0239
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为探究钢纤维增强多孔混凝土材料的水下抗爆防护效果，采用光滑粒子流体动力学与有限元耦合方法建立了“水体-炸药-防护层-钢筋混凝土板”的三维精细化仿真模型，研究了不同纤维配比钢纤维增强多孔混凝土防护层（SAP10S5、SAP10S10、SAP10S15和SAP10S20）和不同炸药质量影响下被防护钢筋混凝土板的损伤演化过程、破坏模式及失效机理，并构建了钢筋混凝土板的损伤等级预测曲线。研究结果表明：水下接触爆炸荷载下，增设钢纤维增强多孔混凝土防护层能够有效降低被防护钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）板的损伤程度，且其对RC板损伤程度的影响随防护层中钢纤维体积分数的增加呈先减小后增大的规律，其中SAP10S15配比防护层的抗爆防护效果最优；炸药量在一定范围内增大时，SAP10S15配比防护层依然能维持较高的耗能占比，有效降低RC板的损伤程度；当炸药量为0.25 kg时，相较于无防护方案，SAP10S15配比防护层加固下RC板的损伤指数衰减最明显，为42.5%，损伤等级由严重破坏降为中度破坏。构建的损伤等级预测曲线能够直观评估钢纤维体积分数和炸药量对RC板损伤等级的影响。
为探究钢纤维增强多孔混凝土材料的水下抗爆防护效果，采用光滑粒子流体动力学与有限元耦合方法建立了“水体-炸药-防护层-钢筋混凝土板”的三维精细化仿真模型，研究了不同纤维配比钢纤维增强多孔混凝土防护层（SAP10S5、SAP10S10、SAP10S15和SAP10S20）和不同炸药质量影响下被防护钢筋混凝土板的损伤演化过程、破坏模式及失效机理，并构建了钢筋混凝土板的损伤等级预测曲线。研究结果表明：水下接触爆炸荷载下，增设钢纤维增强多孔混凝土防护层能够有效降低被防护钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）板的损伤程度，且其对RC板损伤程度的影响随防护层中钢纤维体积分数的增加呈先减小后增大的规律，其中SAP10S15配比防护层的抗爆防护效果最优；炸药量在一定范围内增大时，SAP10S15配比防护层依然能维持较高的耗能占比，有效降低RC板的损伤程度；当炸药量为0.25 kg时，相较于无防护方案，SAP10S15配比防护层加固下RC板的损伤指数衰减最明显，为42.5%，损伤等级由严重破坏降为中度破坏。构建的损伤等级预测曲线能够直观评估钢纤维体积分数和炸药量对RC板损伤等级的影响。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0279
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为更好地将湿接缝+短钢筋装配式混凝土遮弹层应用于防护工程中，首先，基于已有弹体侵彻整体式和装配式靶体的试验，利用Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA中的光滑粒子伽辽金算法建立了相应的数值模型，并得到了验证；然后，基于验证的数值模型，系统探讨了装配块尺寸、湿接缝宽度、短钢筋锚固长度、短钢筋间距和短钢筋直径对装配式靶体抗侵彻性能的影响，给出了装配式混凝土遮弹层的工程设计方法；最后，采用该方法设计了抗2种典型战斗部侵彻的装配式高性能混凝土遮弹层。数值模拟结果表明：装配块尺寸对装配式靶体的抗侵彻性能影响较小，而增加湿接缝宽度能够有效提升装配式靶体的抗侵彻性能，即湿接缝宽度越大，装配率越低，靶体整体性就越好。短钢筋是加强装配块与湿接缝连接的有效措施，与增加短钢筋直径相比，增加短钢筋锚固长度和减小短钢筋间距能更显著地提升装配式靶体的抗侵彻性能。
为更好地将湿接缝+短钢筋装配式混凝土遮弹层应用于防护工程中，首先，基于已有弹体侵彻整体式和装配式靶体的试验，利用Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA中的光滑粒子伽辽金算法建立了相应的数值模型，并得到了验证；然后，基于验证的数值模型，系统探讨了装配块尺寸、湿接缝宽度、短钢筋锚固长度、短钢筋间距和短钢筋直径对装配式靶体抗侵彻性能的影响，给出了装配式混凝土遮弹层的工程设计方法；最后，采用该方法设计了抗2种典型战斗部侵彻的装配式高性能混凝土遮弹层。数值模拟结果表明：装配块尺寸对装配式靶体的抗侵彻性能影响较小，而增加湿接缝宽度能够有效提升装配式靶体的抗侵彻性能，即湿接缝宽度越大，装配率越低，靶体整体性就越好。短钢筋是加强装配块与湿接缝连接的有效措施，与增加短钢筋直径相比，增加短钢筋锚固长度和减小短钢筋间距能更显著地提升装配式靶体的抗侵彻性能。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0207
摘要:
为探究非纯净冰和非完整冰在冲击载荷下的动态力学特性，基于改进后的分离式霍普金森压杆实验系统，采用快速加载、杆端降温和波形整形技术，对冻结温度为−10 ℃的完整冰（纯水，含2.5%、3.5%、4.5%盐分，含2.0%、4.5%、8.5%椰丝）和拼接冰（拼接界面倾角30°、60°）进行冲击力学特性研究；利用高速摄像技术记录破坏过程，并结合Mohr-Coulomb强度准则分析拼接冰的破坏模式。结果表明：纯水冰具有最高的抗压强度，添加椰丝的冰样次之，且二者表现出相似的正应变率效应，添加盐分的冰的抗压强度最低，应变率效应也不明显。添加椰丝的冰样的动态抗压强度随椰丝含量的增加先增大后减小；由于椰丝对小粒径碎冰的联结作用，高椰丝含量的冰样的应力-应变曲线易出现“双峰”现象。拼接平面对裂纹扩展和破坏模式均有影响，拼接冰的抗压强度低于完整冰。界面倾角较小时，拼接冰破坏以界面滑移为主；倾角大时，拼接冰以整体破坏为主，与完整冰类似。
为探究非纯净冰和非完整冰在冲击载荷下的动态力学特性，基于改进后的分离式霍普金森压杆实验系统，采用快速加载、杆端降温和波形整形技术，对冻结温度为−10 ℃的完整冰（纯水，含2.5%、3.5%、4.5%盐分，含2.0%、4.5%、8.5%椰丝）和拼接冰（拼接界面倾角30°、60°）进行冲击力学特性研究；利用高速摄像技术记录破坏过程，并结合Mohr-Coulomb强度准则分析拼接冰的破坏模式。结果表明：纯水冰具有最高的抗压强度，添加椰丝的冰样次之，且二者表现出相似的正应变率效应，添加盐分的冰的抗压强度最低，应变率效应也不明显。添加椰丝的冰样的动态抗压强度随椰丝含量的增加先增大后减小；由于椰丝对小粒径碎冰的联结作用，高椰丝含量的冰样的应力-应变曲线易出现“双峰”现象。拼接平面对裂纹扩展和破坏模式均有影响，拼接冰的抗压强度低于完整冰。界面倾角较小时，拼接冰破坏以界面滑移为主；倾角大时，拼接冰以整体破坏为主，与完整冰类似。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0099
摘要:
人工智能/机器学习方法能够发现数据中隐藏的物理规律，构建状态参数与动态结果之间端到端的代理模型，可高效解决强耦合、非线性、多物理等复杂工程问题。在高度非线性的爆炸与冲击动力学领域，选择了一个经典的爆轰驱动问题作为研究对象，以数值模拟结果作为机器学习代理模型的训练数据，将正向模拟与逆向设计有机结合起来，基于深度神经网络技术，构建了特征位置速度剖面、材料动态变形与工程因素之间端到端的代理模型，给出了代理模型的计算精确度，验证了代理模型从速度剖面反演工程因素的能力。结果表明：端到端代理模型具有较高的预测能力，其预测的速度剖面与工程因素估计的相对误差均小于1%，可用于高度非线性的爆炸与冲击动力学问题的快速设计、高精度预测和敏捷迭代。
人工智能/机器学习方法能够发现数据中隐藏的物理规律，构建状态参数与动态结果之间端到端的代理模型，可高效解决强耦合、非线性、多物理等复杂工程问题。在高度非线性的爆炸与冲击动力学领域，选择了一个经典的爆轰驱动问题作为研究对象，以数值模拟结果作为机器学习代理模型的训练数据，将正向模拟与逆向设计有机结合起来，基于深度神经网络技术，构建了特征位置速度剖面、材料动态变形与工程因素之间端到端的代理模型，给出了代理模型的计算精确度，验证了代理模型从速度剖面反演工程因素的能力。结果表明：端到端代理模型具有较高的预测能力，其预测的速度剖面与工程因素估计的相对误差均小于1%，可用于高度非线性的爆炸与冲击动力学问题的快速设计、高精度预测和敏捷迭代。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0118
摘要:
随着新型弹药和大口径重炮的大规模使用，由爆炸冲击所致非接触式杀伤模式正在快速替代原先由子弹、破片等造成的直接接触性杀伤，其杀伤威力、精度等对作战人员和装备更具威胁。本文中将从介绍爆炸冲击波典型测试环境和方法入手，通过综述爆炸冲击监测传感技术和爆炸冲击流场重构技术分析总结发展趋势，最后对国外典型便携式爆炸冲击波传感系统应用情况进行了简单介绍，为我国相关产品研发提供借鉴经验。冲击波压力传感器向着小型化、标准化、集成化和智能化研究方向发展，同时大力发展新型传感技术研究。以计算流体力学数据和实验数据为基础，在爆炸波信号处理、流场重构中引入人工智能技术；开发具有我国自主知识产权的便携式爆炸冲击检测评估系统，为极端环境下特殊行业从业人员的防护、救治提供快速分类和快速诊疗依据。
随着新型弹药和大口径重炮的大规模使用，由爆炸冲击所致非接触式杀伤模式正在快速替代原先由子弹、破片等造成的直接接触性杀伤，其杀伤威力、精度等对作战人员和装备更具威胁。本文中将从介绍爆炸冲击波典型测试环境和方法入手，通过综述爆炸冲击监测传感技术和爆炸冲击流场重构技术分析总结发展趋势，最后对国外典型便携式爆炸冲击波传感系统应用情况进行了简单介绍，为我国相关产品研发提供借鉴经验。冲击波压力传感器向着小型化、标准化、集成化和智能化研究方向发展，同时大力发展新型传感技术研究。以计算流体力学数据和实验数据为基础，在爆炸波信号处理、流场重构中引入人工智能技术；开发具有我国自主知识产权的便携式爆炸冲击检测评估系统，为极端环境下特殊行业从业人员的防护、救治提供快速分类和快速诊疗依据。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0254
摘要:
为解决隧道拱脚周边孔爆破难成形以致超挖和掌子面底部欠挖问题，研究了马蹄形隧道拱脚周边孔爆破围岩的损伤特征。依托方山隧道，建立了拱脚周边孔的三维数值模型，模拟了拱脚处围岩的损伤情况，分析了爆破效果与自由面形状、装药量以及空孔偏转角的映射关系，并通过现场试验进行了验证。结果表明：自由面形状显著影响围岩的损伤范围和炸药的能量利用率，相较于平直自由面，凹形自由面的损伤范围小，岩石的夹制作用更大，炸药爆破难以有效破碎围岩，能量利用率仅为78%；爆破效果随着装药量的增加呈先增大后减小的趋势，当拱脚周边孔的线装药密度为0.624 kg/m时，爆破效果最佳；此外，通过布设空孔和调整空孔偏转角，可以改善拱脚周边孔的爆破效果。采用优化后的爆破参数，拱脚处最大线性超挖量降低了53.1%，隧道轮廓成型平整。
为解决隧道拱脚周边孔爆破难成形以致超挖和掌子面底部欠挖问题，研究了马蹄形隧道拱脚周边孔爆破围岩的损伤特征。依托方山隧道，建立了拱脚周边孔的三维数值模型，模拟了拱脚处围岩的损伤情况，分析了爆破效果与自由面形状、装药量以及空孔偏转角的映射关系，并通过现场试验进行了验证。结果表明：自由面形状显著影响围岩的损伤范围和炸药的能量利用率，相较于平直自由面，凹形自由面的损伤范围小，岩石的夹制作用更大，炸药爆破难以有效破碎围岩，能量利用率仅为78%；爆破效果随着装药量的增加呈先增大后减小的趋势，当拱脚周边孔的线装药密度为0.624 kg/m时，爆破效果最佳；此外，通过布设空孔和调整空孔偏转角，可以改善拱脚周边孔的爆破效果。采用优化后的爆破参数，拱脚处最大线性超挖量降低了53.1%，隧道轮廓成型平整。
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doi: 10.11883/bzycj-2024-0109
摘要:
针对典型CL-20基高爆速压装炸药（C-1, 94.5% CL-20+5.5%助剂）的发射安全性问题，开展400 kg大型落锤试验对压装炸药C-1的冲击响应特性进行研究。同时，采用改进的应力率表征法及下限值法、特性落高法分别对该炸药的落锤冲击响应特性进行表征，并与同类压装炸药JO-8和JH-2进行了对比。得到了不同落高下3种压装炸药底部实测应力曲线及表征参数，并讨论了3种炸药撞击感度的差异及C-1炸药撞击感度的影响因素。结果表明，改进的应力率表征法对炸药撞击感度的表征具有一定有效性和普适性，与其他方法对撞击感度规律的反映具有一致性。C-1炸药的特性落高（H50）为1 m，分别为JO-8和JH-2炸药特性落高的62.50%和50.00%；C-1炸药不发生爆轰对应的后坐应力峰值（σ0）为748.90 MPa，分别为JO-8和JH-2的85.42%和64.33%；C-1的安全应力率参数（C0）为344 GPa2/s，分别为JO-8和JH-2的45.87%和39.14%。CL-20的分子结构、C-1药柱的力学性能和热-化特性是造成其撞击感度高于JO-8和JH-2撞击感度的主要因素。
针对典型CL-20基高爆速压装炸药（C-1, 94.5% CL-20+5.5%助剂）的发射安全性问题，开展400 kg大型落锤试验对压装炸药C-1的冲击响应特性进行研究。同时，采用改进的应力率表征法及下限值法、特性落高法分别对该炸药的落锤冲击响应特性进行表征，并与同类压装炸药JO-8和JH-2进行了对比。得到了不同落高下3种压装炸药底部实测应力曲线及表征参数，并讨论了3种炸药撞击感度的差异及C-1炸药撞击感度的影响因素。结果表明，改进的应力率表征法对炸药撞击感度的表征具有一定有效性和普适性，与其他方法对撞击感度规律的反映具有一致性。C-1炸药的特性落高（H50）为1 m，分别为JO-8和JH-2炸药特性落高的62.50%和50.00%；C-1炸药不发生爆轰对应的后坐应力峰值（σ0）为748.90 MPa，分别为JO-8和JH-2的85.42%和64.33%；C-1的安全应力率参数（C0）为344 GPa2/s，分别为JO-8和JH-2的45.87%和39.14%。CL-20的分子结构、C-1药柱的力学性能和热-化特性是造成其撞击感度高于JO-8和JH-2撞击感度的主要因素。
2025, 45(3): 1-1.
摘要:
2025, 45(3): 1-2.
摘要:
2025, 45(3): 031001.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0307
摘要:
生物软材料大多是高含水率的超软材料，其力学性能在宽应变率范围内随着应变率的提高而非线性增强。然而由于实验条件的限制，在中应变率下对超软材料进行大变形测试显得比较困难。设计并建造了长15 m的双子弹电磁驱动长分离式霍普金森压杆（long split Hopkinson pressure bar, LSHPB）系统，可用于超软材料的大变形中应变率测试。使用该LSHPB系统和高速SHPB系统分别对硅橡胶进行了测试，比较两者的实验结果，验证了系统的可靠性。应用LSHPB系统测量了聚乙烯醇（polyvinyl alcohols, PVA）水凝胶在中应变率下的力学性能，并且结合已有的低和高应变率的数据分析，说明了中应变率动态性能测试的必要性。
生物软材料大多是高含水率的超软材料，其力学性能在宽应变率范围内随着应变率的提高而非线性增强。然而由于实验条件的限制，在中应变率下对超软材料进行大变形测试显得比较困难。设计并建造了长15 m的双子弹电磁驱动长分离式霍普金森压杆（long split Hopkinson pressure bar, LSHPB）系统，可用于超软材料的大变形中应变率测试。使用该LSHPB系统和高速SHPB系统分别对硅橡胶进行了测试，比较两者的实验结果，验证了系统的可靠性。应用LSHPB系统测量了聚乙烯醇（polyvinyl alcohols, PVA）水凝胶在中应变率下的力学性能，并且结合已有的低和高应变率的数据分析，说明了中应变率动态性能测试的必要性。
2025, 45(3): 032101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0224
摘要:
为合理描述机械约束下炸药装药点火后的反应演化行为，深入分析壳体变形运动特征，将壳体响应变化过程分为弹塑性准静态阶段、完全屈服运动阶段和壳体破裂后惯性运动约束阶段。考虑装药燃烧裂纹网络反应演化与壳体变形运动的耦合作用，建立了反映壳体运动惯性约束效应的装药反应演化模型，通过与典型实验结果进行对比，验证了模型及参数的适应性。壳体运动速度和内部压力的变化本质表征了装药能量释放与产物气体对外做功的关系，考虑壳体运动惯性约束效应可以更全面地表征装药反应演化过程，利用该模型，可以根据壳体壁面运动速度历史计算得到弹内压力、反应速率和反应度变化历史，可为约束装药在意外刺激下的安全性设计与评估提供理论支撑。
为合理描述机械约束下炸药装药点火后的反应演化行为，深入分析壳体变形运动特征，将壳体响应变化过程分为弹塑性准静态阶段、完全屈服运动阶段和壳体破裂后惯性运动约束阶段。考虑装药燃烧裂纹网络反应演化与壳体变形运动的耦合作用，建立了反映壳体运动惯性约束效应的装药反应演化模型，通过与典型实验结果进行对比，验证了模型及参数的适应性。壳体运动速度和内部压力的变化本质表征了装药能量释放与产物气体对外做功的关系，考虑壳体运动惯性约束效应可以更全面地表征装药反应演化过程，利用该模型，可以根据壳体壁面运动速度历史计算得到弹内压力、反应速率和反应度变化历史，可为约束装药在意外刺激下的安全性设计与评估提供理论支撑。
2025, 45(3): 033101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0152
摘要:
为深入研究深部地层中砂岩在冲击荷载作用下的动态力学特性，建立了一种改进的霍普金森压杆实验系统，对灰砂岩长杆试件开展了不同加载速率的动态压缩实验，并结合高速数字图像相关技术（DIC）监测试件表面位移场和应变场的演化过程，探讨了灰砂岩在近场冲击加载下的拉伸破坏的规律。从 DIC 分析得到的位移场中提取出不同质点位移时程曲线，进行了拉格朗日反分析算法计算，获得了灰砂岩材料的全场应力-应变规律。结果表明：灰砂岩长杆试件以拉伸破坏为主，且出现了近加载端破碎、远离加载端层裂的现象；灰砂岩长杆试件的动态抗压强度因子随应变率增大而增大，有明显的应变率效应；随着加载速率升高，各测点应力峰值与应变峰值均呈增大趋势；在同一加载速率下，灰砂岩长杆的应力-应变曲线呈现出近端测点曲线包络远端测点曲线的现象。
为深入研究深部地层中砂岩在冲击荷载作用下的动态力学特性，建立了一种改进的霍普金森压杆实验系统，对灰砂岩长杆试件开展了不同加载速率的动态压缩实验，并结合高速数字图像相关技术（DIC）监测试件表面位移场和应变场的演化过程，探讨了灰砂岩在近场冲击加载下的拉伸破坏的规律。从 DIC 分析得到的位移场中提取出不同质点位移时程曲线，进行了拉格朗日反分析算法计算，获得了灰砂岩材料的全场应力-应变规律。结果表明：灰砂岩长杆试件以拉伸破坏为主，且出现了近加载端破碎、远离加载端层裂的现象；灰砂岩长杆试件的动态抗压强度因子随应变率增大而增大，有明显的应变率效应；随着加载速率升高，各测点应力峰值与应变峰值均呈增大趋势；在同一加载速率下，灰砂岩长杆的应力-应变曲线呈现出近端测点曲线包络远端测点曲线的现象。
2025, 45(3): 033102.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0138
摘要:
采用激光选区熔化技术制备AlSi10Mg合金并对其进行去应力退火处理，利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术研究了合金的微观组织。为了解宽应变率和宽温度耦合作用对AlSi10Mg合金力学行为的影响，通过配有环境温箱的万能试验机和分离式霍普金森压杆分析了AlSi10Mg合金在极端条件下的力学行为。结果表明：AlSi10Mg合金具有精细的胞状-枝晶微观结构，主要包含α-Al相和Si相，经退火处理后，微观组织由断续的、呈链状分布的共晶Si颗粒构成。AlSi10Mg合金在室温、应变率为0.002～4 800 s−1时，呈现出应变率强化效应，且在不同的应变率范围内具有不同的敏感性；在173 K下具有更高的屈服强度和流动应力；当温度为173～243 K时，流动应力对温度不敏感；而温度为293～573 K时，温度敏感性显著提高，合金软化效应随着温度的升高而加剧。基于实验结果拟合得到修正的J-C本构模型并对其进行了验证，该模型可较好地反映材料在高、低温和不同应变率下的力学行为。
采用激光选区熔化技术制备AlSi10Mg合金并对其进行去应力退火处理，利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术研究了合金的微观组织。为了解宽应变率和宽温度耦合作用对AlSi10Mg合金力学行为的影响，通过配有环境温箱的万能试验机和分离式霍普金森压杆分析了AlSi10Mg合金在极端条件下的力学行为。结果表明：AlSi10Mg合金具有精细的胞状-枝晶微观结构，主要包含α-Al相和Si相，经退火处理后，微观组织由断续的、呈链状分布的共晶Si颗粒构成。AlSi10Mg合金在室温、应变率为0.002～4 800 s−1时，呈现出应变率强化效应，且在不同的应变率范围内具有不同的敏感性；在173 K下具有更高的屈服强度和流动应力；当温度为173～243 K时，流动应力对温度不敏感；而温度为293～573 K时，温度敏感性显著提高，合金软化效应随着温度的升高而加剧。基于实验结果拟合得到修正的J-C本构模型并对其进行了验证，该模型可较好地反映材料在高、低温和不同应变率下的力学行为。
2025, 45(3): 033103.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0069
摘要:
针对包含高密度、高热值元素的高熵合金材料在聚能战斗部药型罩上的应用问题，选取Ta-Hf-Nb-Zr体系高熵合金为研究对象，采用INSTRON材料试验机、分离式霍普金森压杆试验平台，探寻该高熵合金在应变率为10−3～103 s−1、温度为25～900 ℃以及应力三轴度为0.33～0.89条件下的力学响应规律，基于静动态力学性能试验结果，获取该合金的Johnson-Cook（J-C）本构方程参数及损伤失效模型参数，并建立爆炸加载下高熵合金爆炸成型弹丸（explosively formed projectile，EFP）数值模型。开展EFP成型脉冲X射线验证试验，结果显示：117 μs时，高熵合金EFP成型较为完整，EFP长度为51.1 mm，直径为12.27 mm；187 μs时，EFP尾部产生3处断裂，头部长度为24.3 mm，直径为12.27 mm，EFP速度为2496.3 m/s。模拟与试验的EFP长度、直径以及速度的误差均小于8.2%，模拟的断裂形态与试验结果基本一致，J-C模型有效预测了爆炸加载条件下高熵合金EFP的成型状态。
针对包含高密度、高热值元素的高熵合金材料在聚能战斗部药型罩上的应用问题，选取Ta-Hf-Nb-Zr体系高熵合金为研究对象，采用INSTRON材料试验机、分离式霍普金森压杆试验平台，探寻该高熵合金在应变率为10−3～103 s−1、温度为25～900 ℃以及应力三轴度为0.33～0.89条件下的力学响应规律，基于静动态力学性能试验结果，获取该合金的Johnson-Cook（J-C）本构方程参数及损伤失效模型参数，并建立爆炸加载下高熵合金爆炸成型弹丸（explosively formed projectile，EFP）数值模型。开展EFP成型脉冲X射线验证试验，结果显示：117 μs时，高熵合金EFP成型较为完整，EFP长度为51.1 mm，直径为12.27 mm；187 μs时，EFP尾部产生3处断裂，头部长度为24.3 mm，直径为12.27 mm，EFP速度为
2025, 45(3): 033104.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0083
摘要:
为了研究聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的抗爆性能，对聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构开展不同装药量下的接触爆炸实验，并对其整体及局部的破坏特征进行分析。利用LS-DYNA有限元仿真软件探究了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的损伤过程及机理，并进一步分析了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的破坏模式及特征。实验及有限元结果表明：接触爆炸载荷作用下的聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构呈现6种破坏模式，即正面成坑；层裂破坏；层裂鼓包；震塌破坏，聚脲涂层鼓包大变形；爆炸贯穿，聚脲涂层严重鼓包变形；贯穿和撕裂破坏。在钢筋混凝土厚板背面涂覆聚脲有效增强了复合结构的抗爆性能。
为了研究聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的抗爆性能，对聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构开展不同装药量下的接触爆炸实验，并对其整体及局部的破坏特征进行分析。利用LS-DYNA有限元仿真软件探究了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的损伤过程及机理，并进一步分析了聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构的破坏模式及特征。实验及有限元结果表明：接触爆炸载荷作用下的聚脲/钢筋混凝土厚板复合结构呈现6种破坏模式，即正面成坑；层裂破坏；层裂鼓包；震塌破坏，聚脲涂层鼓包大变形；爆炸贯穿，聚脲涂层严重鼓包变形；贯穿和撕裂破坏。在钢筋混凝土厚板背面涂覆聚脲有效增强了复合结构的抗爆性能。
2025, 45(3): 033201.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0343
摘要:
人工智能方法是预测爆炸荷载的新手段，但现有方法主要用于预测爆炸冲击波的超压峰值或冲量，而用于预测反射超压时程的研究不多。针对这一问题，以平面冲击波绕射桥梁主梁为对象，提出了一种基于主成分分析（principal components analysis, PCA）和误差反向传播神经网络（backpropagation neural network, BPNN）的桥梁爆炸冲击波反射超压时程预测模型。该预测模型利用PCA降维处理时程数据，基于多任务学习的BPNN算法，提出了考虑超压峰值和冲量峰值影响的损失函数，使模型能有效预测不同入射超压下的桥梁冲击波荷载时程。通过分析多任务学习模型、多输入单输出模型和多输入多输出模型等3种BPNN模型，发现多任务学习模型的预测精度最高，而多输入多输出模型难以有效适应当前预测任务需求。采用多任务学习模型预测得到的桥梁表面各测点位置的反射超压时程、超压峰值精度较高，决定系数R2分别为0.792和0.987，作用在箱梁上的合力时程和扭矩时程预测值也与数值模拟值较为吻合。同时，该模型对内插值预测的表现优于外推值预测，但其在预测外推值方面同样展现出了一定的能力。
人工智能方法是预测爆炸荷载的新手段，但现有方法主要用于预测爆炸冲击波的超压峰值或冲量，而用于预测反射超压时程的研究不多。针对这一问题，以平面冲击波绕射桥梁主梁为对象，提出了一种基于主成分分析（principal components analysis, PCA）和误差反向传播神经网络（backpropagation neural network, BPNN）的桥梁爆炸冲击波反射超压时程预测模型。该预测模型利用PCA降维处理时程数据，基于多任务学习的BPNN算法，提出了考虑超压峰值和冲量峰值影响的损失函数，使模型能有效预测不同入射超压下的桥梁冲击波荷载时程。通过分析多任务学习模型、多输入单输出模型和多输入多输出模型等3种BPNN模型，发现多任务学习模型的预测精度最高，而多输入多输出模型难以有效适应当前预测任务需求。采用多任务学习模型预测得到的桥梁表面各测点位置的反射超压时程、超压峰值精度较高，决定系数R2分别为0.792和0.987，作用在箱梁上的合力时程和扭矩时程预测值也与数值模拟值较为吻合。同时，该模型对内插值预测的表现优于外推值预测，但其在预测外推值方面同样展现出了一定的能力。
2025, 45(3): 033301.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0217
摘要:
为研究弹体在侵彻钢筋混凝土受到阻力的问题，分析了现有钢筋有限长度固支梁理论模型的局限，根据钢筋屈服准则研究和耗能分析，提出了弹体直接命中钢筋剪切-塑性铰链模型，以及弹体与钢筋侧面接触时的塑性弦模型，通过耗能分析得到了弹体直接阻力函数；以空腔膨胀理论模型为基础，根据弹体侵彻深度经验公式计算结果，得到了钢筋间接影响下混凝土的阻力方程。通过与已有试验数据对比，验证了理论模型的合理性。通过分析钢筋屈服强度、直径、网眼尺寸等配筋方式，以及弹体命中部位对遮弹层抗侵彻性能的影响，给出了遮弹层配筋设计建议：相邻两层钢筋网错孔设置；钢筋网眼与弹体直径之比宜设为0.5～0.8；应结合钢筋极限塑性应变进行高强钢筋选择。
为研究弹体在侵彻钢筋混凝土受到阻力的问题，分析了现有钢筋有限长度固支梁理论模型的局限，根据钢筋屈服准则研究和耗能分析，提出了弹体直接命中钢筋剪切-塑性铰链模型，以及弹体与钢筋侧面接触时的塑性弦模型，通过耗能分析得到了弹体直接阻力函数；以空腔膨胀理论模型为基础，根据弹体侵彻深度经验公式计算结果，得到了钢筋间接影响下混凝土的阻力方程。通过与已有试验数据对比，验证了理论模型的合理性。通过分析钢筋屈服强度、直径、网眼尺寸等配筋方式，以及弹体命中部位对遮弹层抗侵彻性能的影响，给出了遮弹层配筋设计建议：相邻两层钢筋网错孔设置；钢筋网眼与弹体直径之比宜设为0.5～0.8；应结合钢筋极限塑性应变进行高强钢筋选择。
2025, 45(3): 033302.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0158
摘要:
基于钨纤维和金属玻璃基体的实际分布特性，建立复合材料弹体的细观有限元几何模型，采用修正的热力耦合本构模型来描述金属玻璃基体的高强度和高剪切敏感性，结合相关的斜侵彻/穿甲试验，开展复合材料长杆弹斜侵彻/穿甲钢靶的三维有限元模拟，与钨合金弹进行对比分析，讨论弹靶变形和破坏特征，分析了撞击倾角、撞击速度等因素对复合材料弹体侵彻/穿甲“自锐”行为以及弹道特征的影响。结果表明，在斜侵彻/穿甲条件下，由于弹体头部受力的非对称特征，弹头逐渐锐化为非对称的尖头构型，同时弹道偏转，复合材料弹体的“自锐”性能以及侵彻/穿甲能力下降。撞击速度对斜侵彻/穿甲条件下弹体的“自锐”特征及弹道行为有显著影响，低速撞击条件下，撞击倾角越大，弹体侵彻性能越弱；当倾角增大到50°时，撞击速度小于900 m/s的弹体均难以有效侵彻靶板；倾角进一步增大时，弹体容易跳飞。
基于钨纤维和金属玻璃基体的实际分布特性，建立复合材料弹体的细观有限元几何模型，采用修正的热力耦合本构模型来描述金属玻璃基体的高强度和高剪切敏感性，结合相关的斜侵彻/穿甲试验，开展复合材料长杆弹斜侵彻/穿甲钢靶的三维有限元模拟，与钨合金弹进行对比分析，讨论弹靶变形和破坏特征，分析了撞击倾角、撞击速度等因素对复合材料弹体侵彻/穿甲“自锐”行为以及弹道特征的影响。结果表明，在斜侵彻/穿甲条件下，由于弹体头部受力的非对称特征，弹头逐渐锐化为非对称的尖头构型，同时弹道偏转，复合材料弹体的“自锐”性能以及侵彻/穿甲能力下降。撞击速度对斜侵彻/穿甲条件下弹体的“自锐”特征及弹道行为有显著影响，低速撞击条件下，撞击倾角越大，弹体侵彻性能越弱；当倾角增大到50°时，撞击速度小于900 m/s的弹体均难以有效侵彻靶板；倾角进一步增大时，弹体容易跳飞。
2025, 45(3): 033303.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0096
摘要:
为了研究椭圆类截面弹体侵彻多层间隔钢靶的弹道特性，开展了典型弹体侵彻多层间隔Q355B钢靶试验，基于LS-DYNA软件开展有限元仿真研究，得到了弹体在侵彻过程中的姿态偏转和弹道参数，分析了弹体的偏转机制，获得了截面形状、截面压缩系数、初速、滚转角和着角等弹靶参数对椭圆类截面弹体侵彻弹道特性和姿态偏转特性的影响规律。研究结果表明：滚转角为0°时，圆截面弹体侵彻弹道的稳定性优于椭圆类截面弹体；弹体截面压缩系数越大，弹体侵彻弹道稳定性越好；弹体初速越大，弹体姿态偏转越小，侵彻弹道越平稳；滚转角为90°时，椭圆截面和非对称椭圆截面弹体在入射平面内的侵彻弹道最稳定，并且两种弹体在水平面内的弹道偏移量分别在滚转角为45°和90°时达到最大，非对称椭圆截面弹体在滚转角为钝角时的侵彻弹道稳定性优于锐角时的情况；弹体着角在[0°，50°]范围内时，侵彻弹道稳定性随着角的增大先减弱后增强，着角在30°左右时姿态偏转和弹道失稳最严重；弹体以较正姿态贯穿薄钢靶时，在弹头部侵彻阶段就已经与靶体分离；弹体以较大攻角贯穿薄钢靶时，弹靶接触主要发生在弹体的上表面。
为了研究椭圆类截面弹体侵彻多层间隔钢靶的弹道特性，开展了典型弹体侵彻多层间隔Q355B钢靶试验，基于LS-DYNA软件开展有限元仿真研究，得到了弹体在侵彻过程中的姿态偏转和弹道参数，分析了弹体的偏转机制，获得了截面形状、截面压缩系数、初速、滚转角和着角等弹靶参数对椭圆类截面弹体侵彻弹道特性和姿态偏转特性的影响规律。研究结果表明：滚转角为0°时，圆截面弹体侵彻弹道的稳定性优于椭圆类截面弹体；弹体截面压缩系数越大，弹体侵彻弹道稳定性越好；弹体初速越大，弹体姿态偏转越小，侵彻弹道越平稳；滚转角为90°时，椭圆截面和非对称椭圆截面弹体在入射平面内的侵彻弹道最稳定，并且两种弹体在水平面内的弹道偏移量分别在滚转角为45°和90°时达到最大，非对称椭圆截面弹体在滚转角为钝角时的侵彻弹道稳定性优于锐角时的情况；弹体着角在[0°，50°]范围内时，侵彻弹道稳定性随着角的增大先减弱后增强，着角在30°左右时姿态偏转和弹道失稳最严重；弹体以较正姿态贯穿薄钢靶时，在弹头部侵彻阶段就已经与靶体分离；弹体以较大攻角贯穿薄钢靶时，弹靶接触主要发生在弹体的上表面。
2025, 45(3): 033401.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0395
摘要:
螺旋桨是舰船推进系统的核心部件，其运动稳定性和效率直接影响舰船的性能。当前推进轴系抗冲击研究大多将螺旋桨等效成均质圆盘，忽略其结构特征，不能准确得到水下爆炸瞬态冲击下螺旋桨的瞬态毁伤特征。本文中针对螺旋桨的结构特征，基于湿模态分析法得到实体建模优于壳体建模，开展了远场冲击波作用下螺旋桨物面空化冲击动响应及毁伤特征分析，并结合螺旋桨高速旋转状态下产生的水动力空化现象，进一步分析螺旋桨瞬态毁伤特征规律。结果表明：在0°与90°攻角下，冲击波入射波作用于螺旋桨表面的物面载荷更高，但存在一个上限值，其与螺旋桨结构特征有关。在计及水动力空化状态下，桨叶的应力水平变化较为一致；桨叶主要塑性损伤区为叶根处，存在局部塑性和完全塑性两种模式。探讨了远场爆炸下螺旋桨毁伤与空化特征，研究结果可为推进轴系及螺旋桨抗冲击防护提供参考。
螺旋桨是舰船推进系统的核心部件，其运动稳定性和效率直接影响舰船的性能。当前推进轴系抗冲击研究大多将螺旋桨等效成均质圆盘，忽略其结构特征，不能准确得到水下爆炸瞬态冲击下螺旋桨的瞬态毁伤特征。本文中针对螺旋桨的结构特征，基于湿模态分析法得到实体建模优于壳体建模，开展了远场冲击波作用下螺旋桨物面空化冲击动响应及毁伤特征分析，并结合螺旋桨高速旋转状态下产生的水动力空化现象，进一步分析螺旋桨瞬态毁伤特征规律。结果表明：在0°与90°攻角下，冲击波入射波作用于螺旋桨表面的物面载荷更高，但存在一个上限值，其与螺旋桨结构特征有关。在计及水动力空化状态下，桨叶的应力水平变化较为一致；桨叶主要塑性损伤区为叶根处，存在局部塑性和完全塑性两种模式。探讨了远场爆炸下螺旋桨毁伤与空化特征，研究结果可为推进轴系及螺旋桨抗冲击防护提供参考。
2025, 45(3): 034201.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0073
摘要:
为了提高基于罚函数法的显式有限元对大变形接触-碰撞问题仿真的精确性和健壮性，基于前增量位移中心差分方法，发展了一种新的大变形接触非侵入算法。将动力方程求解步分解为不考虑接触的预估步和考虑接触的修正步，在当前时刻，采用罚函数法施加接触惩罚力，使其满足非侵入条件，从而提高显式接触计算的精确性；在仅能获得下一时刻位移的情况下，为了精确计算下一时刻的大变形内力，基于任意参考构型大变形理论，将动力学方程内力项映射到已知的参考构型求解，避免使用相关物理量的中间构型近似值，从而降低由大变形计算引入的数值误差。更严格的几何非线性算法以及接触算法可有效抑制实体间的非物理穿透和大变形碰撞过程中的单元畸变，提高计算程序的健壮性。对典型碰撞及侵彻算例进行仿真，并与商业软件的结果进行对比，验证了所发展的大变形接触-碰撞显式算法的正确性，并证明了在高速大变形碰撞仿真方面，当前接触-碰撞显式算法比基于蛙跳格式中心差分和罚函数法的经典接触-碰撞算法更加健壮。
为了提高基于罚函数法的显式有限元对大变形接触-碰撞问题仿真的精确性和健壮性，基于前增量位移中心差分方法，发展了一种新的大变形接触非侵入算法。将动力方程求解步分解为不考虑接触的预估步和考虑接触的修正步，在当前时刻，采用罚函数法施加接触惩罚力，使其满足非侵入条件，从而提高显式接触计算的精确性；在仅能获得下一时刻位移的情况下，为了精确计算下一时刻的大变形内力，基于任意参考构型大变形理论，将动力学方程内力项映射到已知的参考构型求解，避免使用相关物理量的中间构型近似值，从而降低由大变形计算引入的数值误差。更严格的几何非线性算法以及接触算法可有效抑制实体间的非物理穿透和大变形碰撞过程中的单元畸变，提高计算程序的健壮性。对典型碰撞及侵彻算例进行仿真，并与商业软件的结果进行对比，验证了所发展的大变形接触-碰撞显式算法的正确性，并证明了在高速大变形碰撞仿真方面，当前接触-碰撞显式算法比基于蛙跳格式中心差分和罚函数法的经典接触-碰撞算法更加健壮。
2025, 45(3): 035101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0150
摘要:
采用数值模拟方法开展了8 000 kJ能级被动柔性防护网的抗落石冲击分析与设计工作。首先，基于显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对典型被动柔性防护网单环和三环环链拉伸试验、网片顶破试验以及2 000 kJ能级落石冲击足尺防护网试验进行数值模拟复现，通过与网环最大破断力、破断位移和破坏特征、落石冲击全过程以及防护网钢丝绳内力时程等试验数据进行对比，验证了所采用数值模拟方法的可靠性。然后，分析了钢柱倾角、跨距、高度以及消能装置规格等参数对落石冲击下防护网动力行为的影响，结果表明：消能装置规格是控制防护网内力与位移的关键参数；钢柱倾角建议取10°；增大钢柱跨距会降低结构的面内刚度，而对横向锚固力的影响较小；增加钢柱高度会显著提升柱底支反力；改变钢柱高度和跨距需同时合理调整各钢丝绳的锚固位置。最后，通过调整防护网几何尺寸、消能装置规格和添加横向辅助支撑绳等措施给出了2种8 000 kJ能级防护网设计方案，均通过EAD 340059-00-0106标准检验。
采用数值模拟方法开展了8 000 kJ能级被动柔性防护网的抗落石冲击分析与设计工作。首先，基于显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对典型被动柔性防护网单环和三环环链拉伸试验、网片顶破试验以及2 000 kJ能级落石冲击足尺防护网试验进行数值模拟复现，通过与网环最大破断力、破断位移和破坏特征、落石冲击全过程以及防护网钢丝绳内力时程等试验数据进行对比，验证了所采用数值模拟方法的可靠性。然后，分析了钢柱倾角、跨距、高度以及消能装置规格等参数对落石冲击下防护网动力行为的影响，结果表明：消能装置规格是控制防护网内力与位移的关键参数；钢柱倾角建议取10°；增大钢柱跨距会降低结构的面内刚度，而对横向锚固力的影响较小；增加钢柱高度会显著提升柱底支反力；改变钢柱高度和跨距需同时合理调整各钢丝绳的锚固位置。最后，通过调整防护网几何尺寸、消能装置规格和添加横向辅助支撑绳等措施给出了2种8 000 kJ能级防护网设计方案，均通过EAD 340059-00-0106标准检验。
