• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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2017年  37卷  第1期

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研究论文
方孔障碍物对瓦斯火焰传播影响的实验与大涡模拟
陈鹏, 李艳超, 黄福军, 张玉涛
2017, 37(1): 1-9. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0021-06
摘要:
为揭示置障管道内甲烷/空气预混火焰传播特性,运用高速摄影技术对甲烷/空气预混火焰的形状变化和火焰前锋的速度特性进行实验,并利用大涡模拟对管道内的流场结构进行数值分析。结果表明:置障管道内依次出现了球形火焰、指尖形火焰及“蘑菇”状火焰,且“蘑菇”状火焰出现之后,火焰开始反向传播;“蘑菇”状火焰是双涡旋结构与火焰前锋面相互作用的结果,而火焰的反向传播是由流场中出现逆流结构引起的;障碍物对火焰前锋有明显的加速作用;大涡模拟成功再现了实验中观察到的火焰形状、火焰前锋速度及流场结构,说明大涡模拟适用于置障管道内预混火焰传播特性的研究。
基于应变能法的单搭接螺栓剪切模型
寇剑锋, 徐绯, 冯威
2017, 37(1): 10-14. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0001-09
摘要:
为了简化复杂结构在冲击数值分析中的大量螺栓连接,可用等效的载荷位移模型代替复杂的螺栓连接关系,本文中针对单搭接螺栓连接在剪切载荷下建立了连接本构关系。首先通过对有预紧力的单搭接螺栓进行实验和精细有限元模拟,揭示了螺栓剪切载荷位移曲线的特征并针对不同特征阶段进行了相应的物理机理分析。在此基础上对于载荷位移曲线的界面黏结、部分滑移、整体滑移阶段提出了连接本构模型的基本形式和各阶段的参数估算方法。在部分滑移阶段考虑了4个方面的刚度贡献,其中部件对螺栓的支撑刚度是三维非轴对称变形问题,理论求解非常困难,本文中通过应力分布研究,采用应变能法解决了螺栓的支撑刚度的估算问题。提出的单搭接螺栓剪切模型物理含义明确,参数估算简单,准确度高。
基于超高速相机的数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的应用
申海艇, 蒋招绣, 王贝壳, 李成华, 王礼立, 王永刚
2017, 37(1): 15-20. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0015-06
摘要:
基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验系统进行改进,获得尼龙和铝合金材料的动态拉伸应力应变曲线,验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。实验结果显示:该方法测量的平均应变与应变片测量结果一致性很好, 而传统的SHTB实验原理计算的应变结果则明显偏大,需要对试件原始标距进行修正后才能获得有效的试件应变,并且在试件的材料和几何尺寸不变的条件下标距修正不依赖于应变率。基于数字图像相关性全场应变测量,讨论了应变均匀性问题:脆性的尼龙试件在标距范围内应变均匀性良好,而韧性的铝合金试件表现出比较严重的应变不均匀性,归因于颈缩变形的影响。
应力波数值计算中的SPH方法
孙晓旺, 章杰, 王肖钧, 李永池, 赵凯
2017, 37(1): 21-26. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0010-05
摘要:
对一维波动方程的SPH(smoothed particle hydrodynamics)格式和有限差分格式进行比较,并采用SPH法模拟了一维应力/应变波, 获得1个可衡量SPH法模拟应力波准确性的重要指标。结果表明,SPH法模拟应力波传播中采用的光滑长度必须不小于粒子间距;采用B-样条核函数和高斯型核函数能够获得良好的应力波图像,而二次型核函数不能,因此二次型核函数不适用于冲击动力学的数值计算。
顺层岩质边坡爆破的振动控制及损伤特性
王智德, 夏元友, 周雄, 夏国邦, 杨金华
2017, 37(1): 27-36. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0027-10
摘要:
为了更好地了解顺层岩质边坡爆破开挖时振动速度的传播规律以及坡体的损伤程度,以云南省普宣高速公路顺层边坡爆破开挖为工程背景,利用声波测试结合监测点振动速度的方法,获取坡体不同深度的声速变化及不同位置的振动速度,分析不同药量下单次和多次爆破的坡体损伤范围以及振动速度的衰减规律。研究表明,爆破区任意点的振动速度与损伤深度存在对应关系:对单次爆破,振动速度与损伤深度呈线性关系,而对多次爆破,振动速度与损伤深度呈非线性关系;以声速降低率10%作为损伤界限,并作为爆破控制时,单次爆破对应的临界振动速度为11.54 cm/s,损伤半径为5.57 m;,基于首次爆破的多次爆破临界振动速度为24.20 cm/s,最大损伤半径为7.56 m,并由萨道夫基公式得到2种方式的最大起爆药量。
PVC夹芯板在冲击载荷下的动态响应与失效模式
叶楠, 张伟, 黄威, 李达诚, 高玉波, 谢文波
2017, 37(1): 37-45. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0037-09
摘要:
通过开展对泡沫金属子弹撞击加载聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)夹芯板的实验,结合三维数字图像相关性(three dimensional digital image correlation, DIC-3D)技术,研究固支夹芯板在撞击加载条件下的动态响应,获得夹芯板受撞击及响应的变形过程,并结合图像分别分析夹芯板整体及三层结构的变形和失效模式;研究子弹冲量与背板最终变形之间的关系和相似冲量下等面密度不同芯层密度的夹芯结构的抗撞击性能。结果表明:夹芯板的破坏和失效主要集中在泡沫金属子弹直接作用区域,背板挠度由中间向固定端逐渐减小,子弹冲量与背板变形近似成线性关系。在等质量的条件下,降低芯层密度、增加芯层厚度可以有效降低背板的变形,实验结果对聚合物夹芯结构的工程优化设计具有一定的参考意义。
不同升温速率下AP/HTPB底排装置慢速烤燃的数值模拟
李文凤, 余永刚, 叶锐, 杨后文
2017, 37(1): 46-52. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0046-07
摘要:
为研究在不同升温速率下高氯酸铵(ammonium perchlorate, AP)/端羟基聚丁二烯(tydroxyl-terminated polybutadiene, HTPB)底排装置的慢速烤燃特性,建立AP/HTPB底排推进剂二维轴对称非稳态传热模型和两步化学动力学反应模型。在不同升温速率下,分析底排装置的慢速烤燃响应特性。计算结果表明:在慢速烤燃的条件下,烤燃响应点发生在底排药柱与空气腔的接触面左侧,升温速率对底排药柱的着火延迟时间和烤燃响应点位置有较大影响。随着升温速率的提高,着火延迟时间变短,烤燃响应点向中心侧移动。升温速率对烤燃响应点的着火温度影响较小。
油气在顶部含弱约束结构受限空间内的爆炸特性
杜扬, 王世茂, 齐圣, 王波, 李阳超, 李国庆
2017, 37(1): 53-60. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0053-08
摘要:
建立了顶部含有弱约束结构的受限空间油气爆炸实验系统,并对含有弱约束的受限空间中油气爆炸特性进行实验研究,获得超压变化规律及火焰发展特征。结果表明:(1)容器内部超压受泄流、外部爆炸、火焰扩张等因素的影响,出现多个峰值,并伴以强烈的振荡;容器外部超压随着距离的增大而减小,且竖直方向超压大于水平方向超压。(2)与无约束爆炸相比,弱约束结构对爆炸的影响主要体现在对爆炸超压的增强效应和对爆炸发展速率的滞后效应。(3)爆炸超压随着油气体积分数的增加先增大后减小,最大超压所对应的初始油气体积分数为1.79%。(4)容器外火焰发展过程分为初级燃烧阶段、过渡燃烧阶段、次级燃烧阶段,由于受Rayleigh-Talor不稳定、Helmholtz不稳定、斜压效应的影响,火焰出现褶皱和卷曲,最大火焰高度和直径分别为0.8和0.55 m。
爆轰加载下金属材料的微层裂现象
陈永涛, 洪仁楷, 陈浩玉, 胡海波, 汤铁钢
2017, 37(1): 61-67. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0061-07
摘要:
通过在LiF窗口撞击镀膜面增加一薄层LiF和对LiF窗口反光面进行漫反射面镀膜处理的方法,对传统Asay窗诊断技术进行了改进,获得了微层裂物质高质量的实验信号。将改进后Asay窗技术与中能X射线照相及激光干涉测速技术相结合,实验给出了熔化状态下Sn材料微层裂物质不同时刻的密度空间分布图像及演化特征,且不同测试技术诊断结果半定量吻合。得到Sn材料微层裂物质的清晰物理图像,可为微层裂物理机理的认识和物理建模提供实验数据。
障碍物对预混火焰特性影响的大涡数值模拟
王公忠, 张建华, 李登科, 陈先锋
2017, 37(1): 68-76. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0068-09
摘要:
障碍物在预混气体火焰传播过程中对其结构及传播特性造成较大影响,对火焰的加速和爆燃转爆轰过程(deflagration-to-detonation transition, DDT)起到直接的促进作用。通过障碍物条件下可视管道中甲烷/空气预混火焰传播实验,捕获其火焰微观结构变化。采用三维物理模型,采用壁面自适应局部涡黏模型(wall-adapting local eddy-viscosity, WALE)的大涡模拟(large eddy simulation, LES),并用火焰增厚化学反应模型(thickened flame model, TFM)对实验过程进行重现。分析开口管道中预混火焰翻越障碍物后的复杂流场变化,并分析层流向湍流转变过程的特点。揭示了在障碍物影响下预混火焰扰动失稳现象的直接原因,是由障碍物引发的3个气流涡团同时作用而形成Kelvin-Helmholtz不稳定及Rayleigh-Taylor不稳定现象耦合作用所导致。
隧道掘进爆破振动对地表影响的小波包分析
费鸿禄, 曾翔宇, 杨智广
2017, 37(1): 77-83. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0077-07
摘要:
基于现场实测隧道掘进爆破振动信号数据,采用小波包分析技术对振动信号进行小波包能量谱分析,得到爆破振动信号能量在各频带上的分布。通过比较各点分析结果可以发现隧道掘进爆破地震波能量主要集中在切向与径向。在沿隧道掘进方向随着与掌子面之间距离的增大地震波的主频下降,能量主要集中频带也越来越窄,并且向低频带发展;而在垂向上地震波主频随着埋深的减小而减小,同时地震波的能量主要集中频带也越来越窄并且向低频带发展。最后从能量的角度探讨隧道掘进爆破地震波沿各个方向的衰减规律。
薄片炸药与固体靶冲量耦合的计算模型
卢强, 王占江, 刘晓新, 郭志昀, 吴玉蛟
2017, 37(1): 84-91. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0084-08
摘要:
薄片炸药可用于模拟强脉冲X射线辐照下空间结构的响应,其与固体靶的冲量耦合作用是进行模拟载荷设计的基础。本文中基于有限元模拟技术,研究不同直径薄片炸药的边界稀疏作用和安装支座的反射作用对薄片炸药与固体靶冲量耦合的影响,结果表明:边界稀疏作用对薄片炸药的比冲量起到减弱的作用,由边界稀疏作用引起的薄片炸药比冲量的变化量和薄片炸药直径的倒数近似成线性关系;薄片炸药安装支座的反射作用对薄片炸药的比冲量起到增强的作用,由支座反射作用引起的薄片炸药比冲量的变化量和薄片炸药直径的平方近似成反比;随着薄片炸药直径的增加,薄片炸药比冲量趋于定值,边界稀疏作用和支座反射作用可以忽略;存在一个临界直径,当薄片炸药的直径为临界直径时,薄片炸药的边界稀疏作用和支座反射作用达到平衡,其比冲量大小和薄片炸药的直径为无穷大时的比冲量值相等。
桁架式钢筋混凝土叠合板式墙抗爆性能实验
吴保桦, 张尚根, 康正炎
2017, 37(1): 92-98. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0092-07
摘要:
为研究桁架式叠合板式墙的抗爆性能,进行了2块桁架式叠合板式墙和2块现浇板式墙在多次冲击荷载作用下的对比实验,分析了各试件的破坏过程、变形(刚度)、承载力、强度及裂缝分布形态。结果表明:桁架式叠合板式墙与现浇板式墙相比,爆炸破坏过程相似;爆炸荷载小时,试件处于弹性状态,两者刚度基本一致;开裂后,现浇板式墙比叠合板式墙刚度降低明显快,桁架钢筋能有效抑制裂缝扩展,且试件并未出现剪切破坏。说明桁架式叠合板式墙的整体性能较好,叠合板式墙的抗爆性能优于现浇板式墙。
基于小波分析的实船水下爆炸船体响应特征
谢耀国, 姚熊亮, 崔洪斌, 李新飞
2017, 37(1): 99-106. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0099-08
摘要:
为了研究水下爆炸条件下船体冲击振动响应时频特征,针对某实船非接触水下爆炸实验冲击响应测试实验数据,基于小波分析及能量统计方法对响应信号进行时频特性分析,得到了实船非接触水下爆炸冲击振动响应的时频分布和能量分布。分析结果表明,采用基于小波变换的时频分析方法,可以成功获得船体冲击响应信号不同频率段下的强度、能量和作用时间等时频细节信息,包括响应信号各频段冲击峰值、衰减过程、振动能量及其在全频率段上所占的分数。通过对小波频段能量统计以及冲击强度分析发现,冲击响应能量频段分布较广,主甲板及以下甲板全频段振动能量的80%以上在312.5 Hz以上,上层建筑甲板平台各频段冲击振动能量分数向低频段转移。
基于HHT能量谱的高精度雷管短微差爆破降振效果分析
邱贤阳, 史秀志, 周健, 黄丹, 陈新
2017, 37(1): 107-113. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0107-07
摘要:
为揭示高精度雷管短微差爆破干扰降振机理,选取紫金山金铜矿露天爆破实测的单段波形信号,利用Matlab分析了不同微差间隔下两段叠加信号的时频特征; 综合考虑爆破振动三要素并结合HHT(Hilbert-Huang transform)能量定义降能率,分析了段数、相邻振幅比和最大段药量位置对短微差爆破叠加信号降振效果的影响。根据研究成果,爆破设计时应避免出现前后段数药量差距过大,并尽量将较大药量的段数靠后起爆。研究表明:相同微差间隔下随着段数的增加,叠加信号降能率逐渐增大,当段数达到一定数量后增加分段数,微差爆破的降振效果并不明显; 微差爆破中相邻振幅比越接近1,降振效果越明显; 最大段药量靠后的叠加信号降能率大于其他顺序。
多介质流体力学计算的谱体积方法
刘娜, 陈艺冰
2017, 37(1): 114-119. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0114-06
摘要:
针对高维及多物理耦合计算耗费大等困难,设计适合多介质流动模拟的模板紧致、易于并行、高阶精度、计算耗费小的谱体积方法。该方法是求解双曲型守恒率谱体积方法的直接推广,针对多介质流动物质界面捕捉的困难,利用拟守恒格式的思想避免物质界面处的非物理振荡。数值模拟结果表明,本方法具有高阶精度、高分辨率,且节约计算量,并且可以有效避免物质界面处非物理振荡。
单轴压缩下2种PBX炸药的动态变形损伤及其温升效应
李涛, 傅华, 李克武, 谷岩, 刘仓理
2017, 37(1): 120-125. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0120-06
摘要:
通过炸药单轴压缩实验,利用高速摄影和高速红外热像仪,对2种典型PBX炸药变形损伤过程和温升效应进行了实时观测。实验结果表明,2种典型PBX炸药的损伤以及温升效应表现出明显差别:低粘结剂含量的炸药表现出明显的脆性特征,材料应力应变曲线中的应变软化阶段是伴随着材料损伤的演化过程,最终的失稳破坏导致样品中贯穿裂纹的形成,非均匀的裂纹分布对应于局部高温带的出现; 高粘结剂含量的炸药表现出明显的韧性特征,材料应力应变曲线未出现应变软化现象,变形损伤分布较均匀,但剪切方向出现网络状的温升分布。
单个弹丸撞击316L不锈钢引起的变形场
杨诗婷, 邢永明, 赵燕茹, 郝贠洪, 李继军, 姜爱峰
2017, 37(1): 126-133. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0126-08
摘要:
运用金属材料表面纳米化试验机对单个弹丸撞击316L不锈钢表面进行了撞击实验;采用激光共聚焦显微镜观察了弹坑的三维形貌,测量不同振动频率下弹坑的直径及离面位移;采用云纹干涉法对弹坑周围的面内应变场进行测量,并分析振动频率及撞击方式对弹坑尺寸、塑性应变大小以及塑性应变区范围的影响;采用有限元方法对单个弹丸垂直撞击试件表面的应变场进行数值模拟,与实验结果进行比较,分析了弹坑周围残余应力的分布。结果表明:随振动频率的增加,弹坑直径和离面位移都增加,频率在50~55Hz,弹坑直径有突变,离面位移和振动频率呈线性关系;振动频率越大,塑性应变越大,塑性应变分布范围均大于弹坑直径的2倍;同一振动频率下弹丸垂直撞击比倾斜撞击的塑性应变大,而塑性应变分布范围相差不大;面内残余应变场的数值模拟结果和实验结果吻合较好,最大误差小于10%。
切缝管轴向不耦合装药爆破实验
杨国梁, 程帅杰, 王平, 李学海, 闫玉岗
2017, 37(1): 134-139. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0134-06
摘要:
采用动态应变测试和高速摄影系统,对切缝管空气间隔装药定向断裂爆破机理进行研究。共采用4种装药结构,研究发现:当轴向不耦合系数为1.5时,炮孔两侧测点的应变比最大为2.1,压力持续作用时间达到9 μs,定向断裂效果显著。通过高速摄影测试发现裂纹的扩展速度并不是一个常量,扩展速度呈现震荡变化,并对其形成机理进行分析。在模型实验的基础上,分别采用不耦合装药系数1.5和1.66,进行地下隧道和露天边坡工程爆破现场实验,取得了良好的效果。
不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟
李冀龙, 唐亚男, 刘轩铭
2017, 37(1): 140-149. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0140-10
摘要:
针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。
高锰钢帽型样品在高速冲击下的剪切行为
金婷, 杨平
2017, 37(1): 150-156. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0150-07
摘要:
绝热剪切带是材料在高速变形时一种典型的破坏形式,为了更好地理解高速冲击过程中绝热剪切带的形成和扩展,基于Johnson-Cook本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件对高锰钢帽型样品高速冲击过程的剪切行为进行了二维数值模拟。结果表明:横穿剪切带方向,应力应变分布都是剪切带中心最高,然后向两边逐渐降低,类似于高斯分布; 平行于剪切带方向,应力应变分布则是呈两端高中间低的特点。然后利用模拟的应力应变场分布确定了剪切带和裂纹形成及扩展方向,即从剪切区两端形成并向中间扩展;最后通过编辑软件的k文件直接得到了剪切带内部及周围形变影响区和基体的温度分布,其和应力应变场分布规律一致,结果与实验结果基本吻合。
铝粉含量和粒度对CL-20含铝炸药水中爆炸反应特性的影响
胡宏伟, 严家佳, 陈朗, 郭炜, 宋浦
2017, 37(1): 157-161. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0157-05
摘要:
为了研究CL-20基含铝炸药的爆炸反应机理,利用水中爆炸实验,测量了不同铝粉含量和粒度的CL-20炸药水中爆炸的冲击波参数、二次压力波参数,计算了冲击波能和气泡能。结果表明,水中爆炸的冲击波能和气泡能表征了爆轰和二次反应两个阶段的炸药爆炸能量分配,CL-20炸药中的铝粉主要在二次反应阶段发生反应,只有少部分的铝粉参与了早期的爆轰反应。气泡脉动形成的二次压力波能描述铝粉含量和粒度对二次反应过程的影响,铝粉含量对炸药的二次反应有显著的影响;铝粉粒度对炸药的水下爆炸的初始冲击波参数、冲击波能和气泡能的影响很小,对铝粉与爆轰产物的二次反应速率影响较大。
不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用
岳中文, 宋耀, 王煦, 李明洋, 李明林
2017, 37(1): 162-168. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0162-07
摘要:
为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制,采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明,在冲击载荷作用下,预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹;当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时,次生裂纹不会立即起裂,而是经过0~10 μs的能量积蓄后,次生裂纹才起裂;运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。