• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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2019, 39(7): 1-2.
摘要:
特别约稿与研究综述
三轴应力状态下混凝土的侵彻性能研究
徐松林, 单俊芳, 王鹏飞, 胡时胜
2019, 39(7): 071101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0034
摘要:
研制了三轴应力状态作用下混凝土侵彻实验装置。该装置采用液压伺服控制系统对立方体试件施加三向独立的静载、采用高压气体驱动子弹侵彻混凝土试件;试件六个面的动态压缩信号和侧面摩擦信号可由六根杆上的应变片记录。以混凝土试件为例,对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,研究其在不同应力状态下的侵彻性能,得到了立方体试件在无侧限、单向侧限、双向侧限下的侵彻差异,揭示出应力状态对侵彻性能的影响。
爆炸物理
火场条件下相邻汽油罐油蒸汽泄漏及爆炸规律
任少云, 夏登友
2019, 39(7): 072101. doi: 10.11883/bzycj-2018-0215
摘要:
油库发生火灾时,临近的油罐内汽油受热形成油蒸汽从呼吸阀泄出,泄漏的油蒸汽与空气混合易点燃,易引起燃烧爆炸事故。本文中以容积为5 000 m3(\begin{document}$ \varnothing$\end{document}22 m×13 m)的汽油罐泄漏油蒸汽为研究对象,以数值模拟为研究方法,研究了汽油蒸汽泄漏及爆炸规律。研究发现:在距地面高1 m的平面上,当无风且呼吸阀泄漏油蒸汽速率为0.25 m/s时,距该罐中心50 m以外就可视作安全区域;当呼吸阀泄漏的油蒸汽速率为0.25 m/s时,风速达到5.0 m/s及以上,不易积聚成爆炸油蒸汽;当无风时,呼吸阀泄漏油蒸汽的速率增大1个量级,油蒸汽积聚达到爆炸下限1/2所需时间缩短2个量级;当风速为3.0 m/s、呼吸阀泄漏油蒸汽速率为0.25 m/s、泄漏时间为200 s、着火点距罐壁1 m时,距点火源距离增大1个量级,超压峰值下降1~2个量级。
平面激波加载下砂墙结构的冲击响应特性
王宏亮, 田宙, 浦锡锋, 姚成宝, 寿列枫
2019, 39(7): 072201. doi: 10.11883/bzycj-2018-0179
摘要:
砂墙结构在爆炸安全防护领域具有广泛应用,为了研究激波加载下砂墙结构的冲击响应特性,基于水平激波管实验装置,开展平面激波冲击砂墙结构系列实验,采用高速纹影摄像系统捕捉流场中激波波系的演化过程和砂墙结构的运动过程。入射激波马赫数为1.827~2.413,相应入射激波载荷强度为0.378~0.724 MPa。砂墙结构利用铁砂、矾土、石英砂3种实验用砂制备,所制备砂墙结构孔隙度分别为56.6%、69.3%、56.6%。高速纹影照片显示:平面激波冲击砂墙结构发生反射和透射,伴随入射激波和透射激波的传播,在百微秒内,砂墙未产生显著运动,表现出显著的类固体动力学响应特性。基于冲击理论,确定了铁砂墙、矾土砂墙、石英砂墙的线性冲击关系,冲击关系中线性常数λ值量级为100,根据凝聚介质实用状态方程推断:较低强度载荷冲击作用下,砂墙主要产生体积变形,而由冲击引起的热能效应则可以忽略。
不同泄压条件对方管内爆炸压力特性的影响
李乾, 冯梦梦, 马力, 王玉杰, 陈先锋, 何松
2019, 39(7): 072202. doi: 10.11883/bzycj-2018-0132
摘要:
为研究泄压膜约束条件对甲烷/空气预混气体爆炸压力特性的影响,在方形火焰燃烧传播测试管道中布置压力传感器,开展不同泄压膜材料、泄压膜层数及泄压口位置实验。结果表明:牛皮纸和聚丙烯薄膜约束泄爆过程中,每增加一层泄压膜,管道内最大泄爆压力平均上升11.2%和12.3%。各强度泄压膜约束条件下,管道内最大泄爆压力随着泄压口位置接近点火端,均呈现Z形规律,当泄压口设置在距尾部端面0.25 m时,各曲线达到最小值,当泄压口设置在距尾部端面0.50 m时,各曲线出现最大值。
PBX-1炸药的力学性能和本构关系
孙文旭, 罗智恒, 唐明峰, 李明, 刘彤, 章定国
2019, 39(7): 072301. doi: 10.11883/bzycj-2018-0398
摘要:
PBX的力学行为对其安全性有重要影响。为研究PBX-1的力学性能,以PBX-1为研究对象,进行准静态力学实验和SHPB(分离式霍普金森压杆)实验研究。结果表明,准静态压缩实验中,试样的裂纹出现在与加载方向大约成45°的最大剪应力方向。SHPB实验中,在应变率100~1 500 s−1范围内,随着应变率的提高,PBX-1炸药的动态屈服强度、动态压缩强度和破坏应变不断提高。动态屈服强度逐渐从静态的2.77 MPa增加至16.1 MPa;压缩强度从7.46 MPa增加至16.1 MPa,破坏应变从6.23%增加到26.4%。同时,基于Z-W-T模型,建立了一种含损伤的动态黏弹性本构模型,在330~1 500 s−1应变率范围内具有较高的精度,可以较好地描述PBX-1炸药在达到破坏前的动态力学行为。
孔隙度对PBX炸药冲击起爆影响的实验研究
刘海庆, 段卓平, 白志玲, 温丽晶, 欧卓成, 黄风雷
2019, 39(7): 072302. doi: 10.11883/bzycj-2018-0226
摘要:
为了研究孔隙度(装药密度)对PBX炸药冲击起爆爆轰成长的影响,采用炸药冲击起爆锰铜压阻一维拉格朗日实验测试系统,测量了不同孔隙度的PBXC03炸药(HMX的质量分数为87%,TATB的质量分数为7%,黏结剂的质量分数为6%)冲击起爆过程不同拉格朗日位置的压力-时间历史。结果显示:在本文装药范围和加载条件下,孔隙度对PBX炸药冲击起爆爆轰过程的影响不单调,中等密度的炸药冲击起爆和爆轰成长最快,这是热点点火过程与燃烧反应过程共同作用的结果。
冲击动力学
激光选区熔化增材制造GP1不锈钢动态拉伸力学响应与层裂破坏
史同亚, 刘东升, 陈伟, 谢普初, 汪小锋, 王永刚
2019, 39(7): 073101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0015
摘要:
采用选择性激光熔化增材制造技术,制备了GP1不锈钢单轴拉伸板条试样和层裂圆片试样,并对材料微观结构进行了表征。借助Zwick-HTM5020 高速拉伸试验机,并结合数字图像相关性全场应变测量技术,开展了增材制造GP1不锈钢材料的轴向拉伸力学性能实验研究,得到了不同应变率下材料的拉伸应力-应变曲线,结果显示:(1) GP1不锈钢流动应力具有比较显著的应变强化效应;(2)通过回收试样的电子背散射衍射表征,发现GP1不锈钢在拉伸变形过程中会发生奥氏体与马氏体之间的相变;(3) GP1不锈钢的屈服应力随着应变率呈幂指数增大,断裂应变在中低应变率下保持不变,但在高应变率下则显著减小。采用一级轻气炮实验装置和激光干涉粒子速度测量技术,开展了增材制造GP1不锈钢的层裂实验,发现GP1不锈钢的层裂强度随着飞片撞击速度增大而减小。单轴拉伸试样断口和层裂试样断口的显微分析结果表明:随着应变率增大,单轴拉伸断裂模式和断裂机理都发生了转变;层裂损伤易成核于激光熔池边界线的交汇处,断口韧窝形貌明显区别于单向拉伸断口。
混凝土骨料对高速侵彻弹体质量侵蚀的影响分析
欧阳昊, 陈小伟
2019, 39(7): 073102. doi: 10.11883/bzycj-2018-0068
摘要:
高速侵彻时,弹靶之间发生强烈的局部作用,引起弹体头部发生质量侵蚀,从而影响弹体的侵彻性能。在弹体侵彻过程中,混凝土中的骨料对弹体的质量侵蚀有显著影响。本文通过对高速侵彻混凝土弹体的质量侵蚀实验数据进行分析,进一步分析讨论了混凝土骨料对弹体质量侵蚀的影响。将混凝土靶体视为骨料和砂浆基质混合的二相复合材料,引入混凝土骨料的体积分数χ和骨料的剪切强度τ1代替骨料的莫氏硬度H,给出无量纲骨料修正因子β,建立了修正的弹体质量损失工程模型。模型预测结果与现有的实验数据符合得很好,更准确地表征了混凝土骨料对弹体质量损失的影响。
水下爆炸冲击波载荷作用下冰层破碎特性及其影响因素
王莹, 肖巍, 姚熊亮, 秦业志
2019, 39(7): 073103. doi: 10.11883/bzycj-2018-0141
摘要:
水下爆炸破冰是复杂的爆破工程,为了研究冰层在水下爆炸冲击波载荷作用下的破碎特性及规律,利用几何动力分析软件LS-DYNA对水下爆炸破冰的过程进行数值模拟,并将计算结果与实验结果进行对比,误差在8%以内,验证了数值模型的有效性。根据本文中的建模方法及建立的模型,计算不同的实验工况:实验场地环境不变,调整爆距分析不同爆距下冰层破碎特性;调整药量、爆距和冰厚,通过正交设计方法设计9组实验方案,应用灰色系统理论对3种因素进行分析,建立了各个因素与破冰半径之间的灰色关联度系数及灰色关联度。分析结果表明:药量为100 g,冰厚为29 cm,水深为2.9 m,爆距范围为0.3~1.5 m破冰的半径范围为0~1.1 m,最佳爆距范围在0.3~0.45 m之间;根据以上9种工况的分析可知,药量(100、200、300 g)、爆距(0.3、0.6、0.9 m)和冰厚(24、28、32 cm)对破冰半径的影响的主次关系依次为爆距、药量、冰厚。
分层地质类材料靶体抗超高速侵彻模型实验
程怡豪, 邓国强, 李干, 宋春明, 邱艳宇, 张中威, 王德荣, 王明洋
2019, 39(7): 073301. doi: 10.11883/bzycj-2018-0230
摘要:
利用二级轻气炮开展了杆形钢弹在10马赫左右条件下对4种分层地质类材料靶体的超高速侵彻模型实验,重点研究了砂浆层位置和空气隔层对侵彻效应的影响。结果表明增加遮弹层与下部结构间的空气隔层、在整个结构顶部设置疏松砂浆层均可以在一定条件下加剧弹体破坏、减小结构层的侵彻深度,但同时会增加遮弹层的表面成坑效应。从减小结构层的侵彻深度出发,“软-硬-软-硬”的分层设计思路对抵抗超高速弹体侵彻是可行的。
实验技术与数值方法
基于重球触地实验的空区塌落振动分析及治理
仪海豹, 张西良, 杨海涛, 李明, 高琪琪, 金科
2019, 39(7): 074101. doi: 10.11883/bzycj-2018-0160
摘要:
根据相似理论,以重球落地实验模拟采空区坍塌进而指导采空区治理为出发点,在振动波动特性分析的基础上,分别开展了质量为4 kg和10 kg的重球从1.0、1.5和2.0 m的高度落地的峰值振动速度测试实验;首次提出了累计振动速度衰减率和相对能量比概念;以普氏拱理论为基础,分析了采空区坍塌振动速度。研究表明:振动速度与重球质量和落地高度成正相关,且前者对累计衰减率的影响大于后者;随着测点距离的增大,振动速度整体表现为衰减趋势;重球质量为4 kg和10 kg时,在水平距离重球落地点3.0 m处的累计衰减率分别为79.79%~81.61%和79.95%~83.52%。不同介质交界面的反射和折射可引起振动速度的小幅度“跃增”。重球质量对振动能量衰减影响明显;质量越大,近区能量衰减越慢。采空区冒落体582.5~5 926.5 t,引起的振动速度远大于边坡安全允许值。采用“采空区顶板崩落+边坡削坡”方案进行治理后,边坡安全系数可达到1.26,消除采空区安全隐患。
阶跃信号电探针诊断爆轰加载下金属微喷现象
文雪峰, 王晓燕, 王健, 任国武, 洪仁楷, 胡杨
2019, 39(7): 074102. doi: 10.11883/bzycj-2018-0104
摘要:
针对目前缺乏用于狭小测试空间复杂结构金属样品的微喷现象诊断技术的现状,探索使用阶跃信号电探针诊断爆轰加载下金属样品微喷现象的方法。设计阶跃信号电探针测试技术,开展仿真验证电探针在微喷物质导通下K+RX模式的放电机理。在爆轰微喷实验中通过电探针信号观察到准连续状态微喷区及其存在的两种动作演化过程:阶梯放电曲线表征微喷物质随靠近后界面密度逐步增加,多次放电现象表征微喷物质从连续状态拉升变为离散状态。采用微射流模型描述准连续状态微喷区物质状态,通过电平曲线计算出被测物质等效电阻,再通过等效电阻计算微射流的等效尺寸,从而可描述准连续状态微喷区物质的密度。
等效分析法在分析老龄化船舶抗碰撞性能中的应用
胡锦文, 张乃樑, 尤小健, 蔡如桦, 程萍
2019, 39(7): 074201. doi: 10.11883/bzycj-2018-0143
摘要:
为了简化评估结构疲劳损伤后的抗碰撞性能,仿照结构蠕变分析中的等时应力-应变曲线的思想,提出了一种基于应变等效的等效分析法,并与通常的一般分析方法进行了比较。对比分析结果表明:等效分析法与通常的一般分析方法模拟的结构最大抗破坏作用力几乎相同,并且两者模拟的结构破坏能相对误差较小。这验证了等效分析法的有效性,说明等效分析法可用于船舶全寿命期内抗碰撞性能的快速评估。
变截面爆炸成型弹丸垂直侵彻装甲钢板靶后破片质量模型
邢柏阳, 刘荣忠, 张东江, 陈亮, 侯云辉, 郭锐
2019, 39(7): 074202. doi: 10.11883/bzycj-2018-0187
摘要:
考虑爆炸成型弹丸(explosively-formed projectile,EFP)变截面的特性,基于流体力学Bernoulli方程和绝热剪切理论,改进了EFP垂直侵彻装甲钢板靶后破片质量模型,结合已有的试验数据和数值仿真方法检验了改进后模型的准确性。在此基础上,分析了靶板厚度和EFP着靶速度对靶板和EFP产生的靶后破片质量的影响规律。结果表明:相比于改进前的模型,改进后的模型能够更准确地解释靶板和EFP产生的靶后破片质量随靶板厚度和EFP着靶速度的变化规律;当EFP着靶速度为1 650 m/s时,随着靶板厚度从30 mm增大到70 mm,EFP变截面的特性对靶板和EFP产生靶后破片质量的影响不断增强;当靶板厚度为40 mm时,随着EFP着靶速度从1 650 m/s升高到1 860 m/s,EFP变截面的特性对靶板和EFP产生靶后破片质量的影响不断减弱。
应用爆炸力学
力学环境约束下剪切销可靠性分析及优化设计
王若冰, 赵志军, 肖和业, 陈家文, 蒋晓磊
2019, 39(7): 075101. doi: 10.11883/bzycj-2018-0146
摘要:
剪切销是火工装置关键部件,其可靠性不仅表现为点火作用下可靠剪断,还表现为受力学环境激励不发生断裂。本文中以多项式混沌展开方法为基础,建立了力学环境约束下的剪切销分析模型,结合序贯优化与可靠性分析方法,提出了剪切销可靠性优化设计的思路。以某型火工作动装置为应用实例,依据实用的力学环境,进行了剪切销可靠性分析及优化设计,揭示了设计参数与力学环境之间的关系,并获得了影响可靠性的关键参数。最后,开展了优化后的火工作动装置实验测试,结果佐证了优化设计的有效性。
被动式半捷联稳定平台抗高过载结构设计
魏晓凯, 李杰, 郑涛, 张樨, 冯凯强, 钱海宁
2019, 39(7): 075102. doi: 10.11883/bzycj-2018-0064
摘要:
针对制导炮弹内部半捷联稳定平台在只有轴承承担高过载时,轴承容易被破坏的问题,设计一种基于对顶半球的半捷联稳定平台抗高过载结构。以半捷联稳定平台工作原理和抗高过载设计要求为基础,设计了基于对顶半球的抗高过载结构,选择所用材料,进行有限元仿真分析;最终制造出该结构并进行地面半物理试验验证。仿真与试验结果表明,半捷联稳定平台在受到高过载时,该结构能起到有效的防护作用,大大减小了轴承的轴向受力,保证了轴承的正常运转,可以确保稳定平台的有效测量。惯性测量系统稳定可靠工作时所承受的过载可达11 000g,具有一定的工程应用价值。
侧向撞击荷载作用下内八边形空心钢筋混凝土柱的动力响应
陈亮廷, 王蕊
2019, 39(7): 075103. doi: 10.11883/bzycj-2018-0119
摘要:
相比于实心钢筋混凝土柱,空心钢筋混凝土柱具有自重轻和截面扩展好等优点,被广泛地用作桥墩,由此其不可避免地会受到船舶的撞击。本文中进行6根内八边形空心钢筋混凝土柱和4根内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱的动力响应的实验。在实验中记录了构件破坏形态、撞击力时程曲线和跨中位移时程曲线,并从撞击高度、边界条件和钢板厚度等方面分析了构件的耐撞性能。结果表明:内八边形钢筋混凝土柱和内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱在撞击荷载作用下的破坏形态主要分为两种破坏类型,分别为局部型破坏和整体型破坏;撞击高度越大构件破坏越严重;两端固定对构件的耐撞击性能有提升作用;钢管厚度对构件的耐撞击性能有较明显的提升作用。
岩石射孔开裂的初步数值模拟
林英松, 姚劲松, 刘莹, 乔继延, 丁雁生
2019, 39(7): 075201. doi: 10.11883/bzycj-2018-0122
摘要:
岩石射孔作业后孔眼周围裂缝分布规律对后续压裂有不可忽视的影响。选取射孔围岩的横切面为研究对象,将三维射孔侵彻过程简化为二维扩孔过程。考虑岩石细观非均匀性,设细观强度参数服从韦布尔分布。应用拉伸破坏准则和Mohr-Coulomb压剪破坏准则,并用模量折减法处理单元开裂,从而用FEPG软件实现了有限元数值模拟。模拟结果表明:射孔后的岩石可根据裂缝产生原因及分布由内而外划分为四个区域:压剪破坏区、拉伸破坏集中区、拉伸破坏扩展区和未破坏区。分析了不同射孔弹规格及围压条件下裂纹分布变化规律。与室内模拟实验结果进行对比分析,初步验证了模型的有效性。