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基于仿真与量纲分析的不同药量TNT内爆下多舱室结构毁伤规律研究
焦晓龙, 赵鹏铎, 姚养无, 张磊, 李旭东, 池海
, doi: 10.11883/bzyjc-2019-0438
摘要:
利用流固耦合算法,模拟了不同药量TNT内爆下大尺寸多舱室结构的毁伤效应。将各舱室划分为爆炸舱、共面邻舱、共边界邻舱和共点邻舱,再划分内爆下多舱室结构的毁伤等级。通过量纲分析,研究了内爆载荷下舱壁的变形失效规律,推导了内爆下多舱室结构的无量纲毁伤数,该数考虑了内爆载荷、材料性能和作用空间等因素,最后给出快速毁伤预测方法。研究结果表明:(1)内爆下多舱室结构的毁伤特点主要表现为舱壁挠曲变形、舱壁中心冲切失效、舱壁边界撕裂;(2)舱壁挠曲变形的挠厚比δ/H和固定边界撕裂的裂缝长厚比l/H均与药量-单舱室容积比m/V有明显线性关系;(3)提出的无量纲毁伤数和快速预测方法能够反映内爆下多舱室结构的毁伤情况,可为舰船毁伤研究提供参考。
基于Hopkinson压杆的M型试样动态拉伸实验方法研究
舒旗, 董新龙, 俞鑫炉
, doi: 10.11883/bzycj-2019-0433
摘要:
采用传统分离式Hopkinson压杆进行M型试样的动态拉伸实验,可避免试样与杆的连接问题,但该方法并未得到发展和验证。本文中,采用有限元数值分析和实验方法,对M型试样动态拉伸实验进行分析和改进。结果表明:(1)改进的封闭M型试样,可以增强试样整体刚度,有效减少试样畸变引起的附加弯矩对拉伸标段的影响,方便地通过Hopkinson压杆加载实现一维拉伸变形;(2)采用试样刚度系数修正法,可消除M型试样整体结构的弹性变形对测试的影响,精确获得试样拉伸标段的塑性应变;(3)高加载率下,建议采用波形整器加载,可显著减少试样结构引起的载荷震荡现象、改善两端的应力平衡,获得准确的动态拉伸应力应变曲线,实现5 900 s-1甚至更高应变率下的动态拉伸实验。拟为M型试样拉伸实验设计和应用提供参考。
一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法
杜冰, 郭亚洲, 李玉龙
, doi: 10.11338/bzycj-2020-0050
摘要:
金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注,但受限于实验设备,金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系,本文提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar,ESHB) 的非同步加载实验技术,为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。在本文的工作中,首先介绍了非同步加载装置的主要特点,即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载,且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程,确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程,数据处理方法和波形分离手段,并对动态加载过程进行应力平衡性分析,论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应,并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明该材料单轴压缩没有明显的应变率效应,但其包辛格效应具有应变率依赖性,高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增加至0.17,具有显著的增加,这位对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。
聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆
庞嵩林, 陈雄, 许进升, 王永平
, doi: 10.11883/bzycj-2019-0469
摘要:
为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应,开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验,使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程,并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用Autodyn有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟,通过调整流固耦合的网格大小,避免了耦合泄漏。实验结果表明,火箭发动机受到射流冲击后,会发生剧烈爆炸,推进剂完全反应,破片速度达4 700 m/s以上,距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa,爆炸中心温度达到3 000 ℃以上,该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示,射流以头部速度7000 m/s的速度冲击发动机壳体后,射流头部的尖端被严重烧蚀,且速度降至约5600 m/s;推进剂在受到射流侵彻1~2 mm后,发生剧烈反应;爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播,并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂,发生装药的二次冲击起爆,同时伴有回爆现象,在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰;距离发动机中心1 m处高斯点的空气平均压力为18.75 MPa,与实验结果较为吻合。
基于面积折减等效模型的光电倍增管水下内爆机理研究
孟令存, 闫明, 杜志鹏, 张磊
, doi: 10.11883/bzycj-2019-0436
摘要:
光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)是中微子探测器的核心部件,是由玻璃材料制成的内部真空的薄壳结构,排列在深水中工作,若一个PMT被压溃会产生内爆冲击波,会引起周围PMT发生殉爆。针对PMT内爆,建立了PMT内爆数值计算简化模型,并将计算与试验结果进行对比,验证简化模型的合理性。在此基础上,提出了基于面积折减等效模型的PMT内爆计算方法,通过等效模型分析了防护装置破口面积对PMT内爆的影响,得出随着防护装置破口面积的减小,水流碰撞发生PMT内爆的时刻相应提前,内爆产生的冲击波脉宽基本保持不变,冲击波压力峰值明显减小。该研究有利于找到有效的PMT内爆防护方法。
弹体侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余深度
陈贝贝, 张先锋, 邓佳杰, 章健, 包阔, 谈梦婷
, doi: 10.11883/bzycj-2019-0372
摘要:
为了研究钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)透明陶瓷及玻璃材料的抗弹性能和冲击破坏机制,开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余侵彻深度实验研究。基于变形侵彻和刚性侵彻机制建立理论模型分析子弹撞击YAG透明陶瓷和玻璃的作用过程,并利用空腔膨胀模型确定了剩余弹体对2024T351航空铝的剩余侵彻深度。实验结果表明:YAG透明陶瓷对子弹有较强的破碎作用,其防护能力显著高于玻璃材料。理论模型计算得到的剩余弹体质量和侵彻深度结果与实验结果吻合较好,可见本文建立的理论模型可用于评估不同面板材料的抗弹性能。
节理充填物厚度对运动裂纹扩展的影响
宋彦琦, 李向上, 刘济琛, 王鹏懿
, doi: 10.11883/bzycj-2019-0358
摘要:
为研究冲击载荷作用下节理充填物厚度对裂纹扩展行为的影响,以石膏为有机玻璃预制裂纹充填物,利用新型数字激光动态焦散线实验系统,对3种不同节理充填物厚度的有机玻璃进行三点弯冲击实验。实验结果表明,相同冲击载荷作用下,竖向预制裂纹均竖直向上扩展,是典型的I型裂纹,充填物越厚,竖向裂纹越容易起裂。竖直裂纹扩展至水平预制裂纹后,充填物厚度为1、3、5 mm的试件的水平预制裂纹汇聚能量的时间分别为433、2 200、2 580 μs,起裂时的应力强度因子分别为635.2、742.4、906.8 kN/m3/2,表明充填物越厚,水平裂纹越难起裂。水平预制裂纹扩展过程中共发生2次曲裂,是典型的I-II复合型裂纹,节理充填物越厚,其扩展轨迹越弯曲;当裂纹扩展至距离试件上边界3 mm时,扩展方向偏离第1次裂纹曲裂切线而朝向试件上边界扩展,试件最终断裂,测量发现充填物厚度为1、3、5 mm的试件的断裂点与冲击载荷作用点的距离分别为16.5、11.0、6.0 mm。
激光金属沉积GH4169在不同应变率下的剪切特性及破坏机理研究
李小龙, 李鹏辉, 郭伟国, 袁康博
, doi: 10.11883/bzycj-2019-0254
摘要:
为了能在传统的分离式Hopkinson压杆上准确可靠地测试激光金属沉积GH4169的动态剪切特性,基于数值模拟方法对比分析了三种不同动态剪切试样形式及尺寸对剪切区应力分布的影响,结果表明:经过尺寸优化后的双剪切试样的剪切区剪应力占主导地位,可实现近似纯剪切的动态剪切实验。利用此试样形式,系统测试了不同取向(扫描方向、沉积方向)的LMD GH4169试样在不同应变率下的剪切应力应变曲线,并对破坏后试样进行了SEM分析观察。结果表明:(1) 本文中选用的试样形式剪切纯度高,应力沿剪切区宽度厚度分布均匀,可以更好地得到材料的动态剪切特性;(2) 对实验所得剪应力-剪应变曲线进行分析,发现本材料在扫描路径方向和沉积方向并没有表现出明显的各向异性,但随着应变率的增加,具有明显的应变率强化效应;将单轴压缩和动态剪切应力应变曲线同时转换为等效应力应变曲线,对比证实了试样形式能很好反应材料的剪切特性;(3) 通过对LMD GH4169剪切变形破坏试样的微观分析发现,随着应变率升高,断口韧窝尺寸和深度减小,韧性降低,在更小的变形量下容易剪切失效。初始微观缺陷容易导致材料的动态剪切破坏。