2014年 34卷 第6期
2014, 34(6): 641-657.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0641-17
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摘要:
简要回顾了Hopkinson压杆实验技术在中国的发展历程及推广应用。系统介绍了关于金属、高聚物、复合材料、脆性材料、混凝土及软材料、泡沫材料等材料的SHPB实验技术研究，并对相关材料的实验结果进行简要讨论。
简要回顾了Hopkinson压杆实验技术在中国的发展历程及推广应用。系统介绍了关于金属、高聚物、复合材料、脆性材料、混凝土及软材料、泡沫材料等材料的SHPB实验技术研究，并对相关材料的实验结果进行简要讨论。
2014, 34(6): 658-666.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0658-09
摘要:
采用有限元分析软件ATUODYN，对接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播进行了数值模拟，得到了防护结构孔口和内部中心处冲击波超压－时间曲线；分析了炸药量和爆心距孔口距离对防护结构内部超压、正压冲量的影响；以数值计算结果为基础，结合量纲分析，拟合得到了结构内部中心处爆炸冲击波特征参数的预估公式。
采用有限元分析软件ATUODYN，对接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播进行了数值模拟，得到了防护结构孔口和内部中心处冲击波超压－时间曲线；分析了炸药量和爆心距孔口距离对防护结构内部超压、正压冲量的影响；以数值计算结果为基础，结合量纲分析，拟合得到了结构内部中心处爆炸冲击波特征参数的预估公式。
2014, 34(6): 667-672.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0667-06
摘要:
基于动态三轴被动加载实验技术，建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配，并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式，验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性；通过实验和数值模拟分析，验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈，得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息，且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。
基于动态三轴被动加载实验技术，建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配，并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式，验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性；通过实验和数值模拟分析，验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈，得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息，且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。
2014, 34(6): 673-678.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0673-06
摘要:
提出一种基于霍普金森压杆装置的动态球形压痕实验方法，通过将硬质合金小球置于2个试件中间，实现加载过程中2个试件的同时压入，以得到准确的压痕力与位移的关系。利用有限元软件ABAQUS/Explicit对该实验方法进行了数值模拟，从实验结果的可行性、准确性等方面，对新实验方法与传统的动态压痕实验方法进行了比较；采用新方法对铝合金材料进行了实验，并得到了压入力-位移曲线等关系。研究结果表明：采用新实验方法能得到较准确的结果，能较真实地描述压痕过程。
提出一种基于霍普金森压杆装置的动态球形压痕实验方法，通过将硬质合金小球置于2个试件中间，实现加载过程中2个试件的同时压入，以得到准确的压痕力与位移的关系。利用有限元软件ABAQUS/Explicit对该实验方法进行了数值模拟，从实验结果的可行性、准确性等方面，对新实验方法与传统的动态压痕实验方法进行了比较；采用新方法对铝合金材料进行了实验，并得到了压入力-位移曲线等关系。研究结果表明：采用新实验方法能得到较准确的结果，能较真实地描述压痕过程。
2014, 34(6): 679-684.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0679-06
摘要:
针对初始SME(shape memory effect)和PE(pseudo-elastic)状态TiNi合金试样，采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置，实时测量了冲击相变过程中两种材料试样表面瞬态温度，并根据实验结果计算了相应的温度变化。实验结果表明，冲击加载相变过程中，温度随相变应变的增大而升高，当应变最大时，温度最高；卸载过程中，对初始PE状态试样，温度降低，对初始SME状态试样，温度保持最高温度不变或降低，这同加载最高温度有关；卸载完成后，两种试样温度均高于其初始温度。计算温度结果表明，相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。
针对初始SME(shape memory effect)和PE(pseudo-elastic)状态TiNi合金试样，采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置，实时测量了冲击相变过程中两种材料试样表面瞬态温度，并根据实验结果计算了相应的温度变化。实验结果表明，冲击加载相变过程中，温度随相变应变的增大而升高，当应变最大时，温度最高；卸载过程中，对初始PE状态试样，温度降低，对初始SME状态试样，温度保持最高温度不变或降低，这同加载最高温度有关；卸载完成后，两种试样温度均高于其初始温度。计算温度结果表明，相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。
2014, 34(6): 685-690.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0685-06
摘要:
为了考察钛作为过渡层提高锆/钢复合板结合强度的有效性，同时给出合理的爆炸焊接碰撞参数，对双层锆/钢和三层锆/钛/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验研究。借助金相显微技术测量了复合板结合界面的波形参数，采用光滑粒子动力学法模拟得到了不同位置的碰撞速度和碰撞角，并按照国家标准(GB/T 6396-2008)测量了复合板结合界面的爆炸态及退火态的剪切强度。结果表明：钛作为过渡层能够显著提高锆/钢界面的剪切强度；退火消除加工应力后，锆/钢及钛/钢结合面的剪切强度会有所降低；当锆/钛界面的碰撞速度为734~805 m/s，碰撞角为19.8°~20.8°，钛/钢界面的碰撞速度为803~904m/s，碰撞角为19.5°~20.5°时，锆/钛/钢三层复合板的锆/钛和钛/钢界面的剪切强度都能高于140 MPa。
为了考察钛作为过渡层提高锆/钢复合板结合强度的有效性，同时给出合理的爆炸焊接碰撞参数，对双层锆/钢和三层锆/钛/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验研究。借助金相显微技术测量了复合板结合界面的波形参数，采用光滑粒子动力学法模拟得到了不同位置的碰撞速度和碰撞角，并按照国家标准(GB/T 6396-2008)测量了复合板结合界面的爆炸态及退火态的剪切强度。结果表明：钛作为过渡层能够显著提高锆/钢界面的剪切强度；退火消除加工应力后，锆/钢及钛/钢结合面的剪切强度会有所降低；当锆/钛界面的碰撞速度为734~805 m/s，碰撞角为19.8°~20.8°，钛/钢界面的碰撞速度为803~904m/s，碰撞角为19.5°~20.5°时，锆/钛/钢三层复合板的锆/钛和钛/钢界面的剪切强度都能高于140 MPa。
2014, 34(6): 691-700.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0691-10
摘要:
针对潜艇在水下爆炸载荷下的鞭状运动，从波动方程出发，推导了二阶双渐近法后期近似，并结合声固耦合法初步解决了双层圆柱壳的内域问题，然后将其与显式有限元耦合形成了圆柱壳结构水下爆炸流固耦合分析方法。通过简单算例验证了本文分析方法的有效性和精度。最后，基于此方法分析了双层圆柱壳结构在水下爆炸载荷下的总体响应特性以及周期比和爆距比对其影响规律。
针对潜艇在水下爆炸载荷下的鞭状运动，从波动方程出发，推导了二阶双渐近法后期近似，并结合声固耦合法初步解决了双层圆柱壳的内域问题，然后将其与显式有限元耦合形成了圆柱壳结构水下爆炸流固耦合分析方法。通过简单算例验证了本文分析方法的有效性和精度。最后，基于此方法分析了双层圆柱壳结构在水下爆炸载荷下的总体响应特性以及周期比和爆距比对其影响规律。
2014, 34(6): 701-708.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0701-08
摘要:
选取纵波作为研究对象，采用波函数展开法，推导了无限弹性介质中复合衬砌结构隧道在爆破地震波作用下动力响应问题的解析解，结合南京红山南路隧道群开挖工程开展了隧道结构动应力集中因数的敏感性分析，并通过曲线拟合分别得到了隧道围岩及内衬环向动应力集中因数随隧道结构动力学及几何参数变化的回归方程。分析结果表明：隧道围岩和二次衬砌层的弹性模量及围岩泊松比对考察点处环向动应力的影响较大，而初期支护层弹性模量的影响几乎可以忽略不计；衬砌层厚度变化对围岩环向动应力的影响要远大于内衬，在隧道施工设计时可以通过增加衬砌层的厚度平衡隧道结构的受力状态，但增加初期支护层的效果不如二次衬砌层。
选取纵波作为研究对象，采用波函数展开法，推导了无限弹性介质中复合衬砌结构隧道在爆破地震波作用下动力响应问题的解析解，结合南京红山南路隧道群开挖工程开展了隧道结构动应力集中因数的敏感性分析，并通过曲线拟合分别得到了隧道围岩及内衬环向动应力集中因数随隧道结构动力学及几何参数变化的回归方程。分析结果表明：隧道围岩和二次衬砌层的弹性模量及围岩泊松比对考察点处环向动应力的影响较大，而初期支护层弹性模量的影响几乎可以忽略不计；衬砌层厚度变化对围岩环向动应力的影响要远大于内衬，在隧道施工设计时可以通过增加衬砌层的厚度平衡隧道结构的受力状态，但增加初期支护层的效果不如二次衬砌层。
2014, 34(6): 709-715.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0709-07
摘要:
基于带化学反应的二维Euler方程，对H2、O2、Ar体积比为2:1:1的混合气体系统在T型管内的爆轰绕射进行了数值模拟。用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项，采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波在静止系统和流动系统中的传播过程，得到了温度、压力、典型组元H质量分数的分布及数值胞格结构。结果表明：在流动系统中，迎风面上波阵面为斜爆轰结构，静止系统两侧和顺风面上的波阵面为完全解耦的前导激波；在水平管中，波阵面与上下壁面经历一系列马赫碰撞后，最终形成正爆轰；在流动系统中，胞格结构明显向下游偏移；横向爆轰波的产生对爆轰波的再生起到了关键作用。
基于带化学反应的二维Euler方程，对H2、O2、Ar体积比为2:1:1的混合气体系统在T型管内的爆轰绕射进行了数值模拟。用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项，采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波在静止系统和流动系统中的传播过程，得到了温度、压力、典型组元H质量分数的分布及数值胞格结构。结果表明：在流动系统中，迎风面上波阵面为斜爆轰结构，静止系统两侧和顺风面上的波阵面为完全解耦的前导激波；在水平管中，波阵面与上下壁面经历一系列马赫碰撞后，最终形成正爆轰；在流动系统中，胞格结构明显向下游偏移；横向爆轰波的产生对爆轰波的再生起到了关键作用。
2014, 34(6): 716-722.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0716-07
摘要:
基于冲击动力学和爆炸焊接理论，采用物质点法对爆炸焊接界面波的形成进行三维数值模拟。通过数值模拟结果与爆炸焊接实验结果的对比，对复合界面材料的塑性流动变形以及界面波形成的机理进行探讨。结果表明：界面波是因为在碰撞点处的金属材料发生熔化并产生涡旋流动形成的；同时也说明采用物质点法模拟爆炸焊接界面波的形成是可行的。
基于冲击动力学和爆炸焊接理论，采用物质点法对爆炸焊接界面波的形成进行三维数值模拟。通过数值模拟结果与爆炸焊接实验结果的对比，对复合界面材料的塑性流动变形以及界面波形成的机理进行探讨。结果表明：界面波是因为在碰撞点处的金属材料发生熔化并产生涡旋流动形成的；同时也说明采用物质点法模拟爆炸焊接界面波的形成是可行的。
2014, 34(6): 723-729.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0723-07
摘要:
结合串联战斗部的特点，提出了一种两级爆炸成型弹丸(explosively formed projectile, EFP)装药的串联装药结构。利用LS-DYNA有限元软件分析了不同隔爆体及延时起爆对后级EFP成型的影响，进行了不同隔爆结构和延时匹配的串联EFP侵彻45钢靶实验。实验结果表明：优化后的串联EFP装药的侵彻深度，已经达到分2次单级连续侵彻之和的96.7%，后级装药的侵彻能力得到有效提高。
结合串联战斗部的特点，提出了一种两级爆炸成型弹丸(explosively formed projectile, EFP)装药的串联装药结构。利用LS-DYNA有限元软件分析了不同隔爆体及延时起爆对后级EFP成型的影响，进行了不同隔爆结构和延时匹配的串联EFP侵彻45钢靶实验。实验结果表明：优化后的串联EFP装药的侵彻深度，已经达到分2次单级连续侵彻之和的96.7%，后级装药的侵彻能力得到有效提高。
2014, 34(6): 730-735.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0730-06
摘要:
主要分析全球地震台网牡丹江和白家疃地震台记录的2006年10月9日、2009年5月25日和2013年2月12日的3次爆炸事件。主要通过3次事件P震相振幅比和功率谱比值估计了3次事件的能量比，采用互相关方法计算了3次事件的相关系数，对比震相波形探讨3次事件发生的相对位置。2013年的爆炸事件与2009年的爆炸事件相比，三分向最大单振幅比值和功率谱比值平均分别为2.2和2.6；与2006年的爆炸事件相比，三分向P震相最大单振幅比值和功率谱比值平均分别为11.1和13.9。该结果暗示了2013年爆炸事件释放的能量高于2009年爆炸事件的2倍，高于2006年爆炸事件的10倍。在2~4 Hz频段内，2013年爆炸事件与2006年爆炸事件、2009年爆炸事件三分向波形的最大相关系数平均分别为0.90和0.99。相关性分析结果表示，3次爆炸事件在能量的主要集中频段高度相关，这表明3次爆炸事件发生的位置相距很近。相对位置分析表明，2013年爆炸事件发生的位置在2009年爆炸事件发生位置的东偏南方向。
主要分析全球地震台网牡丹江和白家疃地震台记录的2006年10月9日、2009年5月25日和2013年2月12日的3次爆炸事件。主要通过3次事件P震相振幅比和功率谱比值估计了3次事件的能量比，采用互相关方法计算了3次事件的相关系数，对比震相波形探讨3次事件发生的相对位置。2013年的爆炸事件与2009年的爆炸事件相比，三分向最大单振幅比值和功率谱比值平均分别为2.2和2.6；与2006年的爆炸事件相比，三分向P震相最大单振幅比值和功率谱比值平均分别为11.1和13.9。该结果暗示了2013年爆炸事件释放的能量高于2009年爆炸事件的2倍，高于2006年爆炸事件的10倍。在2~4 Hz频段内，2013年爆炸事件与2006年爆炸事件、2009年爆炸事件三分向波形的最大相关系数平均分别为0.90和0.99。相关性分析结果表示，3次爆炸事件在能量的主要集中频段高度相关，这表明3次爆炸事件发生的位置相距很近。相对位置分析表明，2013年爆炸事件发生的位置在2009年爆炸事件发生位置的东偏南方向。
2014, 34(6): 736-741.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0736-06
摘要:
为了研究火炮制退机节制环的故障原因和失效机理，基于金属腐蚀磨损理论和微观分析技术，综合运用光学金相显微镜分析、扫描电镜及能谱分析、显微硬度测定、电感耦合等离子体质谱法和火焰原子吸收光谱法等分析测试手段，结合报废节制环和从大修工厂待修火炮上采集的驻退液样本，从微观层面分析了节制环失效机理。研究表明，节制环作为制退机产生后坐阻力的关键部件之一，主要受到冲击磨损、化学腐蚀和气蚀破坏的复合作用而失效。
为了研究火炮制退机节制环的故障原因和失效机理，基于金属腐蚀磨损理论和微观分析技术，综合运用光学金相显微镜分析、扫描电镜及能谱分析、显微硬度测定、电感耦合等离子体质谱法和火焰原子吸收光谱法等分析测试手段，结合报废节制环和从大修工厂待修火炮上采集的驻退液样本，从微观层面分析了节制环失效机理。研究表明，节制环作为制退机产生后坐阻力的关键部件之一，主要受到冲击磨损、化学腐蚀和气蚀破坏的复合作用而失效。
2014, 34(6): 742-747.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0742-06
摘要:
构建了三维随机分布球形泡孔模型，模拟开、闭孔混合结构泡沫铝材料的微细观结构，并通过有限元方法计算了10~104 s-1应变率范围内、孔隙率35%~65%泡沫铝材料的率相关性以及应变率和相对密度变化对泡沫铝动态压缩力学性能的影响。研究表明：中、低应变率下，泡沫铝材料率相关性能主要取决于基体材料的应变率敏感性；高应变率下，泡沫铝材料率相关性能受基体材料的应变率敏感性以及微结构惯性联合作用，且相对密度较低泡沫铝材料的微结构惯性效应更显著。
构建了三维随机分布球形泡孔模型，模拟开、闭孔混合结构泡沫铝材料的微细观结构，并通过有限元方法计算了10~104 s-1应变率范围内、孔隙率35%~65%泡沫铝材料的率相关性以及应变率和相对密度变化对泡沫铝动态压缩力学性能的影响。研究表明：中、低应变率下，泡沫铝材料率相关性能主要取决于基体材料的应变率敏感性；高应变率下，泡沫铝材料率相关性能受基体材料的应变率敏感性以及微结构惯性联合作用，且相对密度较低泡沫铝材料的微结构惯性效应更显著。
2014, 34(6): 748-753.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0748-06
摘要:
为了预测导管泄爆容器压力峰值，根据文献提取出影响导管泄爆容器压力峰值的因素，将这些因素作为输入变量，采用支持向量机算法对压力峰值与各因素的内在关系进行了研究，建立导管泄爆容器压力峰值预测模型，对模型的有效性及预测能力进行了验证。将预测模型与现有经验公式进行比较，表明支持向量机模型具有较好的预测能力，且预测能力优于经验公式。
为了预测导管泄爆容器压力峰值，根据文献提取出影响导管泄爆容器压力峰值的因素，将这些因素作为输入变量，采用支持向量机算法对压力峰值与各因素的内在关系进行了研究，建立导管泄爆容器压力峰值预测模型，对模型的有效性及预测能力进行了验证。将预测模型与现有经验公式进行比较，表明支持向量机模型具有较好的预测能力，且预测能力优于经验公式。
2014, 34(6): 754-758.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0754-05
摘要:
通过小药量化爆模拟实验，研究了岩石中满足缩比关系的不同药量化学爆炸一氧化碳渗漏时间、渗漏份额与药量的关系。研究结果表明：相同介质中缩比爆炸实验气体渗漏时间大致与药量的三分之二次方成正比，渗漏停止时间也大致与药量的三分之二次方成正比；封闭空间内化学爆炸在爆室内产生的高温能够使爆室内一些物质分解产生非冷凝气体；对于不同药量的缩比实验，小药量实验的气体渗漏份额不小于大药量实验的气体渗漏份额。根据此研究结果，可以用小药量地下爆炸气体渗漏行为的监测结果预估大药量实验的气体渗漏行为。
通过小药量化爆模拟实验，研究了岩石中满足缩比关系的不同药量化学爆炸一氧化碳渗漏时间、渗漏份额与药量的关系。研究结果表明：相同介质中缩比爆炸实验气体渗漏时间大致与药量的三分之二次方成正比，渗漏停止时间也大致与药量的三分之二次方成正比；封闭空间内化学爆炸在爆室内产生的高温能够使爆室内一些物质分解产生非冷凝气体；对于不同药量的缩比实验，小药量实验的气体渗漏份额不小于大药量实验的气体渗漏份额。根据此研究结果，可以用小药量地下爆炸气体渗漏行为的监测结果预估大药量实验的气体渗漏行为。
2014, 34(6): 759-763.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0759-05
摘要:
基于大涡模拟方法，结合高阶混合格式，对高压重质的SF6球形气云在空气中爆炸进行了模拟。数值模拟表明，爆炸产生的激波经过气体分界面时分为透射激波以及反射稀疏波，透射激波导致气体分界面处Richtmyer-Meshkov失稳增强，从而加速了2种气体的混合，而反射的稀疏波经过汇聚，在球心处形成二次激波，在该强激波作用下，流场区域基本呈现湍流形态。
基于大涡模拟方法，结合高阶混合格式，对高压重质的SF6球形气云在空气中爆炸进行了模拟。数值模拟表明，爆炸产生的激波经过气体分界面时分为透射激波以及反射稀疏波，透射激波导致气体分界面处Richtmyer-Meshkov失稳增强，从而加速了2种气体的混合，而反射的稀疏波经过汇聚，在球心处形成二次激波，在该强激波作用下，流场区域基本呈现湍流形态。
2014, 34(6): 764-768.
doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0764-05
摘要:
针对局部布点测试不能全面了解冲击波传播过程的不足，以及冲击波超压经验公式的局限性，采用网络化测试技术获取冲击波信号，以计算机层析成像技术为基础，利用加权广义逆反演算法对爆炸冲击波速度场进行反演，根据峰值超压与速度的关系得到峰值超压场分布。经一定测试范围内实验验证，峰值超压重建结果优于经验公式计算结果。
针对局部布点测试不能全面了解冲击波传播过程的不足，以及冲击波超压经验公式的局限性，采用网络化测试技术获取冲击波信号，以计算机层析成像技术为基础，利用加权广义逆反演算法对爆炸冲击波速度场进行反演，根据峰值超压与速度的关系得到峰值超压场分布。经一定测试范围内实验验证，峰值超压重建结果优于经验公式计算结果。
