2020年 40卷 第10期
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2020, 40(10): 105101.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0020
摘要:
针对带对拉钢筋的双钢板混凝土墙，研究了双钢板混凝土墙防贯穿计算方法，建立了基于能量法的防贯穿计算公式。在已知弹体和钢板混凝土墙体材料与几何相关参数时，利用防贯穿实用计算公式可对带对拉钢筋的核工程双钢板混凝土墙体贯穿速度以及弹体剩余速度进行计算，避免了复杂的结构抗撞击反应动力时程数值分析。为验证公式的可靠性，将公式计算结果与已有刚性弹体撞击双钢板混凝土墙实验结果及其动力有限元计算结果进行对比，结果表明：防贯穿实用计算公式可以正确判断双钢板混凝土墙的贯穿状态，实用计算公式给出的弹体剩余速度与实验结果符合良好。为进一步验证公式的适用范围，将公式计算结果与共10个工况的飞机发动机撞击双钢板混凝土墙的有限元计算结果进行了对比分析，结果表明：除1个工况计算结果偏差略超10%外，其余工况的偏差均在10%以内，说明该计算方法合理可行。
针对带对拉钢筋的双钢板混凝土墙，研究了双钢板混凝土墙防贯穿计算方法，建立了基于能量法的防贯穿计算公式。在已知弹体和钢板混凝土墙体材料与几何相关参数时，利用防贯穿实用计算公式可对带对拉钢筋的核工程双钢板混凝土墙体贯穿速度以及弹体剩余速度进行计算，避免了复杂的结构抗撞击反应动力时程数值分析。为验证公式的可靠性，将公式计算结果与已有刚性弹体撞击双钢板混凝土墙实验结果及其动力有限元计算结果进行对比，结果表明：防贯穿实用计算公式可以正确判断双钢板混凝土墙的贯穿状态，实用计算公式给出的弹体剩余速度与实验结果符合良好。为进一步验证公式的适用范围，将公式计算结果与共10个工况的飞机发动机撞击双钢板混凝土墙的有限元计算结果进行了对比分析，结果表明：除1个工况计算结果偏差略超10%外，其余工况的偏差均在10%以内，说明该计算方法合理可行。
2020, 40(10): 105201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0445
摘要:
基于地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性现场试验，考虑爆破荷载的不规则特性，采用基于非对称加卸载准则的修正Davidenkov本构模型描述场地土体的动力非线性特性；通过改进Friedlander方程来模拟内源爆炸在圆柱形炮孔表面产生的瞬态空气冲击波；实现了包含毫秒延时爆破荷载输入和有限元-无限元耦合边界的地层-爆源体系三维精细化有限元模型，并与现场实测数据对比验证了该模型方法的有效性。对50 ms延时爆破和齐爆引起的环境振动特性进行了数值模拟，对比发现毫秒延时爆破不仅可以有效降低地表峰值振速，而且可以显著改变地表振动的频谱特性。毫秒延时爆破产生的地表振动频带较集中，对分散爆破振动能量的作用显著，且地表速度响应的主频较高，远离建筑结构自振频率，可显著降低爆破施工引起的邻近建筑物的结构振动水平。
基于地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性现场试验，考虑爆破荷载的不规则特性，采用基于非对称加卸载准则的修正Davidenkov本构模型描述场地土体的动力非线性特性；通过改进Friedlander方程来模拟内源爆炸在圆柱形炮孔表面产生的瞬态空气冲击波；实现了包含毫秒延时爆破荷载输入和有限元-无限元耦合边界的地层-爆源体系三维精细化有限元模型，并与现场实测数据对比验证了该模型方法的有效性。对50 ms延时爆破和齐爆引起的环境振动特性进行了数值模拟，对比发现毫秒延时爆破不仅可以有效降低地表峰值振速，而且可以显著改变地表振动的频谱特性。毫秒延时爆破产生的地表振动频带较集中，对分散爆破振动能量的作用显著，且地表速度响应的主频较高，远离建筑结构自振频率，可显著降低爆破施工引起的邻近建筑物的结构振动水平。
2020, 40(10): 102101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0416
摘要:
为研究汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性，采用可视化方管进行了两种爆炸模式实验研究，并基于壁面自适应局部涡黏(wall-adapting local eddy-viscosity,WALE)模型和Zimont预混火焰模型进行了数值模拟研究。结果表明：（1）泄爆工况超压-时序曲线峰值数量多于密闭爆炸工况，且泄爆工况超压-时序曲线存在剧烈的类似简谐振动的振荡，而密闭爆炸工况的爆炸超压特征参数显著高于泄爆工况；（2）密闭爆炸工况最大火焰传播速度明显小于泄爆工况，但前者在火焰传播初期即达到最大值，而后者在火焰传播末期才达到最大值；（3）密闭爆炸工况出现郁金香形火焰，而泄爆工况出现蘑菇形火焰，郁金香火焰的形成与管道内火焰锋面、流场和流场动压三者之间耦合效应相关，蘑菇形火焰由外部流场湍流和斜压效应的共同作用引起。
为研究汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性，采用可视化方管进行了两种爆炸模式实验研究，并基于壁面自适应局部涡黏(wall-adapting local eddy-viscosity,WALE)模型和Zimont预混火焰模型进行了数值模拟研究。结果表明：（1）泄爆工况超压-时序曲线峰值数量多于密闭爆炸工况，且泄爆工况超压-时序曲线存在剧烈的类似简谐振动的振荡，而密闭爆炸工况的爆炸超压特征参数显著高于泄爆工况；（2）密闭爆炸工况最大火焰传播速度明显小于泄爆工况，但前者在火焰传播初期即达到最大值，而后者在火焰传播末期才达到最大值；（3）密闭爆炸工况出现郁金香形火焰，而泄爆工况出现蘑菇形火焰，郁金香火焰的形成与管道内火焰锋面、流场和流场动压三者之间耦合效应相关，蘑菇形火焰由外部流场湍流和斜压效应的共同作用引起。
2020, 40(10): 102102.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0481
摘要:
为研究不同当量比下喷管构型对旋转爆震特性的影响，以煤油预燃裂解气为燃料，氧气体积分数为30%的富氧空气为氧化剂，开展了无喷管、收敛喷管、扩张喷管和收敛扩张喷管等工况下旋转爆震特性实验研究。实验发现，当量比为0.73～1.30时旋转爆震可稳定工作。随着当量比和喷管构型的变化，爆震波出现了单波、不稳定的对撞双波和稳定的对撞双波等3种传播模态。喷管构型对模态转换和旋转爆震波速有重要影响，收敛和收敛扩张喷管会促使新波头的产生，导致爆震波主要以双波对撞模态传播；而扩张喷管工况下，爆震波主要以单波模态传播。收敛喷管和收敛扩张喷管会使得波速最大值偏离化学恰当比，收敛扩张喷管可以提升爆震波速。
为研究不同当量比下喷管构型对旋转爆震特性的影响，以煤油预燃裂解气为燃料，氧气体积分数为30%的富氧空气为氧化剂，开展了无喷管、收敛喷管、扩张喷管和收敛扩张喷管等工况下旋转爆震特性实验研究。实验发现，当量比为0.73～1.30时旋转爆震可稳定工作。随着当量比和喷管构型的变化，爆震波出现了单波、不稳定的对撞双波和稳定的对撞双波等3种传播模态。喷管构型对模态转换和旋转爆震波速有重要影响，收敛和收敛扩张喷管会促使新波头的产生，导致爆震波主要以双波对撞模态传播；而扩张喷管工况下，爆震波主要以单波模态传播。收敛喷管和收敛扩张喷管会使得波速最大值偏离化学恰当比，收敛扩张喷管可以提升爆震波速。
2020, 40(10): 102201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0398
摘要:
对稳态SH（shear horizontal）导波在表面含有多个半圆柱形凹陷的弹性带形介质内的散射问题进行了研究，并给出了解析解。首先，运用导波展开法构造平面SH导波；然后，利用累次镜像法构造出满足带形域上、下两条直边界应力自由条件的散射波；最后，根据凹陷边沿的切应力为零的条件得到定解方程。通过算例分析了累次镜像法的精度、凹陷边沿的动应力集中和上、下边界位移幅值的变化情况。数值结果表明：只有一个凹陷时，中高频率的入射波和小厚度的带形域会引起凹陷边沿更高的动应力集中，上边界位移幅值的最大值会出现在凹陷的迎波面附近；当有两个凹陷时，大多数情况下，第二个凹陷对第一个凹陷边沿的动应力集中起放大作用，并且在理想弹性带形介质内，两凹陷之间的影响在相距无穷远时也会存在。
对稳态SH（shear horizontal）导波在表面含有多个半圆柱形凹陷的弹性带形介质内的散射问题进行了研究，并给出了解析解。首先，运用导波展开法构造平面SH导波；然后，利用累次镜像法构造出满足带形域上、下两条直边界应力自由条件的散射波；最后，根据凹陷边沿的切应力为零的条件得到定解方程。通过算例分析了累次镜像法的精度、凹陷边沿的动应力集中和上、下边界位移幅值的变化情况。数值结果表明：只有一个凹陷时，中高频率的入射波和小厚度的带形域会引起凹陷边沿更高的动应力集中，上边界位移幅值的最大值会出现在凹陷的迎波面附近；当有两个凹陷时，大多数情况下，第二个凹陷对第一个凹陷边沿的动应力集中起放大作用，并且在理想弹性带形介质内，两凹陷之间的影响在相距无穷远时也会存在。
2020, 40(10): 103101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0479
摘要:
地下岩体工程爆破开挖中，距爆源不同距离处岩体承受的地应力和动载荷大小不同，从动载荷的角度表征岩石动态破坏结果与工程实际更吻合。为研究动载荷和地应力大小对岩体破碎和能量耗散特性的影响，利用动静组合加载试验装置，分别设置7个冲击速度和轴向静应力等级，对红砂岩试件进行冲击试验。根据试件的破碎状况，分析不同静应力工况下冲击速度对岩石破坏模式和机理的影响。计算不同工况下的应力波能量值，研究冲击速度和轴向静应力对岩石能耗特性的影响。对破坏试件进行筛分试验，研究岩石破碎分形维数随冲击速度和轴向静应力的变化关系。结果表明，随着冲击速度的增大，试件的破坏程度逐渐加大。无轴压时岩石试件破坏后整体仍是一个圆柱体，属于张拉破坏；有轴压时岩石试件宏观破坏后呈沙漏状，属于拉剪破坏。岩石耗散能随冲击速度的升高呈二次函数关系递增；轴向静应力越高，递增幅度越小。随着冲击速度的升高，岩石分形维数由零逐渐增加；随着轴向静应力的升高，分形维数由零转为大于零的临界冲击速度先升高后降低。
地下岩体工程爆破开挖中，距爆源不同距离处岩体承受的地应力和动载荷大小不同，从动载荷的角度表征岩石动态破坏结果与工程实际更吻合。为研究动载荷和地应力大小对岩体破碎和能量耗散特性的影响，利用动静组合加载试验装置，分别设置7个冲击速度和轴向静应力等级，对红砂岩试件进行冲击试验。根据试件的破碎状况，分析不同静应力工况下冲击速度对岩石破坏模式和机理的影响。计算不同工况下的应力波能量值，研究冲击速度和轴向静应力对岩石能耗特性的影响。对破坏试件进行筛分试验，研究岩石破碎分形维数随冲击速度和轴向静应力的变化关系。结果表明，随着冲击速度的增大，试件的破坏程度逐渐加大。无轴压时岩石试件破坏后整体仍是一个圆柱体，属于张拉破坏；有轴压时岩石试件宏观破坏后呈沙漏状，属于拉剪破坏。岩石耗散能随冲击速度的升高呈二次函数关系递增；轴向静应力越高，递增幅度越小。随着冲击速度的升高，岩石分形维数由零逐渐增加；随着轴向静应力的升高，分形维数由零转为大于零的临界冲击速度先升高后降低。
2020, 40(10): 103102.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0475
摘要:
飞机坠撞过程中结构的变形模式和吸能对乘员保护具有重要意义，而连接结构的载荷传递和失效形式是影响飞机结构变形的重要因素之一。为了获取航空高锁螺栓连接件在坠撞载荷下的动态响应和失效机理，基于抗剪型平头高锁螺栓设计了2种材料（2024-T3和7050-T7451）的单钉单搭接连接件，利用高速液压伺服材料试验机进行4种速度（0.01、0.10、1.00和3.00 m/s）下的拉伸测试，得到连接件的动态响应、极限载荷、能量吸收和失效模式随速度的变化规律，并分析了连接件的失效机理。结果表明，连接件的失效模式受母材和高锁螺栓/螺母材料强度影响较大，而受加载速度影响较小；当速度从0.01 m/s增加到3.00 m/s时，2024-T3连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了2.17%和34.43%，7050-T7451连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了5.53%和6.58%。
飞机坠撞过程中结构的变形模式和吸能对乘员保护具有重要意义，而连接结构的载荷传递和失效形式是影响飞机结构变形的重要因素之一。为了获取航空高锁螺栓连接件在坠撞载荷下的动态响应和失效机理，基于抗剪型平头高锁螺栓设计了2种材料（2024-T3和7050-T7451）的单钉单搭接连接件，利用高速液压伺服材料试验机进行4种速度（0.01、0.10、1.00和3.00 m/s）下的拉伸测试，得到连接件的动态响应、极限载荷、能量吸收和失效模式随速度的变化规律，并分析了连接件的失效机理。结果表明，连接件的失效模式受母材和高锁螺栓/螺母材料强度影响较大，而受加载速度影响较小；当速度从0.01 m/s增加到3.00 m/s时，2024-T3连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了2.17%和34.43%，7050-T7451连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了5.53%和6.58%。
2020, 40(10): 103103.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0249
摘要:
为揭示聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能，采用万能材料试验机和改进的分离式霍普金森压杆实验装置获得了材料在应变率为0.001、0.01、0.1、1 510、2 260和3 000 s−1下的应力应变曲线，并以屈服强度为整形器优选参数，对比了紫铜、铜版纸和铅等3种整形器材料的整形效果。使用修正的ZWT非线性黏弹性本构模型描述聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能。结果表明：聚氯乙烯弹性体在静态载荷下具有应变率效应和显著的超弹性特性，动态载荷下表现出较明显的应变率效应和较强的抗变形能力，且静动态载荷下的力学行为受应变历史影响较大。3种整形器材料中铜版纸的整形效果最好。修正后的ZWT非线性黏弹性本构模型能够得到统一参数的本构表达式，且各应变率下的拟合结果与实验结果具有较好的一致性。
为揭示聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能，采用万能材料试验机和改进的分离式霍普金森压杆实验装置获得了材料在应变率为0.001、0.01、0.1、1 510、2 260和3 000 s−1下的应力应变曲线，并以屈服强度为整形器优选参数，对比了紫铜、铜版纸和铅等3种整形器材料的整形效果。使用修正的ZWT非线性黏弹性本构模型描述聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能。结果表明：聚氯乙烯弹性体在静态载荷下具有应变率效应和显著的超弹性特性，动态载荷下表现出较明显的应变率效应和较强的抗变形能力，且静动态载荷下的力学行为受应变历史影响较大。3种整形器材料中铜版纸的整形效果最好。修正后的ZWT非线性黏弹性本构模型能够得到统一参数的本构表达式，且各应变率下的拟合结果与实验结果具有较好的一致性。
2020, 40(10): 103301.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0428
摘要:
在钻地弹威慑之下，重要目标工事外覆盖遮弹层是常见加固和防护手段。硬质球形颗粒（以下简称颗粒）是常见的遮弹层组成结构。本文中将研究高速侵彻弹体与颗粒作用机理，分析遮弹效率的控制因素。首先，基于动态空腔膨胀理论，计及靶的自由面效应和颗粒强度差异，建立了靶对弹体侵彻阻力的表征模型。然后，采用弹靶分离计算方法，模拟并分析了斜侵彻含球形颗粒有限大高强混凝土时弹体的运动与变形，研究颗粒的强度、位置及尺寸对来袭弹侵彻行为的影响规律。结果表明，颗粒的遮弹作用主要取决于与其作用时弹体的姿态，其随颗粒位置变化无明显规律；颗粒强度越高，遮弹效果越好；颗粒半径从1倍到10倍弹径变化时，颗粒对弹体的作用机理从弹道偏转为主转变为弹道偏转与侵彻阻力增加两者耦合。因此，为达到良好的遮弹效果，单层球形颗粒密排遮弹层的颗粒半径建议在5倍弹体直径之上；若采用较小颗粒制作遮弹层，建议采用多层错排方式，且遮弹层厚度须在10倍弹径之上。
在钻地弹威慑之下，重要目标工事外覆盖遮弹层是常见加固和防护手段。硬质球形颗粒（以下简称颗粒）是常见的遮弹层组成结构。本文中将研究高速侵彻弹体与颗粒作用机理，分析遮弹效率的控制因素。首先，基于动态空腔膨胀理论，计及靶的自由面效应和颗粒强度差异，建立了靶对弹体侵彻阻力的表征模型。然后，采用弹靶分离计算方法，模拟并分析了斜侵彻含球形颗粒有限大高强混凝土时弹体的运动与变形，研究颗粒的强度、位置及尺寸对来袭弹侵彻行为的影响规律。结果表明，颗粒的遮弹作用主要取决于与其作用时弹体的姿态，其随颗粒位置变化无明显规律；颗粒强度越高，遮弹效果越好；颗粒半径从1倍到10倍弹径变化时，颗粒对弹体的作用机理从弹道偏转为主转变为弹道偏转与侵彻阻力增加两者耦合。因此，为达到良好的遮弹效果，单层球形颗粒密排遮弹层的颗粒半径建议在5倍弹体直径之上；若采用较小颗粒制作遮弹层，建议采用多层错排方式，且遮弹层厚度须在10倍弹径之上。
2020, 40(10): 104101.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0041
摘要:
针对内爆炸载荷下膨胀态金属柱壳的回收问题，设计了冻结回收试验方法，实现了起爆后不同时刻金属柱壳的冻结回收。基于一体式壳体提出了3种改进结构，并分别对4种柱壳结构在内爆载荷下的膨胀断裂过程进行数值模拟。结果表明，两段式结构最有利于减小非起爆端对预期回收中间段壳体的影响。根据选定的最优壳体结构和金属柱壳在起爆后不同时刻的膨胀外形特征，设计与之匹配的冻结回收装置并进行冻结回收试验。试验结果表明，设计的冻结回收试验方法可以实现膨胀态金属柱壳的回收，回收壳体的轴向和径向尺寸与设计理想值符合较好，整体误差可控制在10%以内。
针对内爆炸载荷下膨胀态金属柱壳的回收问题，设计了冻结回收试验方法，实现了起爆后不同时刻金属柱壳的冻结回收。基于一体式壳体提出了3种改进结构，并分别对4种柱壳结构在内爆载荷下的膨胀断裂过程进行数值模拟。结果表明，两段式结构最有利于减小非起爆端对预期回收中间段壳体的影响。根据选定的最优壳体结构和金属柱壳在起爆后不同时刻的膨胀外形特征，设计与之匹配的冻结回收装置并进行冻结回收试验。试验结果表明，设计的冻结回收试验方法可以实现膨胀态金属柱壳的回收，回收壳体的轴向和径向尺寸与设计理想值符合较好，整体误差可控制在10%以内。
2020, 40(10): 104201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0478
摘要:
为了解弹道枪水下全淹没发射时，水深对膛口流场演化特性的影响，建立了二维轴对称非稳态膛口流场模型。采用流体体积函数多相流模型、标准k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型，结合动网格及用户自定义函数技术，对水下全淹没发射膛口流场演变全过程进行了数值模拟。搭建了弹道枪水下可视化射击实验平台，对12.7 mm口径弹道枪在水中全淹没式发射时膛口流场演化过程进行了观测，并验证了数值模型的合理性。在此基础上，对比了不同水深下（h=1～100 m）膛口流场的演化特性。通过对比发现：在不同水深条件下，在膛口流场影响范围内，弹丸膛外行程随时间的变化均满足指数函数规律；水越深，膛口流场典型波系结构形成所需时间越长，且燃气在膛口轴向马赫盘处的温度和压力峰值越低，压力振荡幅度也越小，更快趋于平稳，但在径向上，水越深，压力振荡持续时间越长。
为了解弹道枪水下全淹没发射时，水深对膛口流场演化特性的影响，建立了二维轴对称非稳态膛口流场模型。采用流体体积函数多相流模型、标准k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型，结合动网格及用户自定义函数技术，对水下全淹没发射膛口流场演变全过程进行了数值模拟。搭建了弹道枪水下可视化射击实验平台，对12.7 mm口径弹道枪在水中全淹没式发射时膛口流场演化过程进行了观测，并验证了数值模型的合理性。在此基础上，对比了不同水深下（h=1～100 m）膛口流场的演化特性。通过对比发现：在不同水深条件下，在膛口流场影响范围内，弹丸膛外行程随时间的变化均满足指数函数规律；水越深，膛口流场典型波系结构形成所需时间越长，且燃气在膛口轴向马赫盘处的温度和压力峰值越低，压力振荡幅度也越小，更快趋于平稳，但在径向上，水越深，压力振荡持续时间越长。
2020, 40(10): 104202.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0435
摘要:
提出一种保持热力学一致性的扩散界面模型，用来数值模拟固体炸药爆轰与惰性介质的相互作用问题。基于混合网格内各组分物质间可以达到力学平衡状态而不能达到热学平衡状态的假设，由混合网格能量守恒以及压力相等条件，推导出每种组分物质的体积分数演化方程。由此获得的扩散界面模型包括组分物质的质量守恒方程、混合物质的动量及总能量守恒方程，同时包括组分物质的体积分数演化方程和混合物质的压力演化方程。该扩散界面模型的主要特点是考虑了化学反应以及热学非平衡的影响。提出的扩散界面模型在物质界面附近不会出现物理量的非物理振荡现象、适用于任意表达形式的物质状态方程以及任意数目的惰性介质。
提出一种保持热力学一致性的扩散界面模型，用来数值模拟固体炸药爆轰与惰性介质的相互作用问题。基于混合网格内各组分物质间可以达到力学平衡状态而不能达到热学平衡状态的假设，由混合网格能量守恒以及压力相等条件，推导出每种组分物质的体积分数演化方程。由此获得的扩散界面模型包括组分物质的质量守恒方程、混合物质的动量及总能量守恒方程，同时包括组分物质的体积分数演化方程和混合物质的压力演化方程。该扩散界面模型的主要特点是考虑了化学反应以及热学非平衡的影响。提出的扩散界面模型在物质界面附近不会出现物理量的非物理振荡现象、适用于任意表达形式的物质状态方程以及任意数目的惰性介质。
