2020年 40卷 第2期
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2020, 40(2): 022201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0063
摘要:
采用平均晶粒尺寸分别为100～300 μm和20～30 μm的两种软态无氧铜加工成\begin{document}$\varnothing $\end{document} ![]()
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采用平均晶粒尺寸分别为100～300 μm和20～30 μm的两种软态无氧铜加工成
2020, 40(2): 022202.
doi: 10.11883/bzycj-2018-0443
摘要:
设计和实施了系列爆炸波作用下钢管的动态响应实验，获得了管道应变、振动速度和加速度及地表振动速度的时间历程。分析实验数据可知：在爆炸波近中场，峰值应变大小同管土相对刚度因数负相关，并随比例距离呈幂函数形式衰减，且在爆炸波不同分区衰减指数不同；地表峰值粒子速度、各管的峰值振动速度和测点峰值应变之间具有良好的线性关系。对各测试量做FFT (Fast Fourier Transformation)频谱分析得：振动信号主要集中在低频段，质心频率在10～60 Hz范围内，频谱同天然地震波谱有明显差异，动应变谱质心频率随药量增加亦呈幂函数形式衰减；考虑了爆腔因素以后，管道和地表振速频谱的质心频率和比例距离取对数后具有线性衰减关系。实验所得数据可应用于相似条件下管道的抗震计算，一些结论可作为深入研究爆炸波作用下埋地管道冲击振动机理的依据。
设计和实施了系列爆炸波作用下钢管的动态响应实验，获得了管道应变、振动速度和加速度及地表振动速度的时间历程。分析实验数据可知：在爆炸波近中场，峰值应变大小同管土相对刚度因数负相关，并随比例距离呈幂函数形式衰减，且在爆炸波不同分区衰减指数不同；地表峰值粒子速度、各管的峰值振动速度和测点峰值应变之间具有良好的线性关系。对各测试量做FFT (Fast Fourier Transformation)频谱分析得：振动信号主要集中在低频段，质心频率在10～60 Hz范围内，频谱同天然地震波谱有明显差异，动应变谱质心频率随药量增加亦呈幂函数形式衰减；考虑了爆腔因素以后，管道和地表振速频谱的质心频率和比例距离取对数后具有线性衰减关系。实验所得数据可应用于相似条件下管道的抗震计算，一些结论可作为深入研究爆炸波作用下埋地管道冲击振动机理的依据。
2020, 40(2): 023101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0001
摘要:
开展了直径156 mm的大尺寸弹体正侵彻钢筋混凝土靶试验，通过预埋压力传感器获得了侵彻过程中不同位置处混凝土的压力值；结合数值模拟，分析了混凝土的损伤分区及不同位置的钢筋应力状态。结果表明：处于弹道附近的混凝土压力最大，峰值脉冲明显；随着距离的增加，峰值减小且脉宽增大，应力脉冲的形状由尖峰演变为相对平坦的波形。粉碎区内的钢筋达到其屈服强度，破裂区钢筋处于弹性状态，弹性区和未扰动区钢筋应力基本可以忽略。
开展了直径156 mm的大尺寸弹体正侵彻钢筋混凝土靶试验，通过预埋压力传感器获得了侵彻过程中不同位置处混凝土的压力值；结合数值模拟，分析了混凝土的损伤分区及不同位置的钢筋应力状态。结果表明：处于弹道附近的混凝土压力最大，峰值脉冲明显；随着距离的增加，峰值减小且脉宽增大，应力脉冲的形状由尖峰演变为相对平坦的波形。粉碎区内的钢筋达到其屈服强度，破裂区钢筋处于弹性状态，弹性区和未扰动区钢筋应力基本可以忽略。
2020, 40(2): 023102.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0066
摘要:
使用经过系统标定的霍普金森压杆试验装置对不同含水率钙质砂进行了在准一维应变条件下的动态压缩试验，试样的平均应变率为209～1 137 s−1。试验结果表明：半导体应变片灵敏系数和压杆弥散关系的标定对试验结果的准确性具有重要影响；当钙质砂应变小于0.025时潮湿试样的切向模量高于干燥试样，而在应变大于0.025时则相反；潮湿钙质砂的切线模量随含水率的增加先减后增。通过分析非饱和钙质砂在锁变后其轴向应力应变曲线及侧压力系数的变化规律，提出了非饱和钙质砂锁变现象的模型。
使用经过系统标定的霍普金森压杆试验装置对不同含水率钙质砂进行了在准一维应变条件下的动态压缩试验，试样的平均应变率为209～1 137 s−1。试验结果表明：半导体应变片灵敏系数和压杆弥散关系的标定对试验结果的准确性具有重要影响；当钙质砂应变小于0.025时潮湿试样的切向模量高于干燥试样，而在应变大于0.025时则相反；潮湿钙质砂的切线模量随含水率的增加先减后增。通过分析非饱和钙质砂在锁变后其轴向应力应变曲线及侧压力系数的变化规律，提出了非饱和钙质砂锁变现象的模型。
2020, 40(2): 023103.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0050
摘要:
为探究Al2O3陶瓷的宏观力学响应与破坏机理，分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验，同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程，并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明，Al2O3陶瓷的抗压强度符合Weibull分布，且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂，宏观表现为劈裂裂纹较少，且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样；而动态加载时穿晶断裂占主导地位，劈裂裂纹明显增加并发生相互作用，因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹，提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致，即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。
为探究Al2O3陶瓷的宏观力学响应与破坏机理，分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验，同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程，并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明，Al2O3陶瓷的抗压强度符合Weibull分布，且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂，宏观表现为劈裂裂纹较少，且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样；而动态加载时穿晶断裂占主导地位，劈裂裂纹明显增加并发生相互作用，因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹，提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致，即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。
2020, 40(2): 023301.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0065
摘要:
为研究W/ZrNiAlCu亚稳态合金复合材料破片对RHA靶板的侵彻释能特性，采用高速摄影弹道枪侵彻实验和能量方程、Avrami-Erofeev方程理论分析的方法，对破片的侵彻释能过程、侵彻规律、释能规律进行了研究。结果表明，破片在撞击并贯穿靶板的过程中激发了材料的燃烧反应，在靶板前方和后方产生了明显火光，随着撞击速度增加，火光范围增加、亮度提高；破片撞击速度、冲塞体速度的关系符合采用能量法推导的包含质量损失的破片侵彻公式，破片理论弹道极限速度为987.1 m·s−1；在实验速度范围内，材料反应效率随着冲击压力的增加而增加，与实验现象吻合。
为研究W/ZrNiAlCu亚稳态合金复合材料破片对RHA靶板的侵彻释能特性，采用高速摄影弹道枪侵彻实验和能量方程、Avrami-Erofeev方程理论分析的方法，对破片的侵彻释能过程、侵彻规律、释能规律进行了研究。结果表明，破片在撞击并贯穿靶板的过程中激发了材料的燃烧反应，在靶板前方和后方产生了明显火光，随着撞击速度增加，火光范围增加、亮度提高；破片撞击速度、冲塞体速度的关系符合采用能量法推导的包含质量损失的破片侵彻公式，破片理论弹道极限速度为987.1 m·s−1；在实验速度范围内，材料反应效率随着冲击压力的增加而增加，与实验现象吻合。
2020, 40(2): 023302.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0019
摘要:
基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示：高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。
基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示：高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。
2020, 40(2): 024101.
doi: 10.11883/bzycj-2018-0516
摘要:
为了研究爆炸荷载下青砂岩I型裂纹动态断裂韧度的测试方法，利用内部中心单裂纹圆盘（internal center single crack disc，ICSCD）试样进行了爆炸试验研究。试样由外径为400 mm、内部加载孔径为40 mm、预制裂纹长为60 mm的青砂岩制成。利用同步触发器实现圆盘中心起爆，并同步触发超动态应变仪，通过径向应变片获取爆炸应变曲线、裂纹尖端的环向应变片获取裂纹起裂时刻。以实测爆炸应变曲线为参量，应用Laplace变换推导出试样加载孔壁应力时程曲线表达式，并用数值反演法得出其数值解。利用ANSYS有限元软件，建立数值计算模型，通过相互作用积分法得出了在爆炸荷载作用下砂岩的I型动态应力强度因子曲线。研究结果表明：（1）ICSCD试件能够很好地用来测试岩石的动态起裂韧度；（2）炮孔周边的应力可以通过拉普拉斯变换的数值反演方法得到；（3）通过试验-数值法能稳定计算出ICSCD砂岩构型的动态起裂韧度，其最大误差仅为7%。
为了研究爆炸荷载下青砂岩I型裂纹动态断裂韧度的测试方法，利用内部中心单裂纹圆盘（internal center single crack disc，ICSCD）试样进行了爆炸试验研究。试样由外径为400 mm、内部加载孔径为40 mm、预制裂纹长为60 mm的青砂岩制成。利用同步触发器实现圆盘中心起爆，并同步触发超动态应变仪，通过径向应变片获取爆炸应变曲线、裂纹尖端的环向应变片获取裂纹起裂时刻。以实测爆炸应变曲线为参量，应用Laplace变换推导出试样加载孔壁应力时程曲线表达式，并用数值反演法得出其数值解。利用ANSYS有限元软件，建立数值计算模型，通过相互作用积分法得出了在爆炸荷载作用下砂岩的I型动态应力强度因子曲线。研究结果表明：（1）ICSCD试件能够很好地用来测试岩石的动态起裂韧度；（2）炮孔周边的应力可以通过拉普拉斯变换的数值反演方法得到；（3）通过试验-数值法能稳定计算出ICSCD砂岩构型的动态起裂韧度，其最大误差仅为7%。
2020, 40(2): 024201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0344
摘要:
三维大规模有限差分网格生成技术是三维有限差分计算的基础，网格生成效率是三维有限差分网格生成的研究热点。传统的阶梯型有限差分网格生成方法主要有射线穿透法和切片法。本文在传统串行射线穿透法的基础上，提出了基于GPU （graphic processing unit）并行计算技术的并行阶梯型有限差分网格生成算法。并行算法应用基于分批次的数据传输策略，使得算法能够处理的数据规模不依赖于GPU内存大小，平衡了数据传输效率和网格生成规模之间的关系。为了减少数据传输量，本文提出的并行算法可以在GPU线程内部相互独立的生成射线起点坐标，进一步提高了并行算法的执行效率和并行化程度。通过数值试验的对比可以看出，并行算法的执行效率远远高于传统射线穿透法。最后，通过有限差分计算实例可以证实并行算法能够满足复杂模型大规模数值模拟的需求。
三维大规模有限差分网格生成技术是三维有限差分计算的基础，网格生成效率是三维有限差分网格生成的研究热点。传统的阶梯型有限差分网格生成方法主要有射线穿透法和切片法。本文在传统串行射线穿透法的基础上，提出了基于GPU （graphic processing unit）并行计算技术的并行阶梯型有限差分网格生成算法。并行算法应用基于分批次的数据传输策略，使得算法能够处理的数据规模不依赖于GPU内存大小，平衡了数据传输效率和网格生成规模之间的关系。为了减少数据传输量，本文提出的并行算法可以在GPU线程内部相互独立的生成射线起点坐标，进一步提高了并行算法的执行效率和并行化程度。通过数值试验的对比可以看出，并行算法的执行效率远远高于传统射线穿透法。最后，通过有限差分计算实例可以证实并行算法能够满足复杂模型大规模数值模拟的需求。
2020, 40(2): 024202.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0057
摘要:
粉末冲击烧结是制备高品质W的一种有效方法，而分子动力学方法在尺度极小、过程迅速的数值模拟上有着独特的优势。因此运用分子动力学方法，结合W的嵌入原子势，对常温下的纳米W粉末的冲击烧结过程进行模拟，得到颗粒微观压实过程图、体系速度分布云图、p-Up、T-Up、T-p曲线以及径向分布函数。研究了不同颗粒速度及产生的射流对纳米W粉末冲击烧结影响，分析了微观冲击烧结机理。结果表明，低速冲击条件下（500 m/s以下），纳米颗粒无法压实。高速条件下（1 000 m/s及以上），颗粒能获得致密化很高的压实。颗粒间的相互挤压造成的高应力使颗粒表面的原子发生流动变形，原子向颗粒间空隙流动，形成压实。颗粒间产生的射流以及高速冲击导致的颗粒熔化，均促进烧结获得致密度更高的烧结体。
粉末冲击烧结是制备高品质W的一种有效方法，而分子动力学方法在尺度极小、过程迅速的数值模拟上有着独特的优势。因此运用分子动力学方法，结合W的嵌入原子势，对常温下的纳米W粉末的冲击烧结过程进行模拟，得到颗粒微观压实过程图、体系速度分布云图、p-Up、T-Up、T-p曲线以及径向分布函数。研究了不同颗粒速度及产生的射流对纳米W粉末冲击烧结影响，分析了微观冲击烧结机理。结果表明，低速冲击条件下（500 m/s以下），纳米颗粒无法压实。高速条件下（1 000 m/s及以上），颗粒能获得致密化很高的压实。颗粒间的相互挤压造成的高应力使颗粒表面的原子发生流动变形，原子向颗粒间空隙流动，形成压实。颗粒间产生的射流以及高速冲击导致的颗粒熔化，均促进烧结获得致密度更高的烧结体。
2020, 40(2): 024203.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0055
摘要:
随着军用车辆防护要求的不断提高，抗冲击防护组件设计面临越来越多的挑战。为了提供一种高效科学的研究方法，本文中采用V型结构，并应用径向基函数神经网络近似模型和多目标遗传算法对某型车防护组件进行优化设计。以防护组件变形量与总体质量最小为设计目标，利用灵敏度分析筛选出对防护组件防护性能影响较大的设计因子。以径向基函数神经网络构建实验设计样本的近似模型，然后用多目标遗传算法进行数值优化获得防护组件最优方案。最后通过仿真与实验验证，证明优化方案满足设计要求。研究结果可为今后防护组件开发提供设计思路。
随着军用车辆防护要求的不断提高，抗冲击防护组件设计面临越来越多的挑战。为了提供一种高效科学的研究方法，本文中采用V型结构，并应用径向基函数神经网络近似模型和多目标遗传算法对某型车防护组件进行优化设计。以防护组件变形量与总体质量最小为设计目标，利用灵敏度分析筛选出对防护组件防护性能影响较大的设计因子。以径向基函数神经网络构建实验设计样本的近似模型，然后用多目标遗传算法进行数值优化获得防护组件最优方案。最后通过仿真与实验验证，证明优化方案满足设计要求。研究结果可为今后防护组件开发提供设计思路。
2020, 40(2): 025101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0045
摘要:
隧道开挖爆破产生的空气冲击波的破坏效应，将会对人员、机具设备与周围环境造成危害。隧道钻孔爆破冲击波的影响因素比裸露药包爆炸更多、更复杂，研究其衰减规律对采取合适的防护措施意义重大。本文中开展了时速350 km双线铁路大断面隧道钻孔爆破空气冲击波的现场测试，分析了不同工况下冲击波传播规律及影响因素。结果表明：钻爆冲击波超压时程曲线存在多个不同幅值的超压波峰，波峰之间具有明显微差延时的短间隔性，传播至远场未形成稳定的单一平面波，与单一药包爆炸冲击波的传播规律存在差异；钻爆冲击波超压信号由多段与微差延时相对应的子信号叠加而成，子信号数量与毫秒延期雷管段数相同，呈现出典型的时域特征；相同爆破条件下，大断面隧道钻爆时的乳化炸药冲击波转化因数小于小断面巷道工况下的；相较于总药量及最大段药量，按掏槽药量计算的超压峰值与实测超压峰值之间的相关性最强，钻爆冲击波最大超压峰值宜按掏槽段炸药TNT当量确定；隧道内大型机械设备等障碍物改变了钻爆冲击波流场的传播规律，呈现较明显的叠加放大效应。
隧道开挖爆破产生的空气冲击波的破坏效应，将会对人员、机具设备与周围环境造成危害。隧道钻孔爆破冲击波的影响因素比裸露药包爆炸更多、更复杂，研究其衰减规律对采取合适的防护措施意义重大。本文中开展了时速350 km双线铁路大断面隧道钻孔爆破空气冲击波的现场测试，分析了不同工况下冲击波传播规律及影响因素。结果表明：钻爆冲击波超压时程曲线存在多个不同幅值的超压波峰，波峰之间具有明显微差延时的短间隔性，传播至远场未形成稳定的单一平面波，与单一药包爆炸冲击波的传播规律存在差异；钻爆冲击波超压信号由多段与微差延时相对应的子信号叠加而成，子信号数量与毫秒延期雷管段数相同，呈现出典型的时域特征；相同爆破条件下，大断面隧道钻爆时的乳化炸药冲击波转化因数小于小断面巷道工况下的；相较于总药量及最大段药量，按掏槽药量计算的超压峰值与实测超压峰值之间的相关性最强，钻爆冲击波最大超压峰值宜按掏槽段炸药TNT当量确定；隧道内大型机械设备等障碍物改变了钻爆冲击波流场的传播规律，呈现较明显的叠加放大效应。
