2020年 40卷 第3期
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2020, 40(3): 031101.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0024
摘要:
固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究，而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时，到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度，分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系，且同时适用于加载和卸载；因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。
固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究，而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时，到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度，分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系，且同时适用于加载和卸载；因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。
2020, 40(3): 032101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0090
摘要:
为建立抑爆过程中，尿素对甲烷宏观抑爆效果与微观抑爆机理之间的联系，利用20 L球型爆炸测试装置开展实验，测量了尿素粉体抑制甲烷爆炸过程中爆炸压力，利用光栅光谱仪采集火焰发射光谱数据；采用光谱分析和数据同步分析方法，分析该抑爆过程中爆炸压力和NO、CN、CHO、HNO、OH等关键自由基或分子的变化，得出甲烷爆炸压力发展过程与相关自由基含量之间的耦合变化关系。研究表明，加入尿素能有效地降低甲烷的爆炸压力，延长甲烷的爆炸感应期；在尿素的作用条件，NO、HNO含量的升高和CN、CHO、OH含量的降低，可以抑制甲烷爆炸；NO、CN、CHO、HNO自由基分子与甲烷爆炸升压过程有较大联系；OH自由基一直存在于甲烷爆炸的整个过程中且含量较高；对以上自由基的干预，可以在相应阶段发挥抑爆作用。
为建立抑爆过程中，尿素对甲烷宏观抑爆效果与微观抑爆机理之间的联系，利用20 L球型爆炸测试装置开展实验，测量了尿素粉体抑制甲烷爆炸过程中爆炸压力，利用光栅光谱仪采集火焰发射光谱数据；采用光谱分析和数据同步分析方法，分析该抑爆过程中爆炸压力和NO、CN、CHO、HNO、OH等关键自由基或分子的变化，得出甲烷爆炸压力发展过程与相关自由基含量之间的耦合变化关系。研究表明，加入尿素能有效地降低甲烷的爆炸压力，延长甲烷的爆炸感应期；在尿素的作用条件，NO、HNO含量的升高和CN、CHO、OH含量的降低，可以抑制甲烷爆炸；NO、CN、CHO、HNO自由基分子与甲烷爆炸升压过程有较大联系；OH自由基一直存在于甲烷爆炸的整个过程中且含量较高；对以上自由基的干预，可以在相应阶段发挥抑爆作用。
2020, 40(3): 032102.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0011
摘要:
采用非平衡分子动力学方法模拟了CL-20/HMX共晶炸药冲击压缩和化学反应行为，获得了密度以及粒子速度的时空分布、冲击雨贡纽、冲击起爆压力、爆轰压力等数据，以及主要中间产物和稳定产物分布。模拟结果显示，共晶的初始分解路径是CL-20中N—NO2键断裂，主要稳定产物是N2、CO2和H2O。CL-20和HMX的分解速率随着冲击波速度的增加而增加，并且逐渐接近，但各冲击条件下CL-20分子的衰减速率均大于HMX。
采用非平衡分子动力学方法模拟了CL-20/HMX共晶炸药冲击压缩和化学反应行为，获得了密度以及粒子速度的时空分布、冲击雨贡纽、冲击起爆压力、爆轰压力等数据，以及主要中间产物和稳定产物分布。模拟结果显示，共晶的初始分解路径是CL-20中N—NO2键断裂，主要稳定产物是N2、CO2和H2O。CL-20和HMX的分解速率随着冲击波速度的增加而增加，并且逐渐接近，但各冲击条件下CL-20分子的衰减速率均大于HMX。
2020, 40(3): 032201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0128
摘要:
为防控工业喷雾爆炸和完善喷雾爆炸测试方法,在20 L球形喷雾爆炸测试系统内，实验研究了不同环境压力、喷射压力及浓度下的甲醇喷雾液滴形成及爆炸特性规律。结果表明：增大喷射压力更易致使甲醇破碎成微小液滴，甲醇喷雾液滴爆炸极限范围变宽；环境压力的增大导致甲醇喷雾液滴粒径变大，喷雾液滴爆炸极限范围变窄，一定程度上可以有效抑制甲醇泄露可能导致的次生衍生事故发生。当爆炸容器内环境压力为0.1 MPa、喷射压力为2.1 MPa、甲醇喷雾浓度为356.4 g/m3、甲醇液滴索太尔平均直径为2.5 μm时，爆炸特性参数（最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及层流燃烧速度）在上述拐点处取得最大值；小粒径（1～15 μm）的液滴在外界能量作用下，更易被点燃，且爆炸过程中瞬态物理化学反应更为迅速和剧烈；较大粒径(22 μm以上)的液滴会出现点火困难现象，然而点火成功后，爆炸特性参数均随甲醇喷雾浓度增加而增加，呈现近似线性规律，此时液滴粒径对上述爆炸特性参数的影响可以忽略。研究结果有助于理解喷雾液滴爆炸规律、完善相应测试方法和安全设计。
为防控工业喷雾爆炸和完善喷雾爆炸测试方法,在20 L球形喷雾爆炸测试系统内，实验研究了不同环境压力、喷射压力及浓度下的甲醇喷雾液滴形成及爆炸特性规律。结果表明：增大喷射压力更易致使甲醇破碎成微小液滴，甲醇喷雾液滴爆炸极限范围变宽；环境压力的增大导致甲醇喷雾液滴粒径变大，喷雾液滴爆炸极限范围变窄，一定程度上可以有效抑制甲醇泄露可能导致的次生衍生事故发生。当爆炸容器内环境压力为0.1 MPa、喷射压力为2.1 MPa、甲醇喷雾浓度为356.4 g/m3、甲醇液滴索太尔平均直径为2.5 μm时，爆炸特性参数（最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及层流燃烧速度）在上述拐点处取得最大值；小粒径（1～15 μm）的液滴在外界能量作用下，更易被点燃，且爆炸过程中瞬态物理化学反应更为迅速和剧烈；较大粒径(22 μm以上)的液滴会出现点火困难现象，然而点火成功后，爆炸特性参数均随甲醇喷雾浓度增加而增加，呈现近似线性规律，此时液滴粒径对上述爆炸特性参数的影响可以忽略。研究结果有助于理解喷雾液滴爆炸规律、完善相应测试方法和安全设计。
2020, 40(3): 032202.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0175
摘要:
为避免密闭空间内可燃预混气体爆炸事故造成的伤害，对其进行较为准确的爆炸超压预测是抗爆设计和日常安全管理的关键。结合已有文献实验数据，利用光滑层流火焰传播理论模型建立了爆炸超压模型；对比发现，当体积较大时，光滑层流火焰传播理论模型存在较大的误差。较大体积密闭空间爆炸火焰传播过程中的不稳定性造成火焰前锋面褶皱并引起湍流燃烧，导致火焰前锋面表面积大幅增加，且在火焰传播过程中表现出自相似分形特征。依据褶皱及湍流火焰传播过程中的自相似分形特征，基于分形燃烧理论和相关经验数据，进一步建立了考虑可燃预混气体爆炸火焰褶皱及湍流火焰传播的爆炸超压预测模型，并与实验所得结果进行了对比。结果表明：当密闭空间体积较大时，利用褶皱及湍流火焰传播理论建立的爆炸超压模型进行峰值压力估算时，两种工况下实验所得和理论计算所得相对误差分别为10.4%和11.1%，较光滑层流火焰传播理论爆炸超压模型相比，误差分别减少了72.3%和50.6%。本文所建立理论模型与实验所得结果具有较好的一致性，在一定程度上可满足结构抗爆设计或日常安全管理的需要。
为避免密闭空间内可燃预混气体爆炸事故造成的伤害，对其进行较为准确的爆炸超压预测是抗爆设计和日常安全管理的关键。结合已有文献实验数据，利用光滑层流火焰传播理论模型建立了爆炸超压模型；对比发现，当体积较大时，光滑层流火焰传播理论模型存在较大的误差。较大体积密闭空间爆炸火焰传播过程中的不稳定性造成火焰前锋面褶皱并引起湍流燃烧，导致火焰前锋面表面积大幅增加，且在火焰传播过程中表现出自相似分形特征。依据褶皱及湍流火焰传播过程中的自相似分形特征，基于分形燃烧理论和相关经验数据，进一步建立了考虑可燃预混气体爆炸火焰褶皱及湍流火焰传播的爆炸超压预测模型，并与实验所得结果进行了对比。结果表明：当密闭空间体积较大时，利用褶皱及湍流火焰传播理论建立的爆炸超压模型进行峰值压力估算时，两种工况下实验所得和理论计算所得相对误差分别为10.4%和11.1%，较光滑层流火焰传播理论爆炸超压模型相比，误差分别减少了72.3%和50.6%。本文所建立理论模型与实验所得结果具有较好的一致性，在一定程度上可满足结构抗爆设计或日常安全管理的需要。
2020, 40(3): 033301.
doi: 10.11883/bzycj-2018-0389
摘要:
本文基于素混凝土侵彻理论，将钢筋混凝土中钢筋的失效模式简化为弯曲剪切失效后，建立了刚性平头弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型，侵彻深度的计算结果与Young公式吻合良好，表明本文提出的理论模型可较为合理地预测侵彻深度。进一步分析了不同着靶点的位置对弹体侵彻的影响，结果表明：当弹体直径与钢筋网眼尺寸的比值小于1时，弹体撞击到网眼中心处侵彻深度最大；当弹体直径与网眼尺寸的比值大于1时，最不利着靶点位置视其比值而定。最后，基于防护角度的最不利工况，建立了侵彻深度的工程计算公式。
本文基于素混凝土侵彻理论，将钢筋混凝土中钢筋的失效模式简化为弯曲剪切失效后，建立了刚性平头弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型，侵彻深度的计算结果与Young公式吻合良好，表明本文提出的理论模型可较为合理地预测侵彻深度。进一步分析了不同着靶点的位置对弹体侵彻的影响，结果表明：当弹体直径与钢筋网眼尺寸的比值小于1时，弹体撞击到网眼中心处侵彻深度最大；当弹体直径与网眼尺寸的比值大于1时，最不利着靶点位置视其比值而定。最后，基于防护角度的最不利工况，建立了侵彻深度的工程计算公式。
2020, 40(3): 033302.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0086
摘要:
高速侵彻弹体的弹载部件/关键元器件的生存性与可靠性考核是引战系统研制领域的热点与难点问题，受原型试验的成本限制，利用缩比弹体搭载原型引信部件开展非等比例缩比试验研究是可行途径。针对传统等比例缩比方案无法满足弹体刚体过载相似性要求的情况，研究了非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律，提出了非等比例缩比侵彻试验设计方法。数值计算结果表明：侵彻半无限厚混凝土靶条件下，非等比例缩比弹刚体过载的脉宽、幅值均可实现与原型弹刚体过载一致的加载条件；贯穿多层薄靶的条件下，通过调节靶板布置及弹体初速等试验工况，合理设计缩比弹体结构，可使非等比例缩比试验的弹体刚体过载峰值和脉宽覆盖原型试验。通过缩比模型试验得到的刚体过载特性可以为弹体及引信部件抗过载防护设计提供可靠的参考依据。
高速侵彻弹体的弹载部件/关键元器件的生存性与可靠性考核是引战系统研制领域的热点与难点问题，受原型试验的成本限制，利用缩比弹体搭载原型引信部件开展非等比例缩比试验研究是可行途径。针对传统等比例缩比方案无法满足弹体刚体过载相似性要求的情况，研究了非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律，提出了非等比例缩比侵彻试验设计方法。数值计算结果表明：侵彻半无限厚混凝土靶条件下，非等比例缩比弹刚体过载的脉宽、幅值均可实现与原型弹刚体过载一致的加载条件；贯穿多层薄靶的条件下，通过调节靶板布置及弹体初速等试验工况，合理设计缩比弹体结构，可使非等比例缩比试验的弹体刚体过载峰值和脉宽覆盖原型试验。通过缩比模型试验得到的刚体过载特性可以为弹体及引信部件抗过载防护设计提供可靠的参考依据。
2020, 40(3): 033303.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0094
摘要:
为研究充液双层结构在碰撞过程的动力响应特性，对简化的双层板结构开展了系列碰撞试验，并对比了在有无充水条件下被撞结构的动态响应。研究结果显示，液体在碰撞过程中对顶板的缓冲和保护作用。最后通过分析有无充水条件下撞头加速度和内部扰动压力等试验数据，研究了充水与结构的流固耦合效应对碰撞响应的影响。
为研究充液双层结构在碰撞过程的动力响应特性，对简化的双层板结构开展了系列碰撞试验，并对比了在有无充水条件下被撞结构的动态响应。研究结果显示，液体在碰撞过程中对顶板的缓冲和保护作用。最后通过分析有无充水条件下撞头加速度和内部扰动压力等试验数据，研究了充水与结构的流固耦合效应对碰撞响应的影响。
2020, 40(3): 033304.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0103
摘要:
磁驱动单侧飞片实验的数值模拟通常可不考虑厚的阴极的运动状态和厚度方向上烧蚀宽度的影响，采用单侧计算模型进行模拟。为了理解磁驱动单侧飞片实验可采用单侧计算模型的原因，为磁驱动单侧飞片实验的单侧计算建模提供理论依据，建立了磁驱动单侧飞片实验的双侧计算模型，并对PTS-061、PTS-064磁驱动单侧飞片实验进行了模拟分析。在PTS-061、PTS-064实验中，飞片的电流加载面的位移随着时间的增加持续增大；厚的阴极的电流加载面的位移不随时间的增加持续增大，在磁驱动实验中后期基本保持不变。PTS-061实验结束时，飞片的电流加载面的位移为4.9 mm，阴极电流加载面的位移仅为1.7 mm。PTS-064实验结束时，飞片的电流加载面的位移为4.1 mm，阴极电流加载面的位移仅为0.9 mm。磁驱动单侧飞片实验能采用单侧计算模型模拟的原因，不是阴极板面保持位置不动，而是阴极电流加载面的位移不随时间持续增加；在磁驱动实验后期，飞片电流加载面位移对边界磁场的影响远大于阴极电流加载面的位移对边界磁场的影响。
磁驱动单侧飞片实验的数值模拟通常可不考虑厚的阴极的运动状态和厚度方向上烧蚀宽度的影响，采用单侧计算模型进行模拟。为了理解磁驱动单侧飞片实验可采用单侧计算模型的原因，为磁驱动单侧飞片实验的单侧计算建模提供理论依据，建立了磁驱动单侧飞片实验的双侧计算模型，并对PTS-061、PTS-064磁驱动单侧飞片实验进行了模拟分析。在PTS-061、PTS-064实验中，飞片的电流加载面的位移随着时间的增加持续增大；厚的阴极的电流加载面的位移不随时间的增加持续增大，在磁驱动实验中后期基本保持不变。PTS-061实验结束时，飞片的电流加载面的位移为4.9 mm，阴极电流加载面的位移仅为1.7 mm。PTS-064实验结束时，飞片的电流加载面的位移为4.1 mm，阴极电流加载面的位移仅为0.9 mm。磁驱动单侧飞片实验能采用单侧计算模型模拟的原因，不是阴极板面保持位置不动，而是阴极电流加载面的位移不随时间持续增加；在磁驱动实验后期，飞片电流加载面位移对边界磁场的影响远大于阴极电流加载面的位移对边界磁场的影响。
2020, 40(3): 034101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0113
摘要:
端盖法兰的螺栓预紧力选择是密封结构设计的重要问题。本文中通过估算端盖法兰弯曲振动的等效刚度和等效质量，建立了考虑端盖弯曲振动的法兰结构响应双弹簧分析模型，获得了与实验数据一致性较好的结构响应分析结果。总结了端盖轴向振动、弯曲振动引起的密封面位移随预紧力、端盖厚度的变化规律；并发现随预紧力增加，密封面间隙逐渐减小并趋于一个极值；端盖弯曲变形是影响该极值大小的主要因素。
端盖法兰的螺栓预紧力选择是密封结构设计的重要问题。本文中通过估算端盖法兰弯曲振动的等效刚度和等效质量，建立了考虑端盖弯曲振动的法兰结构响应双弹簧分析模型，获得了与实验数据一致性较好的结构响应分析结果。总结了端盖轴向振动、弯曲振动引起的密封面位移随预紧力、端盖厚度的变化规律；并发现随预紧力增加，密封面间隙逐渐减小并趋于一个极值；端盖弯曲变形是影响该极值大小的主要因素。
2020, 40(3): 034102.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0234
摘要:
为改善压阻式压力传感器的温度漂移特性，构建了基于遗传算法和小波神经网络的压力传感器温度补偿模型。针对小波神经网络收敛速度慢且易陷入局部最优解的问题，采用遗传算法对小波神经网络的连接权值、伸缩参数和平移参数进行优化。基于压力传感器的标定数据，分别采用BP神经网络、小波神经网络和遗传小波神经网络对其进行温度补偿研究，结果表明：遗传小波神经网络兼容了小波分析的时频局部特性和神经网络的自学习能力，表现出良好的收敛速度和补偿精度，经补偿后传感器的输出值更接近于标定值，其最大误差由−17.44 kPa变至0.38 kPa，最大相对误差由−14.0%变至0.38%。将该模型应用于有限空间爆炸静态压力的温度补偿中，取得了较好的实际应用效果。
为改善压阻式压力传感器的温度漂移特性，构建了基于遗传算法和小波神经网络的压力传感器温度补偿模型。针对小波神经网络收敛速度慢且易陷入局部最优解的问题，采用遗传算法对小波神经网络的连接权值、伸缩参数和平移参数进行优化。基于压力传感器的标定数据，分别采用BP神经网络、小波神经网络和遗传小波神经网络对其进行温度补偿研究，结果表明：遗传小波神经网络兼容了小波分析的时频局部特性和神经网络的自学习能力，表现出良好的收敛速度和补偿精度，经补偿后传感器的输出值更接近于标定值，其最大误差由−17.44 kPa变至0.38 kPa，最大相对误差由−14.0%变至0.38%。将该模型应用于有限空间爆炸静态压力的温度补偿中，取得了较好的实际应用效果。
2020, 40(3): 035101.
doi: 10.11883/bzycj-2018-0252
摘要:
为研究燃气爆炸作用下蒸压加气混凝土砌体墙的加固性能，基于有限元软件LS-DYNA，建立了砌体墙简化数值模型，分析了GB 50779-2012 石油化工控制室抗爆设计规范中建议的荷载作用下砌体墙高度和厚度的影响，对比了玄武岩纤维(basalt fiber reinforced plastic, BFRP)布与喷涂式聚脲对蒸压加气混凝土单向砌体墙的加固效果，并以防止砌体墙倒塌为设计目标，给出了加固建议。研究表明，本文中建立的简化数值模型能较好地模拟燃气爆炸作用下蒸压加气混凝土砌体墙的变形和破坏模式，计算结果与试验吻合良好；《规范》建议荷载作用下，未加固砌体墙以弯曲破坏为主，随着墙体高度增加，破坏模式由弯曲破坏向剪切破坏转变；BFRP布条加固可以有效提高墙体抗弯刚度和压拱效应，而聚脲涂层加固对抗弯刚度提高有限但墙体拉拱效应明显，二者均能显著提高墙体抗爆性能；加固墙体均发生弯曲破坏，BFRP布条材料的断裂一般发生在墙体位移最大处，而聚脲涂层材料的断裂发生在跨端边界处。
为研究燃气爆炸作用下蒸压加气混凝土砌体墙的加固性能，基于有限元软件LS-DYNA，建立了砌体墙简化数值模型，分析了GB 50779-2012 石油化工控制室抗爆设计规范中建议的荷载作用下砌体墙高度和厚度的影响，对比了玄武岩纤维(basalt fiber reinforced plastic, BFRP)布与喷涂式聚脲对蒸压加气混凝土单向砌体墙的加固效果，并以防止砌体墙倒塌为设计目标，给出了加固建议。研究表明，本文中建立的简化数值模型能较好地模拟燃气爆炸作用下蒸压加气混凝土砌体墙的变形和破坏模式，计算结果与试验吻合良好；《规范》建议荷载作用下，未加固砌体墙以弯曲破坏为主，随着墙体高度增加，破坏模式由弯曲破坏向剪切破坏转变；BFRP布条加固可以有效提高墙体抗弯刚度和压拱效应，而聚脲涂层加固对抗弯刚度提高有限但墙体拉拱效应明显，二者均能显著提高墙体抗爆性能；加固墙体均发生弯曲破坏，BFRP布条材料的断裂一般发生在墙体位移最大处，而聚脲涂层材料的断裂发生在跨端边界处。
