2020年 40卷 第5期
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2020, 40(5): 052201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0150
摘要:
采用自研的高保真度爆轰与冲击动力学程序，对柱形汇聚几何中内爆驱动金属材料界面不稳定性的动力学行为，进行了数值模拟研究。结果表明，首次冲击后至约12 μs，界面发展以RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定性为主；12 μs后至冲击波聚心反弹加载前，界面聚心运动处于加速减速状态，界面发展由RT (Rayleigh-Taylor)不稳定性主导；冲击波聚心反弹加载后，界面发展又由RM不稳定性主导。另外，还研究了初始条件（初始振幅、初始波长、钢壳初始厚度和几何构型）对柱形内爆驱动金属材料界面不稳定性的影响。结果显示：初始振幅较大时振幅增长也较大；初始波长较小（模数较大）时振幅增长较小，而且存在一个截止波长；钢壳厚度会抑制扰动增长，也存在一个截止厚度；几何汇聚效应会使扰动增长速度更快。
采用自研的高保真度爆轰与冲击动力学程序，对柱形汇聚几何中内爆驱动金属材料界面不稳定性的动力学行为，进行了数值模拟研究。结果表明，首次冲击后至约12 μs，界面发展以RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定性为主；12 μs后至冲击波聚心反弹加载前，界面聚心运动处于加速减速状态，界面发展由RT (Rayleigh-Taylor)不稳定性主导；冲击波聚心反弹加载后，界面发展又由RM不稳定性主导。另外，还研究了初始条件（初始振幅、初始波长、钢壳初始厚度和几何构型）对柱形内爆驱动金属材料界面不稳定性的影响。结果显示：初始振幅较大时振幅增长也较大；初始波长较小（模数较大）时振幅增长较小，而且存在一个截止波长；钢壳厚度会抑制扰动增长，也存在一个截止厚度；几何汇聚效应会使扰动增长速度更快。
2020, 40(5): 052202.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0091
摘要:
为研究预制裂纹不同偏移距离时运动裂纹与空孔的相互作用规律，采用动态焦散线实验系统，将预制裂纹的偏移距离设定为唯一变量，对含空孔的有机玻璃(PMMA)试件进行冲击三点弯实验。研究表明，存在两个临界距离：（6 mm (2 R )、9 mm (3 R )），在该偏移距离下，裂纹扩展轨迹、动态断裂特性发生显著改变：(1) 预制裂纹偏移距离不大于3 mm时，裂纹贯穿空孔，发生二次起裂，且二次起裂的速度与应力强度因子显著大于一次起裂，无偏移时裂纹轨迹的分形维数为最小值；(2) 偏移距离增大至6 mm时，裂纹不再贯穿空孔，空孔对裂纹先吸引后排斥，裂纹速度与应力强度因子先减小后增大，裂纹轨迹的分形维数达到最大值；(3) 偏移距离大于6 mm时，空孔对裂纹的吸引作用逐渐减小，大于9 mm后，空孔对裂纹的吸引不再显著，裂纹起裂后即向落锤加载方向扩展直至贯穿试件。
为研究预制裂纹不同偏移距离时运动裂纹与空孔的相互作用规律，采用动态焦散线实验系统，将预制裂纹的偏移距离设定为唯一变量，对含空孔的有机玻璃(PMMA)试件进行冲击三点弯实验。研究表明，存在两个临界距离：（6 mm (2 R )、9 mm (3 R )），在该偏移距离下，裂纹扩展轨迹、动态断裂特性发生显著改变：(1) 预制裂纹偏移距离不大于3 mm时，裂纹贯穿空孔，发生二次起裂，且二次起裂的速度与应力强度因子显著大于一次起裂，无偏移时裂纹轨迹的分形维数为最小值；(2) 偏移距离增大至6 mm时，裂纹不再贯穿空孔，空孔对裂纹先吸引后排斥，裂纹速度与应力强度因子先减小后增大，裂纹轨迹的分形维数达到最大值；(3) 偏移距离大于6 mm时，空孔对裂纹的吸引作用逐渐减小，大于9 mm后，空孔对裂纹的吸引不再显著，裂纹起裂后即向落锤加载方向扩展直至贯穿试件。
2020, 40(5): 052203.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0364
摘要:
为深入研究内爆加载下岩土类材料的破坏机理，提出了一种新的爆炸裂纹检测算法，采用数字图像相关方法测量表面位移场和应变场，建立了裂纹扩展和扩张模型，并通过混凝土内爆试验观测裂纹扩展过程，研究了裂纹长度扩展与宽度扩张规律。结果表明，裂纹长度扩展是应力波和爆生气体共同作用的结果，裂纹最大扩展速度为225.95 m/s，平均速度为122.27 m/s，裂纹总长159.92 mm，长度扩展止于1.75 ms；裂纹的张开由气体主导，最大宽度1.59 mm，作用时间长达4.5 ms；拉应变集中区先于裂纹出现，其形状决定了裂纹的走向和趋势，爆炸加载下断裂过程区长度为骨料粒径的8～9倍。
为深入研究内爆加载下岩土类材料的破坏机理，提出了一种新的爆炸裂纹检测算法，采用数字图像相关方法测量表面位移场和应变场，建立了裂纹扩展和扩张模型，并通过混凝土内爆试验观测裂纹扩展过程，研究了裂纹长度扩展与宽度扩张规律。结果表明，裂纹长度扩展是应力波和爆生气体共同作用的结果，裂纹最大扩展速度为225.95 m/s，平均速度为122.27 m/s，裂纹总长159.92 mm，长度扩展止于1.75 ms；裂纹的张开由气体主导，最大宽度1.59 mm，作用时间长达4.5 ms；拉应变集中区先于裂纹出现，其形状决定了裂纹的走向和趋势，爆炸加载下断裂过程区长度为骨料粒径的8～9倍。
2020, 40(5): 052301.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0321
摘要:
为进一步探究熔铸炸药在烤燃过程中内部各物理场的变化情况，以B炸药为研究对象，完整地建立了基于Bingham流体模型的B炸药黏度计算模型并应用于慢速烤燃的数值模拟。通过数值模拟得到了B炸药在整个升温过程中上中下3个内部测点处的温度变化曲线并以烤燃试验加以验证，观察了弹体内部温度场与对流场的变化特点。结果表明：升温速率为1 ℃/min时，B炸药相变后逐渐开始流动，内部的温度场分布也随之改变，炸药出现自热反应与最终响应的区域都在弹体上部；升温速率为0.055 ℃/min时，炸药相变后内部很长时间内仍表现出类固相温度场的分布特点，当炸药出现自热反应后，才逐渐开始流动，温度场也逐渐转变为典型的液相温度场，炸药最终响应点在弹体上部，但最早出现自热反应的区域在弹体中心。
为进一步探究熔铸炸药在烤燃过程中内部各物理场的变化情况，以B炸药为研究对象，完整地建立了基于Bingham流体模型的B炸药黏度计算模型并应用于慢速烤燃的数值模拟。通过数值模拟得到了B炸药在整个升温过程中上中下3个内部测点处的温度变化曲线并以烤燃试验加以验证，观察了弹体内部温度场与对流场的变化特点。结果表明：升温速率为1 ℃/min时，B炸药相变后逐渐开始流动，内部的温度场分布也随之改变，炸药出现自热反应与最终响应的区域都在弹体上部；升温速率为0.055 ℃/min时，炸药相变后内部很长时间内仍表现出类固相温度场的分布特点，当炸药出现自热反应后，才逐渐开始流动，温度场也逐渐转变为典型的液相温度场，炸药最终响应点在弹体上部，但最早出现自热反应的区域在弹体中心。
2020, 40(5): 053101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0351
摘要:
利用玄武岩纤维和水泥基材料，通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明：(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强，且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小，对劈裂强度动态增幅较大；(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高，两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅，但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度；(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。
利用玄武岩纤维和水泥基材料，通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明：(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强，且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小，对劈裂强度动态增幅较大；(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高，两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅，但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度；(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。
2020, 40(5): 053102.
doi: 10.11883/bzycj-2018-0401
摘要:
为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为，考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用，结合混凝土材料内部非均质性，建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤：首先对混凝土进行热传导行为模拟，进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上，分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制，对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系，揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明：(1) 高温作用后，试件损伤区域较常温下更集中；(2) 名义应变率较大时，破坏过程急促，常温下骨料发生破坏，而经历高温后骨料基本没有破坏；(3) 由于混凝土试件细观结构的非均质性，其内部应力呈枣核状不连续分布；(4) 相比于应变率效应，混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。
为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为，考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用，结合混凝土材料内部非均质性，建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤：首先对混凝土进行热传导行为模拟，进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上，分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制，对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系，揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明：(1) 高温作用后，试件损伤区域较常温下更集中；(2) 名义应变率较大时，破坏过程急促，常温下骨料发生破坏，而经历高温后骨料基本没有破坏；(3) 由于混凝土试件细观结构的非均质性，其内部应力呈枣核状不连续分布；(4) 相比于应变率效应，混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。
2020, 40(5): 053103.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0410
摘要:
采用flat-joint粘结模型，建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型，通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史，并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段：弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态；其中，失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长，而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展；冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响，Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率，但与冲击速度的大小无关，宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。
采用flat-joint粘结模型，建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型，通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史，并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段：弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态；其中，失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长，而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展；冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响，Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率，但与冲击速度的大小无关，宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。
2020, 40(5): 053301.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0291
摘要:
陶瓷材料具有高强度和低密度等特点，抗弹性能优越，被广泛用于各类装甲中。长杆弹撞击陶瓷靶时会发生径向流动、质量显著侵蚀而无明显侵彻的界面击溃现象，是陶瓷抗侵彻性能研究中具有重要研究价值的特殊现象。利用有限元软件AUTODYN建立了长杆弹撞击陶瓷靶的二维轴对称计算模型，采用Lagrange和光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）算法，模拟了柱形钨合金长杆弹撞击带盖板的碳化硅陶瓷，通过改变长杆弹的撞击速度，得到了界面击溃、驻留转侵彻和直接侵彻3个不同现象。讨论了不同建模算法、边界条件以及材料参数对模拟结果的影响。通过网格收敛性验证和与实验结果进行拟合，综合验证了计算模型中算法、边界条件和参数设定的可靠性。结果表明，在建模中若同时使用SPH算法和Lagrange算法，需要考虑粒子和网格大小对于模拟结果的影响。针对长杆弹撞击陶瓷靶的界面击溃模拟，不建议对陶瓷材料采用SPH粒子建模。相关建模和参数选择方法对后续陶瓷抗侵彻/界面击溃的数值模拟具有重要的指导意义。
陶瓷材料具有高强度和低密度等特点，抗弹性能优越，被广泛用于各类装甲中。长杆弹撞击陶瓷靶时会发生径向流动、质量显著侵蚀而无明显侵彻的界面击溃现象，是陶瓷抗侵彻性能研究中具有重要研究价值的特殊现象。利用有限元软件AUTODYN建立了长杆弹撞击陶瓷靶的二维轴对称计算模型，采用Lagrange和光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）算法，模拟了柱形钨合金长杆弹撞击带盖板的碳化硅陶瓷，通过改变长杆弹的撞击速度，得到了界面击溃、驻留转侵彻和直接侵彻3个不同现象。讨论了不同建模算法、边界条件以及材料参数对模拟结果的影响。通过网格收敛性验证和与实验结果进行拟合，综合验证了计算模型中算法、边界条件和参数设定的可靠性。结果表明，在建模中若同时使用SPH算法和Lagrange算法，需要考虑粒子和网格大小对于模拟结果的影响。针对长杆弹撞击陶瓷靶的界面击溃模拟，不建议对陶瓷材料采用SPH粒子建模。相关建模和参数选择方法对后续陶瓷抗侵彻/界面击溃的数值模拟具有重要的指导意义。
2020, 40(5): 053302.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0323
摘要:
为研究夹心长杆弹在较大速度范围内的失效机理、侵彻性能及影响因素，在较大着靶速度（0.9～3.3 km/s）下开展了两种夹心弹侵彻半无限厚4340钢靶的弹道实验，并结合数值模拟方法进行了深入分析。实验和数值模拟结果表明：超高速（＞2.0 km/s）条件下，均质钨合金弹和夹心弹均呈现出显著的流体动力学侵彻特性；中低速度（0.9～1.8 km/s）条件下，均质钨合金弹始终呈现出典型的“蘑菇头”失效，而夹心弹始终呈现出“co-erosion”失效；特别地，初速为936 m/s时，1060铝外套夹心弹的失效模式由初始的“bi-erosion”在后期转变为“co-erosion”。在实验速度范围内，中低速度下，夹心弹的侵彻性能低于均质钨合金弹；而在超高速条件下，两者的侵彻性能基本一致。然而，初始入射动能相同时，夹心弹的侵彻性能显著优于均质钨合金弹；与外套材料的密度相比，其强度对夹心弹侵彻性能的影响更显著，且外套材料强度越小，弹体的侵彻性能越好。综合分析可知，进行夹心弹设计时，应优先选取密度小、强度适中的材料作为外套材料。
为研究夹心长杆弹在较大速度范围内的失效机理、侵彻性能及影响因素，在较大着靶速度（0.9～3.3 km/s）下开展了两种夹心弹侵彻半无限厚4340钢靶的弹道实验，并结合数值模拟方法进行了深入分析。实验和数值模拟结果表明：超高速（＞2.0 km/s）条件下，均质钨合金弹和夹心弹均呈现出显著的流体动力学侵彻特性；中低速度（0.9～1.8 km/s）条件下，均质钨合金弹始终呈现出典型的“蘑菇头”失效，而夹心弹始终呈现出“co-erosion”失效；特别地，初速为936 m/s时，1060铝外套夹心弹的失效模式由初始的“bi-erosion”在后期转变为“co-erosion”。在实验速度范围内，中低速度下，夹心弹的侵彻性能低于均质钨合金弹；而在超高速条件下，两者的侵彻性能基本一致。然而，初始入射动能相同时，夹心弹的侵彻性能显著优于均质钨合金弹；与外套材料的密度相比，其强度对夹心弹侵彻性能的影响更显著，且外套材料强度越小，弹体的侵彻性能越好。综合分析可知，进行夹心弹设计时，应优先选取密度小、强度适中的材料作为外套材料。
2020, 40(5): 053303.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0354
摘要:
为研究爆破应力波作用下弱风化花岗岩的力学特性和损伤演化机理，利用直径50 mm的改进分离式Hopkinson压杆装置，开展以不同速度对花岗岩进行单次和等速循环冲击下的实验研究。研究结果表明：单次冲击中，用能量法确定的损伤阈值，可用于循环冲击实验中；不同应变率下弱风化岩石裂纹扩展阶段存在应力松弛平台，且随应变率升高而愈发明显，峰值应力与应变率呈正相关。等速循环冲击中，最大应力、应变与冲击速度呈正相关，与岩样累积冲击总次数呈负相关；损伤演化具有3个阶段呈倒S形，由其构建的双参数损伤演化模型拟合效果理想，且具有物理意义；利用模型中的参数α和β可计算中值点处的损伤度和相对循环次数，且与冲击速度正相关；不同损伤变量计算的损伤演化模型不同，合理定义损伤变量是必要的。
为研究爆破应力波作用下弱风化花岗岩的力学特性和损伤演化机理，利用直径50 mm的改进分离式Hopkinson压杆装置，开展以不同速度对花岗岩进行单次和等速循环冲击下的实验研究。研究结果表明：单次冲击中，用能量法确定的损伤阈值，可用于循环冲击实验中；不同应变率下弱风化岩石裂纹扩展阶段存在应力松弛平台，且随应变率升高而愈发明显，峰值应力与应变率呈正相关。等速循环冲击中，最大应力、应变与冲击速度呈正相关，与岩样累积冲击总次数呈负相关；损伤演化具有3个阶段呈倒S形，由其构建的双参数损伤演化模型拟合效果理想，且具有物理意义；利用模型中的参数α和β可计算中值点处的损伤度和相对循环次数，且与冲击速度正相关；不同损伤变量计算的损伤演化模型不同，合理定义损伤变量是必要的。
2020, 40(5): 054101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0309
摘要:
激波管通常用于动态压力传感器的校准，压阻式绝压传感器在激波管校准过程当中，会出现谐振频率等动态性能指标随着激波管静态压力环境、气体介质变化而改变的情况，影响传感器动态特性的校准。基于压阻式传感器的工作原理，对传感器的敏感膜片结构进行了机理分析，建立了膜片结构与校准环境中介质和静压关系的动态模型；通过ANSYS与SIMULINK软件开展了数值模拟验证工作，模拟结果与理论推导一致。通过激波管校准实验验证了气体介质与静压的影响关系，结果表明：传感器的谐振频率与静压间存在非线性关系，并且随着敏感膜片径厚比的增大而显著增大；系统阻尼比大小与气体介质有关，随着气体密度的降低而升高；传感器的灵敏度与气体介质和静压无太大直接关系。在使用激波管校准压阻式绝压传感器时，应当考虑介质与静压参数对校准结果的影响。
激波管通常用于动态压力传感器的校准，压阻式绝压传感器在激波管校准过程当中，会出现谐振频率等动态性能指标随着激波管静态压力环境、气体介质变化而改变的情况，影响传感器动态特性的校准。基于压阻式传感器的工作原理，对传感器的敏感膜片结构进行了机理分析，建立了膜片结构与校准环境中介质和静压关系的动态模型；通过ANSYS与SIMULINK软件开展了数值模拟验证工作，模拟结果与理论推导一致。通过激波管校准实验验证了气体介质与静压的影响关系，结果表明：传感器的谐振频率与静压间存在非线性关系，并且随着敏感膜片径厚比的增大而显著增大；系统阻尼比大小与气体介质有关，随着气体密度的降低而升高；传感器的灵敏度与气体介质和静压无太大直接关系。在使用激波管校准压阻式绝压传感器时，应当考虑介质与静压参数对校准结果的影响。
2020, 40(5): 055901.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0097
摘要:
为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型，本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理，开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验，建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型，分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示：CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致，大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系，最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型；水平风会加快烟云与空气混合的速度，导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律，风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。
为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型，本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理，开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验，建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型，分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示：CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致，大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系，最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型；水平风会加快烟云与空气混合的速度，导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律，风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。
