2022年 42卷 第12期
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2022, 42(12): 121101.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0434
摘要:
脉搏波本构关系决定着脉搏波的传播特征。如何通过实验研究来确定脉搏波本构关系，以及如何通过这些方法从现有文献数据来获得脉搏波本构关系，是当前研究的核心之一。本文中探索了3个可行途径：(1)由实测脉搏波波速对压力的关系C(p)进行反分析（无创法）；(2)直接对脉搏波p-V本构关系进行实测（有创法）；(3)由一系列实测脉搏波波形进行Lagrange反分析（无创法）。采用上述方法，根据现有文献数据，发现由C(p)关系的Rogers-Huang简化式可推得指数型p(V)本构关系；由MK-Hughes式可推...
脉搏波本构关系决定着脉搏波的传播特征。如何通过实验研究来确定脉搏波本构关系，以及如何通过这些方法从现有文献数据来获得脉搏波本构关系，是当前研究的核心之一。本文中探索了3个可行途径：(1)由实测脉搏波波速对压力的关系C(p)进行反分析（无创法）；(2)直接对脉搏波p-V本构关系进行实测（有创法）；(3)由一系列实测脉搏波波形进行Lagrange反分析（无创法）。采用上述方法，根据现有文献数据，发现由C(p)关系的Rogers-Huang简化式可推得指数型p(V)本构关系；由MK-Hughes式可推...
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2022, 42(12): 122201.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0173
摘要:
为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标，构建了人体-爆炸流场有限元模型，通过与爆炸事故中人员损伤情况比对，验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟，通过改变爆炸当量与距离，使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用，肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应，提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明：在爆炸载荷作用下，胸前壁高速撞击胸腔脏器，导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下，胸前壁持续挤压胸腔脏器...
为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标，构建了人体-爆炸流场有限元模型，通过与爆炸事故中人员损伤情况比对，验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟，通过改变爆炸当量与距离，使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用，肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应，提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明：在爆炸载荷作用下，胸前壁高速撞击胸腔脏器，导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下，胸前壁持续挤压胸腔脏器...
2022, 42(12): 123101.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0045
摘要:
建立了颗粒流子弹发射有限元模型，利用离散元和有限元的联合模拟方法，研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明：夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式，面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式，面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下，采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小，...
建立了颗粒流子弹发射有限元模型，利用离散元和有限元的联合模拟方法，研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明：夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式，面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式，面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下，采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小，...
2022, 42(12): 123102.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0214
摘要:
考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁，利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟，并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响，准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知，细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸，以及封闭爆炸条件下混凝土盖板...
考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁，利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟，并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响，准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知，细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸，以及封闭爆炸条件下混凝土盖板...
2022, 42(12): 123201.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0097
摘要:
采用氯仿粘结聚碳酸酯（polycarbonate, PC）板和聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate, PMMA）板模拟含异质界面模型；在PC介质中布置柱状炮孔并与界面呈一定角度，根据炮孔端部与界面相对位置，分别于柱状炮孔两个端部设置起爆点，起爆点远离界面端部时定义为孔口起爆，靠近界面端部时定义为孔底起爆；借助数字图像相关实验系统，研究爆炸应力波通过异质界面后PMMA介质应变场演化过程及炮孔底部区域拉、压应变变化规律。实验结果表明，异质界面改变了爆炸应力波过界面后的传播形...
采用氯仿粘结聚碳酸酯（polycarbonate, PC）板和聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate, PMMA）板模拟含异质界面模型；在PC介质中布置柱状炮孔并与界面呈一定角度，根据炮孔端部与界面相对位置，分别于柱状炮孔两个端部设置起爆点，起爆点远离界面端部时定义为孔口起爆，靠近界面端部时定义为孔底起爆；借助数字图像相关实验系统，研究爆炸应力波通过异质界面后PMMA介质应变场演化过程及炮孔底部区域拉、压应变变化规律。实验结果表明，异质界面改变了爆炸应力波过界面后的传播形...
2022, 42(12): 123202.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0041
摘要:
基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法，开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先，基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证，在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律，利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围；然后，分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响，建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明：Kong-Fang混凝土材料模型可实...
基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法，开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先，基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证，在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律，利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围；然后，分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响，建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明：Kong-Fang混凝土材料模型可实...
2022, 42(12): 123301.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0249
摘要:
基于30 mm口径弹道炮平台，开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验，获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上，建立了相应的数值模型，结合实验结果验证了所建模型的有效性，并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明：弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素，而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱；在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致，空间分布均匀，而在椭圆横截...
基于30 mm口径弹道炮平台，开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验，获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上，建立了相应的数值模型，结合实验结果验证了所建模型的有效性，并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明：弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素，而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱；在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致，空间分布均匀，而在椭圆横截...
2022, 42(12): 123901.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0426
摘要:
针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷，可能导致的结构损坏、弹道失控等问题，提出了一种开槽包裹式缓冲头帽，用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先，给出了缓冲头帽的详细设计参数，基于任意拉格朗日-欧拉算法，建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型，并对该数值模型的正确性进行了验证。然后，在此基础上，研究了不同入水角度下，空泡流场的演变过程，分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后，探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明，数值计算所得空泡形态与实验图像基本...
针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷，可能导致的结构损坏、弹道失控等问题，提出了一种开槽包裹式缓冲头帽，用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先，给出了缓冲头帽的详细设计参数，基于任意拉格朗日-欧拉算法，建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型，并对该数值模型的正确性进行了验证。然后，在此基础上，研究了不同入水角度下，空泡流场的演变过程，分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后，探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明，数值计算所得空泡形态与实验图像基本...
2022, 42(12): 124101.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0484
摘要:
基于电爆炸丝引爆炸药、继而驱动尼龙对金属柱壳进行碰撞加载的方式，在金属柱壳中部、半柱高范围内实现了一维柱面膨胀加载。同时，基于沿轴向的加载（或径向速度）一致性和沿环向的加载（或径向速度）轴对称性，提出了一维柱面加载的有效性判据。相比于滑移爆轰加载，一维柱面加载方式具有应力状态相对简单、易简化为二维轴对称问题分析的优点。在柱壳断裂诊断方面，建立了分布式表面速度诊断方法来监测柱壳圆周范围内的初始断裂。其原理为：均匀承载壳体断裂引起的局部承载失效将导致均匀速度曲线簇出现分叉（或演化趋势变化）。与高速分...
基于电爆炸丝引爆炸药、继而驱动尼龙对金属柱壳进行碰撞加载的方式，在金属柱壳中部、半柱高范围内实现了一维柱面膨胀加载。同时，基于沿轴向的加载（或径向速度）一致性和沿环向的加载（或径向速度）轴对称性，提出了一维柱面加载的有效性判据。相比于滑移爆轰加载，一维柱面加载方式具有应力状态相对简单、易简化为二维轴对称问题分析的优点。在柱壳断裂诊断方面，建立了分布式表面速度诊断方法来监测柱壳圆周范围内的初始断裂。其原理为：均匀承载壳体断裂引起的局部承载失效将导致均匀速度曲线簇出现分叉（或演化趋势变化）。与高速分...
2022, 42(12): 124201.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0054
摘要:
二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置，多年来其数值研究大多采用简化一维模型，鲜有三维有限元模型。以14 mm口径高压气体驱动二级轻气炮为研究对象，采用耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）算法，根据膜片破裂与否，将二级轻气炮模型解耦为2个分级三维数值模型。为确定实验难以测得的参数（材料摩擦因数和膜片破膜压力），设计正交试验，拟合确定活塞与泵管间摩擦因数为0.82，弹丸与发射管摩擦因数为0.30和膜片破膜压力为11.73 MPa。正交结果表明，摩擦因...
二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置，多年来其数值研究大多采用简化一维模型，鲜有三维有限元模型。以14 mm口径高压气体驱动二级轻气炮为研究对象，采用耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）算法，根据膜片破裂与否，将二级轻气炮模型解耦为2个分级三维数值模型。为确定实验难以测得的参数（材料摩擦因数和膜片破膜压力），设计正交试验，拟合确定活塞与泵管间摩擦因数为0.82，弹丸与发射管摩擦因数为0.30和膜片破膜压力为11.73 MPa。正交结果表明，摩擦因...
2022, 42(12): 125101.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0492
摘要:
承插式管道接口更易受到外界荷载破坏导致管道失效，为保证爆破开挖过程中邻近承插式高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）波纹管道的安全运营，控制爆破振动荷载对管道的影响是重点关注内容。通过全尺度预埋单段HDPE波纹管道现场试验，得到管道的振动速度和动应变响应数据，结合LS-DYNA数值模拟软件分别建立了无承插接口管道与含弹性密封圈的承插式HDPE波纹管道；利用现场试验数据验证了无承插口管道模型参数的可靠性，并对比分析了承插式管道的结构位移、振动速度、有效应力的响...
承插式管道接口更易受到外界荷载破坏导致管道失效，为保证爆破开挖过程中邻近承插式高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）波纹管道的安全运营，控制爆破振动荷载对管道的影响是重点关注内容。通过全尺度预埋单段HDPE波纹管道现场试验，得到管道的振动速度和动应变响应数据，结合LS-DYNA数值模拟软件分别建立了无承插接口管道与含弹性密封圈的承插式HDPE波纹管道；利用现场试验数据验证了无承插口管道模型参数的可靠性，并对比分析了承插式管道的结构位移、振动速度、有效应力的响...
2022, 42(12): 125102.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0437
摘要:
通过有限元软件LS-DYNA建立了舱内爆炸载荷下箱型舱室动响应数值模型，并借助文献试验结果验证了数值模型的可靠性，研究了平板型、内凹型、外凸型、箭头型、箭矢型、背面弧型等6种角隅连接结构对舱内爆炸载荷下箱型舱室变形、特征位置压力和破坏模式的影响，分析了内爆效应下角隅连接结构的失效机理。数值结果表明：舱壁角隅位置是舱内爆炸载荷作用下舱室易发生破坏撕裂的特征位置；相比无连接结构，平板型连接结构对舱壁最大塑性变形改善最大，降低幅度达到了31.9%；背面弧型连接结构能够使箱型舱室角隅等效塑性应变降低约6...
通过有限元软件LS-DYNA建立了舱内爆炸载荷下箱型舱室动响应数值模型，并借助文献试验结果验证了数值模型的可靠性，研究了平板型、内凹型、外凸型、箭头型、箭矢型、背面弧型等6种角隅连接结构对舱内爆炸载荷下箱型舱室变形、特征位置压力和破坏模式的影响，分析了内爆效应下角隅连接结构的失效机理。数值结果表明：舱壁角隅位置是舱内爆炸载荷作用下舱室易发生破坏撕裂的特征位置；相比无连接结构，平板型连接结构对舱壁最大塑性变形改善最大，降低幅度达到了31.9%；背面弧型连接结构能够使箱型舱室角隅等效塑性应变降低约6...
2022, 42(12): 125401.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0100
摘要:
在3种角度分叉管道内开展化学计量比氢气-空气爆轰实验，采用自制的火焰传感器和烟迹法分别获得了爆轰波传播速度和胞格结构，探究了不同角度管道分叉对爆轰传播的影响。结果表明：氢气-空气爆轰在经过分叉三通时受分叉口稀疏波影响导致爆轰波衰减解耦，但随着入射激波与下游管道壁面碰撞，逐渐由规则反射向马赫反射转变，最终完成重起爆过程。其中，直通支管内爆轰衰减主要受支管入口面积的影响，随着分叉角度增大，入口面积减小，爆轰衰减程度和重起爆距离也随之减小；而分叉支管内，爆轰衰减受支管入口面积与入口渐扩程度共同影响，但...
在3种角度分叉管道内开展化学计量比氢气-空气爆轰实验，采用自制的火焰传感器和烟迹法分别获得了爆轰波传播速度和胞格结构，探究了不同角度管道分叉对爆轰传播的影响。结果表明：氢气-空气爆轰在经过分叉三通时受分叉口稀疏波影响导致爆轰波衰减解耦，但随着入射激波与下游管道壁面碰撞，逐渐由规则反射向马赫反射转变，最终完成重起爆过程。其中，直通支管内爆轰衰减主要受支管入口面积的影响，随着分叉角度增大，入口面积减小，爆轰衰减程度和重起爆距离也随之减小；而分叉支管内，爆轰衰减受支管入口面积与入口渐扩程度共同影响，但...
2022, 42(12): 125402.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0459
摘要:
为了解受限空间内不同氮气体积分数φ对氢-空气泄爆的影响，在高1 m的顶部开口容器中进行了实验。结果表明：当φ≤40%时，容器内部的最大压力峰值由外部爆炸造成；而当φ>40%时，内部最大压力峰值则由泄爆膜破裂引起；在所有实验中，都观察到内部压力的亥姆霍兹振荡，其振荡频率随φ的增加而降低；声学振荡仅出现在φ=25%, 30%时；容器内3个不同压力监测点（靠近泄爆口、容器中心和接近容器底端）的最大爆炸超压pmax都随着φ的增加而降低，且整体上最大的pmax始终在爆炸容器底部附近出现。但当φ>...
为了解受限空间内不同氮气体积分数φ对氢-空气泄爆的影响，在高1 m的顶部开口容器中进行了实验。结果表明：当φ≤40%时，容器内部的最大压力峰值由外部爆炸造成；而当φ>40%时，内部最大压力峰值则由泄爆膜破裂引起；在所有实验中，都观察到内部压力的亥姆霍兹振荡，其振荡频率随φ的增加而降低；声学振荡仅出现在φ=25%, 30%时；容器内3个不同压力监测点（靠近泄爆口、容器中心和接近容器底端）的最大爆炸超压pmax都随着φ的增加而降低，且整体上最大的pmax始终在爆炸容器底部附近出现。但当φ>...
