2017年 37卷 第2期
2017, 37(2): 169-179.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0169-11
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摘要:
材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断，其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现，热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上，从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线，可将两者解耦分开，并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究，通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系，可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情)，这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究，即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合，通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线，再区分出损伤演化程度，将有利于改进地震预报，这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。
材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断，其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现，热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上，从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线，可将两者解耦分开，并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究，通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系，可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情)，这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究，即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合，通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线，再区分出损伤演化程度，将有利于改进地震预报，这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。
2017, 37(2): 180-185.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0180-06
摘要:
混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注，但鉴于动态实验的复杂性，对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统，为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载，再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载，具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能，得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。
混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注，但鉴于动态实验的复杂性，对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统，为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载，再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载，具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能，得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。
2017, 37(2): 186-193.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0186-08
摘要:
固体火箭燃气射流驱动液柱过程会产生一个复杂的非稳态多相流场，为了研究液柱对固体火箭发动机工作过程中射流流场的降温效果，并揭示燃气冲击液柱的流动演化和气水之间的相互作用，利用FLUENT软件中耦合了液态水汽化方程的VOF多相流计算模型对燃气与液柱之间的耦合流动及相变过程进行了数值模拟，并与无液柱情况下射流流场的计算结果进行了对比分析。计算结果表明，当有液柱平衡体时射流流场中的压力、温度、速度波动幅度均减小，减弱了射流流场中的湍流脉动强度；液柱与燃气之间的汽化以及液柱的阻碍作用减小了射流流场的轴向发展位移，尾管后的完全发展射流流场核心区域内的压力峰值降低了0.9 MPa，温度峰值降低了503 K，速度峰值降低了291 m/s，验证了实验中液柱对燃气射流流场的降温效果。
固体火箭燃气射流驱动液柱过程会产生一个复杂的非稳态多相流场，为了研究液柱对固体火箭发动机工作过程中射流流场的降温效果，并揭示燃气冲击液柱的流动演化和气水之间的相互作用，利用FLUENT软件中耦合了液态水汽化方程的VOF多相流计算模型对燃气与液柱之间的耦合流动及相变过程进行了数值模拟，并与无液柱情况下射流流场的计算结果进行了对比分析。计算结果表明，当有液柱平衡体时射流流场中的压力、温度、速度波动幅度均减小，减弱了射流流场中的湍流脉动强度；液柱与燃气之间的汽化以及液柱的阻碍作用减小了射流流场的轴向发展位移，尾管后的完全发展射流流场核心区域内的压力峰值降低了0.9 MPa，温度峰值降低了503 K，速度峰值降低了291 m/s，验证了实验中液柱对燃气射流流场的降温效果。
2017, 37(2): 194-200.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0194-07
摘要:
为了在较低压力下获得较小粒径的细水雾，降低喷雾抑爆系统的运行成本，提高系统的适用性和抑爆效率，自行搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台。采用双流体喷嘴将N2和细水雾送入试验管道，通过调节喷雾压力和喷雾时间开展了双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究，从火焰速度、瓦斯爆炸超压2个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明：N2双流体细水雾抑爆效果明显，可以减小瓦斯爆炸强度；随着喷雾时间的延长，爆炸火焰的速度峰值逐渐下降，爆炸超压峰值逐渐下降，平均升压速率逐渐降低；当N2压力为0.4 MPa、喷雾时间为3 s时，速度峰值比不喷雾时下降60.39%，爆炸超压峰值下降37.76%。
为了在较低压力下获得较小粒径的细水雾，降低喷雾抑爆系统的运行成本，提高系统的适用性和抑爆效率，自行搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台。采用双流体喷嘴将N2和细水雾送入试验管道，通过调节喷雾压力和喷雾时间开展了双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究，从火焰速度、瓦斯爆炸超压2个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明：N2双流体细水雾抑爆效果明显，可以减小瓦斯爆炸强度；随着喷雾时间的延长，爆炸火焰的速度峰值逐渐下降，爆炸超压峰值逐渐下降，平均升压速率逐渐降低；当N2压力为0.4 MPa、喷雾时间为3 s时，速度峰值比不喷雾时下降60.39%，爆炸超压峰值下降37.76%。
2017, 37(2): 201-207.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0201-07
摘要:
通过实验研究及数字化处理研究了边界条件对CH4预混气体爆轰特性的影响。在内径为63.5、50.8 mm圆柱形管道及长方体管道进行爆轰实验，得到胞格结构和爆轰速度曲线。烟膜数字化处理量化了预混气体的爆轰不稳定性，并计算出胞格尺寸。3种管道内测得的平均爆轰速度与CJ速度接近，边界条件的影响不明显。分析爆轰速度曲线发现，极限压力受到边界条件的影响，Ø50.8和Ø63.5 mm管道内预混气的极限压力分别为5和4.05 kPa，即随着管径增大，爆轰极限压力降低。数字化处理所得不同管道内烟膜轨迹的不规则程度无明显差别，因此可以认为不稳定性是预混气固有的性质。在相同爆轰初始压力下，管径增大，胞格数量变多，表明爆轰传播时爆轰螺旋头数增多以维持传播。
通过实验研究及数字化处理研究了边界条件对CH4预混气体爆轰特性的影响。在内径为63.5、50.8 mm圆柱形管道及长方体管道进行爆轰实验，得到胞格结构和爆轰速度曲线。烟膜数字化处理量化了预混气体的爆轰不稳定性，并计算出胞格尺寸。3种管道内测得的平均爆轰速度与CJ速度接近，边界条件的影响不明显。分析爆轰速度曲线发现，极限压力受到边界条件的影响，Ø50.8和Ø63.5 mm管道内预混气的极限压力分别为5和4.05 kPa，即随着管径增大，爆轰极限压力降低。数字化处理所得不同管道内烟膜轨迹的不规则程度无明显差别，因此可以认为不稳定性是预混气固有的性质。在相同爆轰初始压力下，管径增大，胞格数量变多，表明爆轰传播时爆轰螺旋头数增多以维持传播。
2017, 37(2): 208-214.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0208-07
摘要:
爆炸荷载下邻近既有层状围岩隧道的迎爆侧易发生开裂、破坏，确保既有隧道围岩在爆破扰动下的安全是隧道近接施工中的关键问题。基于弹性力学和结构力学原理，建立了既有层状围岩隧道迎爆侧最危险点的简化力学模型，得到了最危险点的应力计算表达式，分析了隧道半径与岩层厚度的比值、岩层的倾角、岩层所对应的圆心角和隧道埋深等因素对既有隧道围岩稳定性的影响规律，并依据岩体最大拉应力判据确定了既有层状隧道围岩稳定的质点临界振动速度，结合地震波传播时的衰减规律，可以得出爆破施工时的最大单响药量，从而为隧道近接爆破动力扰动施工提供理论依据。
爆炸荷载下邻近既有层状围岩隧道的迎爆侧易发生开裂、破坏，确保既有隧道围岩在爆破扰动下的安全是隧道近接施工中的关键问题。基于弹性力学和结构力学原理，建立了既有层状围岩隧道迎爆侧最危险点的简化力学模型，得到了最危险点的应力计算表达式，分析了隧道半径与岩层厚度的比值、岩层的倾角、岩层所对应的圆心角和隧道埋深等因素对既有隧道围岩稳定性的影响规律，并依据岩体最大拉应力判据确定了既有层状隧道围岩稳定的质点临界振动速度，结合地震波传播时的衰减规律，可以得出爆破施工时的最大单响药量，从而为隧道近接爆破动力扰动施工提供理论依据。
2017, 37(2): 215-220.
doi: 10.11883/1001-1455(2016)05-0215-06
摘要:
实验研究了半开放环境下煤粉-CO/H2杂混合物中粉尘种类、粒径、质量浓度对其爆燃特性的影响规律。结果表明：杂混合物中粉尘颗粒对爆燃特性的影响主要是挥发分析出吸热和挥发分参与反应两种作用相互竞争的结果。对于高挥发分煤粉，挥发分析出参与反应占主要地位，混合物的爆燃强度随着挥发分含量升高而逐渐升高；对于低挥发分煤粉，挥发分析出的吸热作用大于挥发分参与反应的作用，导致了爆燃强度的降低。对于银北煤等普通烟煤，随着粉尘质量浓度的增加，混合物的爆燃强度呈U型变化趋势；对于低挥发分的焦炭粉末，其爆燃强度随粉尘质量浓度的变化不明显。
实验研究了半开放环境下煤粉-CO/H2杂混合物中粉尘种类、粒径、质量浓度对其爆燃特性的影响规律。结果表明：杂混合物中粉尘颗粒对爆燃特性的影响主要是挥发分析出吸热和挥发分参与反应两种作用相互竞争的结果。对于高挥发分煤粉，挥发分析出参与反应占主要地位，混合物的爆燃强度随着挥发分含量升高而逐渐升高；对于低挥发分煤粉，挥发分析出的吸热作用大于挥发分参与反应的作用，导致了爆燃强度的降低。对于银北煤等普通烟煤，随着粉尘质量浓度的增加，混合物的爆燃强度呈U型变化趋势；对于低挥发分的焦炭粉末，其爆燃强度随粉尘质量浓度的变化不明显。
2017, 37(2): 221-228.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0221-08
摘要:
针对火炮立楔式炮闩抽筒系统中的卡壳和构件动态断裂等抽筒故障，以动力学理论为基础，将其转化为系统动态特性的定量研究。分析了抽筒系统的工作机理并建立了连续接触动力学模型，定量地推导出药筒及系统内接触构件的运动规律和碰撞载荷。建立了杠杆式抽筒子在抽筒过程中的弹性波动模型，采用该模型能够定量地得出抽筒子的动应力分布和力学参数的影响。进行了理想抽筒工况下理论模型的数值计算和实体模型的仿真模拟，同组比较结果验证了定量分析模型的合理性。所建模型可为解决抽筒故障提供理论依据，也可为抽筒系统的动力学和结构优化设计作铺垫。
针对火炮立楔式炮闩抽筒系统中的卡壳和构件动态断裂等抽筒故障，以动力学理论为基础，将其转化为系统动态特性的定量研究。分析了抽筒系统的工作机理并建立了连续接触动力学模型，定量地推导出药筒及系统内接触构件的运动规律和碰撞载荷。建立了杠杆式抽筒子在抽筒过程中的弹性波动模型，采用该模型能够定量地得出抽筒子的动应力分布和力学参数的影响。进行了理想抽筒工况下理论模型的数值计算和实体模型的仿真模拟，同组比较结果验证了定量分析模型的合理性。所建模型可为解决抽筒故障提供理论依据，也可为抽筒系统的动力学和结构优化设计作铺垫。
2017, 37(2): 229-236.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0229-08
摘要:
激波诱导火焰失稳是实际中常见的现象，为深入研究火焰失稳特性，采用三维单步化学反应的Navier-Stokes方程和9阶weighted essentially non-oscillatory (WENO)的高精度格式，对不同马赫数的入射激波及其反射激波多次诱导正弦型预混火焰界面失稳的现象进行了三维数值模拟，并对计算结果的可靠性进行了验证。研究结果显示，在激波的多次作用下，火焰界面的演变过程主要受Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定特性和化学反应特性的双重影响，且随着入射激波强度的增强，上述2种特性均得到进一步强化。为构造体现反应性RM不稳定特性的参数，根据火焰界面混合区平均涡量和化学反应速率，提出了表征界面受不稳定性和化学反应影响的量纲一参数。通过分析发现，在同一入射激波强度下，该参数的对数形式随入射激波和反射激波的多次作用呈基本相同的线性增长趋势；对不同马赫数的入射激波，该参数对数形式的线性增长率也基本一致。这样的变化表明该量纲一参数能够反映反应性RM不稳定过程中火焰界面发展的内在规律。
激波诱导火焰失稳是实际中常见的现象，为深入研究火焰失稳特性，采用三维单步化学反应的Navier-Stokes方程和9阶weighted essentially non-oscillatory (WENO)的高精度格式，对不同马赫数的入射激波及其反射激波多次诱导正弦型预混火焰界面失稳的现象进行了三维数值模拟，并对计算结果的可靠性进行了验证。研究结果显示，在激波的多次作用下，火焰界面的演变过程主要受Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定特性和化学反应特性的双重影响，且随着入射激波强度的增强，上述2种特性均得到进一步强化。为构造体现反应性RM不稳定特性的参数，根据火焰界面混合区平均涡量和化学反应速率，提出了表征界面受不稳定性和化学反应影响的量纲一参数。通过分析发现，在同一入射激波强度下，该参数的对数形式随入射激波和反射激波的多次作用呈基本相同的线性增长趋势；对不同马赫数的入射激波，该参数对数形式的线性增长率也基本一致。这样的变化表明该量纲一参数能够反映反应性RM不稳定过程中火焰界面发展的内在规律。
2017, 37(2): 237-242.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0237-06
摘要:
为了研究煤尘爆炸气固态残留物成分差异性及其时空分布规律，利用水平管道煤尘爆炸装置进行了煤尘爆炸实验，收集并分析了气固态残留物类别及特征。研究表明：爆炸后煤尘中灰分显著增加，挥发分和固定碳减少；爆炸前后煤尘的微观形貌特征差别明显，爆炸后煤尘颗粒表面光滑，且产生了颗粒破裂现象，部分颗粒中出现孔洞，少数颗粒呈现薄壳状，颗粒之间出现了粘结现象；煤尘爆炸气体残留物成分主要有氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等，爆源点处最低氧气浓度仅为2.52%，一氧化碳浓度达到0.38%~0.68%，距离爆源点越远，氧气浓度越高，碳氧化物气体与烃类气体浓度越低。
为了研究煤尘爆炸气固态残留物成分差异性及其时空分布规律，利用水平管道煤尘爆炸装置进行了煤尘爆炸实验，收集并分析了气固态残留物类别及特征。研究表明：爆炸后煤尘中灰分显著增加，挥发分和固定碳减少；爆炸前后煤尘的微观形貌特征差别明显，爆炸后煤尘颗粒表面光滑，且产生了颗粒破裂现象，部分颗粒中出现孔洞，少数颗粒呈现薄壳状，颗粒之间出现了粘结现象；煤尘爆炸气体残留物成分主要有氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等，爆源点处最低氧气浓度仅为2.52%，一氧化碳浓度达到0.38%~0.68%，距离爆源点越远，氧气浓度越高，碳氧化物气体与烃类气体浓度越低。
2017, 37(2): 243-248.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0243-06
摘要:
提出了一种联合使用Lagrange方法和转换函数方法来处理斜波压缩实验数据的新途径，和传统的数据处理方法相比，该方法更适合处理材料的复杂力学响应并具有较好的精度，同时该方法使用过程中对样品材料参数的初猜值精度要求更低。分析了转换函数方法的可靠性和健壮性，讨论了转换函数和Lagrange方法联合在斜波压缩强度实验数据处理中的应用，获得了可靠的结果。
提出了一种联合使用Lagrange方法和转换函数方法来处理斜波压缩实验数据的新途径，和传统的数据处理方法相比，该方法更适合处理材料的复杂力学响应并具有较好的精度，同时该方法使用过程中对样品材料参数的初猜值精度要求更低。分析了转换函数方法的可靠性和健壮性，讨论了转换函数和Lagrange方法联合在斜波压缩强度实验数据处理中的应用，获得了可靠的结果。
2017, 37(2): 249-254.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0249-06
摘要:
炸药土中爆炸形成爆腔的特征尺寸会影响远场地震波的幅频特征。为了准确预测爆腔的特征尺寸，本文建立了爆腔膨胀的准静态模型，该模型给出了无限均匀不可压缩的弹性介质中球形装药爆炸形成的粉碎区、裂隙区半径的解析表达式，并利用该模型计算讨论了不同条件下各分区尺度的变化。最后将该模型与现场实验、动力模型所得到的结果进行对比后表明，该模型与以上两者之间的误差约为5.4%~16.0%，能够较为准确地预测爆腔尺寸。
炸药土中爆炸形成爆腔的特征尺寸会影响远场地震波的幅频特征。为了准确预测爆腔的特征尺寸，本文建立了爆腔膨胀的准静态模型，该模型给出了无限均匀不可压缩的弹性介质中球形装药爆炸形成的粉碎区、裂隙区半径的解析表达式，并利用该模型计算讨论了不同条件下各分区尺度的变化。最后将该模型与现场实验、动力模型所得到的结果进行对比后表明，该模型与以上两者之间的误差约为5.4%~16.0%，能够较为准确地预测爆腔尺寸。
2017, 37(2): 255-261.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0255-07
摘要:
为了更精确提取爆破振动信号峰值速度、能量等重要特征，必须对爆破振动加速度信号时域积分中的趋势项予以去除。通过对实测爆破振动加速度信号进行梯形数值积分，提出以时域积分后的爆破振动速度信号来构造模式自适应小波基的方法，并用此方法去除时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项，然后对去除趋势项后的爆破振动速度信号进行能量特征分析。结果表明：模式自适应连续小波法成功去除了时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项；与建立在传统Fourier变换基础上的频谱分析相比，小波变换的能量分析具有更精细的频率分辨率，更适合于对频率分辨率要求更高的爆破振动信号进行分析；各频率区间范围划分越宽，爆破振动加速度信号与速度信号各频率区间内能量分布的相关程度越高，反之，相关程度越低。
为了更精确提取爆破振动信号峰值速度、能量等重要特征，必须对爆破振动加速度信号时域积分中的趋势项予以去除。通过对实测爆破振动加速度信号进行梯形数值积分，提出以时域积分后的爆破振动速度信号来构造模式自适应小波基的方法，并用此方法去除时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项，然后对去除趋势项后的爆破振动速度信号进行能量特征分析。结果表明：模式自适应连续小波法成功去除了时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项；与建立在传统Fourier变换基础上的频谱分析相比，小波变换的能量分析具有更精细的频率分辨率，更适合于对频率分辨率要求更高的爆破振动信号进行分析；各频率区间范围划分越宽，爆破振动加速度信号与速度信号各频率区间内能量分布的相关程度越高，反之，相关程度越低。
2017, 37(2): 262-268.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0262-07
摘要:
采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统，进行了0、3、6、9 MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验，分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明：首先，静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中，在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力；随后，在动态爆炸载荷的叠加作用下，裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂，并沿最大主应力方向扩展；裂纹扩展过程中，静态竖向载荷越大，裂纹扩展速度越大，且裂纹尖端应力强度因子值越大。
采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统，进行了0、3、6、9 MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验，分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明：首先，静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中，在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力；随后，在动态爆炸载荷的叠加作用下，裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂，并沿最大主应力方向扩展；裂纹扩展过程中，静态竖向载荷越大，裂纹扩展速度越大，且裂纹尖端应力强度因子值越大。
2017, 37(2): 269-273.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0269-05
摘要:
主要针对钢筋混凝土靶板在受到平头弹丸撞击下发生的厚度方向开裂的问题进行研究，并提出了一个弹丸低速撞击有限厚度板的二阶段模型。模型中第一阶段为侵彻阶段，弹丸受到混凝土介质的侵彻阻力由静阻力和速度效应引起的动阻力组成；模型中第二阶段为开裂阶段，钢筋混凝土靶板发生动态剪切破坏的最大承载力可以通过静态剪切破坏最大承载力乘以一个动态增强因子得到。该模型可以用来预测钢筋混凝土靶板发生厚度方向开裂破坏的临界能量。模型预测与实验结果吻合较好。
主要针对钢筋混凝土靶板在受到平头弹丸撞击下发生的厚度方向开裂的问题进行研究，并提出了一个弹丸低速撞击有限厚度板的二阶段模型。模型中第一阶段为侵彻阶段，弹丸受到混凝土介质的侵彻阻力由静阻力和速度效应引起的动阻力组成；模型中第二阶段为开裂阶段，钢筋混凝土靶板发生动态剪切破坏的最大承载力可以通过静态剪切破坏最大承载力乘以一个动态增强因子得到。该模型可以用来预测钢筋混凝土靶板发生厚度方向开裂破坏的临界能量。模型预测与实验结果吻合较好。
2017, 37(2): 274-282.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0274-09
摘要:
基于基元反应模型和单步反应模型，对直管道中H2-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟，揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间，并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明，胞格宽度与点火延迟时间成正比；爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知，爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配；当二者相匹配时，经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体，在短时间内实现了自点火，同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进，即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。
基于基元反应模型和单步反应模型，对直管道中H2-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟，揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间，并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明，胞格宽度与点火延迟时间成正比；爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知，爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配；当二者相匹配时，经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体，在短时间内实现了自点火，同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进，即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。
2017, 37(2): 283-290.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0283-08
摘要:
为探讨水下多层防护隔舱结构设计，以典型三舱式结构为对象，利用Dytran软件分析了水下接触爆炸下舷侧多层防护隔舱中膨胀空舱内的毁伤载荷特性，得到了载荷的简化模型，并拟合出膨胀舱压力载荷脉动平稳阶段准静态气压值的计算公式。结果表明，膨胀空舱内的毁伤载荷特性在时间尺度上可分为气团膨胀扩散阶段和脉动平稳两个阶段；在空间分布上，主要分为正反射区和马赫反射区，正反射区作用载荷由初始瞬态脉冲载荷和后续逐渐衰减的准静态气压载荷叠加而成，马赫反射区作用载荷则以准静态气压为主。
为探讨水下多层防护隔舱结构设计，以典型三舱式结构为对象，利用Dytran软件分析了水下接触爆炸下舷侧多层防护隔舱中膨胀空舱内的毁伤载荷特性，得到了载荷的简化模型，并拟合出膨胀舱压力载荷脉动平稳阶段准静态气压值的计算公式。结果表明，膨胀空舱内的毁伤载荷特性在时间尺度上可分为气团膨胀扩散阶段和脉动平稳两个阶段；在空间分布上，主要分为正反射区和马赫反射区，正反射区作用载荷由初始瞬态脉冲载荷和后续逐渐衰减的准静态气压载荷叠加而成，马赫反射区作用载荷则以准静态气压为主。
2017, 37(2): 291-298.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0291-08
摘要:
为研究惰性芯体物性对轴向阶梯形空腔装药结构爆轰驱动的影响规律，分别加工并装配了空腔内填充LY12铝、尼龙1011和无填充物三种技术状态的战斗部并进行了静爆实验，采用脉冲X射线成像测试技术获得了破片平均速度和飞散场形态；应用非线性动力学计算软件LS-DYNA，采用ALE算法进行了数值计算，分析了三种惰性芯体物性对破片场飞散形态、冲击波压力和破片初速的影响规律。结果表明：惰性芯体材料的冲击阻抗较主装药的冲击阻抗越大，对冲击波压力的影响越明显，作用于壳体表面的初始压力越大，主装药推动破片做功的能力越强，破片的速度越大，且惰性芯体物性的影响随着芯体半径的增大而增大。
为研究惰性芯体物性对轴向阶梯形空腔装药结构爆轰驱动的影响规律，分别加工并装配了空腔内填充LY12铝、尼龙1011和无填充物三种技术状态的战斗部并进行了静爆实验，采用脉冲X射线成像测试技术获得了破片平均速度和飞散场形态；应用非线性动力学计算软件LS-DYNA，采用ALE算法进行了数值计算，分析了三种惰性芯体物性对破片场飞散形态、冲击波压力和破片初速的影响规律。结果表明：惰性芯体材料的冲击阻抗较主装药的冲击阻抗越大，对冲击波压力的影响越明显，作用于壳体表面的初始压力越大，主装药推动破片做功的能力越强，破片的速度越大，且惰性芯体物性的影响随着芯体半径的增大而增大。
2017, 37(2): 299-306.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0299-08
摘要:
高架桥钢筋混凝土箱梁属于薄壁空腔结构，钢筋含量高，难以进行钻孔爆破破碎。以武汉沌阳高架桥爆破拆除工程为背景，提出了采用水压爆破破碎多室钢筋混凝土箱梁的方案，并采用动力有限元数值模拟方法模拟了全封闭多室箱梁结构的水压爆破破坏过程，研究了炸药在水中爆炸后诱发的冲击波和爆生气体对下箱梁结构的双重作用过程；在对数值模拟与实际爆破效果分析基础上，探讨了箱梁水压爆破方案的药包布置方式、爆破参数和起爆顺序等。
高架桥钢筋混凝土箱梁属于薄壁空腔结构，钢筋含量高，难以进行钻孔爆破破碎。以武汉沌阳高架桥爆破拆除工程为背景，提出了采用水压爆破破碎多室钢筋混凝土箱梁的方案，并采用动力有限元数值模拟方法模拟了全封闭多室箱梁结构的水压爆破破坏过程，研究了炸药在水中爆炸后诱发的冲击波和爆生气体对下箱梁结构的双重作用过程；在对数值模拟与实际爆破效果分析基础上，探讨了箱梁水压爆破方案的药包布置方式、爆破参数和起爆顺序等。
2017, 37(2): 307-314.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0307-08
摘要:
基于轨道炮结构特点以及冲击热力学理论，采用物质点法建立了轨道微颗粒诱发刨削的三维模型，模拟了轨道刨削的形成过程，并对其产生机理与影响因素进行了分析。结果表明：电枢与轨道的局域高速冲击产生瞬时的能量交换，形成的高热高压金属流对轨道表面的斜侵彻作用形成了刨坑；刨削的产生存在速度阈值，超过速度阈值，随着电枢速度增加，刨削越严重；低于速度阈值，可产生轨道擦伤；减小轨道表面微颗粒尺寸、增加电枢头部倾角均可降低刨削损伤。
基于轨道炮结构特点以及冲击热力学理论，采用物质点法建立了轨道微颗粒诱发刨削的三维模型，模拟了轨道刨削的形成过程，并对其产生机理与影响因素进行了分析。结果表明：电枢与轨道的局域高速冲击产生瞬时的能量交换，形成的高热高压金属流对轨道表面的斜侵彻作用形成了刨坑；刨削的产生存在速度阈值，超过速度阈值，随着电枢速度增加，刨削越严重；低于速度阈值，可产生轨道擦伤；减小轨道表面微颗粒尺寸、增加电枢头部倾角均可降低刨削损伤。
2017, 37(2): 315-322.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0315-08
摘要:
为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态，利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验，并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面，分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明：C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中，同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大; 短切碳纤维体积分数为16.0%时, 材料的抗拉强度最低; 冲击后，试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。
为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态，利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验，并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面，分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明：C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中，同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大; 短切碳纤维体积分数为16.0%时, 材料的抗拉强度最低; 冲击后，试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。
2017, 37(2): 323-331.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0323-09
摘要:
为了研究T型分支结构对管道内油气爆炸压力的影响，进行了不同初始油气体积分数、不同初始点火能工况下多参数对比实验，并对火焰传播进行了可视化研究。实验结果表明：T型分支管道对油气爆炸压力有强化作用，强化程度和初始油气体积分数关系密切，在当量比附近，强化程度表现最显著；初始点火能对油气爆炸最大超压影响显著，随着点火能的增大，最大爆炸超压呈线性增长；波的绕射和反射、流场湍流度增强、管道通道面积增大和障碍物扰动是导致T型分支管道内爆炸压力增强的主要因素；T型分支管道会导致火焰阵面严重地弯曲褶皱变形，增大火焰面积，并且回传火焰对T型分支结构壁面具有较强的破坏作用。
为了研究T型分支结构对管道内油气爆炸压力的影响，进行了不同初始油气体积分数、不同初始点火能工况下多参数对比实验，并对火焰传播进行了可视化研究。实验结果表明：T型分支管道对油气爆炸压力有强化作用，强化程度和初始油气体积分数关系密切，在当量比附近，强化程度表现最显著；初始点火能对油气爆炸最大超压影响显著，随着点火能的增大，最大爆炸超压呈线性增长；波的绕射和反射、流场湍流度增强、管道通道面积增大和障碍物扰动是导致T型分支管道内爆炸压力增强的主要因素；T型分支管道会导致火焰阵面严重地弯曲褶皱变形，增大火焰面积，并且回传火焰对T型分支结构壁面具有较强的破坏作用。
2017, 37(2): 332-338.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0332-07
摘要:
采用有限元方法离散瞬态热传导方程，编写成侵彻过程热传导计算模块，并将之嵌入已有的冲击动力学程序中，然后运用于长杆弹在900~1 800 m/s着速范围内侵彻AD95陶瓷靶的数值分析，得到了符合物理事实的计算图像，所得的计算结果比采用传统的绝热模型得到的计算结果更符合实验结果。探讨了计及热传导效应对长杆弹侵彻AD95陶瓷靶数值模拟的影响：着速在900~1 350 m/s范围内时，计及热传导的数值计算所得侵深小于绝热模型计算结果；着速在在1 350~1 450 m/s范围内时，两种模型计算侵深接近；着速在在1 450~1 800 m/s范围内时，热传导模型计算侵深大于绝热模型计算结果。
采用有限元方法离散瞬态热传导方程，编写成侵彻过程热传导计算模块，并将之嵌入已有的冲击动力学程序中，然后运用于长杆弹在900~1 800 m/s着速范围内侵彻AD95陶瓷靶的数值分析，得到了符合物理事实的计算图像，所得的计算结果比采用传统的绝热模型得到的计算结果更符合实验结果。探讨了计及热传导效应对长杆弹侵彻AD95陶瓷靶数值模拟的影响：着速在900~1 350 m/s范围内时，计及热传导的数值计算所得侵深小于绝热模型计算结果；着速在在1 350~1 450 m/s范围内时，两种模型计算侵深接近；着速在在1 450~1 800 m/s范围内时，热传导模型计算侵深大于绝热模型计算结果。
2017, 37(2): 339-346.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0339-08
摘要:
对单质炸药受低速撞击的力学和化学响应研究，是进行炸药敏感性评价的基础。利用配备了光学观测的落锤撞击装置，实现了频率为1.5×105 s-1的实时观测，不但可以区分样品的“爆”或“不爆”，而且可以获取RDX和HMX颗粒炸药受落锤低速撞击变形、破碎、溅射、点火和燃烧随时间演化的特征。结果表明:RDX颗粒是在液相中点火，而HMX颗粒在固相中点火; 燃烧反应前常常发生剧烈的溅射现象，溅射是由气相反应产物释放能量推动破碎的颗粒所致。对比了单个和单层颗粒炸药响应的特点，多个颗粒由于热点密集和破碎后相互作用，其燃烧反应比单个颗粒燃烧反应更剧烈。根据图像处理估算燃烧波传播速度，很好地表征了样品宏观燃烧反应的剧烈程度。
对单质炸药受低速撞击的力学和化学响应研究，是进行炸药敏感性评价的基础。利用配备了光学观测的落锤撞击装置，实现了频率为1.5×105 s-1的实时观测，不但可以区分样品的“爆”或“不爆”，而且可以获取RDX和HMX颗粒炸药受落锤低速撞击变形、破碎、溅射、点火和燃烧随时间演化的特征。结果表明:RDX颗粒是在液相中点火，而HMX颗粒在固相中点火; 燃烧反应前常常发生剧烈的溅射现象，溅射是由气相反应产物释放能量推动破碎的颗粒所致。对比了单个和单层颗粒炸药响应的特点，多个颗粒由于热点密集和破碎后相互作用，其燃烧反应比单个颗粒燃烧反应更剧烈。根据图像处理估算燃烧波传播速度，很好地表征了样品宏观燃烧反应的剧烈程度。
2017, 37(2): 347-352.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0347-06
摘要:
以喷管出口欠膨胀射流为研究对象，在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值，构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明，该方法具有高精度、基本无振荡的特点，能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好，相对误差小于1.1%。
以喷管出口欠膨胀射流为研究对象，在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值，构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明，该方法具有高精度、基本无振荡的特点，能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好，相对误差小于1.1%。
2017, 37(2): 353-364.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0353-12
摘要:
对乙烯-空气预混火焰在波纹管道阻火器中的传播与淬熄过程进行了实验和数值模拟研究，实验结果显示：当乙烯接近当量浓度时，预混气体爆炸压力变化过程可分为4个阶段，等压燃烧阶段、缓慢上升阶段、快速上升阶段和压力振荡阶段；在爆炸过程中，由于反射压力波和火焰相互作用的影响，超压值出现多次振荡，压力振荡阶段一般可以持续数十毫秒；乙烯-空气火焰传播速度随管径增加、阻火单元波纹高度减小呈递增趋势，而且随着阻火单元厚度的增加，阻火器的阻火能力明显提高，可以更有效地使火焰淬熄。数值模拟结果显示：在管道封闭端点火后，火焰面呈半球形并以层流扩散的方式向四周传播；当火焰传播到管道壁面时，在管道壁面的约束作用下，火焰面发生变形，壁面附近的火焰逐渐超过了管道轴线附近的火焰，最后形成了“郁金香”状的火焰结构；当爆燃火焰经过阻火单元时，高温已燃气体被其吸收大量热量，同时在反应区产生的稀疏波作用下，气体温度逐渐降低、化学反应速率迅速减小，最终导致火焰被熄灭。通过模拟计算结果可以看出，在整个爆炸过程中，火焰传播速度与爆炸压力波动均较为明显。并提出了孔隙率和阻火单元厚度对火焰传播的影响机制。基于传热学理论模型，并结合实验数据，得出了爆燃火焰速度与爆炸压力之间的关系，为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。
对乙烯-空气预混火焰在波纹管道阻火器中的传播与淬熄过程进行了实验和数值模拟研究，实验结果显示：当乙烯接近当量浓度时，预混气体爆炸压力变化过程可分为4个阶段，等压燃烧阶段、缓慢上升阶段、快速上升阶段和压力振荡阶段；在爆炸过程中，由于反射压力波和火焰相互作用的影响，超压值出现多次振荡，压力振荡阶段一般可以持续数十毫秒；乙烯-空气火焰传播速度随管径增加、阻火单元波纹高度减小呈递增趋势，而且随着阻火单元厚度的增加，阻火器的阻火能力明显提高，可以更有效地使火焰淬熄。数值模拟结果显示：在管道封闭端点火后，火焰面呈半球形并以层流扩散的方式向四周传播；当火焰传播到管道壁面时，在管道壁面的约束作用下，火焰面发生变形，壁面附近的火焰逐渐超过了管道轴线附近的火焰，最后形成了“郁金香”状的火焰结构；当爆燃火焰经过阻火单元时，高温已燃气体被其吸收大量热量，同时在反应区产生的稀疏波作用下，气体温度逐渐降低、化学反应速率迅速减小，最终导致火焰被熄灭。通过模拟计算结果可以看出，在整个爆炸过程中，火焰传播速度与爆炸压力波动均较为明显。并提出了孔隙率和阻火单元厚度对火焰传播的影响机制。基于传热学理论模型，并结合实验数据，得出了爆燃火焰速度与爆炸压力之间的关系，为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。
2017, 37(2): 365-376.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0365-12
摘要:
针对侵彻、爆炸等强动载作用下混凝土类结构计算中涉及的状态方程、变形破坏弹塑性本构关系与强度准则等关键问题，根据混凝土多组分特征，简述考虑介质中孔隙压缩的状态模型及弹塑性变形破坏中动态损伤演化模型，并在计算实验方法的基础上，给出需要进一步研究的建议。
针对侵彻、爆炸等强动载作用下混凝土类结构计算中涉及的状态方程、变形破坏弹塑性本构关系与强度准则等关键问题，根据混凝土多组分特征，简述考虑介质中孔隙压缩的状态模型及弹塑性变形破坏中动态损伤演化模型，并在计算实验方法的基础上，给出需要进一步研究的建议。
