2021年 41卷 第4期
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2021, 41(4): 041401.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0342
摘要:
高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果，从宏观与微观相结合的角度出发，综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律，并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律，主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外，还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后，对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型，以期为应变率效应的深入研究奠定基础。
高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果，从宏观与微观相结合的角度出发，综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律，并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律，主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外，还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后，对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型，以期为应变率效应的深入研究奠定基础。
2021, 41(4): 041402.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0414
摘要:
高熵合金作为一种多主元合金，突破了传统合金单主元的设计思想，体现出不同于传统合金的优异性能，特别在高温、高压、高应变率等极端环境中有着良好的应用前景。从微观、细观与宏观尺度分析高熵合金的冲击变形特性对于其工程应用具有重要的指导作用，主要涉及元素效应、细观结构以及高温高应变率条件对高熵合金冲击损伤演化、微观结构变化和冲击变形演化过程的影响机制。元素效应主要讨论了原子半径差异较大的金属与非金属元素对高熵合金冲击变形行为的影响；根据细观结构不同，将高熵合金分为单相与多相结构，单相高熵合金为塑性较好的面心立方（face centered cubic，FCC）结构、强度较高的体心立方（body centered cubic，BCC）与密排六方（hexagonal close-packed，HCP）结构。多相高熵合金的细观结构为这三种单相结构或者与其他相的组合，多相高熵合金的协同变形能够使其获得更为优异的综合力学性能。高温与高应变率作为外部条件对高熵合金的影响与其他金属相似，高温促进材料软化而高应变率促进材料硬化，部分高熵合金在高温下具有更优异的抗变形能力。针对高熵合金的冲击特性，总结了目前高熵合金在国防工程冲击领域的应用，归纳了高熵合金冲击变形行为研究存在的问题，并进一步对高熵合金在极端条件下的应用进行了展望。
高熵合金作为一种多主元合金，突破了传统合金单主元的设计思想，体现出不同于传统合金的优异性能，特别在高温、高压、高应变率等极端环境中有着良好的应用前景。从微观、细观与宏观尺度分析高熵合金的冲击变形特性对于其工程应用具有重要的指导作用，主要涉及元素效应、细观结构以及高温高应变率条件对高熵合金冲击损伤演化、微观结构变化和冲击变形演化过程的影响机制。元素效应主要讨论了原子半径差异较大的金属与非金属元素对高熵合金冲击变形行为的影响；根据细观结构不同，将高熵合金分为单相与多相结构，单相高熵合金为塑性较好的面心立方（face centered cubic，FCC）结构、强度较高的体心立方（body centered cubic，BCC）与密排六方（hexagonal close-packed，HCP）结构。多相高熵合金的细观结构为这三种单相结构或者与其他相的组合，多相高熵合金的协同变形能够使其获得更为优异的综合力学性能。高温与高应变率作为外部条件对高熵合金的影响与其他金属相似，高温促进材料软化而高应变率促进材料硬化，部分高熵合金在高温下具有更优异的抗变形能力。针对高熵合金的冲击特性，总结了目前高熵合金在国防工程冲击领域的应用，归纳了高熵合金冲击变形行为研究存在的问题，并进一步对高熵合金在极端条件下的应用进行了展望。
2021, 41(4): 041403.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0369
摘要:
巴西圆盘实验是国际岩石力学与工程学会（ISRM）推荐的测量岩石静态拉伸强度的方法之一，也是该学会推荐的唯一测量岩石动态拉伸强度的方法。但是巴西圆盘实验得到的静态或者动态拉伸强度往往较真实值偏大，其中一个原因是所谓的过载现象，而且其相应的过载效应在动态巴西圆盘测试中尤为明显。为探究岩石材料动态劈裂拉伸强度的过载效应机理及其率相关性，利用SHPB实验装置开展了不同加载率条件下的动态巴西圆盘实验，对岩石材料劈裂拉伸强度的过载特性进行了定量分析；结合颗粒流程序进行了相关实验的数值模拟，得到了圆盘破裂的微观过程。结果表明：（1）动态巴西圆盘实验得到的岩石拉伸强度存在明显的过载现象，圆盘试样拉伸强度的过载比随加载率增加呈对数形式增加；（2）依据动态拉伸强度实验结果对模型参数引入率相关性后，模拟观察到的过载效应更加贴近实验观测。这些结果表明巴西圆盘实验中拉伸强度的过载现象是客观存在的，其机理与试样的圆盘构型以及测试方法有关。结合实验和数值结果，解释了巴西圆盘实验的过载机理，证明了动态巴西圆盘实验修正的必要性并给出了相应的方案，以获取岩石材料的真实动态拉伸强度。
巴西圆盘实验是国际岩石力学与工程学会（ISRM）推荐的测量岩石静态拉伸强度的方法之一，也是该学会推荐的唯一测量岩石动态拉伸强度的方法。但是巴西圆盘实验得到的静态或者动态拉伸强度往往较真实值偏大，其中一个原因是所谓的过载现象，而且其相应的过载效应在动态巴西圆盘测试中尤为明显。为探究岩石材料动态劈裂拉伸强度的过载效应机理及其率相关性，利用SHPB实验装置开展了不同加载率条件下的动态巴西圆盘实验，对岩石材料劈裂拉伸强度的过载特性进行了定量分析；结合颗粒流程序进行了相关实验的数值模拟，得到了圆盘破裂的微观过程。结果表明：（1）动态巴西圆盘实验得到的岩石拉伸强度存在明显的过载现象，圆盘试样拉伸强度的过载比随加载率增加呈对数形式增加；（2）依据动态拉伸强度实验结果对模型参数引入率相关性后，模拟观察到的过载效应更加贴近实验观测。这些结果表明巴西圆盘实验中拉伸强度的过载现象是客观存在的，其机理与试样的圆盘构型以及测试方法有关。结合实验和数值结果，解释了巴西圆盘实验的过载机理，证明了动态巴西圆盘实验修正的必要性并给出了相应的方案，以获取岩石材料的真实动态拉伸强度。
2021, 41(4): 041404.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0357
摘要:
飞行器高速飞越云雨区时，前表面会受到雨滴的冲击侵蚀。基于一级轻气炮搭建了一种单射流冲击试验平台用于材料雨蚀试验，可产生速度200～600 m/s、直径4～7 mm、头部呈光滑圆弧形的稳定水射流；并对一种碳纤维树脂基复合材料层合板进行了不同速度和直径的单射流冲击试验。结果表明，复合材料单次水射流冲击的典型损伤形貌为：冲击表面凹陷，中心几乎完好无损伤，周围产生一环状损伤带，环内有树脂去除、基体开裂、少量纤维断裂等损伤形式；内部损伤主要由基体开裂和层间分层组成。损伤尺寸呈现典型的各向异性，纵向尺寸大于横向尺寸；随射流速度和直径的增加，表面环状损伤和内部损伤的尺寸均向外扩展，环状损伤面积和内部分层面积也随之增加。水锤压力的压缩和卸载、侧向射流的剪切和应力波的相互作用是造成复合材料单射流冲击损伤的主要机理。
飞行器高速飞越云雨区时，前表面会受到雨滴的冲击侵蚀。基于一级轻气炮搭建了一种单射流冲击试验平台用于材料雨蚀试验，可产生速度200～600 m/s、直径4～7 mm、头部呈光滑圆弧形的稳定水射流；并对一种碳纤维树脂基复合材料层合板进行了不同速度和直径的单射流冲击试验。结果表明，复合材料单次水射流冲击的典型损伤形貌为：冲击表面凹陷，中心几乎完好无损伤，周围产生一环状损伤带，环内有树脂去除、基体开裂、少量纤维断裂等损伤形式；内部损伤主要由基体开裂和层间分层组成。损伤尺寸呈现典型的各向异性，纵向尺寸大于横向尺寸；随射流速度和直径的增加，表面环状损伤和内部损伤的尺寸均向外扩展，环状损伤面积和内部分层面积也随之增加。水锤压力的压缩和卸载、侧向射流的剪切和应力波的相互作用是造成复合材料单射流冲击损伤的主要机理。
2021, 41(4): 041405.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0391
摘要:
为了实现斜波加载，设计了一种“钉床型”广义波阻抗梯度飞片，即在基座上密排叠加许多小圆锥，简称“钉床型”飞片。该飞片采用激光选区熔化金属增材制造技术进行制备。利用一级轻气炮加载装置和全光纤激光位移干涉测试系统，开展不同工况下“钉床型”飞片高速击靶压缩实验和层裂实验，重点讨论小圆锥高度和撞击速度对斜波压缩加载波形的影响规律，以及斜波加载对不锈钢靶板层裂特性的影响。实验结果显示：（1）“钉床型”飞片对靶板产生的压缩是逐步的，从自由面速度剖面上观察到压缩波上升前沿时间被显著延长，形成了斜波波阵面，明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面；（2）在飞片击靶速度近似恒定条件下，斜波波阵面的上升沿时间、平台速度峰值都明显依赖于“钉床型”飞片上的小圆锥高度，随着小圆锥高度增大，上升沿时间呈线性增大，而平台速度峰值呈线性减小；（3）在“钉床型”飞片的几何尺寸保持不变的条件下，斜波波阵面的上升沿时间随着飞片击靶速度的增大而线性减小，平台速度峰值则线性增大；（4）与冲击加载相比，“钉床型”飞片产生的斜波加载不会对材料的层裂强度产生明显影响，但对材料内部损伤演化速率有一定的影响。
为了实现斜波加载，设计了一种“钉床型”广义波阻抗梯度飞片，即在基座上密排叠加许多小圆锥，简称“钉床型”飞片。该飞片采用激光选区熔化金属增材制造技术进行制备。利用一级轻气炮加载装置和全光纤激光位移干涉测试系统，开展不同工况下“钉床型”飞片高速击靶压缩实验和层裂实验，重点讨论小圆锥高度和撞击速度对斜波压缩加载波形的影响规律，以及斜波加载对不锈钢靶板层裂特性的影响。实验结果显示：（1）“钉床型”飞片对靶板产生的压缩是逐步的，从自由面速度剖面上观察到压缩波上升前沿时间被显著延长，形成了斜波波阵面，明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面；（2）在飞片击靶速度近似恒定条件下，斜波波阵面的上升沿时间、平台速度峰值都明显依赖于“钉床型”飞片上的小圆锥高度，随着小圆锥高度增大，上升沿时间呈线性增大，而平台速度峰值呈线性减小；（3）在“钉床型”飞片的几何尺寸保持不变的条件下，斜波波阵面的上升沿时间随着飞片击靶速度的增大而线性减小，平台速度峰值则线性增大；（4）与冲击加载相比，“钉床型”飞片产生的斜波加载不会对材料的层裂强度产生明显影响，但对材料内部损伤演化速率有一定的影响。
2021, 41(4): 043101.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0172
摘要:
以珊瑚砂为主要覆盖域的岛礁在面临动力灾变时，确定岛礁工程抵抗极端冲击荷载的阈值至关重要，珊瑚砂的动态本构关系是防护工程设计的关键要素。本文中，根据SHPB实验和静态压缩实验的结果，提出了一种基于应变率强化规律确定珊瑚砂物态方程的方法，并确定了珊瑚砂动态本构模型的参数。分别基于流体弹塑性模型和Perzyna黏塑性帽盖模型，结合LS-DYNA有限元程序，通过对侵彻和爆炸的数值计算，验证了模型的适用性。基于建立的模型，对不同相对密实度的珊瑚砂开展了侵彻和爆炸数值计算，结果表明，密实度对爆炸波的衰减影响较大、对侵彻深度的影响较小。
以珊瑚砂为主要覆盖域的岛礁在面临动力灾变时，确定岛礁工程抵抗极端冲击荷载的阈值至关重要，珊瑚砂的动态本构关系是防护工程设计的关键要素。本文中，根据SHPB实验和静态压缩实验的结果，提出了一种基于应变率强化规律确定珊瑚砂物态方程的方法，并确定了珊瑚砂动态本构模型的参数。分别基于流体弹塑性模型和Perzyna黏塑性帽盖模型，结合LS-DYNA有限元程序，通过对侵彻和爆炸的数值计算，验证了模型的适用性。基于建立的模型，对不同相对密实度的珊瑚砂开展了侵彻和爆炸数值计算，结果表明，密实度对爆炸波的衰减影响较大、对侵彻深度的影响较小。
2021, 41(4): 043102.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0130
摘要:
采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材，利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度，在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析，讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示：（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值，在低应力条件下，层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系，而在高应力条件下，晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响；（2）随着晶粒尺寸的增大，靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大，但数量显著减少，在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象；（3）随着晶粒尺寸的增大，层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变，且在断口上观察到少量随机分布的小圆球，归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。
采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材，利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度，在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析，讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示：（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值，在低应力条件下，层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系，而在高应力条件下，晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响；（2）随着晶粒尺寸的增大，靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大，但数量显著减少，在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象；（3）随着晶粒尺寸的增大，层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变，且在断口上观察到少量随机分布的小圆球，归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。
2021, 41(4): 043103.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0104
摘要:
为了研究高温空气下C/SiC复合材料断裂韧性和微观结构，采用单边切口梁三点弯曲法实时测试了C/SiC复合材料在高温空气下的断裂韧性，并采用电子扫描显微镜 (scanning electron microscope，SEM)和X 射线衍射分析仪 (X-ray diffraction, XRD)分析了复合材料在不同温度下的破坏断口和失效机制。研究结果表明随测试温度升高，C/SiC复合材料断裂韧性降低，材料的断裂形式由脆性断裂逐渐演变成塑性断裂。从室温升温到1 000 ℃测试温度条件下，C/SiC复合材料的断裂韧性由12.5 MPa·m1/2降低为10.96 MPa·m1/2，降幅仅为12%，C/SiC复合材料高温断裂韧性良好。不同温度下，材料呈现出不同形式的断裂形貌。常温下断口形貌主要可以看到纤维拔出的现象，随着温度的升高，该现象基本消失，断裂截面变得更平整，材料的强度主要取决于基体的强度。
为了研究高温空气下C/SiC复合材料断裂韧性和微观结构，采用单边切口梁三点弯曲法实时测试了C/SiC复合材料在高温空气下的断裂韧性，并采用电子扫描显微镜 (scanning electron microscope，SEM)和X 射线衍射分析仪 (X-ray diffraction, XRD)分析了复合材料在不同温度下的破坏断口和失效机制。研究结果表明随测试温度升高，C/SiC复合材料断裂韧性降低，材料的断裂形式由脆性断裂逐渐演变成塑性断裂。从室温升温到1 000 ℃测试温度条件下，C/SiC复合材料的断裂韧性由12.5 MPa·m1/2降低为10.96 MPa·m1/2，降幅仅为12%，C/SiC复合材料高温断裂韧性良好。不同温度下，材料呈现出不同形式的断裂形貌。常温下断口形貌主要可以看到纤维拔出的现象，随着温度的升高，该现象基本消失，断裂截面变得更平整，材料的强度主要取决于基体的强度。
2021, 41(4): 043104.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0330
摘要:
以寒区隧道为工程背景研究在冻融循环作用下围岩内Ⅰ型裂纹的动态起裂特性演化规律，采用隧道模型试件作为研究对象，开展冻融循环试验与大尺度落锤冲击试验，得到岩石试件经历不同冻融循环次数后的相关力学参数，并在裂纹尖端粘贴裂纹扩展计(crack propagation gauge, CPG)测量预制裂纹的动态起裂时间。采用有限元软件建立相应的数值模型计算裂纹尖端的动态应力强度因子，采用试验-数值法计算动态起裂韧度，随后采用电镜对冻融循环后的试样进行扫描，研究冻融循环对岩石材料的细观损伤机制。研究结果表明：随着冻融循环次数的增加，岩石材料的纵波、横波波速与弹性模量逐渐减小，而泊松比逐渐增大；砂岩材料的动态起裂韧度随着冻融循环次数的增加逐渐减小，表征线性反比例的特性；材料内部的胶结物质会由于冻融循环的影响而流失，材料的孔隙和裂纹也随着冻融循环次数的增加而变多变大。
以寒区隧道为工程背景研究在冻融循环作用下围岩内Ⅰ型裂纹的动态起裂特性演化规律，采用隧道模型试件作为研究对象，开展冻融循环试验与大尺度落锤冲击试验，得到岩石试件经历不同冻融循环次数后的相关力学参数，并在裂纹尖端粘贴裂纹扩展计(crack propagation gauge, CPG)测量预制裂纹的动态起裂时间。采用有限元软件建立相应的数值模型计算裂纹尖端的动态应力强度因子，采用试验-数值法计算动态起裂韧度，随后采用电镜对冻融循环后的试样进行扫描，研究冻融循环对岩石材料的细观损伤机制。研究结果表明：随着冻融循环次数的增加，岩石材料的纵波、横波波速与弹性模量逐渐减小，而泊松比逐渐增大；砂岩材料的动态起裂韧度随着冻融循环次数的增加逐渐减小，表征线性反比例的特性；材料内部的胶结物质会由于冻融循环的影响而流失，材料的孔隙和裂纹也随着冻融循环次数的增加而变多变大。
2021, 41(4): 043201.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0132
摘要:
基于王莲仿生面内梯度芯层，通过引入面外梯度，设计了一种双向梯度仿生夹芯圆板。在此基础上，运用ABAQUS有限元软件，对不同排列方式的双向梯度夹芯圆板在不同爆炸载荷作用下的响应进行了数值仿真，着重分析了不同仿生夹芯圆板的前后面板挠度、芯层压缩量、变形模式和能量吸收等特性，得到了一种抗爆性能较好的芯层排列方式。结果表明：相较于单一的面外梯度夹芯圆板，合理设计的双向梯度仿生夹芯圆板可以有效降低后面板挠度，并提高芯层的能量吸收。
基于王莲仿生面内梯度芯层，通过引入面外梯度，设计了一种双向梯度仿生夹芯圆板。在此基础上，运用ABAQUS有限元软件，对不同排列方式的双向梯度夹芯圆板在不同爆炸载荷作用下的响应进行了数值仿真，着重分析了不同仿生夹芯圆板的前后面板挠度、芯层压缩量、变形模式和能量吸收等特性，得到了一种抗爆性能较好的芯层排列方式。结果表明：相较于单一的面外梯度夹芯圆板，合理设计的双向梯度仿生夹芯圆板可以有效降低后面板挠度，并提高芯层的能量吸收。
2021, 41(4): 043301.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0143
摘要:
为研究剪切增稠液体(shear-thickening fluid, STF)液舱对弹体的防护性能，制备特定规格剪切增稠液体，并开展弹体侵彻剪切增稠液舱实验研究。实验中采用高速相机记录液舱侵彻过程中空泡的演化情况，并测试得到了弹体的剩余弹速以及前后靶板变形数据。实验结果显示，剪切增稠液体可有效抑制液舱侵彻过程中空泡的增长，从而降低液舱结构的损伤程度。结合空泡扩展理论模型，并考虑液体密度以及黏度变化对空泡增长的影响，验证了剪切增稠液体在高速冲击下产生的局部密度增大以及固化现象是抑制空泡扩展的主要原因。此外，剪切增稠液体对弹体速度的衰减作用明显，且相同初始弹速下，剪切增稠液体液舱前后靶板变形明显小于水体液舱。将剪切增稠液体填充于舰船液舱防护结构，可显著提高液舱结构的防护性能。
为研究剪切增稠液体(shear-thickening fluid, STF)液舱对弹体的防护性能，制备特定规格剪切增稠液体，并开展弹体侵彻剪切增稠液舱实验研究。实验中采用高速相机记录液舱侵彻过程中空泡的演化情况，并测试得到了弹体的剩余弹速以及前后靶板变形数据。实验结果显示，剪切增稠液体可有效抑制液舱侵彻过程中空泡的增长，从而降低液舱结构的损伤程度。结合空泡扩展理论模型，并考虑液体密度以及黏度变化对空泡增长的影响，验证了剪切增稠液体在高速冲击下产生的局部密度增大以及固化现象是抑制空泡扩展的主要原因。此外，剪切增稠液体对弹体速度的衰减作用明显，且相同初始弹速下，剪切增稠液体液舱前后靶板变形明显小于水体液舱。将剪切增稠液体填充于舰船液舱防护结构，可显著提高液舱结构的防护性能。
2021, 41(4): 043901.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0141
摘要:
为提升车辆底部防护组件的抗爆性能，降低车身底板变形对车内乘员的威胁，基于混合自动元胞机法对防护组件中的加强梁进行拓扑优化设计，得到了加强梁的最佳材料分布形式，随后根据拓扑优化结果进行了工程诠释和重新设计。为了进一步提升防护组件的抗爆性能，采用多目标优化的方法对加强梁进行优化设计，以基板的挠度峰值、基板的最大动能和防护组件质量为优化目标，防护组件的质量为约束条件，以及梁的厚度、截面尺寸为设计变量，得出加强梁各参数组合的最优方案。结果表明，相比于初始设计，该方案在不增加结构质量的情况下，防护组件的抗爆性能得到显著提升，改进后基板的挠度峰值降低了5%，基板的最大动能降低了11.58%。
为提升车辆底部防护组件的抗爆性能，降低车身底板变形对车内乘员的威胁，基于混合自动元胞机法对防护组件中的加强梁进行拓扑优化设计，得到了加强梁的最佳材料分布形式，随后根据拓扑优化结果进行了工程诠释和重新设计。为了进一步提升防护组件的抗爆性能，采用多目标优化的方法对加强梁进行优化设计，以基板的挠度峰值、基板的最大动能和防护组件质量为优化目标，防护组件的质量为约束条件，以及梁的厚度、截面尺寸为设计变量，得出加强梁各参数组合的最优方案。结果表明，相比于初始设计，该方案在不增加结构质量的情况下，防护组件的抗爆性能得到显著提升，改进后基板的挠度峰值降低了5%，基板的最大动能降低了11.58%。
2021, 41(4): 045401.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0086
摘要:
为了研究具有体积分数梯度的连通装置内甲烷-空气爆炸特性，以60 L圆柱体容器和20 L圆柱体容器通过3 m长，截面为0.035 m×0.035 m的方形管道而连接形成的容器管道连通装置作为研究对象，利用Fluidyn软件对均一体积分数的连通装置以及具有体积分数梯度的连通装置中甲烷-空气爆炸的特性进行了数值模拟。结果表明：连通装置中甲烷的均一体积分数为6.517%～8.067%时，并由大容器中心点火工况时，最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度，以及这些爆炸参数达到最大值时的时刻值随体积分数的变化约呈线性关系；连通装置大容器甲烷体积分数6.0%体积分数梯度为2.0%～8.0%且大容器中心点火时，最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度随体积分数梯度总体上呈现先增大后减小趋势；大容器中心点火时，最大爆炸压力位于小容器，最大压力上升速率位于管道1或管道2，最大速度位于管道3，速度值可达400～600m/s。本研究可为连通装置内可燃气体爆炸事故防控提供理论指导。
为了研究具有体积分数梯度的连通装置内甲烷-空气爆炸特性，以60 L圆柱体容器和20 L圆柱体容器通过3 m长，截面为0.035 m×0.035 m的方形管道而连接形成的容器管道连通装置作为研究对象，利用Fluidyn软件对均一体积分数的连通装置以及具有体积分数梯度的连通装置中甲烷-空气爆炸的特性进行了数值模拟。结果表明：连通装置中甲烷的均一体积分数为6.517%～8.067%时，并由大容器中心点火工况时，最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度，以及这些爆炸参数达到最大值时的时刻值随体积分数的变化约呈线性关系；连通装置大容器甲烷体积分数6.0%体积分数梯度为2.0%～8.0%且大容器中心点火时，最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度随体积分数梯度总体上呈现先增大后减小趋势；大容器中心点火时，最大爆炸压力位于小容器，最大压力上升速率位于管道1或管道2，最大速度位于管道3，速度值可达400～600m/s。本研究可为连通装置内可燃气体爆炸事故防控提供理论指导。
