2022年 42卷 第5期
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2022, 42(5): 052201.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0280
摘要:
为研究不同方式的偏心起爆对炸药装药能量分配及增益的影响，建立了偏心起爆战斗部的计算模型，通过局部装填比这一变量，给出了偏心起爆战斗部破片的初速计算公式。采用数值模拟与试验验证结合的方法，对六分位条件下不同偏心起爆方式的破片速度增益和能量增益进行了对比，得出以中心起爆为基准，分别以邻位双线、连位三线、间位双线、偏心单线方式起爆，定向方位内破片的速度增益依次增大；邻位双线起爆时，目标方向破片速度增益达25.47%，定向区域破片动能占总能量的24.57%，能量增益超过40%。
为研究不同方式的偏心起爆对炸药装药能量分配及增益的影响，建立了偏心起爆战斗部的计算模型，通过局部装填比这一变量，给出了偏心起爆战斗部破片的初速计算公式。采用数值模拟与试验验证结合的方法，对六分位条件下不同偏心起爆方式的破片速度增益和能量增益进行了对比，得出以中心起爆为基准，分别以邻位双线、连位三线、间位双线、偏心单线方式起爆，定向方位内破片的速度增益依次增大；邻位双线起爆时，目标方向破片速度增益达25.47%，定向区域破片动能占总能量的24.57%，能量增益超过40%。
2022, 42(5): 052301.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0305
摘要:
为了获得几种常用炸药的爆压和反应区宽度数据，采用激光干涉测试技术对TNT、PETN、RDX、HMX、TATB和CL-20炸药的稳态爆轰波界面粒子速度进行了测试，获得了高精度的界面粒子速度时程曲线，利用阻抗匹配公式计算得到了炸药的爆压。结果表明：PETN、RDX、HMX和CL-20等理想炸药的界面粒子速度曲线存在较明显的拐点，爆轰反应区较窄，反应时间为7~15 ns。TNT和TATB炸药由于存在碳凝聚慢反应过程，界面粒子速度曲线没有明显的拐点，爆轰反应时间分别为（100±15） ns和（255±20） ns。初步的不确定度分析表明，激光干涉法测试爆压的相对扩展不确定度为4.4%（包含因子k=2）。
为了获得几种常用炸药的爆压和反应区宽度数据，采用激光干涉测试技术对TNT、PETN、RDX、HMX、TATB和CL-20炸药的稳态爆轰波界面粒子速度进行了测试，获得了高精度的界面粒子速度时程曲线，利用阻抗匹配公式计算得到了炸药的爆压。结果表明：PETN、RDX、HMX和CL-20等理想炸药的界面粒子速度曲线存在较明显的拐点，爆轰反应区较窄，反应时间为7~15 ns。TNT和TATB炸药由于存在碳凝聚慢反应过程，界面粒子速度曲线没有明显的拐点，爆轰反应时间分别为（100±15） ns和（255±20） ns。初步的不确定度分析表明，激光干涉法测试爆压的相对扩展不确定度为4.4%（包含因子k=2）。
2022, 42(5): 053101.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0328
摘要:
针对提高混凝土梁抗冲击爆炸性能的起波配筋新技术，采用理论分析与动态冲击拉伸试验相结合的方法，揭示了起波钢筋的快速拉伸变形作用机理，分析了拉伸速度、起波矢高等因素对起波钢筋抗拉强度的影响规律，确定了起波钢筋静态弹性极限强度计算方法。提出了起波钢筋等效拉伸应变率新概念，建立了弹性极限强度动力放大系数（dynamic increase factors，DIF）计算模型。研究结果表明，预先弯折起波使得钢筋在受力拉直过程中产生截面弯矩，起波钢筋的力学性能存在明显的应变率效应；起波钢筋弹性抗拉极限强度DIF随起波矢高的增高先增大后减小，存在一个最优起波设计矢高，可以使起波钢筋抗拉强度动态放大系数达到最大。研究成果可为进一步推动起波配筋技术在防护工程中的应用提供依据。
针对提高混凝土梁抗冲击爆炸性能的起波配筋新技术，采用理论分析与动态冲击拉伸试验相结合的方法，揭示了起波钢筋的快速拉伸变形作用机理，分析了拉伸速度、起波矢高等因素对起波钢筋抗拉强度的影响规律，确定了起波钢筋静态弹性极限强度计算方法。提出了起波钢筋等效拉伸应变率新概念，建立了弹性极限强度动力放大系数（dynamic increase factors，DIF）计算模型。研究结果表明，预先弯折起波使得钢筋在受力拉直过程中产生截面弯矩，起波钢筋的力学性能存在明显的应变率效应；起波钢筋弹性抗拉极限强度DIF随起波矢高的增高先增大后减小，存在一个最优起波设计矢高，可以使起波钢筋抗拉强度动态放大系数达到最大。研究成果可为进一步推动起波配筋技术在防护工程中的应用提供依据。
2022, 42(5): 053102.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0292
摘要:
相较于传统透明材料，相同面密度下透明陶瓷具有更优异的抗冲击性能，使其成为极具应用前景的透明装甲防护材料。研究透明陶瓷在冲击下的破坏响应及损伤演化规律，对透明陶瓷装甲的结构设计及防护能力的提高起到至关重要的作用。为了比较传统透明材料与典型透明陶瓷材料在冲击过程中的破坏特性差异，利用9 mm弹道枪发射平台进行了浮法玻璃、YAG透明陶瓷及镁铝尖晶石透明陶瓷3种透明材料的边缘冲击试验，破片发射速度为200~300 m/s。通过高速摄影捕捉破片的撞击过程，分析了粉碎区及主裂纹扩展距离随时间的变化规律。结果表明，3种材料在不同速度破片的冲击作用下，粉碎区面积与材料强度呈负相关性。对同种材料，在200~300 m/s速度范围内，破片撞击速度对主裂纹的扩展速度没有影响。同时比较了玻璃与透明陶瓷在宏观尺度上的损伤演化特征差异：玻璃在粉碎区两侧产生三角形的次裂纹区域，陶瓷材料则会产生细长的次裂纹簇，并会产生较明显的裂纹“分叉”现象。利用扫描电子显微镜对回收到的陶瓷碎片进行观测，并分析了2种透明陶瓷材料在细观尺度破坏特征的异同。2种透明陶瓷的径向裂纹断面上会出现从沿晶断裂到穿晶断裂的过渡变化，而环向断裂面上几乎都是沿晶和穿晶混合断裂。2种透明陶瓷中，仅YAG透明陶瓷在沿晶断裂时会出现晶体“剥落”现象。
相较于传统透明材料，相同面密度下透明陶瓷具有更优异的抗冲击性能，使其成为极具应用前景的透明装甲防护材料。研究透明陶瓷在冲击下的破坏响应及损伤演化规律，对透明陶瓷装甲的结构设计及防护能力的提高起到至关重要的作用。为了比较传统透明材料与典型透明陶瓷材料在冲击过程中的破坏特性差异，利用9 mm弹道枪发射平台进行了浮法玻璃、YAG透明陶瓷及镁铝尖晶石透明陶瓷3种透明材料的边缘冲击试验，破片发射速度为200~300 m/s。通过高速摄影捕捉破片的撞击过程，分析了粉碎区及主裂纹扩展距离随时间的变化规律。结果表明，3种材料在不同速度破片的冲击作用下，粉碎区面积与材料强度呈负相关性。对同种材料，在200~300 m/s速度范围内，破片撞击速度对主裂纹的扩展速度没有影响。同时比较了玻璃与透明陶瓷在宏观尺度上的损伤演化特征差异：玻璃在粉碎区两侧产生三角形的次裂纹区域，陶瓷材料则会产生细长的次裂纹簇，并会产生较明显的裂纹“分叉”现象。利用扫描电子显微镜对回收到的陶瓷碎片进行观测，并分析了2种透明陶瓷材料在细观尺度破坏特征的异同。2种透明陶瓷的径向裂纹断面上会出现从沿晶断裂到穿晶断裂的过渡变化，而环向断裂面上几乎都是沿晶和穿晶混合断裂。2种透明陶瓷中，仅YAG透明陶瓷在沿晶断裂时会出现晶体“剥落”现象。
2022, 42(5): 053201.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0494
摘要:
为探究周向通气对回转体入水表面载荷的影响，基于VOF(volume of fluid)模型和Realizable k-ε两层湍流模型，开展了周向通气回转体低速入水流场演化数值预报和表面载荷特性分析。通过将数值预报的空泡形态与试验结果相对比，验证了所采用的数值方法的有效性，并分析了不同通气率对空泡形态、流场特性和表面载荷特性的影响。结果表明，通气会改变回转体入水空泡演化过程以及侧壁表面压力，在通气作用下空泡第一次脱落时间延缓，并且通气气体流向空化器后方负压区，改善了空化器后方的负压情况；其次，通气气体在通气口附近形成了明显的涡结构，之后与壁面处由空化器形成的涡融合，增强了空泡中部的涡流强度；最后，通气率越大，空泡闭合时间越晚，空泡体积越大，尾部空泡越不容易发生脱落，同时通气会减缓回转体表面的压力波动，通气率越大压力波动越小。综合分析可以认为，侧向通气对于回转体低速入水流场及表面载荷特性有一定的改善作用。
为探究周向通气对回转体入水表面载荷的影响，基于VOF(volume of fluid)模型和Realizable k-ε两层湍流模型，开展了周向通气回转体低速入水流场演化数值预报和表面载荷特性分析。通过将数值预报的空泡形态与试验结果相对比，验证了所采用的数值方法的有效性，并分析了不同通气率对空泡形态、流场特性和表面载荷特性的影响。结果表明，通气会改变回转体入水空泡演化过程以及侧壁表面压力，在通气作用下空泡第一次脱落时间延缓，并且通气气体流向空化器后方负压区，改善了空化器后方的负压情况；其次，通气气体在通气口附近形成了明显的涡结构，之后与壁面处由空化器形成的涡融合，增强了空泡中部的涡流强度；最后，通气率越大，空泡闭合时间越晚，空泡体积越大，尾部空泡越不容易发生脱落，同时通气会减缓回转体表面的压力波动，通气率越大压力波动越小。综合分析可以认为，侧向通气对于回转体低速入水流场及表面载荷特性有一定的改善作用。
2022, 42(5): 053202.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0485
摘要:
针对数值计算中水介质初始参数设置对水下爆炸载荷特性的影响开展了深入分析。基于参考状态参数确定了水介质状态方程形式；从热力学角度分析了常用的两种初始参数设置方式，提出了一种按等温假设设置初始参数的方式，并对LS-DYNA中INITIAL_EOS_ALE关键字给出的参数设置结果进行了分析；采用LS-DYNA程序进行一维球形装药水下爆炸数值计算，分析了3种设置方式下爆炸载荷特性的差异，并与已有研究成果进行了对比。结果表明：当仅改变水介质内能项时，参数按等容过程变化，流场压力源于外界传热，与实际深水环境严重不符；INITIAL_EOS_ALE关键字给出的参数设置结果与仅改变水介质密度（等内能过程）接近，水温变化规律与真实环境不符；按等内能过程和等温过程设置初始参数时，水下爆炸载荷特性计算结果基本相同，与已有成果吻合；综合分析认为，按等温形式进行初始参数设置方式较优。研究成果可为水下爆炸尤其是深水爆炸数值仿真提供参考。
针对数值计算中水介质初始参数设置对水下爆炸载荷特性的影响开展了深入分析。基于参考状态参数确定了水介质状态方程形式；从热力学角度分析了常用的两种初始参数设置方式，提出了一种按等温假设设置初始参数的方式，并对LS-DYNA中INITIAL_EOS_ALE关键字给出的参数设置结果进行了分析；采用LS-DYNA程序进行一维球形装药水下爆炸数值计算，分析了3种设置方式下爆炸载荷特性的差异，并与已有研究成果进行了对比。结果表明：当仅改变水介质内能项时，参数按等容过程变化，流场压力源于外界传热，与实际深水环境严重不符；INITIAL_EOS_ALE关键字给出的参数设置结果与仅改变水介质密度（等内能过程）接近，水温变化规律与真实环境不符；按等内能过程和等温过程设置初始参数时，水下爆炸载荷特性计算结果基本相同，与已有成果吻合；综合分析认为，按等温形式进行初始参数设置方式较优。研究成果可为水下爆炸尤其是深水爆炸数值仿真提供参考。
2022, 42(5): 053203.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0206
摘要:
海上作战时，近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律，开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明，气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着，基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟，结果表明：爆距在0.821～0.867倍最大气泡半径时，存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点；固支方板加快了气泡坍塌的进程，炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早；射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小，并在临界点附近达到最大值，射流速度最大可达621 m/s，射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后，给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。
海上作战时，近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律，开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明，气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着，基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟，结果表明：爆距在0.821～0.867倍最大气泡半径时，存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点；固支方板加快了气泡坍塌的进程，炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早；射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小，并在临界点附近达到最大值，射流速度最大可达621 m/s，射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后，给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。
2022, 42(5): 053204.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0269
摘要:
为了提升高压功率模块在高速冲击环境中的结构可靠性，研究了高压功率模块采用不同固定方式的抗冲击特性。基于一维应力波条件，针对模块在自由式霍普金森杆系统中的运动响应以及能量转换形式进行理论分析，完成了模块的变形能与动能结果对比。采用有限元方法模拟了20 m/s冲击速度下模块的运动和变形过程，提取关键结构的应力分布、挠度、位移响应速度和加速度响应曲线，其中应力响应最高位置在陶瓷基板层，达到427 MPa，挠度响应最高位置在金属底板层，达到了773.8 μm，模块整体位移速度最高达到17.68 m/s，加速度最高达到51 110.7g。对比4种固定方式的冲击响应结果，模块冲击后底板变形量由小到大分别为面贴装固定、四角点固定、短边两点固定和长边两点固定，面贴装模块的位移动能和加速度峰值最大。结果表明采用面贴装固定的模块在冲击加速度载荷下发生变形失效的可能性最小，面贴装在四种固定方式中是可靠性最高的安装方式，之后的选择优先度分别是四角点固定、短边两点固定和长边两点固定。研究成果为半导体高压功率模块在实际应用中的安装固定方式选择提供了重要理论依据。
为了提升高压功率模块在高速冲击环境中的结构可靠性，研究了高压功率模块采用不同固定方式的抗冲击特性。基于一维应力波条件，针对模块在自由式霍普金森杆系统中的运动响应以及能量转换形式进行理论分析，完成了模块的变形能与动能结果对比。采用有限元方法模拟了20 m/s冲击速度下模块的运动和变形过程，提取关键结构的应力分布、挠度、位移响应速度和加速度响应曲线，其中应力响应最高位置在陶瓷基板层，达到427 MPa，挠度响应最高位置在金属底板层，达到了773.8 μm，模块整体位移速度最高达到17.68 m/s，加速度最高达到51 110.7g。对比4种固定方式的冲击响应结果，模块冲击后底板变形量由小到大分别为面贴装固定、四角点固定、短边两点固定和长边两点固定，面贴装模块的位移动能和加速度峰值最大。结果表明采用面贴装固定的模块在冲击加速度载荷下发生变形失效的可能性最小，面贴装在四种固定方式中是可靠性最高的安装方式，之后的选择优先度分别是四角点固定、短边两点固定和长边两点固定。研究成果为半导体高压功率模块在实际应用中的安装固定方式选择提供了重要理论依据。
2022, 42(5): 053205.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0452
摘要:
对于受轴向冲击载荷作用的薄壁圆管动态响应的相似律问题，由于圆管的薄壁特性导致厚度无法与高度和半径按相同的比例进行结构缩放，从而产生模型的几何畸变，此时传统的相似律已无法描述原型与畸变模型之间的动态响应规律。基于薄壁圆管轴向冲击问题的控制方程，通过能量守恒和量纲分析，推导了考虑几何畸变条件下轴向冲击载荷作用的理想弹塑性薄壁圆管动态响应的相似律。通过在给定应变与应变率区间上建立比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系，将几何畸变相似律进一步推广至包含应变率和应变硬化的材料。通过数值方法验证了提出的几何畸变模型相似律的适用性。分析结果表明，提出的考虑厚度畸变的受轴向冲击薄壁圆管的相似律可用于预测原型结构的冲击动态响应，并显著降低比例模型与原型结构平均载荷和能量的偏差。
对于受轴向冲击载荷作用的薄壁圆管动态响应的相似律问题，由于圆管的薄壁特性导致厚度无法与高度和半径按相同的比例进行结构缩放，从而产生模型的几何畸变，此时传统的相似律已无法描述原型与畸变模型之间的动态响应规律。基于薄壁圆管轴向冲击问题的控制方程，通过能量守恒和量纲分析，推导了考虑几何畸变条件下轴向冲击载荷作用的理想弹塑性薄壁圆管动态响应的相似律。通过在给定应变与应变率区间上建立比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系，将几何畸变相似律进一步推广至包含应变率和应变硬化的材料。通过数值方法验证了提出的几何畸变模型相似律的适用性。分析结果表明，提出的考虑厚度畸变的受轴向冲击薄壁圆管的相似律可用于预测原型结构的冲击动态响应，并显著降低比例模型与原型结构平均载荷和能量的偏差。
2022, 42(5): 053206.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0279
摘要:
在评估弹药在高原的爆炸威力时，需要考虑高海拔条件对炸药爆炸冲击波参数的影响。为研究高海拔低气压条件下的冲击波传播规律，开展了模拟海拔高度h=500, 2 500, 4 500 m等3种气压条件下的爆炸冲击波测试实验。结果表明，当环境气压每下降20%时，冲击波超压、比冲量和到达时间平均降低约9%、10%和6%。将使用Sachs因子修正后的计算结果与测试数据进行对比分析，发现该方法能较好地预测不同环境条件下的爆炸冲击波参数。进一步分析了环境温度的影响，发现初始温度升高会使到达时间提前，本文实验的温度条件对超压和比冲量的影响并不显著。该研究结果对战斗部在高海拔的爆炸威力评估具有参考意义。
在评估弹药在高原的爆炸威力时，需要考虑高海拔条件对炸药爆炸冲击波参数的影响。为研究高海拔低气压条件下的冲击波传播规律，开展了模拟海拔高度h=500, 2 500, 4 500 m等3种气压条件下的爆炸冲击波测试实验。结果表明，当环境气压每下降20%时，冲击波超压、比冲量和到达时间平均降低约9%、10%和6%。将使用Sachs因子修正后的计算结果与测试数据进行对比分析，发现该方法能较好地预测不同环境条件下的爆炸冲击波参数。进一步分析了环境温度的影响，发现初始温度升高会使到达时间提前，本文实验的温度条件对超压和比冲量的影响并不显著。该研究结果对战斗部在高海拔的爆炸威力评估具有参考意义。
2022, 42(5): 053301.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0307
摘要:
高性能纤维织物承力层承担充气舱的内压载荷，并为充气舱提供空间碎片防护。充气舱内压载荷将导致纤维织物承力层产生预张力，并对纤维织物的空间碎片超高速碰撞特性产生显著影响，从而影响其空间碎片防护性能。为分析预张力对纤维织物超高速碰撞过程中热-力学特性的影响，采用Johnson-Cook强度模型和Mie-Grüneisen状态方程建立了纤维材料热-力耦合材料模型，利用有限元法-光滑粒子流体动力学耦合算法对纤维织物的纱线编织结构进行离散建模，并通过施加张力载荷实现纤维织物靶板的预拉伸，进而建立了预张力纤维织物超高速碰撞数值模型，分析并得到了预张力作用下纤维织物超高速碰撞热-力学特性及空间碎片防护性能。结果表明：在弹丸超高速碰撞下，随着预张力的提高，纤维织物穿孔面积增大，碎片云扩散角减小，弹丸动能吸收率降低，碰撞区域温度降低。预张力的存在显著降低了纤维织物的空间碎片防护性能。
高性能纤维织物承力层承担充气舱的内压载荷，并为充气舱提供空间碎片防护。充气舱内压载荷将导致纤维织物承力层产生预张力，并对纤维织物的空间碎片超高速碰撞特性产生显著影响，从而影响其空间碎片防护性能。为分析预张力对纤维织物超高速碰撞过程中热-力学特性的影响，采用Johnson-Cook强度模型和Mie-Grüneisen状态方程建立了纤维材料热-力耦合材料模型，利用有限元法-光滑粒子流体动力学耦合算法对纤维织物的纱线编织结构进行离散建模，并通过施加张力载荷实现纤维织物靶板的预拉伸，进而建立了预张力纤维织物超高速碰撞数值模型，分析并得到了预张力作用下纤维织物超高速碰撞热-力学特性及空间碎片防护性能。结果表明：在弹丸超高速碰撞下，随着预张力的提高，纤维织物穿孔面积增大，碎片云扩散角减小，弹丸动能吸收率降低，碰撞区域温度降低。预张力的存在显著降低了纤维织物的空间碎片防护性能。
2022, 42(5): 053302.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0278
摘要:
装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能，对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先，开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数，并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式，验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后，确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度，并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。
装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能，对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先，开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数，并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式，验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后，确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度，并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。
2022, 42(5): 053303.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0310
摘要:
基于对超高压水射流喷头的外部参数定量化分析，给出关于射流核心参数的优选方法，旨在提高水射流效率。首先，根据超高压水射流除锈喷嘴的工作特点，考虑到水的压缩性和空化效应，建立单束定冲角、多束旋转喷头的三维数值模型，通过改变靶距、入射角度、转速等外部特征参数，实施了超高压水射流除锈喷头水动力性能模拟研究。然后，重点分析单束定冲角喷嘴靶距、入射角度对靶面剪切应力、打击压强分布的影响，以及射流等速核长度与最佳射流靶距的关系。发现当靶距等于喷嘴射流等速核长度时，壁面剪切应力达到最佳水平。此外，通过分析高速旋转射流卷吸效应、靶面水垫作用对靶面所受剪切应力、打击压强分布的影响，得到最佳转速范围和对应线速度。初步阐明了射流冲击剥离的机理、单束定冲角以及多束旋转射流的特征参数对射流效果的影响，可为超高压除锈喷头的设计、装配提供参考。
基于对超高压水射流喷头的外部参数定量化分析，给出关于射流核心参数的优选方法，旨在提高水射流效率。首先，根据超高压水射流除锈喷嘴的工作特点，考虑到水的压缩性和空化效应，建立单束定冲角、多束旋转喷头的三维数值模型，通过改变靶距、入射角度、转速等外部特征参数，实施了超高压水射流除锈喷头水动力性能模拟研究。然后，重点分析单束定冲角喷嘴靶距、入射角度对靶面剪切应力、打击压强分布的影响，以及射流等速核长度与最佳射流靶距的关系。发现当靶距等于喷嘴射流等速核长度时，壁面剪切应力达到最佳水平。此外，通过分析高速旋转射流卷吸效应、靶面水垫作用对靶面所受剪切应力、打击压强分布的影响，得到最佳转速范围和对应线速度。初步阐明了射流冲击剥离的机理、单束定冲角以及多束旋转射流的特征参数对射流效果的影响，可为超高压除锈喷头的设计、装配提供参考。
2022, 42(5): 055201.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0414
摘要:
地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间，有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制，提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性，并在此基础上，通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟，分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明：插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足，且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤，能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例，根据数值模拟结果，填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显，破碎区比例半径为0.26 m/kg1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg1/3。随着硐室尺寸的增大，空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用，比例半径达到0.52 m/kg1/3时，可以实现爆炸荷载的完全解耦。
地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间，有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制，提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性，并在此基础上，通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟，分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明：插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足，且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤，能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例，根据数值模拟结果，填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显，破碎区比例半径为0.26 m/kg1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg1/3。随着硐室尺寸的增大，空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用，比例半径达到0.52 m/kg1/3时，可以实现爆炸荷载的完全解耦。
