2017年 37卷 第6期
2017, 37(6): 893-900.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0893-08
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摘要:
针对爆轰流体力学数值模拟过程中输入参数的不确定性, 通过抽样技术, 形成确定性爆轰流体力学程序的各种输入和数值求解, 建立输入参数与输出响应量的样本, 再通过概率框架下的误差累积分布函数与马尾图, 给出了爆轰数值模拟过程中输入参数不确定度对模拟结果影响的置信度量化方法。通过一维黎曼问题、平面爆轰问题计算了误差马尾图, 给出了二维爆轰拉氏自适应流体动力学LAD2D程序计算网格与模拟结果置信度的关系, 对多物理爆轰过程发展高置信度数值模拟软件有很好的借鉴作用。
针对爆轰流体力学数值模拟过程中输入参数的不确定性, 通过抽样技术, 形成确定性爆轰流体力学程序的各种输入和数值求解, 建立输入参数与输出响应量的样本, 再通过概率框架下的误差累积分布函数与马尾图, 给出了爆轰数值模拟过程中输入参数不确定度对模拟结果影响的置信度量化方法。通过一维黎曼问题、平面爆轰问题计算了误差马尾图, 给出了二维爆轰拉氏自适应流体动力学LAD2D程序计算网格与模拟结果置信度的关系, 对多物理爆轰过程发展高置信度数值模拟软件有很好的借鉴作用。
2017, 37(6): 901-906.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0901-06
摘要:
应变增长现象威胁容器安全，研究应变增长现象的极限情况对爆炸容器的安全应用非常重要。本文中开展了球形容器爆炸加载实验，获得了应变增长系数达到6.1的应变数据，并利用数值模拟分析球壳弹性变形范围内振动模态叠加形成的应变增长现象的极限情况。研究表明：(1)应变增长现象符合几何相似律，影响应变增长的因素包括扰动源类型、扰动源半径与球壳半径之比、球壳厚度与球壳半径之比、第一个应变峰等，其中扰动源参数是主要影响因素。(2)当扰动源位移被完全约束、扰动源半径等于球壳半径时，球壳上可能的应变增长系数接近12。
应变增长现象威胁容器安全，研究应变增长现象的极限情况对爆炸容器的安全应用非常重要。本文中开展了球形容器爆炸加载实验，获得了应变增长系数达到6.1的应变数据，并利用数值模拟分析球壳弹性变形范围内振动模态叠加形成的应变增长现象的极限情况。研究表明：(1)应变增长现象符合几何相似律，影响应变增长的因素包括扰动源类型、扰动源半径与球壳半径之比、球壳厚度与球壳半径之比、第一个应变峰等，其中扰动源参数是主要影响因素。(2)当扰动源位移被完全约束、扰动源半径等于球壳半径时，球壳上可能的应变增长系数接近12。
2017, 37(6): 907-914.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0907-08
摘要:
基于爆破振动实测数据, 通过小波分析方法, 得到不同数量自由面爆破振动信号的总能量、各频带的峰值质点振动速度(PPV)及各频带能量, 进而对不同数量自由面爆破振动信号的能量分布特性进行研究。结果表明：开(掏)槽爆破, 由于受单一自由面限制, 大部分炸药爆炸的能量都将作为地震能量消耗掉；自由面越多, 爆破振动信号总能量越少；自由面的数量可影响各频带振动分量分布, 随自由面数量的增加, 爆破振动能量更趋向高频分布, 中低频能量有减少趋势, 振动速度降低；同一振动信号中的高频带PPV虽比低频带PPV高, 但振动持续时间短, 能量衰减较快。建议在工程爆破的减振设计中, 优化起爆方案, 尽量利用多个自由面, 这将比仅仅减少单段起爆药量更有效。
基于爆破振动实测数据, 通过小波分析方法, 得到不同数量自由面爆破振动信号的总能量、各频带的峰值质点振动速度(PPV)及各频带能量, 进而对不同数量自由面爆破振动信号的能量分布特性进行研究。结果表明：开(掏)槽爆破, 由于受单一自由面限制, 大部分炸药爆炸的能量都将作为地震能量消耗掉；自由面越多, 爆破振动信号总能量越少；自由面的数量可影响各频带振动分量分布, 随自由面数量的增加, 爆破振动能量更趋向高频分布, 中低频能量有减少趋势, 振动速度降低；同一振动信号中的高频带PPV虽比低频带PPV高, 但振动持续时间短, 能量衰减较快。建议在工程爆破的减振设计中, 优化起爆方案, 尽量利用多个自由面, 这将比仅仅减少单段起爆药量更有效。
2017, 37(6): 915-923.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0915-09
摘要:
为了研究CL-20基混合炸药的冲击起爆特征，深入分析冲击波作用下CL-20基混合炸药的爆轰成长规律，采用炸药驱动飞片冲击起爆实验方法，对CL-20、CL-20/NTO和CL-20/FOX-7三种压装混合炸药进行了冲击起爆实验，通过嵌入在炸药内部不同位置处的锰铜压力传感器，获得了炸药内部压力的变化历程。依据实验结果标定了混合炸药的点火增长模型参数，其中，利用反应速率方程中的两个增长项，分别模拟CL-20/NTO和CL-20/FOX-7混合炸药中两种组分的反应增长过程，得到这两种混合炸药的反应速率方程参数。并通过数值模拟的方法得到了三种炸药的临界起爆阈值和POP关系。研究结果表明：三种CL-20基混合炸药中，CL-20/NTO混合炸药具有更高的临界起爆阈值，而CL-20/FOX-7混合炸药具有更长的爆轰成长距离；此外，利用此套拟合双组分混合炸药反应速率方程的方法，可以对新型配方炸药的冲击起爆过程进行预测性计算
为了研究CL-20基混合炸药的冲击起爆特征，深入分析冲击波作用下CL-20基混合炸药的爆轰成长规律，采用炸药驱动飞片冲击起爆实验方法，对CL-20、CL-20/NTO和CL-20/FOX-7三种压装混合炸药进行了冲击起爆实验，通过嵌入在炸药内部不同位置处的锰铜压力传感器，获得了炸药内部压力的变化历程。依据实验结果标定了混合炸药的点火增长模型参数，其中，利用反应速率方程中的两个增长项，分别模拟CL-20/NTO和CL-20/FOX-7混合炸药中两种组分的反应增长过程，得到这两种混合炸药的反应速率方程参数。并通过数值模拟的方法得到了三种炸药的临界起爆阈值和POP关系。研究结果表明：三种CL-20基混合炸药中，CL-20/NTO混合炸药具有更高的临界起爆阈值，而CL-20/FOX-7混合炸药具有更长的爆轰成长距离；此外，利用此套拟合双组分混合炸药反应速率方程的方法，可以对新型配方炸药的冲击起爆过程进行预测性计算
2017, 37(6): 924-930.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0924-07
摘要:
基于标准20 L球形爆炸装置，在相同测试条件下, 分别测量了石松子粉尘、甲烷和不同浓度配比的甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限，并将测试结果与Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method等混合体系爆炸下限预测结果进行了对比。结果表明：低于爆炸下限的甲烷和低于爆炸下限的石松子粉尘混合后仍具有爆炸危险性。石松子粉尘爆炸下限随混合体系中甲烷体积分数的增高而减小。Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method均不能准确预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。Le Chatelier’s law对甲烷体积分数φ与甲烷爆炸下限φL之比φ/φL＜0.5的混合体系爆炸下限的预测值偏小，而对φ/φL＞0.5的混合体系预测值偏大；Bartknecht curve在预测φ/φL＞0.5的混合体系爆炸下限时适用性较好，而对于φ/φL＜0.5的混合体系预测值偏小；Jiang method不适用于预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。
基于标准20 L球形爆炸装置，在相同测试条件下, 分别测量了石松子粉尘、甲烷和不同浓度配比的甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限，并将测试结果与Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method等混合体系爆炸下限预测结果进行了对比。结果表明：低于爆炸下限的甲烷和低于爆炸下限的石松子粉尘混合后仍具有爆炸危险性。石松子粉尘爆炸下限随混合体系中甲烷体积分数的增高而减小。Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method均不能准确预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。Le Chatelier’s law对甲烷体积分数φ与甲烷爆炸下限φL之比φ/φL＜0.5的混合体系爆炸下限的预测值偏小，而对φ/φL＞0.5的混合体系预测值偏大；Bartknecht curve在预测φ/φL＞0.5的混合体系爆炸下限时适用性较好，而对于φ/φL＜0.5的混合体系预测值偏小；Jiang method不适用于预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。
2017, 37(6): 931-938.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0931-08
摘要:
通过化爆地震波信号的时频分析可以获取丰富的地下岩层信息，为进一步的化爆地震波特性研究提供支撑。本文中利用爆炸地震波信号的非平稳随机特性，提出一种改进的匹配追踪算法(matching pursuits)，该方法能更有效地获取化爆地震波信号的时频信息。该算法首先对地震波信号进行Hibert变换，将其转换成复数信号，获得爆炸地震波信号瞬时频率相位参数，再进行子波分解，从而显著提高了匹配追踪算法的运算速率；用分解后的信号计算其魏格纳威利分布(Wigner Ville distribution)，有效地消除了交叉干扰项的影响。将该方法用于实测地震波信号的时频分析，获得了分辨率较高的时频分布图，且运算速率大大提高。
通过化爆地震波信号的时频分析可以获取丰富的地下岩层信息，为进一步的化爆地震波特性研究提供支撑。本文中利用爆炸地震波信号的非平稳随机特性，提出一种改进的匹配追踪算法(matching pursuits)，该方法能更有效地获取化爆地震波信号的时频信息。该算法首先对地震波信号进行Hibert变换，将其转换成复数信号，获得爆炸地震波信号瞬时频率相位参数，再进行子波分解，从而显著提高了匹配追踪算法的运算速率；用分解后的信号计算其魏格纳威利分布(Wigner Ville distribution)，有效地消除了交叉干扰项的影响。将该方法用于实测地震波信号的时频分析，获得了分辨率较高的时频分布图，且运算速率大大提高。
2017, 37(6): 939-945.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0939-07
摘要:
为快速、准确地评价爆破振动诱发民房结构损伤效应，借鉴随机森林理论并结合工程实际，建立露采爆破振动诱发民房结构损伤识别的随机森林模型；综合考虑爆破参数、爆破振动特征参量及房屋结构动力特性等因素，选取质点峰值振动速度、主频率、主频率持续时间、段药量、爆心距、施工质量参数、场地条件参数、屋盖形式参数、砖墙面积率、民房高度、灰缝强度和圈梁构造柱参数等12个影响因素作为模型输入，将砖混结构建筑物的损害等级作为模型输出；基于多分类器集成的思想，以108组爆破振动实测数据作为学习样本进行训练，建模过程中由多个决策树集成随机森林、用投票的方式实现对民房结构损伤有效识别；用12组现场数据验证模型的有效性；在对样本分类的同时，计算预测变量的重要性值，发现质点峰值振动速度为最重要的评价指标，其后依次为爆心距，主频率持续时间，主频率，圈梁构造柱参数，灰缝强度，屋盖形式参数，民房高度，段药量，施工质量参数，砖墙面积率和场地条件参数。研究结果表明：随机森林模型预测结果学习样本准确度是87.97%，而测试集准确度是91.67%，与实际情况吻合较好，预测精度较高。
为快速、准确地评价爆破振动诱发民房结构损伤效应，借鉴随机森林理论并结合工程实际，建立露采爆破振动诱发民房结构损伤识别的随机森林模型；综合考虑爆破参数、爆破振动特征参量及房屋结构动力特性等因素，选取质点峰值振动速度、主频率、主频率持续时间、段药量、爆心距、施工质量参数、场地条件参数、屋盖形式参数、砖墙面积率、民房高度、灰缝强度和圈梁构造柱参数等12个影响因素作为模型输入，将砖混结构建筑物的损害等级作为模型输出；基于多分类器集成的思想，以108组爆破振动实测数据作为学习样本进行训练，建模过程中由多个决策树集成随机森林、用投票的方式实现对民房结构损伤有效识别；用12组现场数据验证模型的有效性；在对样本分类的同时，计算预测变量的重要性值，发现质点峰值振动速度为最重要的评价指标，其后依次为爆心距，主频率持续时间，主频率，圈梁构造柱参数，灰缝强度，屋盖形式参数，民房高度，段药量，施工质量参数，砖墙面积率和场地条件参数。研究结果表明：随机森林模型预测结果学习样本准确度是87.97%，而测试集准确度是91.67%，与实际情况吻合较好，预测精度较高。
2017, 37(6): 946-951.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0946-06
摘要:
对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟，得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面，对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变，实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。
对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟，得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面，对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变，实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。
2017, 37(6): 952-958.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0952-07
摘要:
采用数字激光动态焦散线测试系统，研究爆炸应力波作用下动裂纹与预制静裂纹(水平夹角为90°、150°)相互作用机理，以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:(1)在动、静裂纹贯通之前，静裂纹两端便出现焦散斑，动、静裂纹贯通以后，静裂纹沿爆炸应力波传播方向扩展，并且扩展速度小于动裂纹扩展速度，也小于无静裂纹时动裂纹扩展速度; (2)静裂纹存在时，动裂纹扩展的总体长度减小。动裂纹起裂时间缩短，扩展速度基本不受静裂纹的影响，裂纹应力强度因子值大于静裂纹两端值; (3)随着静裂纹水平夹角的增大，动、静裂纹贯通时动裂纹沿水平方向偏转距离增大，静裂纹B端反向扩展与动裂纹相互“咬合”，C端裂纹扩展位移和速度增大。
采用数字激光动态焦散线测试系统，研究爆炸应力波作用下动裂纹与预制静裂纹(水平夹角为90°、150°)相互作用机理，以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:(1)在动、静裂纹贯通之前，静裂纹两端便出现焦散斑，动、静裂纹贯通以后，静裂纹沿爆炸应力波传播方向扩展，并且扩展速度小于动裂纹扩展速度，也小于无静裂纹时动裂纹扩展速度; (2)静裂纹存在时，动裂纹扩展的总体长度减小。动裂纹起裂时间缩短，扩展速度基本不受静裂纹的影响，裂纹应力强度因子值大于静裂纹两端值; (3)随着静裂纹水平夹角的增大，动、静裂纹贯通时动裂纹沿水平方向偏转距离增大，静裂纹B端反向扩展与动裂纹相互“咬合”，C端裂纹扩展位移和速度增大。
2017, 37(6): 959-965.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0959-07
摘要:
为探讨破片高速侵彻中厚背水钢板的剩余特性，通过弹道实验，分析了弹体和靶板的破坏模式，比较了破片侵彻垂直和倾斜背水钢板后的瞬时余速和运动轨迹, 以及由此引起的初始冲击波的压力特性。结果表明，破片在高速侵彻下，头部产生了严重的镦粗变形，钢板背后水介质的动支撑作用不容忽视；背水钢板的破坏模式主要为剪切冲塞破坏，背弹面穿孔存在绝热剪切效应；破片穿透背水钢板初期，会产生空泡和射流，空泡大小和射流强度与破片入水初速有关，而空泡形状和射流方向则受背水钢板的倾斜角度影响；破片穿透背水钢板后，在水中的运动轨迹会发生偏转，偏转方向与破片入水初速有关；由于水介质的动支撑作用和动能耗散效应，破片穿透背水钢板后的动能损失要大于穿透背空钢板的情形；水中初始冲击波的压力特性应考虑稀疏波的影响；相同初速下，破片侵彻垂直背水钢板引起的初始冲击波的峰值压力较侵彻倾斜背水钢板要大。
为探讨破片高速侵彻中厚背水钢板的剩余特性，通过弹道实验，分析了弹体和靶板的破坏模式，比较了破片侵彻垂直和倾斜背水钢板后的瞬时余速和运动轨迹, 以及由此引起的初始冲击波的压力特性。结果表明，破片在高速侵彻下，头部产生了严重的镦粗变形，钢板背后水介质的动支撑作用不容忽视；背水钢板的破坏模式主要为剪切冲塞破坏，背弹面穿孔存在绝热剪切效应；破片穿透背水钢板初期，会产生空泡和射流，空泡大小和射流强度与破片入水初速有关，而空泡形状和射流方向则受背水钢板的倾斜角度影响；破片穿透背水钢板后，在水中的运动轨迹会发生偏转，偏转方向与破片入水初速有关；由于水介质的动支撑作用和动能耗散效应，破片穿透背水钢板后的动能损失要大于穿透背空钢板的情形；水中初始冲击波的压力特性应考虑稀疏波的影响；相同初速下，破片侵彻垂直背水钢板引起的初始冲击波的峰值压力较侵彻倾斜背水钢板要大。
2017, 37(6): 966-975.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0966-10
摘要:
针对露天矿山台阶爆破地形和地质条件的复杂性, 分析了地形对爆破地震波传播路径的影响, 提出了等效路径及等效距离两个概念。同时考虑岩石波阻抗和岩体的完整性系数及最大一段装药量与炸药的定容爆热等因素的影响, 构建了露天台阶爆破地震波地表质点振速峰值随等效距离衰减的表达式。通过矿山爆破震动监测检验, 发现用该公式预测地表质点振速峰值, 能够适应实际地形和地质条件的变化, 预测结果的准确性显著高于萨氏公式, 表明该公式较好地反映了质点振速峰值沿等效路径衰减的基本规律, 为台阶爆破地震波质点振速峰值预测提供了一种新方法。
针对露天矿山台阶爆破地形和地质条件的复杂性, 分析了地形对爆破地震波传播路径的影响, 提出了等效路径及等效距离两个概念。同时考虑岩石波阻抗和岩体的完整性系数及最大一段装药量与炸药的定容爆热等因素的影响, 构建了露天台阶爆破地震波地表质点振速峰值随等效距离衰减的表达式。通过矿山爆破震动监测检验, 发现用该公式预测地表质点振速峰值, 能够适应实际地形和地质条件的变化, 预测结果的准确性显著高于萨氏公式, 表明该公式较好地反映了质点振速峰值沿等效路径衰减的基本规律, 为台阶爆破地震波质点振速峰值预测提供了一种新方法。
2017, 37(6): 976-981.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0976-06
摘要:
为了测量柱形爆炸容器的动态周向大变形历程，开发了应变丝测量技术。选用性能良好的合金丝沿爆炸容器周向固定，容器膨胀变形驱动合金丝同步伸长，配合适当的电路，检测合金丝的电阻变化，从而获得容器的变形历程。在钢筒的中心进行了120 g TNT当量球形装药下的爆炸加载实验，获得了峰值超过20%的钢筒周向变形历程。测量结果与实验后钢筒变形实测结果及数值模拟结果吻合较好。
为了测量柱形爆炸容器的动态周向大变形历程，开发了应变丝测量技术。选用性能良好的合金丝沿爆炸容器周向固定，容器膨胀变形驱动合金丝同步伸长，配合适当的电路，检测合金丝的电阻变化，从而获得容器的变形历程。在钢筒的中心进行了120 g TNT当量球形装药下的爆炸加载实验，获得了峰值超过20%的钢筒周向变形历程。测量结果与实验后钢筒变形实测结果及数值模拟结果吻合较好。
2017, 37(6): 982-989.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0982-08
摘要:
利用复变函数法和波函数展开法, 对地表软覆盖层中浅埋圆形夹杂在稳态SH波作用下的动应力集中问题进行研究并给出了解析解。根据SH波散射时的衰减特性, 采用了大圆弧假定的方法, 将半空间覆盖层直线边界问题转化为曲面边界问题。通过算例分析了SH波垂直入射时, 不同入射波波数和圆夹杂与半空间的波数比对圆形夹杂周边动应力集中因子的分布和动应力集中因子最大值变化的影响。算例表明, 圆形夹杂越“软”, 其波数越大, 夹杂周边的动应力集中因子越大; 入射波波数约0.35时, 夹杂周边的最大动应力集中因子达到最大值。
利用复变函数法和波函数展开法, 对地表软覆盖层中浅埋圆形夹杂在稳态SH波作用下的动应力集中问题进行研究并给出了解析解。根据SH波散射时的衰减特性, 采用了大圆弧假定的方法, 将半空间覆盖层直线边界问题转化为曲面边界问题。通过算例分析了SH波垂直入射时, 不同入射波波数和圆夹杂与半空间的波数比对圆形夹杂周边动应力集中因子的分布和动应力集中因子最大值变化的影响。算例表明, 圆形夹杂越“软”, 其波数越大, 夹杂周边的动应力集中因子越大; 入射波波数约0.35时, 夹杂周边的最大动应力集中因子达到最大值。
2017, 37(6): 990-1000.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0990-11
摘要:
引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体，在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟，得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布，并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比，结果显示：新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究，分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性，计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。
引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体，在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟，得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布，并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比，结果显示：新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究，分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性，计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。
2017, 37(6): 1057-1064.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1057-08
摘要:
为可靠开展抗爆结构设计与评估，基于理论计算与数值分析对直坑道内爆炸冲击波荷载的计算问题进行了研究。定量对比分析了现有不同方法计算结果的差异，基于结构响应对不同方法进行了评价，并结合模型实验对近距离爆炸情况下直坑道内防护门上的设计荷载取值问题进行了研究。结果表明，在进行荷载简化时有必要考虑荷载形式与结构响应的耦合，而现有坑道内爆炸冲击波荷载的简化计算方法普遍没有考虑结构动态特性影响，且相互之间存在很大差异，严重影响设计或评估工作的可靠性；近距离爆炸情况下，取门中线上距门边1/4宽度处的压力或门上平均压力作为坑道内防护门上的设计荷载，在比较宽的结构频率范围内是合理的。研究结果可为坑道内结构的防护设计提供参考。
为可靠开展抗爆结构设计与评估，基于理论计算与数值分析对直坑道内爆炸冲击波荷载的计算问题进行了研究。定量对比分析了现有不同方法计算结果的差异，基于结构响应对不同方法进行了评价，并结合模型实验对近距离爆炸情况下直坑道内防护门上的设计荷载取值问题进行了研究。结果表明，在进行荷载简化时有必要考虑荷载形式与结构响应的耦合，而现有坑道内爆炸冲击波荷载的简化计算方法普遍没有考虑结构动态特性影响，且相互之间存在很大差异，严重影响设计或评估工作的可靠性；近距离爆炸情况下，取门中线上距门边1/4宽度处的压力或门上平均压力作为坑道内防护门上的设计荷载，在比较宽的结构频率范围内是合理的。研究结果可为坑道内结构的防护设计提供参考。
2017, 37(6): 1065-1071.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1065-07
摘要:
中压开关设备内部短路燃弧爆炸对设备、建筑物以及工作人员的安全带来了严重威胁。为提出合适的数值计算方法对短路爆炸引起的压力效应进行计算，对开关设备内部短路燃弧的能量平衡机制进行了分析；通过分析燃弧过程的热-力效应，提出了基于CFD法的间接耦合分析方法，并开展了实际封闭容器内部短路燃弧实验验证了算法的可行性。研究结果表明：实验测量与模拟计算获得的平均压强仅相差2%左右；电弧尺寸对压力升的影响较小；封闭容器内部压力升随电弧能量的增大近似线性增大；安装负压室后燃弧室的压强可降低60%左右，因此，增设负压室可有效抑制开关设备内部短路爆炸引起的压力升。
中压开关设备内部短路燃弧爆炸对设备、建筑物以及工作人员的安全带来了严重威胁。为提出合适的数值计算方法对短路爆炸引起的压力效应进行计算，对开关设备内部短路燃弧的能量平衡机制进行了分析；通过分析燃弧过程的热-力效应，提出了基于CFD法的间接耦合分析方法，并开展了实际封闭容器内部短路燃弧实验验证了算法的可行性。研究结果表明：实验测量与模拟计算获得的平均压强仅相差2%左右；电弧尺寸对压力升的影响较小；封闭容器内部压力升随电弧能量的增大近似线性增大；安装负压室后燃弧室的压强可降低60%左右，因此，增设负压室可有效抑制开关设备内部短路爆炸引起的压力升。
2017, 37(6): 1072-1079.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1072-08
摘要:
考虑断面收缩率、局域断裂应变以及平均断裂应变，并基于电磁膨胀环、爆炸膨胀环(柱壳)实验平台，研究了高纯无氧铜(TU1)环及柱壳在高应变率载荷下的膨胀断裂行为。采用高速摄影技术拍摄柱壳外壁的膨胀断裂形貌演化过程，用于确定柱壳平均断裂应变；利用激光干涉测速技术获得样品径向膨胀速度历史，用于确定加载应变率；利用样品的全回收测量及微观表征，确定了无氧铜环、柱壳的局域断裂应变及断裂模式。实验表明，随着应变率的增加，TU1材料的平均断裂应变增加，断面的收缩程度加剧，并在应变率约为1.0×104 s-1附近会出现明显的断裂模式转变，断面收缩率出现量级上的跳跃，从100变化至约103，局域断裂应变呈现明显的分区现象。
考虑断面收缩率、局域断裂应变以及平均断裂应变，并基于电磁膨胀环、爆炸膨胀环(柱壳)实验平台，研究了高纯无氧铜(TU1)环及柱壳在高应变率载荷下的膨胀断裂行为。采用高速摄影技术拍摄柱壳外壁的膨胀断裂形貌演化过程，用于确定柱壳平均断裂应变；利用激光干涉测速技术获得样品径向膨胀速度历史，用于确定加载应变率；利用样品的全回收测量及微观表征，确定了无氧铜环、柱壳的局域断裂应变及断裂模式。实验表明，随着应变率的增加，TU1材料的平均断裂应变增加，断面的收缩程度加剧，并在应变率约为1.0×104 s-1附近会出现明显的断裂模式转变，断面收缩率出现量级上的跳跃，从100变化至约103，局域断裂应变呈现明显的分区现象。
2017, 37(6): 1080-1086.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1080-07
摘要:
为探索舰船抗舱内爆炸的机理和技术手段，设计了多舱室缩比模型，开展了有水和无水介质的爆炸实验，对比了爆炸当舱水介质对爆炸反应过程、邻舱冲击波峰值、比冲量及准静态压力的影响。研究结果表明：(1)水介质对舱内爆炸邻舱冲击波峰值、比冲量和准静态压力均有明显的衰减作用；(2)在一定区间内，炸药当量越大，水介质抑制内爆炸的效果越明显；(3)水介质能有效阻碍燃烧等爆炸后续效应，影响准静态压力形成。
为探索舰船抗舱内爆炸的机理和技术手段，设计了多舱室缩比模型，开展了有水和无水介质的爆炸实验，对比了爆炸当舱水介质对爆炸反应过程、邻舱冲击波峰值、比冲量及准静态压力的影响。研究结果表明：(1)水介质对舱内爆炸邻舱冲击波峰值、比冲量和准静态压力均有明显的衰减作用；(2)在一定区间内，炸药当量越大，水介质抑制内爆炸的效果越明显；(3)水介质能有效阻碍燃烧等爆炸后续效应，影响准静态压力形成。
2017, 37(6): 1087-1092.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1087-06
摘要:
爆破振动预测是一个复杂的非线性问题，可应用非线性功能强大的BP神经网络技术来解决，但由于其数值计算量大、可操作性不强等特点，在实际工程中应用困难。为了解决该问题，本文中将Matlab程序的强大计算能力与VB的友好界面相结合，利用ActiveX自动化技术和BP神经网络算法，开发得到爆破振速峰值预测系统。该预测系统可根据各工程实际情况选取影响爆破振动的主要因素作为输入参数，以预测爆破振速峰值。通过在北京市昌平线暗挖区间隧道工程中的应用表明：该预测系统在实际工程中使用方便，操作简单，预测精度高，人机交互界面友好。
爆破振动预测是一个复杂的非线性问题，可应用非线性功能强大的BP神经网络技术来解决，但由于其数值计算量大、可操作性不强等特点，在实际工程中应用困难。为了解决该问题，本文中将Matlab程序的强大计算能力与VB的友好界面相结合，利用ActiveX自动化技术和BP神经网络算法，开发得到爆破振速峰值预测系统。该预测系统可根据各工程实际情况选取影响爆破振动的主要因素作为输入参数，以预测爆破振速峰值。通过在北京市昌平线暗挖区间隧道工程中的应用表明：该预测系统在实际工程中使用方便，操作简单，预测精度高，人机交互界面友好。
2017, 37(6): 1093-1100.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1093-08
摘要:
为预测长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变过程，采用Hertz接触理论确定靶体内部应力，将其分别应用于陶瓷锥裂纹与翼型裂纹扩展理论。通过比较两种裂纹扩展模型计算得到的界面击溃/侵彻转变速度，提出准确预测界面击溃/侵彻转变速度的理论模型。结果表明：将两种裂纹扩展理论相结合的理论模型可以合理地解释界面击溃/侵彻转变过程，转变速度计算结果与已有实验结果吻合较好。弹体半径较小时，锥裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程；弹体半径较大时，翼型裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程。
为预测长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变过程，采用Hertz接触理论确定靶体内部应力，将其分别应用于陶瓷锥裂纹与翼型裂纹扩展理论。通过比较两种裂纹扩展模型计算得到的界面击溃/侵彻转变速度，提出准确预测界面击溃/侵彻转变速度的理论模型。结果表明：将两种裂纹扩展理论相结合的理论模型可以合理地解释界面击溃/侵彻转变过程，转变速度计算结果与已有实验结果吻合较好。弹体半径较小时，锥裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程；弹体半径较大时，翼型裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程。
2017, 37(6): 1101-1106.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1101-06
摘要:
基于虚拟原点理论、冲击波反射理论和射流干扰理论，考虑液体的喷散特性和径向汇聚特性，改进并完善了射流侵彻饱含液体的单胞结构的理论模型，得到了精确的射流受干扰速度区间的表达式、液体喷散速度的表达式和液体喷散流量的表达式。通过对比理论和试验得到的射流受干扰的速度区间，证明了本文理论模型的可靠性。研究结果表明：液体的喷散和径向汇聚都会影响射流的稳定性，使射流出现颈缩和提前断裂，降低射流的剩余头部速度从而降低射流的剩余侵彻能力。
基于虚拟原点理论、冲击波反射理论和射流干扰理论，考虑液体的喷散特性和径向汇聚特性，改进并完善了射流侵彻饱含液体的单胞结构的理论模型，得到了精确的射流受干扰速度区间的表达式、液体喷散速度的表达式和液体喷散流量的表达式。通过对比理论和试验得到的射流受干扰的速度区间，证明了本文理论模型的可靠性。研究结果表明：液体的喷散和径向汇聚都会影响射流的稳定性，使射流出现颈缩和提前断裂，降低射流的剩余头部速度从而降低射流的剩余侵彻能力。
2017, 37(6): 1107-1112.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1107-06
摘要:
为了探究埋头弹火炮所用的玻璃纤维增强型(GFR)复合材料药筒在高温高压瞬态冲击条件下的结构强度，分别开展了圆筒静态整体拉伸和动态高温高压冲击实验，从拉伸/瞬态超高压破坏试样断口部分截取断口样品，在扫描电子显微镜下观察断口形貌，得到GFR复合材料在两种不同受力情况下的失效模式。结果表明：室温整体单轴拉伸断裂时，GFR复合材料的断面与轴线夹角接近45°, 失效模式为环氧树脂基体破坏和纤维拔出；在高压瞬态冲击作用下，试样主要失效模式为纤维的脆性断裂，同时由于火药燃烧产生的高温燃气使部分环氧树脂基体碳化，纤维与基体界面结合力降低，少数纤维熔融或软化附着在断口上，部分软化的纤维因瞬态超高压被拉细。
为了探究埋头弹火炮所用的玻璃纤维增强型(GFR)复合材料药筒在高温高压瞬态冲击条件下的结构强度，分别开展了圆筒静态整体拉伸和动态高温高压冲击实验，从拉伸/瞬态超高压破坏试样断口部分截取断口样品，在扫描电子显微镜下观察断口形貌，得到GFR复合材料在两种不同受力情况下的失效模式。结果表明：室温整体单轴拉伸断裂时，GFR复合材料的断面与轴线夹角接近45°, 失效模式为环氧树脂基体破坏和纤维拔出；在高压瞬态冲击作用下，试样主要失效模式为纤维的脆性断裂，同时由于火药燃烧产生的高温燃气使部分环氧树脂基体碳化，纤维与基体界面结合力降低，少数纤维熔融或软化附着在断口上，部分软化的纤维因瞬态超高压被拉细。
2017, 37(6): 1001-1009.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1001-09
摘要:
针对爆炸实验水池强度设计问题，利用非线性动力学程序LS-DYNA对10 kg TNT爆炸后的水中冲击波传播规律及爆炸水池结构动态响应情况进行了数值模拟, 对空气桶和气泡帷幕削弱水中冲击波的能力进行了定量计算，结果表明：空气桶对冲击波峰值压力削弱作用接近50%，对比冲量削弱作用达到16.2%；气泡帷幕对壁面反射冲击波的削弱作用高达86.2%，对比冲量削弱作用达到75.6%。在此基础上进一步分析了冲击载荷作用以及结构响应机理，指出了内衬钢板和混凝土围堰的危险区域，对爆炸能量在各物质间的分配和传递规律进行了初步探索，为相关爆炸水池的工程设计提供参考。
针对爆炸实验水池强度设计问题，利用非线性动力学程序LS-DYNA对10 kg TNT爆炸后的水中冲击波传播规律及爆炸水池结构动态响应情况进行了数值模拟, 对空气桶和气泡帷幕削弱水中冲击波的能力进行了定量计算，结果表明：空气桶对冲击波峰值压力削弱作用接近50%，对比冲量削弱作用达到16.2%；气泡帷幕对壁面反射冲击波的削弱作用高达86.2%，对比冲量削弱作用达到75.6%。在此基础上进一步分析了冲击载荷作用以及结构响应机理，指出了内衬钢板和混凝土围堰的危险区域，对爆炸能量在各物质间的分配和传递规律进行了初步探索，为相关爆炸水池的工程设计提供参考。
2017, 37(6): 1010-1016.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1010-07
摘要:
为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为，利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB)，对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载；拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系，建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则，并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟；利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明，随着应力三轴度的增加，镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小，宏观破坏模式由剪切转为正拉断，微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂；而随着应变率的增加，等效破坏应变不断减小，破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。
为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为，利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB)，对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载；拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系，建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则，并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟；利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明，随着应力三轴度的增加，镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小，宏观破坏模式由剪切转为正拉断，微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂；而随着应变率的增加，等效破坏应变不断减小，破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。
2017, 37(6): 1017-1022.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1017-06
摘要:
基于台阶地形爆破振动数值模拟与边坡振动监测实验，研究台阶地形爆破振动速度在传播过程中高程放大效应的产生及变化规律。结果表明，单个台阶坡顶质点的振动速度放大效应是在距爆源一定距离、达到一定高差的条件下产生的；坡顶质点振动速度放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加，在台阶高度超过某一临界值后，放大倍数随台阶高度的增加而减小。台阶高程对爆破振动速度既有放大作用，同时也随高度的增加产生衰减作用。根据模拟计算及现场观测数据分析结果，给出了台阶地形爆破振动速度预测模型，该模型为类似边坡工程的爆破地震波传播规律研究提供一定的参考。
基于台阶地形爆破振动数值模拟与边坡振动监测实验，研究台阶地形爆破振动速度在传播过程中高程放大效应的产生及变化规律。结果表明，单个台阶坡顶质点的振动速度放大效应是在距爆源一定距离、达到一定高差的条件下产生的；坡顶质点振动速度放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加，在台阶高度超过某一临界值后，放大倍数随台阶高度的增加而减小。台阶高程对爆破振动速度既有放大作用，同时也随高度的增加产生衰减作用。根据模拟计算及现场观测数据分析结果，给出了台阶地形爆破振动速度预测模型，该模型为类似边坡工程的爆破地震波传播规律研究提供一定的参考。
2017, 37(6): 1023-1030.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1023-08
摘要:
基于线黏弹性球面波Laplace域的理论解, 得到了不同传播距离处粒子速度、粒子位移、应力、应变等力学量的传递函数。以标准线性固体模型为例, 重点讨论了粒子速度频率响应函数的传播特征, 指出随着传播距离的增加, 粒子速度幅频响应函数的高频响应会低于低频响应, 而在理想弹性条件下, 粒子速度幅频响应函数的高频响应一直高于低频响应。以弹性半径为0.025 m的空腔爆炸为例, 采用Laplace数值逆变换方法对粒子速度波形的演化进行了分析, 给出了粒子速度强间断幅值及粒子速度峰值随传播距离变化的衰减规律曲线, 指出黏弹性介质中粒子速度幅值的衰减曲线介于理想弹性介质中粒子速度幅值衰减曲线和黏弹性介质中粒子速度强间断幅值衰减曲线之间。
基于线黏弹性球面波Laplace域的理论解, 得到了不同传播距离处粒子速度、粒子位移、应力、应变等力学量的传递函数。以标准线性固体模型为例, 重点讨论了粒子速度频率响应函数的传播特征, 指出随着传播距离的增加, 粒子速度幅频响应函数的高频响应会低于低频响应, 而在理想弹性条件下, 粒子速度幅频响应函数的高频响应一直高于低频响应。以弹性半径为0.025 m的空腔爆炸为例, 采用Laplace数值逆变换方法对粒子速度波形的演化进行了分析, 给出了粒子速度强间断幅值及粒子速度峰值随传播距离变化的衰减规律曲线, 指出黏弹性介质中粒子速度幅值的衰减曲线介于理想弹性介质中粒子速度幅值衰减曲线和黏弹性介质中粒子速度强间断幅值衰减曲线之间。
2017, 37(6): 1031-1038.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1031-08
摘要:
针对工业上起爆网路的早爆问题, 设计并研制了一种可控单向传爆的新型爆炸二极管, 通过一系列理论计算以及对称结构正反起爆实验, 研究了该爆炸二极管的正向稳定传爆及反向可靠隔爆机理和限制因素。结果表明：该爆炸二极管可实现正向稳定传爆, 反向可靠隔爆, 二者对应的限制因素分别为激发药药量和延期体长度。理论分析得到的激发药的极限药量和延期体的临界尺寸与实验结果较为吻合。
针对工业上起爆网路的早爆问题, 设计并研制了一种可控单向传爆的新型爆炸二极管, 通过一系列理论计算以及对称结构正反起爆实验, 研究了该爆炸二极管的正向稳定传爆及反向可靠隔爆机理和限制因素。结果表明：该爆炸二极管可实现正向稳定传爆, 反向可靠隔爆, 二者对应的限制因素分别为激发药药量和延期体长度。理论分析得到的激发药的极限药量和延期体的临界尺寸与实验结果较为吻合。
2017, 37(6): 1039-1045.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1039-07
摘要:
针对偏心起爆战斗部破片速度增益的问题，提出爆轰波碰撞形成马赫超压是引起破片速度增加的原因。利用AUTODYN软件，模拟偏心起爆战斗部从壳体径向膨胀、表面产生裂纹到最后形成破片的整个过程，并将模拟得到的破片速度与实验数据对比，两者吻合较好；简化Whitham方法并结合Gurney速度公式得到偏心起爆战斗部定向破片速度和定向区域的计算方法，同时在保证破片初速的前提下，研究偏心多点起爆下起爆点数的选择标准。研究结果表明：偏心多点起爆下定向破片初速增益约34%，定向区域范围约30°，起爆点数的选择与壳体长度和装药口径相关。
针对偏心起爆战斗部破片速度增益的问题，提出爆轰波碰撞形成马赫超压是引起破片速度增加的原因。利用AUTODYN软件，模拟偏心起爆战斗部从壳体径向膨胀、表面产生裂纹到最后形成破片的整个过程，并将模拟得到的破片速度与实验数据对比，两者吻合较好；简化Whitham方法并结合Gurney速度公式得到偏心起爆战斗部定向破片速度和定向区域的计算方法，同时在保证破片初速的前提下，研究偏心多点起爆下起爆点数的选择标准。研究结果表明：偏心多点起爆下定向破片初速增益约34%，定向区域范围约30°，起爆点数的选择与壳体长度和装药口径相关。
2017, 37(6): 1046-1050.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1046-05
摘要:
聚四氟乙烯(PTFE)在高速碰撞或者爆炸加载时的应变率可高达106 s-1，高应变率下PTFE材料的力学响应会对其材料性能产生较大影响。本文中采用压剪炮试验系统(PSPI)测试了PTFE材料在高应变率(105~106 s-1)下的压缩力学性能，实验中碳化钨(WC)飞片板以一定速度撞击由前靶板、试件和后靶板组成的三明治结构，并采用激光干涉仪记录后靶板自由面的速度变化。对实验结果处理后得到该PTFE材料的应力应变数值，并拟合得到应力应变曲线。本研究对PTFE/金属复合材料制成的动能侵彻体强度及其冲击碎化机理的分析具有指导意义。
聚四氟乙烯(PTFE)在高速碰撞或者爆炸加载时的应变率可高达106 s-1，高应变率下PTFE材料的力学响应会对其材料性能产生较大影响。本文中采用压剪炮试验系统(PSPI)测试了PTFE材料在高应变率(105~106 s-1)下的压缩力学性能，实验中碳化钨(WC)飞片板以一定速度撞击由前靶板、试件和后靶板组成的三明治结构，并采用激光干涉仪记录后靶板自由面的速度变化。对实验结果处理后得到该PTFE材料的应力应变数值，并拟合得到应力应变曲线。本研究对PTFE/金属复合材料制成的动能侵彻体强度及其冲击碎化机理的分析具有指导意义。
2017, 37(6): 1051-1056.
doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1051-06
摘要:
为准确获取爆炸冲击波反射压测量曲线，分析了影响其峰值的三个因素：测压系统的带宽、压力测量方式和信号传输线长度；使用激波管对冲击波测压系统进行动态校准，获取其动态特性；采用改进的levy法对其动态特性进行参数化建模，设计巴特沃斯滤波器作为补偿后的系统，计算出动态补偿环节，拓宽了测压系统的工作频带，且降低了测压系统谐振频率处的幅值；对冲击波反射压测量曲线进行动态修正与补偿，发现该方法能够修正冲击波反射超压峰值，明显降低由于测压系统的动态特性不够带来的峰值误差。该研究成果能够显著提高冲击波反射压测量峰值的准确度，为武器毁伤威力评价提供技术支持。
为准确获取爆炸冲击波反射压测量曲线，分析了影响其峰值的三个因素：测压系统的带宽、压力测量方式和信号传输线长度；使用激波管对冲击波测压系统进行动态校准，获取其动态特性；采用改进的levy法对其动态特性进行参数化建模，设计巴特沃斯滤波器作为补偿后的系统，计算出动态补偿环节，拓宽了测压系统的工作频带，且降低了测压系统谐振频率处的幅值；对冲击波反射压测量曲线进行动态修正与补偿，发现该方法能够修正冲击波反射超压峰值，明显降低由于测压系统的动态特性不够带来的峰值误差。该研究成果能够显著提高冲击波反射压测量峰值的准确度，为武器毁伤威力评价提供技术支持。
