2019年 39卷 第4期
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本文被引多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量，引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感，不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应，较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料，基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法，以维持冲击物受载恒定为目标，运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型，并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明，反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的，所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。
预爆管技术被广泛地应用在爆轰波发动机的起爆过程中，但是在超音速来流中基于预爆管技术起始爆轰波的研究并未被广泛地开展。基于此，本文中数值研究了横向超音速来流对半自由空间内爆轰波的衍射和自发二次起爆、及管道内的衍射和壁面反射二次起爆两种现象的影响。数值模拟的控制方程为二维欧拉方程，空间上使用五阶WENO格式进行数值离散，采用带有诱导步的两步链分支化学反应模型。所模拟的爆轰波具有规则的胞格结构，对应于用惰性气体高度稀释过的可爆混合物中形成的爆轰波。结果表明：在半自由空间内，在本文所模拟的几何尺寸下，爆轰波并未成功发生二次起爆现象，但是爆轰波的自持传播距离随着横向超音速来流强度的增强而增加。在核心的三角形流动区域外，波面诱导产生了更多的横波结构；在管道内，横向的超音速来流在逆流侧对出口气流产生了压缩作用，能有效提高波面压力，因此反射后的激波压力也比较高。在同样的几何尺寸下，爆轰波在静止和超音速(Ma=2.0)气流中分别出现了二次起爆失败和成功两种现象，这是由于在超音速来流中化学反应面的褶皱诱导产生了横波结构，横波与管壁以及其他横波之间的碰撞提高了前导激波的强度，并最终促进了爆轰波在超声速流主管道内的成功起始。
为研究不同颗粒度对Al-teflon反应行为的影响，以颗粒度25 μm、1 μm和20～200 nm的Al粉和微米级Teflon粉混合制备的反应材料为研究对象，基于脉冲激光烧蚀实验，结合ICCD相机和光谱仪对反应过程中的自发光成像和发射光谱进行瞬态观测。研究结果表明，Al-teflon反应材料在激光烧蚀下的反应行为体现出典型的二次反应特征，具有持续燃烧特征和明显的后燃效应，也具有较长的能量释放时间；同时，其反应行为与Al粉颗粒度密切相关：初始阶段，反应随Al粉颗粒度的降低加剧，随着反应的进行，纳米级Al粉对应的反应材料后续反应能力逐渐下降，反应强度和反应时间都小于1 μm铝粉对应的反应材料。
炸药撞击感度和热安全性是评价炸药安全性能的重要指标。为了对高温下炸药撞击敏感性变化规律进行可靠预测，本文中通过数值模拟，研究不同预加热温度下带壳PBX炸药装药在小弹丸低速撞击下的热力学响应，得到炸药点火前至点火阶段局部高温区的位置、形态、温度和应变随时间在炸药中分布的变化。结果显示，炸药发生点火的撞击阈值速度与烤燃温度的关系并非单一随温度升高而降低，而是在加热至348.15 K时达到最高；根据温度和应力应变云图分析可得，随着烤燃温度的提高，炸药强度下降，PBX炸药装药局部高温区快速升温的主导因素由局部剪切变为压缩。热软化对炸药的撞击敏感性起重要作用。
炸药的反应区数据对爆轰过程的精密建模具有重要意义，为了得到JOB-9003炸药的反应区信息，采用光子多普勒测速仪（PDV）对JOB-9003炸药的爆轰反应区进行了实验研究。实验中利用火炮发射高速蓝宝石飞片冲击起爆被测炸药，在炸药后表面安装镀膜氟化锂（LiF）窗口测量炸药一维稳态爆轰时的界面粒子速度，测试过程的时间分辨率小于1 ns，测速相对不确定度小于2%。通过读取界面粒子速度时程曲线的拐点来确定CJ点，根据阻抗匹配公式计算炸药的CJ压力。研究结果表明，JOB-9003炸药界面粒子速度时程曲线上存在较为明显的拐点，JOB-9003炸药的化学反应时间为（11±2）ns，对应的化学反应区宽度为（0.075±0.014）mm，JOB-9003炸药的CJ爆压为（35.6±0.9）GPa，冯诺依曼（Von Neumann）峰处的压力为（47.9±1.2）GPa。
采用铝基组合式电磁粒子速度计技术，通过一维平面冲击实验研究了JB-9014炸药的冲击起爆反应增长规律，获得了11.33～14.18 GPa不同初始入射冲击压力下JB-9014炸药撞击界面及其内部不同深度处冲击前沿的波后粒子速度，进而得到粒子速度-时间波剖面图，并拟合得到未反应JB-9014炸药的Hugoniot关系。此外，根据冲击波跟踪器所测波形获得了不同冲击压力下的到爆轰时间及距离。
基于变截面杆的波传播特性，设计了一种“针床型”广义波阻抗梯度飞片，即在圆薄片基座上密排叠加许多犹如针尖的小正四棱锥。采用LS-DYNA软件中SPH算法对广义波阻抗梯度飞片高速击靶过程进行了数值计算，结果显示：在飞片击靶过程中，每一个小正四棱锥台可以看作“点”式加载脉冲源，产生一系列具有缓慢上升前沿的近似球面波，球面波相互叠加得到具有缓慢上升前沿的平面加载波形，从而实现对靶板准等熵压缩加载。在数值计算中详细讨论了飞片击靶速度、飞片几何特征参数对准等熵压缩加载特性的影响规律，为广义波阻抗梯度飞片的设计与应用提供指导。基于数值计算结果，采用激光选区烧结金属增材制造技术，制备了一种广义阻抗梯度飞片样品，在一级气炮上进行击靶实验，实测了靶板自由面速度时程曲线，波形呈现了准等熵压缩加载特性，并与计算结果进行了对比，两者基本一致，从而验证了广义波阻抗梯度飞片结构设计的可行性以及数值计算结果的可靠性。
基于Navier-Stokes方程组，采用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT (multi-viscous-flow and turbulence)，模拟了均匀流场与初始密度呈现高斯函数分布的非均匀流场中马赫数为1.25的非平面激波加载初始扰动air/SF6界面的Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性现象。数值模拟结果表明，初始流场非均匀性将会影响非平面激波诱导的RM不稳定性演化过程。反射激波加载前，非平面激波导致的界面扰动振幅随着流场非均匀性增强而增大；反射激波加载后，非均匀流场与均匀流场条件下的界面扰动振幅差异有所减小。进一步，定量分析流场中环量分布及脉动速度统计量揭示了前述规律的原因。此外，还与平面激波诱导的RM不稳定性进行了简单对比，发现由于非平面激波波阵面区域的涡量与激波冲击界面时产生的涡量的共同作用，使得非平面激波与平面激波诱导的界面失稳过程存在差异。
由于炸药爆轰现象的复杂性和人们对它的认知缺陷，其表征爆轰流体力学过程的物理数学模型具有较强的不确定性，要降低基于爆轰建模与模拟的数值结果做出决策的风险，量化和评估不确定输入对爆轰系统输出结果的影响尤为重要。本文中针对具有高维随机变量的爆轰问题的不确定度量化，使用自适应基函数的Wiener混沌方法、耦合旋转变换和投影方法，减少截断空间的长度。针对输入变量相关性，使用Rosenblatt变换使其相互独立。针对不符合标准正态分布的变量使用等概率原则，将它化为标准正态分布。最后，使用自主研发的具有完全知识产权的爆轰数值模拟软件LAD2D, 研究了具有高维不确定参数的圆筒实验的不确定度量化，给出期望、标准差、置信区间等统计信息，所得问题与实验数据比对，从而确认了模型的有效性。
为了研究水下爆炸近场内的压力状态，使用SPH (smoothed particle hydrodynamics)方法，采用C-J爆轰模型，对水下爆炸过程进行了数值模拟。通过与峰值压力规律和中场内经验公式的比较，验证了程序的可靠性。对水下爆炸过程进行了波系分析，与不同维数水下爆炸的数值模拟结果进行了对比研究。结果表明：比距离R/a=6是波形变化的一个分界点，在R/a＜6的近场范围内，峰值压力的拟合分为两段更合适。另外，对数值结果的lnPm-ln(R/a)曲线进行了分段幂次拟合，得到了与数值模拟结果非常吻合的拟合曲线。
对爆轰加载下低熔点金属锡的层裂破碎问题开展了数值模拟。在利用实验数据对所采用数值方法和材料模型开展对比验证的基础上，通过对样品内部物理量时间及空间分布演化对比分析，剖析了冲击加-卸载中样品内部应力波与材料相互作用过程。此外，通过对比分析不同厚度锡样品在爆轰加载下的动态行为特征，进一步认识了自由面反射稀疏波、边侧稀疏波和入射稀疏波共同作用下层裂破碎演化机制。结果表明，当样品较薄时，层裂破碎行为由反射稀疏波主导；随着样品厚度的增大，反射稀疏波主导区缩小，入射稀疏波和边侧稀疏波主导区逐渐增大。
针对第三代大输量天然气管道爆炸振动危害效应展开研究，组织实施了全尺寸天然气管道爆炸试验。经数据分析发现，天然气管道爆炸地振动的衰减更加符合指数分布而非传统幂率分布，且其振动强度在空间内分布不均匀，存在特定方向振动加强的现象。采用改进型的MP-WVD算法分析得到天然气管道爆炸地振动的时频特性，其振动的主要频率范围为10～20 Hz，持续时间为0.1～0.2 s。存在多次加载特性，瑞利波成分强于勒夫波成分。研究成果可为后续管道施工安全设计以及事故现场勘测提供参考。
岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映，为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响，通过三点弯曲实验和扫描电镜方法，对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验，观察其宏观断裂情况，并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察，并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息，并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示：随着加载速率的提高，砂岩穿晶断裂的比例也随之升高，裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加，同时，分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见，加载速率对断裂方式有一定的影响，且加载速率越大断裂所需的破坏能越大，裂纹分布越广，表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。
采用线阵多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS）和高速光电分幅相机照相两种精密诊断技术，对铅飞层中斜冲击波对碰后的反射行为进行了观测。获得了飞层对碰部位速度-时间历史曲线和凸起形貌演化图像，给出了凸起轮廓发展演化过程、压力分布等实验数据和信息。结合冲击波反射理论，对铅飞层对碰区动力学现象进行了分析和解释，证实铅飞层中斜冲击波对碰后发生了马赫反射。
为探究回转体在高速入水过程中的结构强度，基于非线性有限元LS-DYNA软件中流固耦合任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)方法，分析了不同壁厚的回转体以100 m/s的初速度入水过程中的冲击力特性和结构强度。结果表明：数值计算得到的入水冲击压强峰值和速度衰减曲线与相应的理论值吻合较好，从而验证了数值方法的有效性；入水冲击载荷峰值出现在结构入水瞬间，结构入水后冲击载荷急剧变小且微小震荡；回转体的结构形式对其在高速入水过程中的结构强度有重要影响，尤其回转体头部厚度影响回转体结构强度，当回转体头部厚度为8 mm、后体壁厚大于2.5 mm时，可以保证回转体强度要求。
纤维增强树脂基复合材料层合板（fibre reinforced plastic composites，FRP）在航空、航天、交通、造船等诸多工程中得到了日益广泛的应用，而其在冲击载荷下的响应和破坏特别是分层一直为学术界所关注。本文中对FRP层合板在冲击载荷下的响应和破坏进行数值模拟，并通过引入粘结层重点研究其分层破坏。首先，介绍一种基于改进的粘结区域方法的粘结层损伤模型；其次，详细介绍了有限元模型建模过程和建模细节；最后，对有限元模型进行验证，并分析分层损伤发生的原因。模拟结果表明，该模型不仅能准确预测FRP层合板在低速冲击载荷下的载荷-时间曲线和载荷-位移曲线，还能成功地预测其分层破坏。
破片威力场的快速计算是实现战斗部对目标快速评估的关键之一，本文中分别对型面宽度为 90°、120° 和 150° 三种 D 型战斗部的破片飞散规律进行实验和数值模拟研究，考察型面宽度和起爆模式对破片威力场的影响规律。结果表明：三种结构中包含 90% 破片的方位角分别为 21.16°、23.88° 和 30.08°；偏心线起爆和双端面偏心起爆，在 20° 方位角内破片总能量分别是周向均匀战斗部中心起爆能量的 3.4 倍和 3.3 倍；基于三种典型型面的破片威力场公式，通过构建二次插值函数获得其他型面战斗部的破片分布，为D型战斗部破片威力场的快速计算提供了一种有效方法。
斜波压缩台阶靶实验中，不同厚度界面粒子速度历史与材料压缩特性参数存在联系。然而利用普遍采用的数据处理方法无法直接获得该联系。本文中借助特征线理论在建立上述关联的基础上，实现未知EOS下斜波压缩流场的直接计算过程。经数值计算表明，该方法不仅在无强度效应数据处理中能够准确计算理论值，而且在含有强度效应数据处理中也能够较好地逼近理论值，并可在真实实验数据处理中获得与文献符合较好的结果。该研究可为探索具有较完整理论的强度效应数据处理方法提供新途径。
针对爆破施工产生的振动问题，结合现有信号分析方法优缺点，引入MP-WVD组合算法解决信号分析过程中交叉项干扰问题，可提高时频分辨率，满足精确提取核电爆破振动响应信号时频分布特征的需求；将HHT算法引入MP算法数据的预处理，成功降低了MP算法运算复杂度，可为大数据量分析奠定基础。运用该算法对漳州核电一期工程场地平整土石方爆破工程振动监测信号进行分析，精确提取了爆破振动信号的时频特征。
