2021年 41卷 第2期
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2021, 41(2): 021401.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0307
摘要:
介绍了毫克至克量级弹丸7 km/s以上超高速发射技术的国内外研究进展，并对各发射装置的工作原理和技术要素进行了简要阐述。基于电磁驱动准等熵加载，美国ZR装置驱动25 mm×13 mm×1.0 mm铝飞片至46 km/s速度，国内CQ系列磁驱动加载装置实现了10 mm×6 mm×0.33 mm铝飞片18 km/s的发射。借助于金属箔电爆炸产生高压气体驱动，美国利弗莫尔实验室100 kV电炮装置驱动9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm 的Kapton 膜至18 km/s，国内流体物理研究所98 kJ和200 kJ电炮装置分别驱动\begin{document}$\varnothing $\end{document} ![]()
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介绍了毫克至克量级弹丸7 km/s以上超高速发射技术的国内外研究进展，并对各发射装置的工作原理和技术要素进行了简要阐述。基于电磁驱动准等熵加载，美国ZR装置驱动25 mm×13 mm×1.0 mm铝飞片至46 km/s速度，国内CQ系列磁驱动加载装置实现了10 mm×6 mm×0.33 mm铝飞片18 km/s的发射。借助于金属箔电爆炸产生高压气体驱动，美国利弗莫尔实验室100 kV电炮装置驱动9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm 的Kapton 膜至18 km/s，国内流体物理研究所98 kJ和200 kJ电炮装置分别驱动
2021, 41(2): 021402.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0396
摘要:
超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应，在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象，总结了不同碰撞条件下，超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性；从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面，分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型；归纳了超高速碰撞下的发光机理，并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型，指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。
超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应，在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象，总结了不同碰撞条件下，超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性；从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面，分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型；归纳了超高速碰撞下的发光机理，并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型，指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。
2021, 41(2): 021403.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0289
摘要:
基于弹丸在超高速撞击薄板时破碎形成碎片云的机理，Whipple防护结构能够对航天器所面临的空间碎片及微流星体等威胁形成有效防护。通过回顾Whipple防护结构的研究和发展历程，对多层板结构、填充式防护结构、夹芯板结构等进行对比，分析其力学效应和防护性能；总结可应用于含泡沫、蜂窝、梯度和编织等材料的防护结构超高速撞击的数值模拟方法及其改进方法；结合相关材料的超高速撞击试验及数值模拟结果，为防护结构未来的研究方向提出建议。
基于弹丸在超高速撞击薄板时破碎形成碎片云的机理，Whipple防护结构能够对航天器所面临的空间碎片及微流星体等威胁形成有效防护。通过回顾Whipple防护结构的研究和发展历程，对多层板结构、填充式防护结构、夹芯板结构等进行对比，分析其力学效应和防护性能；总结可应用于含泡沫、蜂窝、梯度和编织等材料的防护结构超高速撞击的数值模拟方法及其改进方法；结合相关材料的超高速撞击试验及数值模拟结果，为防护结构未来的研究方向提出建议。
2021, 41(2): 021404.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0310
摘要:
充气压力容器在超高速撞击下的典型损伤包括穿孔及其边缘的裂纹失稳破坏，会导致气体泄漏或爆炸，内压对容器前壁损伤的影响仍不明确。以不同内压的球形铝合金充气压力容器为研究对象，开展了球形铝合金弹丸超高速撞击实验和数值模拟计算，分析了内充气体压强对前壁穿孔形貌特征、穿孔直径、孔边环向应力等的影响规律和影响机理，讨论了气体冲击波的传播行为及影响前壁穿孔边缘裂纹失稳破坏的机制。结果表明：前壁穿孔边缘内翻边形貌与内压相关，内压越高，弯折程度越轻；穿孔直径与内充气体压强正相关，但气体对孔径的影响远小于容器壁厚及撞击速度的影响；穿孔边缘使裂纹失稳破坏的环向拉应力不仅受到后壁反射冲击波的影响，也与容器壁内应力波的传播有关，与内压成正比。
充气压力容器在超高速撞击下的典型损伤包括穿孔及其边缘的裂纹失稳破坏，会导致气体泄漏或爆炸，内压对容器前壁损伤的影响仍不明确。以不同内压的球形铝合金充气压力容器为研究对象，开展了球形铝合金弹丸超高速撞击实验和数值模拟计算，分析了内充气体压强对前壁穿孔形貌特征、穿孔直径、孔边环向应力等的影响规律和影响机理，讨论了气体冲击波的传播行为及影响前壁穿孔边缘裂纹失稳破坏的机制。结果表明：前壁穿孔边缘内翻边形貌与内压相关，内压越高，弯折程度越轻；穿孔直径与内充气体压强正相关，但气体对孔径的影响远小于容器壁厚及撞击速度的影响；穿孔边缘使裂纹失稳破坏的环向拉应力不仅受到后壁反射冲击波的影响，也与容器壁内应力波的传播有关，与内压成正比。
2021, 41(2): 021405.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0299
摘要:
碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性，并借助数值模拟进行了更深入的研究，结果表明，当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时，碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时，弹丸头部破碎更加充分，弹丸侧向扩展程度提高；在高速段（6.5 km/s），受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用，波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明，超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。
碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性，并借助数值模拟进行了更深入的研究，结果表明，当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时，碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时，弹丸头部破碎更加充分，弹丸侧向扩展程度提高；在高速段（6.5 km/s），受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用，波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明，超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。
2021, 41(2): 021406.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0266
摘要:
以二级轻气炮作为加载手段，针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构，开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备，获得并分析了碎片云特性；通过回收的防护结构靶板，研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性；通过与经典Christiansen撞击极限方程对比，获得活性材料Whipple结构防护性能，并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明，相较于同面密度铝合金材料，活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少，从而显著提升航天器的防护能力，撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。
以二级轻气炮作为加载手段，针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构，开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备，获得并分析了碎片云特性；通过回收的防护结构靶板，研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性；通过与经典Christiansen撞击极限方程对比，获得活性材料Whipple结构防护性能，并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明，相较于同面密度铝合金材料，活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少，从而显著提升航天器的防护能力，撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。
2021, 41(2): 021407.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0304
摘要:
为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理，构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型，对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验，分析了靶板成坑特性，研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律，理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论：（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致；（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形，成坑体积与弹体动能近似成正比；（3）超高速撞击条件下，侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象，高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的；（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型，可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数；（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。
为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理，构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型，对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验，分析了靶板成坑特性，研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律，理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论：（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致；（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形，成坑体积与弹体动能近似成正比；（3）超高速撞击条件下，侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象，高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的；（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型，可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数；（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。
2021, 41(2): 021408.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0303
摘要:
为了解杆式弹超高速撞击多层薄钢靶的破坏过程及毁伤机理，开展了克级93W杆式弹正撞击多层Q345钢靶实验及数值模拟研究，通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）及金相显微镜，分析了超高速撞击实验后靶板材料的微观组织及成分。结果表明，超高速撞击作用下，靶板呈现出“翻唇”穿孔变形、花瓣状塑性变形、撕裂、撞击成坑及鼓包等破坏模式。靶板前3层毁伤以超高速穿孔为主，孔洞数目多但面积小，后几层靶板毁伤孔洞数目少且孔径呈先增大后减小趋势。微观分析表明靶材在强冲击压力下发生晶粒碎化、熔化及再结晶，撞击过程中会形成微孔聚集与微裂纹，可见靶板失效主要是熔融混合物冷却过程中产生的热应力与切应力下的剪切撕裂综合作用的结果。
为了解杆式弹超高速撞击多层薄钢靶的破坏过程及毁伤机理，开展了克级93W杆式弹正撞击多层Q345钢靶实验及数值模拟研究，通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）及金相显微镜，分析了超高速撞击实验后靶板材料的微观组织及成分。结果表明，超高速撞击作用下，靶板呈现出“翻唇”穿孔变形、花瓣状塑性变形、撕裂、撞击成坑及鼓包等破坏模式。靶板前3层毁伤以超高速穿孔为主，孔洞数目多但面积小，后几层靶板毁伤孔洞数目少且孔径呈先增大后减小趋势。微观分析表明靶材在强冲击压力下发生晶粒碎化、熔化及再结晶，撞击过程中会形成微孔聚集与微裂纹，可见靶板失效主要是熔融混合物冷却过程中产生的热应力与切应力下的剪切撕裂综合作用的结果。
2021, 41(2): 021409.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0323
摘要:
为验证利用后墙拆分方式提升防护结构性能的可行性，通过开展数值模拟（铝弹丸直径6.0 mm，撞击速度5.0～8.3 km/s）和超高速撞击实验（铝弹丸直径6.0 mm，撞击速度约8.3 km/s），研究了3种防护结构的性能差异以及不同撞击速度对结构防护性能的影响。防护结构主要包括Whipple结构和两种后墙拆分结构。针对直径6.0 mm铝弹丸分别以5.0、6.0、7.0、8.3 km/s的速度撞击防护结构的工况，借助Autodyn软件开展了数值模拟，并将模拟结果与在弹道靶设备上获得的超高速撞击实验结果进行了对比。模拟结果与实验结果均表明，在相同撞击状态下两种后墙拆分结构的防护性能有所差异，但均优于相同面密度的Whipple结构，且随着撞击速度的提高，这种优势具有增大的趋势。
为验证利用后墙拆分方式提升防护结构性能的可行性，通过开展数值模拟（铝弹丸直径6.0 mm，撞击速度5.0～8.3 km/s）和超高速撞击实验（铝弹丸直径6.0 mm，撞击速度约8.3 km/s），研究了3种防护结构的性能差异以及不同撞击速度对结构防护性能的影响。防护结构主要包括Whipple结构和两种后墙拆分结构。针对直径6.0 mm铝弹丸分别以5.0、6.0、7.0、8.3 km/s的速度撞击防护结构的工况，借助Autodyn软件开展了数值模拟，并将模拟结果与在弹道靶设备上获得的超高速撞击实验结果进行了对比。模拟结果与实验结果均表明，在相同撞击状态下两种后墙拆分结构的防护性能有所差异，但均优于相同面密度的Whipple结构，且随着撞击速度的提高，这种优势具有增大的趋势。
2021, 41(2): 023301.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0181
摘要:
为研究Hf基非晶合金的变形行为及高速侵彻性能，分别开展了Hf基非晶合金材料静动态力学性能和Hf基非晶合金夹芯结构长杆弹高速侵彻45钢靶体试验研究，并与45钢夹芯长杆弹侵彻结果进行对比。研究发现：Hf基非晶合金具有较高的断裂强度，断裂时伴随有能量释放现象；Hf基非晶合金夹芯长杆弹侵彻钢靶过程可分为3个阶段：开坑、夹芯结构侵彻和剩余弹体侵彻。Hf非晶合金在侵彻过程中发生了明显的释能反应，显著地增强了弹体毁伤效应，扩大了侵彻弹孔直径，增加了弹体侵彻深度和弹孔体积。在高速冲击下，Hf基非晶合金夹芯长杆弹表现出优异的侵彻性能，可以为非晶合金材料在高效毁伤领域的应用提供新思路。
为研究Hf基非晶合金的变形行为及高速侵彻性能，分别开展了Hf基非晶合金材料静动态力学性能和Hf基非晶合金夹芯结构长杆弹高速侵彻45钢靶体试验研究，并与45钢夹芯长杆弹侵彻结果进行对比。研究发现：Hf基非晶合金具有较高的断裂强度，断裂时伴随有能量释放现象；Hf基非晶合金夹芯长杆弹侵彻钢靶过程可分为3个阶段：开坑、夹芯结构侵彻和剩余弹体侵彻。Hf非晶合金在侵彻过程中发生了明显的释能反应，显著地增强了弹体毁伤效应，扩大了侵彻弹孔直径，增加了弹体侵彻深度和弹孔体积。在高速冲击下，Hf基非晶合金夹芯长杆弹表现出优异的侵彻性能，可以为非晶合金材料在高效毁伤领域的应用提供新思路。
2021, 41(2): 023302.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0057
摘要:
针对理想长杆侵彻，通过对长杆侵彻Alekseevskii-Tate模型近似解进行分析，指出单一的无量纲速度衰减系数α（deceleration index）不足以完全表征长杆高速侵彻的准定常阶段。在此基础上，重新定义了2个无量纲特征参量：Johnson破坏数ΦJp和特征时间系数β，2个参量之间的关系为α=β/ΦJp。分析表明，ΦJp和β（或α和β）可实现对长杆高速侵彻准定常阶段的弹尾速度的完全表征；若再引入长杆弹相对临界速度vc*，则可完全表征长杆侵彻的准定常阶段。此外，还证明了α能够判定侵彻过程偏离定常状态的程度，并指出通过确定ΦJp和β（或α和β），可针对攻防需求对长杆弹侵彻设计进行指导。
针对理想长杆侵彻，通过对长杆侵彻Alekseevskii-Tate模型近似解进行分析，指出单一的无量纲速度衰减系数α（deceleration index）不足以完全表征长杆高速侵彻的准定常阶段。在此基础上，重新定义了2个无量纲特征参量：Johnson破坏数ΦJp和特征时间系数β，2个参量之间的关系为α=β/ΦJp。分析表明，ΦJp和β（或α和β）可实现对长杆高速侵彻准定常阶段的弹尾速度的完全表征；若再引入长杆弹相对临界速度vc*，则可完全表征长杆侵彻的准定常阶段。此外，还证明了α能够判定侵彻过程偏离定常状态的程度，并指出通过确定ΦJp和β（或α和β），可针对攻防需求对长杆弹侵彻设计进行指导。
2021, 41(2): 023303.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0090
摘要:
为研究大气腐蚀对Q420钢管构件服役期内耐撞性的影响，提出了计及腐蚀损伤的材料模型。引入损伤因子（ω）修正Voce模型，推导随腐蚀程度变化的低合金钢材本构方程，并通过加速腐蚀试验结果回归相应参数。利用ABAQUS软件定义构件材料特性，建立起受腐蚀的Q420钢管仿真模型，采用显式动力算法分析多种初始状态下，撞击体与不同腐蚀程度钢管的冲击响应规律。开展预腐蚀Q420钢管的落锤试验，将试验结果与数值计算结果进行对比，验证所建模型的合理性。结果表明：大气腐蚀导致材料名义强度降低，对Q420钢管抗撞击能力影响显著；随着腐蚀程度增加，冲击力峰值减小，撞击时间和深度增加；Q420钢管受腐蚀后抗冲击刚度减小，构件整体变形耗能增加，表明大气腐蚀使其抗冲击性能下降；同等动能增量下，增大撞击体初速度比增加初始质量获得的冲击力峰值增幅更大，而所得到的接触时间增幅更小。
为研究大气腐蚀对Q420钢管构件服役期内耐撞性的影响，提出了计及腐蚀损伤的材料模型。引入损伤因子（ω）修正Voce模型，推导随腐蚀程度变化的低合金钢材本构方程，并通过加速腐蚀试验结果回归相应参数。利用ABAQUS软件定义构件材料特性，建立起受腐蚀的Q420钢管仿真模型，采用显式动力算法分析多种初始状态下，撞击体与不同腐蚀程度钢管的冲击响应规律。开展预腐蚀Q420钢管的落锤试验，将试验结果与数值计算结果进行对比，验证所建模型的合理性。结果表明：大气腐蚀导致材料名义强度降低，对Q420钢管抗撞击能力影响显著；随着腐蚀程度增加，冲击力峰值减小，撞击时间和深度增加；Q420钢管受腐蚀后抗冲击刚度减小，构件整体变形耗能增加，表明大气腐蚀使其抗冲击性能下降；同等动能增量下，增大撞击体初速度比增加初始质量获得的冲击力峰值增幅更大，而所得到的接触时间增幅更小。
2021, 41(2): 024201.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0118
摘要:
针对冲击磨损实验研究中磨粒群体的运动轨迹难以准确表征的问题，在负压喷射砂粒群冲击Q235钢板的实验中宏观测量了砂粒撞击的速度与位置分布，并使用数值方法模拟了实验砂粒与空气在喷嘴内外的双向耦合过程，以实现负压喷射砂粒群的轨迹预测。计算中提出了非球形粒子在相对马赫数接近1时的曳力模型，以反映空气可压缩引起砂粒表面流动分离的现象，并合理选择Magnus升力模型及壁面反射模型，最终数值预测的砂粒碰撞速度以及撞击位置与实验情况吻合良好。
针对冲击磨损实验研究中磨粒群体的运动轨迹难以准确表征的问题，在负压喷射砂粒群冲击Q235钢板的实验中宏观测量了砂粒撞击的速度与位置分布，并使用数值方法模拟了实验砂粒与空气在喷嘴内外的双向耦合过程，以实现负压喷射砂粒群的轨迹预测。计算中提出了非球形粒子在相对马赫数接近1时的曳力模型，以反映空气可压缩引起砂粒表面流动分离的现象，并合理选择Magnus升力模型及壁面反射模型，最终数值预测的砂粒碰撞速度以及撞击位置与实验情况吻合良好。
2021, 41(2): 025401.
doi: 10.11883/bzycj-2020-0093
摘要:
为了研究不同湿度条件下低浓度甲烷-空气混合物爆炸特征，设计了饱和湿空气发生及储存装置，对管路、气囊和爆炸腔体进行温度控制和流量调节，实现了不同相对湿度的甲烷-空气混合气体的配置。采用20 L球形爆炸测试装置，分析不同相对湿度、甲烷浓度对混合物的最大爆炸压力、最大压力上升速率、爆炸下限及层流燃烧速度的影响。结果表明，随着相对湿度增大，最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率逐渐下降，且呈一定的线性关系。混合气体相对湿度从27.7%增大到80.1%时，甲烷爆炸下限从5.15%上升到5.25%，上升率1.9%，层流燃烧速度随相对湿度的增大也呈线性降低趋势。在本文条件下，相对湿度对甲烷-空气混合物的爆炸影响较小，这主要与常温常压下水蒸气的饱和分压力较低有关，但在高温高压时仍需考虑水蒸气含量的增大对混合气体爆炸特征的影响。
为了研究不同湿度条件下低浓度甲烷-空气混合物爆炸特征，设计了饱和湿空气发生及储存装置，对管路、气囊和爆炸腔体进行温度控制和流量调节，实现了不同相对湿度的甲烷-空气混合气体的配置。采用20 L球形爆炸测试装置，分析不同相对湿度、甲烷浓度对混合物的最大爆炸压力、最大压力上升速率、爆炸下限及层流燃烧速度的影响。结果表明，随着相对湿度增大，最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率逐渐下降，且呈一定的线性关系。混合气体相对湿度从27.7%增大到80.1%时，甲烷爆炸下限从5.15%上升到5.25%，上升率1.9%，层流燃烧速度随相对湿度的增大也呈线性降低趋势。在本文条件下，相对湿度对甲烷-空气混合物的爆炸影响较小，这主要与常温常压下水蒸气的饱和分压力较低有关，但在高温高压时仍需考虑水蒸气含量的增大对混合气体爆炸特征的影响。
