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2025年 第46卷 第10期    刊出日期：2025-10-31

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氟聚物基活性材料冲击点火反应行为数值模拟

李政, 马天宝

2025, 46(10):  250060.  doi:10.12382/bgxb.2025.0060

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为研究氟聚物基活性材料冲击点火和爆燃反应行为,基于实验观察分别提出累积温升点火机理及瞬态热扩散反应机理,开展活性材料Taylor杆冲击破碎、点火过程的热力耦合模拟,给出对应机理下的局部热点域温升。在此基础上,利用键基近场动力学热扩散理论并结合局部热点信息构建冲击碎裂材料的传热-化学反应模型,通过红外测温实验对求解结果进行验证分析。研究结果表明:点火反应前的杆件变形、碎裂模拟特征与实验记录图像基本吻合,较好地体现了活性材料的惰性响应;通过叠加绝热剪切温升和摩擦温升,杆件局部区域形成了满足点火阈值的热点域热点域与首次火光位置基本对应,绝热剪切温升和摩擦温升呈现不均匀分布,起始位置差别明显,绝热剪切温升在冲击总温升的累积中发挥了主要作用,表明累积温升点火机理模拟反映材料的冲击点火特征;爆燃反应过程模拟证明反应火光温度的不均匀分布状态受到冲击碎裂材料的质量、形态分布的直接影响;相比于热传递效应,随活性粒子反应度增加而不断释放的反应热对维持高温区域状态起到了关键性作用。

CoCrNi系高熵合金析出强化的晶体塑性模型:力学性能及织构演化

张雯雯, 赵聃, 赵伟涛, 王强, 王建军, 马胜国, 张团卫, 王志华

2025, 46(10):  250110.  doi:10.12382/bgxb.2025.0110

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基于晶体塑性有限元框架,构建了可描述3级析出相结构CoCrNiSi_0.3C_0.048中熵合金在动态压缩下力学行为的建模方法。在3000s^-1应变率的加载条件下,研究了随机、高斯、旋转高斯、立方、铜型、黄铜等不同初始织构对应力-应变响应的影响。研究结果表明:随机织构和铜型织构在动态压缩下表现出较高的屈服强度和优异的塑性变形能力,而立方织构的综合性能相对较差。高应变速率下,析出相明显影响材料的强化作用;通过对屈服强度、塑性变形能力和硬化行为的综合分析,揭示了不同初始织构在高应变速率下对变形的影响,为含析出相高熵合金的优化设计和实际应用提供了科学依据。

混凝土中裂纹起裂和损伤演化的离散元模拟

檀日晶, 任会兰, 李涛

2025, 46(10):  250111.  doi:10.12382/bgxb.2025.0111

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为研究混凝土中损伤演化过程,采用离散元方法对不同加载模式下含预制裂纹混凝土试件的裂纹起裂和扩展演化过程进行数值模拟。基于混凝土材料中骨料几何特征,构建了具有不规则多面体骨料的三维混凝土离散元模型;并采用平节理模型对4种加载模式下的混凝土试件中裂纹产生和扩展行为进行研究,揭示了混凝土宏观失效破坏的细观损伤机理。结果表明:1) 加载初期,混凝土试件内部裂纹较少,由于压缩应力集中效应影响,剪切裂纹主要聚集在加载端两侧,而预制裂纹尖端则产生拉伸裂纹;加载后期,裂纹沿着骨料边界迅速扩展导致裂纹弯折扩展,加载端附近产生次生裂纹并向试件中部延伸,同时承载高应力的骨料内部出现少量裂纹。2) 加载角从0°增至28°时,预制裂纹尖端处的剪切裂纹占比呈现增加的趋势,体现了混凝土从拉伸破坏到剪切破坏的转变;4种加载模式下拉伸破坏仍是主导混凝土试件破坏的主要因素。3) 加载角度在0°~28°范围内,预制裂纹尖端处的起裂角随加载角增大而增大;采用广义最大切应力准则预测结果在纯Ⅰ型及Ⅰ-Ⅱ混合加载阶段与模拟结果吻合性较好,在纯Ⅱ型加载下预测结果偏高。

轻型遥控武器站多工况力学特性及射击扰动

王云龙, 赵正媛, 吴志林, 李忠新

2025, 46(10):  250200.  doi:10.12382/bgxb.2025.0200

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为提升轻型遥控武器站的精确打击能力与环境适应性,需要对发射载荷作用下武器站的力学特性及射击扰动进行研究,选取某小口径突击步枪为研究对象,在与之匹配的轻型遥控武器站结构基础上,借助ADAMS-Simulink联合仿真,构建了系统的刚柔耦合发射动力学模型,并就单、连发两种工况下系统的射击过程进行了仿真分析;此外,基于仿真结果对遥控武器站装夹模块进行了优化,在武器与装夹结构之间引入了缓冲器,并对优化前后的系统进行了实弹试验验证。结果表明:在单发射击工况下,枪弹发射至电机首次冲击力矩峰值的响应时间在35ms内,且方向电机受冲击更为显著,峰值达182.98N·m; 在连发射击中,残余能量与新一发冲击载荷耦合使电机力矩振荡幅值突增约50%;此外武器自身的射频不稳定性也对射击扰动产生影响。仿真结果与实弹试验结果吻合较好,验证了刚柔耦合发射动力学模型建模的准确性。通过引入缓冲器,可显著降低电机所受冲击力矩和射击扰动,五发连发下的百米半数散布圆半径降低45.8%,显著提升了射击密集度与系统射击精度。

冲击波与典型材质作用后的反射压力计算

李玉琪, 宁建国, 许香照

2025, 46(10):  250221.  doi:10.12382/bgxb.2025.0221

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不同入射角下爆炸冲击波与典型材质作用后的反射压力会造成严重的毁伤,目前关于冲击波与不同典型材质作用后反射压力计算尚不完善,因此研究不同入射角下冲击波与典型材质的相互作用具有重要意义。为了探究爆炸冲击波与不同典型材质作用后的反射超压,获取入射压力、不同入射角对反射压力的影响,利用冲击波波阵面上的质量和动量守恒基本关系式,以及花岗岩、空气和45^#钢的状态方程,推导出不同入射角下爆炸冲击波不同典型材质间反射压力的大小。针对上述问题开展了炸药在不同炸高下爆炸试验,测量空气自由场和冲击波遇到典型材质(45^#钢和花岗岩)反射后压力值。通过将理论计算结果与试验数据进行比对验证,对比结果表明:该理论模型预测结果与试验结果一致,能有效的预测不同入射角下,冲击波作用到不同典型材质下的反射压力值的大小,为后续爆炸冲击波与不同典型材质的反射计算提供理论支撑。

冲击载荷下四足无人作战平台射击振动特性

刘坤, 冯颖, 康宝, 吴志林, 宋杰, 朱韬

2025, 46(10):  250282.  doi:10.12382/bgxb.2025.0282

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四足无人作战平台凭借其卓越的机动性和复杂地形适应能力,在未来战争中具有重大的军事应用价值。为探究冲击载荷对四足无人作战平台振动特性和射击精度的影响,建立了无人作战平台刚柔耦合发射动力学模型,通过数值仿真分析了不同冲击载荷下枪口中心点绕x轴和z轴振幅、角位移及角速度变化规律,结合六自由度外弹道模型评估了射击散布特性,开展了有/无双向缓冲装置的无人作战平台实弹射击实验。结果表明:安装双向缓冲装置后,5连发射击时枪口中心点绕x轴和z轴方向振幅显著减小,振动量降低,角速度趋于稳定,未出现固定连接工况中持续增大现象,弹着点全数散布圆半径R₁₀₀减至86.4mm,降幅34.6%。实弹测试数据显示,单发和5连发R₁₀₀分别为75.7mm、94.5mm,降低21.1%、32.8%,实验数据与仿真结果一致性较好,验证了数值仿真的准确性,证实了所设计的缓冲装置能有效抑制射击振动,大幅提高四足无人作战平台射击稳定性和精度,研究成果为无人作战平台结构优化设计提供了技术支撑。

爆炸冲击毁伤的虚拟场景仿真

张雷, 许香照

2025, 46(10):  250336.  doi:10.12382/bgxb.2025.0336

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针对模拟和再现爆炸冲击试验的三维场景可视化需求,基于虚拟仿真技术,结合爆炸场相关计算模型,搭建了一个用于研究和预测爆炸冲击波对目标的毁伤过程及毁伤效应的虚拟仿真系统。系统采用分层架构,涵盖场景管理、交互设计、威力表征与可视化仿真等层级,支持爆炸参数灵活配置、目标模型动态加载及多视角交互分析,能够适应不同类型和规模的爆炸场景。此外,基于Niagara粒子系统与物理引擎实时渲染技术,系统精准表征了火焰、烟雾、冲击波传播及目标毁伤效果如混凝土破碎、车辆结构变形等,并通过动态烟雾浓度调节功能优化观测清晰度。仿真系统以高度逼真的图形界面观察爆炸冲击的动态过程及物理现象,并支持用户在三维场景中的多视角及可缩放观察,从而提升研究的直观性和理解深度,大幅减少了实际试验的时间和成本,提供了一种安全、可靠且经济的研究手段。

聚能射流侵彻仿真计算的追踪校核方法及应用

赵海涛, 许香照

2025, 46(10):  250337.  doi:10.12382/bgxb.2025.0337

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为了使聚能侵彻仿真满足迅捷、准确的实用要求,通过对已有仿真程序进一步开发,设计并实现了针对射流侵彻仿真的实时追踪校核软件。软件基于Qt开发,对仿真过程进行追踪,实时读取射流长度、头部速度等结果。构造的可视化显示窗口,可以实现对目标物理量的同步可视化追踪。软件嵌入聚能射流侵彻准定常理论公式,根据误差阈值对仿真结果进行校核,及时捕捉可能出现的异常或反物理现象的结果,保证数值模拟结果满足科学、准确的实用要求。以聚能射流侵彻厚钢靶板为例,分析其侵彻过程,锥角、装药直径对侵彻性能的影响。结果表明,该软件适用于射流侵彻靶板类仿真过程的数据追踪与校核,保证了计算结果的科学性与可靠性,提高了计算效率,为进一步的数据信息提取与分析提供助益。

基于Euler方法的爆炸场大规模数值模拟并行计算策略

宁建国, 高义

2025, 46(10):  250338.  doi:10.12382/bgxb.2025.0338

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针对爆炸场数值模拟中的计算规模大和并行效率低的问题,基于Euler方法提出了一种基于分布式共享内存的并行计算策略。该策略通过构建非一致性内存访问架构的集群系统,并结合消息传递接口以及无限宽带高速网络,对pMMIC-3D程序的并行化策略进行了优化,进而提升了程序的大规模计算能力。通过炸药在空中爆炸问题的仿真算例,测试了并行程序的准确性、加速比、并行效率和计算规模,测试结果表明所提出的并行策略准确有效,并显著降低了通信开销且提高了计算效率。此外,为进一步验证该并行策略在复杂场景下的适用性,选用炸药在混凝土建筑结构内部爆炸算例进行测试并与实验结果进行了对比,计算结果表明,该并行策略具备了处理复杂大规模爆炸场数值模拟的能力,适用于实际工程应用。

仿爆炸加载下仿生梯度双波纹结构的动态响应

易晓菲, 彭克锋, 常白雪, 张元瑞, 刘家贵, 郑志军

2025, 46(10):  250344.  doi:10.12382/bgxb.2025.0344

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三明治夹芯结构在抗爆炸领域应用广泛,然而传统结构的芯层往往存在载荷稳定度不足的问题,进而限制了其防护性能。为了解决上述问题,以墨鱼骨为设计灵感,结合多孔结构的动态增强效应,提出了一种仿生梯度双波纹夹芯结构,并采用梯度多胞子弹作为加载手段对其抗冲击性能进行了系统性研究。结果表明,相比于无梯度设计的仿生双波纹夹芯结构,仿生梯度双波纹夹芯结构的压溃力效率提高了26.4%,表现出优异的抗冲击性能。当梯度分布参数和上轴率分别控制在0.1~0.15和0.5~0.75范围时,结构的压溃力效率稳定维持在80%左右,为新型防护结构设计和测试提供了新的思路和方法。

气相爆轰波温度界面折射问题的数值模拟

刘曦, 马天宝, 李健

2025, 46(10):  250377.  doi:10.12382/bgxb.2025.0377

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为探究气相介质中冲击波及爆轰波传播与毁伤过程中所呈现的折射行为,使用耦合两步化学反应模型的二维反应欧拉方程,结合有限体积法和自适应网格编制了相关的计算程序,研究激波和爆轰波在气体温度斜界面处的折射过程。通过理论分析和数值模拟研究对激波在温度界面的折射过程开展研究,给出透射激波速度和波后状态随界面温度幅值的变化规律,得到激波折射过程的典型波系结构。以激波研究为基础,进一步研究爆轰波在温度斜界面上的折射现象,通过数值纹影和烟膜技术分析胞格爆轰波的波面演化过程。研究结果表明,激波折射进入低温气体时在界面处形成马赫杆和斜激波,进入高温气体时形成双三波点结构和前凸波面;胞格爆轰波折射进入低温气体时在界面处形成倾斜波面,进入高温气体时形成前凸波面和退化的双三波点结构,胞格爆轰波的传播表现出明显的时空演化特征。

烧结纤维网络材料爆炸冲击防护数值模拟

李元, 王天池, 侯兵, 索涛, 豆清波

2025, 46(10):  250402.  doi:10.12382/bgxb.2025.0402

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烧结纤维网络材料作为一种新型爆炸防护材料,体现出了横观各向同性的力学特性,给工程化设计和应用带来了挑战。为了实现烧结纤维网络材料的准确数值模拟,建立了横观各向同性的唯象动态本构模型,并基于用户子程序实现了相关的本构算法。基于开展的不同加载方向应力-应变曲线,进行了本构参数的拟合,获得烧结纤维网络的材料参数。为验证所建本构模型和材料参数准确性,开展了纤维网络的爆炸模拟加载试验和相应的数值模拟分析,得到了该材料对冲击压力的衰减规律。结果表明,不同冲击加载方向下,数值模拟得到的冲击压力衰减和试样冲击压缩量与试验结果吻合良好,纤维网络材料可降低冲击压力达57.4%。所建立本构模型和参数可较好地反映纤维网络材料力学特性,可为其工程化应用提供重要仿真分析工具。

一种改进的高效并行爆轰冲击波动力学算法及验证与确认

熊俊, 代仪军, 宫翔飞, 刘鲁峰

2025, 46(10):  250411.  doi:10.12382/bgxb.2025.0411

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在均匀二维/三维笛卡尔网格上,数值离散和求解基于爆轰冲击波动力学(Detonation Shock Dynamics, DSD)理论的level set方程,得到的炸药稳定传播爆轰波阵面到达时刻,可用于流体动力学数值模拟的程序燃烧算法。简化和改进了DSD边界条件算法,包括边界节点模板选取方法,及边界节点排序方法。研制了消息传递接口与共享存储多线程混合并行程序DSDLS,可高效求解大规模爆轰问题。利用一系列解析解、半解析解,以及爆轰实验,对算法及程序进行了验证与确认。数值模拟得到的爆轰波走时结果与精确解、实验数据相符。超10亿节点网格大规模并行测试表明,DSDLS程序具有良好的并行效率及可扩展性。

高分辨率捕捉强间断多介质流场的伪弧长方法

李坤, 马天宝, 王渊芃

2025, 46(10):  250420.  doi:10.12382/bgxb.2025.0420

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可压缩多介质气液两相流中,介质热力学差异导致界面区域呈现强非线性波系干涉,显著增加数值模拟难度。尤其在双曲型守恒律方程框架下,流场易形成激波、接触间断和稀疏波等奇异结构,对算法精度、间断捕捉能力及稳定性提出更高要求。为此,构建了一种面向多介质气液两相流场的高精度伪弧长方法,通过引入弧长参数将方程映射至正交弧长空间,缓解强间断导致的数值奇异性,并引入高阶重构格式保证解的精度。为精准刻画界面动力学行为,提出基于弧长空间的符号距离函数演化机制,并结合真实虚拟流体方法严格定义边界条件,确保界面物理量连续性。数值结果表明,该方法具备对强间断及复杂波系结构的高分辨率解析能力。

基于数据驱动的均匀脉冲载荷作用下低碳钢圆板动力学响应的量纲分析

葛朴昕, 宋子豪, 李志洋, 王海任, 雷建银, 刘志芳

2025, 46(10):  250424.  doi:10.12382/bgxb.2025.0424

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在爆炸载荷作用下,预测结构响应的关键在于准确建立输入载荷、材料性能与力学响应之间的关系。提出了一种结合数据驱动和量纲不变性分析的方法,用于识别在脉冲载荷作用下圆板动态塑性响应中的关键无量纲参数,并构建挠度预测模型。通过在ABAQUS中建立固支圆板的显式动力学模型,设置圆板半径L、厚度H、密度ρ、屈服强度σ₀及脉冲冲量I为变量生成数据;以人工神经网络拟合响应面并求梯度,结合指数矩阵法与主动子空间分析完成特征构造与降维,识别主导无量纲量。结果表明,通过指数矩阵耦合和主动子空间分析,最终将五个原始变量表示为Johnson损伤数I²/(ρσ₀H²)与几何参数H/L的组合,将问题从多维输入降维至一个核心变量。识别的无量纲量能有效表征冲击损伤和动力响应,并展现出良好的适用性。研究成果为冲击动力学问题提供了一种高效的数据驱动分析工具,体现了机器学习在工程物理问题中可能的应用前景。

基于量纲约束与符号回归的半无限金属靶板侵彻效率预测模型

陈青青, 张杰, 王志勇, 赵婷婷, 张煜航, 王志华

2025, 46(10):  250425.  doi:10.12382/bgxb.2025.0425

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针对传统侵彻效率预测模型依赖经验公式、适应性差且物理解释力不足的问题,采用一种融合量纲约束与符号回归算法的建模方法,构建了杆弹侵彻半无限金属靶板的侵彻效率预测模型。首先,基于物理先验知识将金属靶板侵彻过程中涉及的7个原始物理变量转化为4个具有明确物理意义的无量纲控制参数;随后,利用收集的819组实验数据,采用引入惩罚机制的遗传编程符号回归算法建立无量纲变量与侵彻效率之间的解析表达式。结果表明:在不同的侵彻工况下,所构建模型在拟合精度、泛化能力与表达结构简洁性方面均表现优异,平均决定系数R²均超过0.8,且能准确捕捉各无量纲参数对侵彻效率的非线性影响。该方法兼具预测精度与跨工况适应性,还可生成结构明确、物理含义清晰的解析表达式,有助于进一步理解各物理参量在侵彻响应过程中的作用机制。

基于SPH方法的3D高速侵彻并行数值模拟

邓敏杰, 宋卫东, 肖李军

2025, 46(10):  250427.  doi:10.12382/bgxb.2025.0427

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针对高速侵彻过程中涉及的大变形、损伤与断裂等复杂物理现象,基于光滑粒子流体动力学方法,开发了用于弹丸侵彻薄金属靶板的并行数值模拟方法。为准确描述材料在高速载荷作用下的力学响应,采用简化Johnson-Cook损伤模型。为解决SPH仿真中粒子数量剧增带来的高昂计算成本问题,将计算域划分为子域并将粒子信息在子域间传递,开发并实现了基于MPI的CPU并行求解器。将模拟结果与文献实验数据对比,对应8mm和10mm厚靶板的工况,预测的最大误差分别为7.86%和5.44%,验证了该数值方法在预测剩余速度和侵彻过程方面的精确性。对并行框架的加速性能进行了系统评估,该框架能显著提升计算效率,在处理一个包含约179万粒子的中等规模问题时,使用54个CPU核心可达到0.76的并行加速效率。该并行SPH框架在保证仿真精度的前提下,成功将计算能力扩展至更高量级,能够处理超过一亿个粒子的大规模仿真。

含能破片侵彻薄板的靶后超压效应数值模拟

赵林淼, 栗建桥, 张力中, 赵世恒

2025, 46(10):  250429.  doi:10.12382/bgxb.2025.0429

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含能破片因其显著的毁伤后效,其侵彻后的反应情况和超压效应受到广泛关注。针对含能破片侵彻薄板靶后超压效应开展仿真模拟研究,结合光滑粒子流体动力学、有限元方法、有限体积法和含能破片释能模型,提出了含能破片侵彻薄板靶后超压效应数值模拟方法,给出了φ10×10mm的Al/W/PTFE含能破片在不同速度700m/s~1100m/s下侵彻3mm靶板后超压分布特征和超压峰值随侵彻速度变化规律。结果表明,密闭空气罐内超压分布随时间演化与含能破片飞散相关。随侵彻速度增大,高压区由稀疏转为密集,压强显著上升,在1000m/s时瞬态压强达1753.9kPa,速度继续增加压强稍有下降。本文揭示了不同速度下的释能超压效应,为战斗部设计与毁伤评估提供参考与数值方法。

自然破片战斗部爆炸事故风险评估方法

辛大钧, 薛琨

2025, 46(10):  250431.  doi:10.12382/bgxb.2025.0431

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针对自然破片战斗部爆炸事故风险评估中的关键问题,提出了一套完整的参数化综合分析方法。通过系统整合破片形成有限元模拟、破片远距离精确弹道计算、三维命中概率评估和人体损伤量化等关键环节,建立了多尺度耦合的风险评估体系。在破片运动学建模方面,开发了基于人工神经网络的气动力代理模型,通过引入破片球形度参数和马赫数双变量,大大提升了自然破片随机翻滚状态轨迹计算的精度;在危害效应评估方面,创新性提出三维饼状靶板模型,结合人体几何参数,将弹道轨迹及人员的相对位置引入破片命中人员的概率计算中;在风险量化方面,构建了融合简明损伤定级标准(Abbreviated Injury Scale,AIS)中损伤等级与破片动能分布的多层级概率评估框架。以155mm弹体为典型案例验证表明:该方法不仅可以通过环形均匀安全距离来描述破片危险性,还可以生成破片危险概率的二维空间分布。研究实现了破片初始随机性、运动复杂性与损伤渐进性的全过程量化表征,为弹药储运安全距离动态划定、靶场安全区优化设计以及工业爆炸防护提供了新的分析工具和决策支持。

铝纳米颗粒在CL-20爆轰气氛中后燃反应的分子动力学模拟

钟浩元, 宋清官, 姜胜利, 张蕾, 庞思平

2025, 46(10):  250439.  doi:10.12382/bgxb.2025.0439

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为研究纳米铝颗粒在含铝炸药爆轰产物气氛中的后燃反应机理,采用反应力场ReaxFF-lg结合反应分子动力学方法,模拟了10nm ANP在CL-20主要爆轰产物(CO₂、H₂O、CO和N₂)构成的高温高压环境中(2500~3500K)的燃烧过程,从原子尺度揭示其在多组分氧化性气氛中的反应机制。结果表明,随温度升高,H—Al和H—C键生成量减少,说明高温不利于氢相关稳定结构的形成;CO₂的产物比例是决定爆温的关键因素,且在2500~3500K范围内,CO₂比H₂O具有更强的反应活性,在促进铝氧化和能量释放中起主导作用。所以,提高爆轰产物中CO₂的比例,有助于调控爆温并提升ANP的燃烧效率,从而实现更充分的能量释放。为高威力炸药配方的科学设计提供了理论参考。

模拟空爆冲击波的压缩空气驱动变截面激波管设计

吴昊, 徐鹏, 陈德

2025, 46(10):  250442.  doi:10.12382/bgxb.2025.0442

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为研发一种模拟空爆冲击波的压缩空气驱动变截面激波管试验装置,首先基于商用计算流体动力学软件Ansys Fluent,对经典一维Sod激波管问题、压缩空气驱动等直径和变截面激波管试验进行数值仿真分析,通过对比仿真结果与解析解和试验数据,验证了材料模型参数、边界条件和数值仿真分析方法的适用性和可靠性。其次对等直径和变截面激波管内压力脉冲演化过程进行分析,得出:稀疏波追上激波的位置为空爆冲击波的形成位置,不同扩展角的变截面激波管末端均可生成指数衰减的空爆冲击波荷载,且扩展角对冲击波波形影响很小。进一步开展了激波管几何尺寸和高压段初始压力对空爆冲击波形成位置和相应反射冲击波超压峰值的参数影响分析。结果表明:空爆冲击波形成位置与上述参数呈非线性关系,反射超压峰值随高压段直径和压力的增大而增大,随高压段长度和扩展角度减小而增大。最后,基于仿真结果和量纲分析分别建立了空爆冲击波形成位置和相应反射冲击波超压峰值的预测公式,给出了压缩空气驱动变截面激波管设计流程,并与经典Kingery-Bulmash空爆冲击波计算公式对比确定了三种典型变截面激波管的试验加载能力。

纳米多孔材料液体系统对近场爆炸载荷削弱效应

朱炜, 姚文进, 黄广炎, 李文彬, 王晓鸣

2025, 46(10):  250468.  doi:10.12382/bgxb.2025.0468

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为探究纳米多孔材料液体系统(Nanoporous Material Liquid Systems,NMLS)在提升纤维围栏抗爆性能中的应用价值,针对纳米多孔二氧化硅水悬浮液的削爆效应开展了实验与数值模拟研究。通过内爆炸实验对比了空腔-围栏、水填充腔体-围栏以及NMLS填充腔体-围栏三种环形复合结构的抗爆性能,结果显示三者纤维断裂情况差异较小,水和NMLS均未表现出明显的削爆效果。建立了与实验工况对应的数值模型,采用经动态冲击实验校验的压实状态方程描述NMLS的力学行为,模拟结果表明:水和NMLS反而显著增强了围栏内壁上的爆炸载荷,压力峰值分别达到了无液体层时的1.7倍和1.9倍;NMLS引起更加严重的载荷增强是因为冲击波传入NMLS时在追赶加载作用下经历了更高幅度的初始压力增长。进一步开展了更宽参数范围的数值分析,发现:水层始终表现出爆炸增强效应,而NMLS对爆炸载荷的影响随着爆距增大、装药量减小或液体层增厚,由增强效应逐渐转化为削弱效应,这源于NMLS的吸能能力与爆炸载荷实现了匹配,导致冲击波穿过NMLS层后压力发生更大幅度的衰减。

1kg TNT当量双层非对称爆炸防护装置结构设计与实验

赵生伟, 周刚, 孙浩, 陈柏翰, 李明

2025, 46(10):  250478.  doi:10.12382/bgxb.2025.0478

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为研究含能材料受激发后的能量释放特性并确保试验的安全性,设计了1kg TNT当量双层非对称圆柱形爆炸防护装置。通过结构设计、LS-DYNA有限元软件仿真分析和1kg TNT全当量爆轰动态响应试验,对比理论预测、实验数据及仿真结果,评估了该爆炸防护装置的安全性。仿真分析与试验结果显示:1kg TNT当量双层非对称圆柱形爆炸防护装置结构设计合理,安全系数具有较大裕度;1kg TNT全当量爆轰动态响应试验中,实测典型位置外壁面应变对应应力低于防护装置壳体材料屈服强度,实测典型位置内壁面反射超压峰值在经验公式计算值范围内,防护装置抗爆强度满足试验要求。该设计、分析和实验方法可为类似爆炸防护装置的设计与验证提供有益参考。

高熵合金活性破片的毁伤效应与碎片云特性

王圣芳, 常慧, 焦志明, 尹云飞, 张团卫, 李志强, 王志华

2025, 46(10):  250482.  doi:10.12382/bgxb.2025.0482

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含能高熵合金在作为活性破片材料以提升武器弹药的穿燃毁伤效应中具有潜力,而其毁伤效应和机理亟待研究。为了研究含能高熵合金的毁伤效果和爆燃过程中的碎片云特性,利用二级轻气炮装置开展了不同速度下TiZrHfTa_0.5高熵合金对间隔铝靶的毁伤实验,通过高速摄像拍摄穿孔爆燃行为,对靶后碎片云的形成过程进行了理论分析和光滑粒子流体动力学数值模拟分析。研究结果表明, 含能高熵合金在超过临界速度后发生剧烈释能爆燃,随着侵彻速度的增加,迎弹靶扩孔直径增大,后效靶贯穿面积与毁伤面积增大。这是由于碎片云的碎片数量随着速度增加而急剧增多,速度梯度增大,极大促进含能特性的释放,毁伤效果增强。理论分析结合实验结果给出了修正的穿孔直径经验公式。分析碎片尺寸得出,碎片的细化更有利于化学能和动能的综合作用,毁伤效果更佳。

Al₁₅(CoCrFeNi)₈₅高熵合金的动态冲击力学响应与变形机制

凌静, 梁延祥, 敬霖

2025, 46(10):  250499.  doi:10.12382/bgxb.2025.0499

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以具有抗冲击应用潜力的亚稳态面心立方晶格(Face-Centered Cubic,FCC)/体心立方晶格(Body-Centered Cubic,BCC)双相Al₁₅(CoCrFeNi)₈₅高熵合金为研究对象,旨在系统研究其动态压缩力学行为并揭示微观变形机制。采用万能试验机、霍普金森压杆、电子背散射衍射、分子动力学模拟研究了其静动态压缩力学性能,分析了其塑性应力-应变响应特性、应变率敏感性及微观变形机制,阐明了其动态压缩强化机理,建立了其动态压缩本构模型。结果表明,动态压缩加载下该合金表现出明显应变率强化效应,且流动应力随应变先缓慢增长后显著上升;初始微观结构为FCC(71.4%)/BCC(28.6%)双相结构,单轴压缩加载下发生FCC相向BCC相转变,且受应变率影响较大,准静态压缩下FCC相与BCC相比值约为1∶1,动态下约为3∶7,该相变直接导致流动应力突变;MD模拟进一步证实了应变率效应显著,塑性变形机制以相变主导,且随BCC相增多由全位错滑移主导BCC相变形;基于Johnson-Cook模型,建立了亚稳态双相Al₁₅(CoCrFeNi)₈₅合金动态压缩本构模型。本研究为其在抗冲击结构材料设计与应用提供了重要理论依据。

泡沫基负有效质量超材料抗爆性能的数值模拟

贾迪, 陈传庆, 李鑫

2025, 46(10):  250505.  doi:10.12382/bgxb.2025.0505

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负有效质量超材料的带隙特性是实现冲击波衰减的有效途径之一。对以“泡沫-振子”为芯层构建的夹芯复合结构开展了爆炸载荷下动力响应的数值模拟研究,分析了不同几何与载荷参数下结构的变形过程、接触力的时域与频域特征以及能量耗散规律。结果表明:振子尺寸的增大能有效减少芯层的压缩量;增加振子质量能降低结构局域共振频率,抑制中高频冲击波的传播,从而提高结构的抗爆能力;然而由于冲击波引发的振子惯性阻抗效应,前面板接触力峰值随振子尺寸的增大显著提升;在重力作用下,不同的加载方向对结构的爆炸响应影响较小。研究为负有效质量超材料的抗爆性能优化提供了有效参考。

基于物质点法的负泊松比胞元夹层结构动态冲击响应及能量耗散机制

杨晨琛, 刘骏, 韩芳灏, 梅跃

2025, 46(10):  250507.  doi:10.12382/bgxb.2025.0507

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负泊松比结构因其拉胀变形行为,在冲击载荷下展现出优异的能量分散与应力均匀化能力,在军事防护领域具有广阔应用前景。然而,传统网格类数值方法(如有限元法)在模拟大变形时易因网格畸变导致计算精度下降甚至中断。采用物质点法系统研究了三种典型胞元(正六边形蜂窝、内凹六边形和波浪形手性)夹层结构在冲击载荷下的动态响应与能量耗散机制,并通过网格独立性检验和实验验证,证实该方法具有良好的网格收敛性与物理保真度。结果表明,负泊松比结构抗冲击性能显著优于常规结构:相较于正六边形蜂窝结构,内凹六边形和波浪形手性结构的峰值反力分别降低27.9%和61.9%。机理分析表明,波浪形手性结构通过“环链旋转-韧带延展-孔隙闭合”的多级耗能机制,促使能量沿胞元网络均匀耗散,从而有效抑制应力集中与结构失效。本研究为舰艇防爆、单兵装甲等防护装备的轻量化抗冲击设计提供了理论依据与仿真工具。

铝钨活性材料力学性能及侵彻特性

张力中, 任会兰, 栗建桥, 李尉

2025, 46(10):  250529.  doi:10.12382/bgxb.2025.0529

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为研究铝钨(Al/W)活性材料的力学性能以及对靶板的侵彻特性,利用模压烧结法制备了Al/W活性材料,并开展了准静态/动态压缩实验与Al/W活性破片侵彻钢靶弹道枪实验研究。实验获取了Al/W活性材料的力学性能及其侵彻特性,并基于一维冲击波理论给出了Al/W活性破片的弹道极限速度预测公式;结合Al/W活性破片侵彻钢靶的高速摄影图像,通过图像识别技术定性分析了Al/W活性破片在不同侵彻速度下的释能特性。结果表明:Al/W活性材料动态应力应变曲线呈现出弹塑性变形特征,并具有明显的应变率效应;Al/W活性破片侵彻靶板时通过化学反应释放大量能量,其释能强度与释能时间显著增强;同密度相近的钛(Ti)破片相比,高温效应显著增强了Al/W活性破片对靶板的毁伤能力。

基于FEM-SPH自适应算法孔阵列陶瓷装甲的抗弹性能

贺志凡, 陈天明, 卢承发, 杨阳, 梁博, 王志鹏, 陈爱军, 曹剑武, 秦庆华

2025, 46(10):  250531.  doi:10.12382/bgxb.2025.0531

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孔阵列陶瓷装甲作为一种新型防护装甲,通过孔洞设计有效突破了传统均质陶瓷装甲大范围脆性失效的局限性,且能在子弹与靶板相互作用时引入不对称力促使子弹偏转或断裂,可有效造成侵彻过程中的不稳定,从而降低其侵彻能力。采用有限元-光滑粒子流体动力学法自适应算法,建立7.62mm穿甲燃烧弹侵彻孔阵列碳化硼陶瓷靶板的数值模型,分析了不同弹着点位置、倾角及子弹旋转对孔阵列陶瓷靶板抗弹性能的影响。结果表明,弹着点位置对弹靶相互作用、孔阵列陶瓷靶板的损伤模式和抗弹性能有重要影响;当弹着点位于孔洞边缘时,子弹受非对称作用力出现弹体偏转,从而靶板抗弹性能提升;子弹斜入射冲击下,装甲通过进一步诱导子弹失稳而提升了其抗弹性能,靶板损伤范围增加;孔阵列陶瓷装甲对旋转弹体的抗弹性能优于无旋转弹体。

基于实验伤道的数字人破片伤计算模型及构建方法

樊壮卿, 王硕, 李翔宇, 王建民, 张双博, 李冠桦, 陈菁, 卢芳云

2025, 46(10):  250572.  doi:10.12382/bgxb.2025.0572

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针对国内缺乏基于实验伤道的数字人破片伤计算方法及模型系统化研究的需求,提出了实验伤道数字人破片伤模型构建方法,构建了高精度人体几何模型,通过开展破片侵彻生物组织试验及数值仿真研究获得了破片侵彻人体组织的实验伤道计算模型,明确了破片侵彻组织器官深度及孔径与人员损伤的量化判据,基于Qt平台和OpenGL技术开发了数字人破片伤计算软件,开展了单破片命中确定部位和单破片不同角度命中人体两种典型算例研究。系统地提出数字人破片伤计算方法并构建了高精度模型软件,可为战场人员破片伤损伤评估、杀爆类战斗部打击下减员预测以及人员损伤防护提供科学支撑。

杀爆战斗部打击无人机集群的毁伤评估方法

张克钒, 张子瑄, 李维娜, 段昂轩

2025, 46(10):  250583.  doi:10.12382/bgxb.2025.0583

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针对无人机集群毁伤评估中存在的部件级毁伤机理不明确、编队构型影响机制不完善等问题,提出了一种融合高精度部件级毁伤建模与编队动态分析的弹药对无人机集群毁伤效能评估方法。通过构建四旋翼无人机“物理毁伤→部件失效→功能毁伤”的毁伤计算链路,分析无人机目标易损性构效关系,结合杀爆弹威力场模型,量化不同毁伤元对无人机功能毁伤的动态影响。进一步考虑一字型、V字型、蛇型及圆型4种典型无人机集群编队构型特征,结合损伤百分比准则与弹目交会条件开展多工况仿真试验。结果表明:破片战斗部打击单无人机目标时,有效命中破片数量与爆炸距离负相关,近距离爆炸时冲击波毁伤效果更优,且无人机下方爆点毁伤效能更高;无人机集群毁伤结果受爆点位置和编队队形影响,其中编队队形影响更显著,圆型编队毁伤效能最大,蛇形编队最小。研究成果为杀爆弹打击无人机集群的毁伤评估提供方法支撑和思路参考,为无人机集群战术选择提供一定理论依据。