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2023年 第44卷 第12期    刊出日期：2023-12-30

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基于区块划分并行填充的混凝土细观建模方法及其在弹体超高速侵彻中应用

李旭, 刘彦, 闫俊伯, 时振清, 王虹富, 许迎亮, 黄风雷

2023, 44(12):  3543-3561.  doi:10.12382/bgxb.2023.0945

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基于超高速深侵彻细观模拟中对大型复杂模型快速生成的需要,提出一种基于材料属性关联和区块划分并行填充的混凝土细观模型构建方法,并基于界面过渡区(ITZ)表征方法的差异化建模验证其在准静态与超高速侵彻条件下的表征能力。研究结果表明:该加速建模方法在建模效率与精确度上具备显著优势,可实现大型复杂形状混凝土构件的快速建模和细观组分的精确占比投放。进一步总结了ITZ实体单元法、无ITZ法和粘结失效接触法3种不同ITZ表征方法的适用条件与材料参数初判标准,不同于准静态模拟中的普遍优越性,超高速侵彻模拟中ITZ实体单元法对侵深与弹坑尺寸的预测效果最佳(偏差小于10%),粘结失效接触法则因未引入应变率效应与易出现数值不稳定现象而在弹坑尺寸预测中表现相对最差。此外,细观模拟中对侵蚀弹体的响应计算和形貌表征与已建立的头部演化高速侵彻模型表现出高度一致性。该研究成果可解决工程实际中的大型复杂细观靶体建模困难,并为超高速深侵彻的细观尺度机理探究提供基础。

水下爆炸作用下多舱室结构的动力响应及损伤特性

成乐乐, 黄风雷, 武海军, 田思晨, 陈文戈

2023, 44(12):  3562-3579.  doi:10.12382/bgxb.2023.0276

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为探究近水面条件下,水下爆炸载荷强度及爆炸距离等因素对多舱室结构损伤特性的影响,开展多舱室结构的水下爆炸试验,结合S-ALE结构化瞬态流固耦合的数值模拟方法,对近水面爆炸时流场压力载荷的传递分布、结构的动态响应和损伤特性进行分析。基于不同爆炸强度、距离的多工况数值模拟,阐明水下爆炸载荷对多舱室结构的损伤机理,获得爆距变化时冲击波以及气泡载荷冲击做功的比例关系,总结了多舱室结构在爆炸载荷作用下的动态响应特征以及毁伤模式。研究结果表明:多舱室结构会产生剪切破口、撕裂、凹陷塑性变形、压溃屈曲等耦合损伤形式,结构损伤的不连续性和非线性变形引起爆炸气泡的不对称膨胀运动,导致舱室内压力分布呈现冲击波特征和准静态特征;冲击波和气泡载荷共同引起多舱室结构的局部损伤和整体响应,气泡载荷引起的结构动能增长幅度约50%以上。

爆炸冲击波作用下聚氨酯-半球夹芯结构的动态响应

潘腾, 卞晓兵, 袁名正, 王亮亮, 黄元, 黄广炎, 张宏

2023, 44(12):  3580-3589.  doi:10.12382/bgxb.2023.0645

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提高防爆装备的抗爆性能已经成为热门的研究课题,目前的防爆装备主要采用金属制成,一般重量大,采用点阵夹芯结构可以实现轻量化。点阵夹芯结构具有良好的能量吸收效率和在高应变率下的优异力学性能,但以往的防爆研究未考虑过不易变形的半球型点阵,复合了聚氨酯泡沫的抗爆夹芯结构研究更为少见。鉴于此,结合聚氨酯泡沫缓冲吸能以及半球结构的拱形抗变形能力提出一种新型的聚氨酯-半球夹芯结构,并且采用实验和数值模拟相结合的方法对聚氨酯-半球夹芯结构在爆炸冲击波载荷下的动态响应进行研究。研究结果表明,在500g TNT当量0.65m爆炸冲击下,相近面密度的聚氨酯-半球夹芯结构中心点位移最小,相较于铝板和纯半球夹芯板分别减小了30%和35%,纯半球夹芯板虽然吸能最多但是变形最大,聚氨酯-半球夹芯结构和铝板的吸能分别为纯半球夹芯板的85%和63%,相较于铝板,聚氨酯-半球夹芯结构在保证能量吸收效率的同时能有效减少靶板速度和应力集中。

不同间距两点空中爆炸威力场特性数值模拟研究

郑监, 毛致远, 张代鑫, 胡宏伟, 宋浦

2023, 44(12):  3590-3600.  doi:10.12382/bgxb.2023.0279

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为探索不同间距两个相同质量炸药在无限空域中同时起爆形成的爆炸威力场特性,借助有限元仿真软件,通过建立不同间距的两点炸药在自由场空中爆炸的数值模型对两点阵列爆炸进行数值研究,获取计算域各空间点的冲击波参数,分别绘制了基于超压和冲量准则的等毁伤区域轮廓线,并对等值面的几何特性随间距的变化规律进行研究。研究结果表明:压力增强效应和多峰效应是爆炸威力场重构的主要原因;两点爆炸威力场的等毁伤区域随分离距离增大呈现3种典型形状;与单点爆炸相比,两点爆炸威力场的体积和特定方向的覆盖范围仅在部分分离距离范围内有增益,增益大小与分离距离和准则阈值有关;作为阵列爆炸中最为基础的作用形式,两点爆炸的相关研究结论可以为多点阵列爆炸威力场特性研究和多弹协同作战模式设计提供参考。

缩比模型弹侵彻岩石靶尺寸效应试验研究与理论分析

高飞, 邓树新, 张国凯, 纪玉国, 刘晨康, 王明洋

2023, 44(12):  3601-3612.  doi:10.12382/bgxb.2023.0014

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为研究弹体侵彻岩体介质尺寸效应产生的内在机理,开展两种弹形几何相似的钢质弹体对高强度花岗岩靶的侵彻效应试验。根据侵彻深度试验结果,评估常用的经验公式对于高强度岩石侵彻深度预测的适用性,发展以弹形系数和弹径系数为控制变量的侵彻深度计算方法,建立不同缩尺比下模型弹与原型弹侵彻深度换算关系。研究结果表明:模型弹与原型弹的比例侵彻深度存在弹体口径放大效应,该效应系数不仅与缩比系数有关,也与原型弹直径以及靶体材料参数有关,且随着原型弹直径的增大而增大,随着缩比系数的增大而减小;建立的侵彻深度换算关系解释了采用传统模型试验方法导致模型与原型试验结果之间产生误差的原因,揭示了弹体侵彻岩石类介质中尺寸效应产生的机理。

浅埋炸药加载下含空穴泡沫铝夹芯板动态响应机制

刘巍, 马宏昊, 徐钦明, 姚象洋, 赵勇, 杨科, 杨辉, 沈兆武

2023, 44(12):  3613-3621.  doi:10.12382/bgxb.2022.1195

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空穴结构可以对其后方区域进行有效防护,为研究空穴结构对泡沫铝夹芯板结构能量衰减性能的影响,通过改变泡沫铝芯层空穴的直径以及厚度,探究浅埋炸药爆炸加载实验条件下空穴尺寸对夹芯板挠度、板后次生冲击波以及泡沫铝芯层吸能效率的影响。研究结果表明:随着泡沫铝中空穴厚度的增加,结构后方的次生冲击波强度显著降低,当空穴直径为0.3D(D为自由面直径)、厚度为1/3H(H为泡沫铝板厚度)时中心压力强度最低,约为无孔泡沫铝板的63%;在直径为0.3D、厚度为2/3H情况下泡沫铝芯层的总变形量最大,相比对照组提升61%;空穴结构可以有效增强泡沫铝夹芯板结构的吸能性能。

冲击波与爆轰实验瞬态光电测试技术研究进展

杜亮亮, 钱伟新, 刘寿先, 赵宇, 李生福, 翟召辉, 畅里华, 朱瑜, 翁继东, 吴建, 李俊, 朱礼国

2023, 44(12):  3622-3640.  doi:10.12382/bgxb.2023.0361

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冲击波物理与爆轰物理是发展爆轰装置物理设计,工程设计和效应研究的重点基础学科,主要研究在爆炸、冲击和能量突然沉积等强动载荷下介质、材料与结构的力学响应、效应和工程技术应用。适用于极端环境的先进瞬态光电测试技术是冲击波物理与爆轰物理研究发展的重要推动力。根据国内外冲击波与爆轰实验瞬态光电测试技术发展现状,梳理归纳了以高速摄影、X射线闪光照相、瞬态全息成像、瞬态辐射测温、瞬态干涉测速测距等为主的瞬态光电测试技术的特点和典型技术指标,总结分析了相关技术的未来发展趋势,可为我国冲击波与爆轰实验瞬态光电测试技术发展提供一定参考。

考虑骨料级配的混凝土靶板接触爆炸破坏模式

亓晓鹏, 张杰, 赵婷婷, 王志勇, 王志华

2023, 44(12):  3641-3653.  doi:10.12382/bgxb.2023.0282

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基于Voronoi 技术建立混凝土靶板三维细观模型,并利用有限元软件对混凝土靶板在接触爆炸载荷作用下的动态响应及损伤破坏进行了模拟研究。模型考虑了骨料粒径、体积分数、级配等细观因素,真实地反映了高强度骨料和低强度砂浆对混凝土材料动态力学性能的影响。通过与参考实验结果对比可知,该细观模型可以对混凝土靶板的爆坑尺寸和破坏形貌等特征进行有效描述。在此基础上,分析了骨料级配对混凝土靶板塑性变形及破坏模式的影响规律,并对骨料在混凝土靶板爆炸响应过程中的影响机制展开讨论。研究结果表明:冲击波在混凝土靶板内部的球面传播特性受到骨料的干扰,混凝土靶板的损伤分布具有随机性。连续级配和间断级配骨料分布下,混凝土靶板受到骨料级配的影响较小,其破坏尺寸相差较小,破坏模式呈现明显的剥落特征;而单级配骨料分布下,混凝土靶板受到骨料级配的影响较为显著,其破坏尺寸变化幅度较大,破坏模式表现出明显的贯穿特征。此外,单级配骨料分布的混凝土靶板内部产生的约束力更大,其塑性变形能力较差。该研究成果将在细观尺度为混凝土的抗爆性能评估与结构优化设计提供重要的理论与工程应用价值。

泡沫子弹冲击下预制圆孔Q235钢板的动态响应与破坏机理

韩佳彤, 王昕, 张磊, 李振, 王鹏飞, 赵振宇, 卢天健

2023, 44(12):  3654-3666.  doi:10.12382/bgxb.2023.0359

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为评估带壳装药产生的爆炸冲击波和高速破片联合作用的毁伤效应,针对泡沫铝子弹冲击预制圆孔Q235钢板开展了数值模拟研究。采用实验结果验证数值计算的准确性,并系统分析靶板的动态变形、破坏模式、孔周位移等力学响应;基于描述应力状态的应力三轴度与Lode参数,揭示预制圆孔引发靶板孔周撕裂破坏的力学机理,厘清圆孔直径及板厚对结构抗毁伤性能的影响规律。研究结果表明:预制圆孔显著降低了结构的抗毁伤性能:随着孔径增大或板厚减小,靶板的孔周位移上升,引发撕裂破坏的临界载荷相应下降。

分段弹芯对陶瓷/钢复合装甲的侵彻行为

王明扬, 郑宇轩, 李天鹏, 程春, 王远超

2023, 44(12):  3667-3675.  doi:10.12382/bgxb.2023.0274

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针对高速弹靶作用时穿甲弹芯发生变形及破碎的现象,设计一种两级分段弹芯结构,采用有限元仿真软件对两级弹芯结构侵彻陶瓷/钢复合靶板进行数值模拟。根据弹靶作用过程中的弹靶破坏模式、两级弹芯结构的运动规律,对侵彻过程进行阶段分析,并在此基础上探讨弹芯长度比例、间隔距离等因素对两级弹芯结构侵彻性能的影响。研究结果表明:两级弹芯结构较普通弹芯的侵彻深度增加率可达到16%以上;两级弹芯长度比例和间距对侵彻效果影响较大,选择合理的长度比例和间距有助于提高两级分段弹丸对陶瓷/钢复合靶板的侵彻性能;研究结果为两级分段弹芯的设计及应用奠定了基础。

不耦合装药刻痕爆破裂纹的动态力学特征及损伤分形规律实验

马军, 汪旭光, 李祥龙, 王建国

2023, 44(12):  3676-3686.  doi:10.12382/bgxb.2022.1270

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为探究不耦合装药刻痕爆破裂纹的动态力学特征和损伤规律,采用动态焦散线实验技术研究不耦合系数R_d为1.00、1.33、1.67和2.00时聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的爆炸裂纹扩展的动态力学特征,结合分形维数理论计算爆后损伤变量和分形维数。研究结果表明:R_d<1.67时,炮孔周围分区的损伤变量都较大,且在炮孔非刻痕方向形成了较多次生裂纹;R_d=1.67时,炮孔左、右裂纹的动态力学行为相似,爆后损伤变量和分形维数最小;随着R_d的增大,爆炸主裂纹长度减小,主裂纹扩展的速度、应力强度因子和动态能量释放率减小,但裂纹扩展时间增加,爆生气体的准静态作用延长,爆生气体作用对裂纹的再次激活、起裂、扩展和止裂的动态力学行为影响,在一定程度上实现了动、静作用分离的量化分析;自由边界条件下PMMA不耦合装药刻痕爆破的损伤变量ω与分形维数D关系为ω=0.00175D^9.04。

盒型芯层波纹板的抗爆炸冲击防护性能

王昊, 徐斌, 王舒, 徐永杰, 吴浩

2023, 44(12):  3687-3695.  doi:10.12382/bgxb.2023.0256

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针对波纹板受爆炸载荷冲击的变形吸能问题,对梯形波纹结构进行顶部开口和折叠改进,提出一种盒型结构作为波纹板芯层,以提高其在爆炸冲击载荷下的吸能特性。通过对盒型芯层的单个胞元进行准静态压缩试验,与kirigami改进梯形波纹结构对比,比较吸能值、质量比吸能、初始压垮峰值力、平均压垮力、压垮力效率等主要吸能指标。应用有限元软件建立数值模拟模型,利用试验数据对数值模拟模型进行校正,将不同长宽比的盒型结构和kirigami改进梯形波纹结构阵列排布作为波纹板芯层,对比不同芯层波纹板在相同爆炸载荷作用下的抗爆性能,分析吸能值与背板变形量等特征,并结合变形过程应力云图分析波纹板在爆炸载荷作用下的响应。研究结果表明,所提出的盒型芯层具有质量比吸能值高,变形模式均匀稳定,有效吸能行程长等优良的吸能特性,以其为芯层的波纹板在爆炸冲击载荷作用下,能有效降低背板变形,在爆炸冲击防护领域具有潜在的应用前景。

基于细观结构的复合固体推进剂含损伤黏弹性本构模型

王贵军, 吴艳青, 侯晓, 黄风雷

2023, 44(12):  3696-3706.  doi:10.12382/bgxb.2022.0747

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复合固体推进剂的宏观力学性能与其细观组分及损伤密切相关,基于复合固体推进剂变形过程中细观结构的演化,开发复合固体推进剂含孔洞损伤的宏细观本构模型。该模型考虑了推进剂温度和应变率的相关性,并能够描述推进剂拉伸和压缩状态下不同的力学响应。通过不同温度和不同应变率下的拉伸和压缩试验,验证本构模型的有效性。基于有限元分析软件提供的用户材料子程序接口UMAT,对非线性黏弹性本构模型进行二次开发,并应用于低温点火工况下药柱结构完整性分析,结果表明药柱在低温点火条件下安全系数为2.56,结构完整性满足要求。与基于Prony级数的线性黏弹性本构模型进行对比分析,表明新建立的本构模型能够更准确地进行复合固体推进剂药柱的结构分析。

长杆弹二次侵彻机理及影响因素研究

唐奎, 王金相, 刘亮涛, 杨明

2023, 44(12):  3707-3718.  doi:10.12382/bgxb.2023.0035

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针对长杆弹侵彻半无限厚金属靶过程中第3侵彻阶段机理不清的问题,建立了三维光滑粒子流体动力学有限元模型,在验证模型有效性的基础上,开展了金杆侵彻半无限厚7075-T6铝靶研究,对第3侵彻阶段机理进行探索,并分析弹/靶密度、强度和弹体长径比对侵彻的影响规律。研究结果表明:金杆侵彻7075-T6铝靶的侵彻深度曲线在高速段显著超过流体动力学极限是由倒转金杆碎片对靶板的二次侵彻造成的;金杆销蚀后形成管状碎片体,高初速下其速度较大,其方向与侵彻方向一致,且其密度大,因此它会在弹体完全销蚀后继续侵彻靶体;金杆的二次侵彻深度随撞击速度增大呈“S”形增大,它对总侵彻深度的贡献在3km/s撞击速度下甚至高达15.6%;存在二次侵彻时,长杆弹侵彻半无限靶第3侵彻阶段划分为剩余侵彻和二次侵彻阶段更合适;高弹靶密度比有利于形成二次侵彻现象;靶体密度和强度对总侵彻性能的影响显著超过弹体密度和强度;无论是保持弹体长度还是质量不变,长径比对流体动力学侵深和总侵深有显著的影响,但对二次侵彻的影响却较小。

双装药同步爆炸钢筋混凝土梁毁伤效应

许迎亮, 刘彦, 闫俊伯, 白帆, 于浩, 李旭, 王虹富

2023, 44(12):  3719-3732.  doi:10.12382/bgxb.2023.0286

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为研究双装药同步爆炸载荷对钢筋混凝土梁的毁伤效应,开展了钢筋混凝土梁双装药同步爆炸试验,得到了混凝土梁的破坏特征和位移响应。基于试验结果,利用有限元仿真软件建立了相应的钢筋混凝土梁双装药同步爆炸仿真模型,考虑了简支边界条件的影响。通过对比混凝土梁的局部破坏特征以及最大位移响应,验证了仿真模型的可靠性。基于此,进一步研究双装药同步爆炸时装药间距和炸高对混凝土梁破坏特征和位移响应的影响。此外,对比相同炸高下双装药和总质量相同的单个装药对混凝土梁的毁伤效应。研究结果表明:随着装药间距的增大,混凝土梁的破坏模式由局部破坏逐渐变为冲切破坏。由于双装药同步爆炸冲击波叠加增强效应的影响,混凝土梁位移响应和迎爆面破坏范围随着装药间距的增加呈现先增大、后减小的变化趋势。对于破坏模式,双装药作用下混凝土梁的局部破坏比等质量单装药作用时更加均匀,破坏范围更大,尤其是对迎爆面的破坏;对于位移响应,存在一个关于装药间距的区间范围,在该范围内双装药作用下混凝土梁的位移响应大于等质量单装药作用下混凝土梁的位移响应:炸高越小,该区间范围越大,装药质量越大,该区间范围越大。

活性破片高速撞击产生等离子体的毁伤效应

徐瑞泽, 肖建光, 马俊杨, 安德隆, 谢志渊, 王岩鑫

2023, 44(12):  3733-3742.  doi:10.12382/bgxb.2023.0048

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为探究活性破片高速撞击产生等离子体特性及其对目标造成的电磁毁伤效应,开展了活性破片高速撞击铝板的毁伤试验。采用不同配方活性材料破片和普通铝制破片分别撞击铝板,通过朗缪尔三探针系统获得活性和惰性破片在特定空间位置产生等离子体的电子密度和电子温度,通过逻辑芯片信号采集系统获得74HC04逻辑芯片在等离子体作用下的电磁毁伤效应。研究结果表明:由于活性破片独特的侵爆效应,释放出更多的能量,使得产生的等离子体电子密度比惰性破片更高;配方为钽\镁\四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物(Ta/Mg/THV,70%Ta+9.26%Mg+20.74%THV)的活性破片以1.4km/s的速度撞击厚度为2mm的双层铝板时,产生的等离子体电子密度能达到5.89×10¹⁵m^-3,对74HC04逻辑芯片造成了逻辑关系短暂失真的瞬态软毁伤和逻辑工作能力完全失效的不可逆毁伤。

电爆炸引燃铝粉悬浮液物理特性和冲击波行为研究

韩若愚, 袁伟, 李琛, 曹雨晨, 白洁

2023, 44(12):  3743-3754.  doi:10.12382/bgxb.2023.0244

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高功率电脉冲驱动水中纤细导体电爆炸伴随冲击波、等离子体和光辐射等物理效应,在水下爆炸实验室模拟和非常规油气绿色开发中应用价值显著。受限于电流集肤效应和电气绝缘,增大放电储能和负载质量并不能无限制地增加冲击波强度。为探索电爆炸复合铝粉悬浮液爆燃对冲击波的增强机制,采用铜丝电爆炸引燃粒径10μm和1μm的铝粉悬浮液,通过对瞬态电物理参数和高速图像的联合诊断,获取金属丝电爆炸引燃铝粉悬浮液的时空演化细节,研究液电击穿和电爆炸机制下铝粉悬浮液放电特性和点火机制,建立放电参数和冲击波特性之间的关联性。实验结果表明,铝粉悬浮液的电爆炸点火过程受到近场冲击波和等离子体光辐射联合作用,随后持续燃烧的铝粉向周围被压缩的水介质注入能量,从而增强了主冲击波的幅值、正压作用时间和总冲量。

长杆高速侵彻下装甲钢靶的等效强度

王积锐, 王诚鑫, 王艺霓, 唐奎, 薄其乐

2023, 44(12):  3755-3770.  doi:10.12382/bgxb.2023.0619

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装甲钢是复合装甲的主要组分之一,针对其抗长杆弹高速侵彻等效强度不明的问题,建立了三维SPH-FEM耦合模型。在验证模型可靠性的基础上,开展钨合金长杆弹在1000~1800m/s初速度范围内侵彻半无限300~600HBW装甲钢的仿真研究,基于侵彻阻力和Walker-Anderson(W-A)模型对高应变率-绝热工况下靶钢的等效强度进行探索。研究结果表明:侵彻过程分为初始瞬态、准定常和剩余侵彻3个阶段,W-A模型在大部分工况下可准确计算侵彻深度和准定常段头尾速度;准定常阶段杆体直径与靶体等效强度近似保持恒定,侵彻阻力可由Poncelet公式描述。基于以上分析建立装甲钢等效强度-硬度非线性换算模型,结合W-A模型能准确预测长杆弹对半无限靶的侵彻深度。此模型表明等效强度与硬度正相关,但热软化的增强与应变率强化的减弱使等效强度的增速逐渐放缓。

基于机器学习的混凝土侵彻深度预测模型

李萌, 武海军, 董恒, 任光, 张鹏, 黄风雷

2023, 44(12):  3771-3782.  doi:10.12382/bgxb.2023.0291

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针对侵彻试验数据少且离散性较大导致预测侵彻深度的机器学习模型精度不高的问题,在收集大量侵彻试验数据的基础上,通过线性插值和添加高斯噪声等数据增强方法扩展侵彻数据,增大可用数据数量。采用遗传算法和贪心算法优化多层感知器、径向基神经网络、支持向量回归和极限梯度提升树4种常用机器学习模型的超参数,实现基于机器学习的混凝土侵彻深度预测。采用灵敏度分析方法分析侵彻深度对各弹靶参数的敏感程度。研究结果表明:采用线性插值和添加高斯噪声的方法可以有效地缓解数据不足的问题;采用数据增强后,多层感知器、径向基神经网络和极限梯度提升树的精度分别提高了2.49%、0.99%、0.74%和0.72%;弹体直径、着靶速度、弹体质量是对侵彻深度影响最大的参数;最优混凝土侵彻深度预测机器学习模型的平均误差为8.28%,该模型精度优于常用的侵彻深度预测经验公式。

层状金属内嵌应力感知结构设计及超声波增材制造组织性能测试

王宇, 白舒乐, 王子琪, 刘斌, 冯立, 赵文娟, 郝俊辉

2023, 44(12):  3783-3792.  doi:10.12382/bgxb.2023.0349

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针对传统贴片式测试精度低、难以检测金属结构内部应力问题,提出一种振膜式层状金属内嵌应力感知结构。从振膜层厚度、振膜材质等方面进行材料选型和结构设计,采用超声波增材制造方式对铜/铝层状振膜结构进行增材制造,研究超声波固结后振膜/基体界面的互扩散、相组成及微观组织,采用有限元冲击仿真对传统贴片式结构和制造获得的层状内嵌应力感知结构进行应变模拟,对层状内嵌应力感知结构进行应变测试,研究层状金属内嵌应力感知结构的应变响应效果。研究结果表明:振膜层设计所得振膜形状为圆形膜,薄膜材料为纯铜,薄膜直径为20mm,薄膜厚度为0.1mm;超声波增材制造铜膜/铝基体之后,铜原子向铝层发生少量扩散但不产生新的金属间化合物,形成机械结合的齿合形貌。冲击仿真和应变测试结果均表明内嵌应力感知结构的应变响应效果比传统贴片式结构的应变响应效果精确。

可变形异型弹体撞击高强度岩石实验

任光, 武海军, 董恒, 吕映庆, 黄风雷

2023, 44(12):  3793-3804.  doi:10.12382/bgxb.2023.0278

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发射弹体作为激励物破碎高强度岩石实现样品采集在近地小行星(NEA)取样方案中备受关注。为研究可变形异型弹体撞击高强度岩石的弹靶作用过程及岩石破碎机理,设计花瓣形贯穿式、花瓣形非贯穿式与圆卵形贯穿式3类弹体,基于57mm轻气炮和14.5mm弹道枪开展低速(71.4~280.0m/s)与高速(453.0~612.0m/s)撞击单轴抗压强度180MPa高强度玄武岩实验,获得不同构型和入射速度下弹体变形模式、反射速度及反射动能比、岩石破碎区直径、开坑深度及碎岩质量变化规律。实验结果表明:低速撞击下,两类花瓣形弹体的反射速度较圆卵形弹体降低了约21.9%~42.8%,且具有更低的反射动能比;高速撞击下,花瓣形非贯穿式弹体的弹靶作用过程为多点同步撞击与泰勒杆式撞击两段式过程,其碎岩质量约为花瓣形贯穿式弹体的3倍。研究结果为可变形异型弹体构型设计、高强度岩石破碎机理研究提供实验验证与研究思路。

含铜石榴黑云片岩动态力学特性及损伤本构模型

赵泽虎, 李祥龙, 胡启文, 王建国

2023, 44(12):  3805-3814.  doi:10.12382/bgxb.2023.0690

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为探究深部矿岩在不同加载条件下的动态力学特性及损伤规律,以深部回采的含铜石榴黑云片岩为对象,开展6种轴压σ_ap(0MPa、6MPa、12MPa、18MPa、24MPa、30MPa)、6种围压σ_p(0MPa、4MPa、8MPa、12MPa、16MPa、20MPa)及6种冲击速度v(18.68m/s、20.9m/s、23.54m/s、26.63m/s、29.26m/s、31.95m/s)条件下的动静组合冲击试验,并考虑冲击速度、轴压、围压及应变率因素,基于统计损伤理论和Drucker-Prager破坏准则建立动静组合加载下含铜石榴黑云片岩的动态损伤本构模型。研究结果表明:矿岩试件的应力-应变曲线几乎无压密阶段,当应力增加至峰值应力的65%~80%时,该阶段的应力-应变曲线出现阶跃现象;不同埋深矿岩的受力状态和冲击速度显著影响了深部围岩的动态破坏模式,当σ_p=12MPa、v=31.95m/s时,随着轴压σ_ap的增加,动态抗压强度先增加、后降低,而峰值应变线性递减,当σ_p=12MPa、σ_ap=24MPa时,动态抗压强度随应变率的增大线性增加,而峰值应变随应变率的增加呈二次多项式增长;模型理论曲线与试验曲线吻合度均较高,验证了该动态本构模型的可靠性,可为深埋岩体动态本构模型研究及工程应用提供一定的参考。

激波管内压力脉冲演化特性及模拟空爆冲击波的方法研究

周岳兰, 裴鲁, 龙仁荣, 张庆明, 刘博文, 任健康

2023, 44(12):  3815-3825.  doi:10.12382/bgxb.2023.0284

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为利用激波管实现空中爆炸冲击波的模拟,开展了管内压力脉冲演化特性的研究。结合激波管内压力脉冲特性的实验和数值模拟,分析高压气体驱动激波管内形成类似于空中爆炸冲击波激波的过程,总结得到激波管参数对激波特征的影响规律。研究结果表明:激波管内产生的激波是平面波;适当调整激波管高压段与低压段的长度比,可以使低压段内反射稀疏波追赶上右行激波波阵面,在追上位置处形成类似空中爆炸冲击波的激波,高压段压力和长度的减小,稀疏波更容易追赶上激波波阵面;结合量纲分析,建立了形成模拟空中爆炸冲击波所需最小低压段长度,以及所形成的激波峰值超压、正压持续时间等特征参量与激波管内压力、长度等参数之间的关系,为模拟空中爆炸冲击波激波管的设计提供基础理论和数据支撑。

TiW/Ni/Au爆炸箔制备及性能研究

李思宇, 董晓芬, 王云鹏, 李帅, 王端, 王庆华

2023, 44(12):  3826-3835.  doi:10.12382/bgxb.2023.0238

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爆炸箔起爆器因其高可靠性、高安全性而在各类战术武器中备受青睐,但其起爆需要较高的输入能量和电压,需配备专门的起爆线路,导致成本高、体积大,在常规武器中应用受限。为顺应爆炸箔起爆器低能化、小型化的发展趋势,获得充电电压在1.5kV以下的爆炸箔起爆器,设计和制备一种采用TiW/Ni/Au复合薄膜的爆炸箔,并对其电爆性能和驱动能力进行了深入研究。研究结果表明:桥区尺寸为0.15mm×0.15mm的TiW/Ni/Au爆炸箔性能最佳,可在0.1μF储能电容、800V充电电压下可靠发生电爆炸,使25μm厚的聚酰亚胺飞片,在直径350μm的加速膛剪切作用下,在0.4μs内加速到3920m/s;与Cu箔相比,800V充电电压下,相同桥区尺寸的TiW/Ni/Au爆炸箔电爆炸能量利用效率从3.11%提高到了12.76%。

上下非对称结构弹体侵彻金属薄板的特性及薄板破坏形式

邓希旻, 田泽, 武海军, 王浩, 黄风雷

2023, 44(12):  3836-3850.  doi:10.12382/bgxb.2022.0724

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为支撑超高声速导弹终点毁伤理论设计,适应异型弹体穿甲力学基础理论发展需求,非对称异型弹体贯穿金属薄板的穿甲特性及靶板损伤机理是当前亟需解决的关键科学问题。开展上下非对称结构异型弹体正/斜贯穿多层间隔921A薄钢板实验,基于Abaqus/Explicit、VUMAT和Python子程序开展数值模拟研究,分析弹体速度变化及偏转特性,结合靶板破坏形貌和能量耗散分析靶板损伤机理,讨论了研究结果在实际工程应用中的适用性。研究结果表明:上下非对称结构异型弹体具有维持弹体姿态稳定的特点,初速低于600m/s时速度降和弹道极限随倾角的增加而增大,靶板破坏模式以剪切冲塞、瓣裂和整体横向变形主导,初速高于600m/s时同初始倾角的弹道极限曲线重合,无量纲速度降随初速增加而降低,靶板破坏模式向延性扩孔、瓣裂和破碎转变;靶板塑性变形时切向塑性功占比最大、环向塑性功最小、轴向和径向塑性功相近,高速侵彻过程中靶板碎片动能为塑性功的25%~50%;基于几何相似的缩比模型可反映原型弹体高速穿甲时的速度变化情况及靶板的毁伤特性;研究成果可为异型弹体高速穿甲的弹靶响应及阻力特性的理论建模提供物理认识及数据支撑。

单点及三点阵列毁伤模式对钢筋混凝土梁的毁伤效能比较

夏柳, 武伟超, 潘艾刚, 王亚飞, 王强, 闫伸

2023, 44(12):  3851-3861.  doi:10.12382/bgxb.2023.0021

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为获得三点阵列接触爆炸的毁伤规律及增益效果,开展钢筋混凝土梁三点阵列接触爆炸、单点接触爆炸试验和数值模拟研究。观测在相同总装药量下的局部破坏特征,分析在不同毁伤模式下对局部毁伤效应的影响。研究结果表明:总装药量相同时,三点阵列爆炸过程中多个爆炸压缩波在梁构件内部传播并发生耦合增强效应,有效提升破坏威力,构件发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切4种局部破坏模式,而单点毁伤模式仅发生正面成坑、侧面崩落和背面震塌3种局部破坏模式;结合有限元仿真结果,发现在一定范围内,随着炸药之间距离的降低,梁跨中的毁伤深度越大但迎爆面的损伤面积减小,随着炸药数量的增加,其迎爆面的损伤面积增大,但损伤深度相应的减小,这表明在接触爆炸载荷作用下,钢筋混凝土梁的破坏不仅与装药阵列距离和装药数量有关,还与阵列中单体装药的质量有关;研究成果可为钢筋混凝土梁的高效毁伤和提高爆炸能量利用率的研究提供一定的参考。

钨锆钛活性破片对间隔靶的毁伤效应

王在成, 徐祎, 姜春兰, 胡榕, 何政

2023, 44(12):  3862-3871.  doi:10.12382/bgxb.2023.0289

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为研究钨锆钛活性破片穿靶后的耦合毁伤机理,开展了钨锆钛活性破片侵彻6mm Q235钢板和1.5mm铝板组成的间隔靶的弹道枪实验,观察钢靶穿孔模式、后效铝靶的毁伤模式及活性破片侵彻间隔靶的高速摄像,结合活性破片冲击反应理论、能量守恒原理,计算靶板变形能,分析化学能和动能在耦合毁伤中的贡献占比。研究结果表明:活性破片着靶速度小于800m/s时,钢靶塞块与破片碎片云在铝靶上造成隆起、侵坑、烧蚀破坏,着靶速度增大到1187m/s以上时,铝靶受前层钢靶塞块作用发生冲塞破坏,在碎片云的动能与化学能耦合毁伤作用下出现隆起、裂纹和花瓣翘曲;随着着靶速度的增大,后效靶毁伤面积与活性破片反应程度均呈增大趋势;化学能在耦合毁伤中的贡献度逐渐增大。

含缺陷分布的β-HMX单晶动态拉伸变形及破坏机理

黄龙杰, 刘睿, 高飞艳, 陈鹏万

2023, 44(12):  3872-3883.  doi:10.12382/bgxb.2023.0737

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为研究β-HMX炸药晶体内部缺陷对其力学行为的影响,采用分子动力学方法,基于Smith力场模拟含不同缺陷特征(孔隙率、孔洞数量和孔洞分布形态)的β-HMX单晶在动态拉伸下的变形、损伤及破坏过程。研究结果表明:孔隙率由1%增大至2%,β-HMX单晶的抗拉强度与完美单晶相比下降5.3%~11.2%,杨氏模量降低3.6%~13.4%;孔隙率不变的条件下,材料的抗拉强度会随着孔洞数量的增多而下降;当孔洞间距较小时,在拉伸过程中孔洞之间发生相互作用,导致材料的抗拉强度降低;孔洞的分布形态对β-HMX炸药单晶抗拉强度影响较为明显,不同应变率下β-HMX单晶的破坏机理具有明显差异,在5×10⁹s^-1拉伸应变率下孔洞周围先形成细小裂纹,裂纹逐渐扩展导致β-HMX单晶发生断裂,材料具有明显断口,在1×10¹¹s^-1拉伸应变率下,β-HMX单晶内部形成多条裂纹,导致材料破坏失效;获得了含缺陷分布的β-HMX单晶动态拉伸变形及破坏机理,为优化β-HMX及其混合炸药的制备工艺和提高其力学性能提供了理论依据。

近爆荷载下聚氯乙烯泡沫夹芯板的动力学模型研究

赵猛, 戴开达, 向召, 姜涛, 赵晓松, 徐豫新

2023, 44(12):  3884-3896.  doi:10.12382/bgxb.2022.0729

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为研究近爆荷载下聚氯乙烯(PVC)泡沫夹芯板动态响应,对PVC泡沫夹芯板变形的3个阶段进行分析,推导考虑面板局部化特征的变形挠曲面函数,建立了考虑面板和夹芯的弯矩和膜力效应对变形影响的单自由度刚塑性动力学模型。利用非线性数值计算软件,计算不同面板和夹芯厚度的PVC泡沫夹芯板在近爆荷载下的动态响应,分析面板变形和速度变化,验证了动力学模型中各阶段面板和夹芯的受力和运动情况。研究结果表明:建立的挠曲面函数能反映近爆荷载下面板的局部化特征,且在变形过程中面板的局部化程度不断减弱;基于动力学模型计算的面板中点挠度和速度时程曲线与数值计算结果较为吻合且面板中点挠度与实验结果误差较小,该动力学模型可以有效预测PVC泡沫夹芯板在近爆荷载下的动态响应。

CONWEP与流固耦合爆炸加载差异性及砌体墙动力响应特征

尚雨露, 徐轩, 张帝, 杨军

2023, 44(12):  3897-3908.  doi:10.12382/bgxb.2023.0285

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为了研究砌体墙在大当量爆炸加载下的动力响应行为,根据TNT当量为500kg,爆心距为13m的现场试验,利用内聚力单元方法(Cohesive Zone Method,CZM)建立有窗和无窗双面砌体墙全尺寸数值模型,分别采用常规武器爆炸参数计算程序(Conventional Weapons Effects Program,CONWEP)和有限元仿真软件中的流固耦合(Coupled-Eulerian-Lagrangian,CEL)方法施加爆炸荷载进行数值计算。研究结果表明,与试验在地表测得的扫掠超压数据相比,CONWEP和CEL方法的入射超压峰值与试验结果基本相符:CEL方法入射冲量与试验接近,但其抵达时间较试验早7.1%,上升沿时间为试验的4倍;CONWEP方法超压衰减较慢,正压持续时间和冲量分别比试验大50.7%和42.56%,而抵达时间和上升沿时间与试验一致。分析认为,CEL加载冲击波抵达时间和上升沿持续时间受比例距离和网格尺寸影响,比例距离和网格尺寸越大,冲击波抵达时间越晚,上升沿时间越长。此外,冲击波流场的时空分布差异性体现在:CONWEP方法加载的波阵面为理想半球形,CEL方法加载的波阵面为扁球状;对于施加于墙面的反射超压峰值,CONWEP方法加载各区域的峰值更大且各向衰减率一致,而CEL方法加载在y轴(竖直)方向的衰减率大于z轴(水平)方向;在墙体渐进破坏规律研究中,CEL方法加载能够较为准确地模拟墙体的局部破坏特征。并且,CEL方法加载下墙体最终破坏形态与试验结果更接近,CONWEP方法则破坏程度更大。

曲面型纤维复材防护掩体在爆炸冲击波下的响应特性

袁名正, 潘腾, 卞晓兵, 杨磊, 周宏元, 黄广炎, 张宏

2023, 44(12):  3909-3920.  doi:10.12382/bgxb.2023.0735

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自二战以来战场上遗留了大量未爆弹,为合理高效地处置未爆弹,需要强防护和轻量化的防爆掩体以保护拆弹专家的安全。基于该背景,选取铝合金6061-T6、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维层合板和碳纤维层合板3种材料,通过实爆实验和有限元仿真结合的方式,对比研究曲面型防爆掩体与方型防爆掩体在冲击波作用下的抗变形能力和冲击波超压衰减效果。3种材料平板的爆炸实验结果发现,相同面密度靶板的抗变形能力排序为碳纤维层合板>UHMWPE纤维层合板>铝板;由仿真结果可知曲面结构的抗变形能力优于平面结构;在2kg TNT 3m距离、0.5m高处爆炸冲击下,相较于方型防爆掩体,曲面型防爆掩体因其更好的抗变形能力以产生更小的透射超压,在小变形的情况下使掩体内部超压不超过20kPa,可以保证内部人员安全无伤,其中,材料选择对于曲面型防爆掩体削波效果的影响不大,方型防爆掩体采用碳纤维层合板的效果最好。