含金属内衬复合材料抗爆容器的初始设计方法

针对目前复合材料抗爆容器工程设计方法合理性欠缺现状,基于轻量化思路,结合动力系数法及网格理论提出了可用于含金属内衬复合材料抗爆容器设计的“等代设计法”。采用该方法完成了内径0.5 m、抗爆当量1 kg TNT的复合材料圆筒初始设计,复合材料圆筒的面密度由等效金属圆筒的19.3 g/cm^(2)降低到3.6 g/cm^(2)。在该圆筒内部开展了炸药加载试验,结果表明圆筒设计合理,该设计方法有效,为抗爆容器的轻量化设计提供了新思路。

爆炸加载下蜂窝夹芯板和泡沫夹芯板变形行为实验研究

多孔夹芯结构因优异的比强度、比刚度而广泛应用于爆炸冲击防护领域,然而目前与爆炸相关的研究主要集中在小当量爆炸加载下夹芯结构的失效机制,实际大当量加载场景下的吸能特征研究较为少见。为更好指导工程应用,设计了三种夹芯材料(泡沫铝、边长3 mm及边长10 mm的蜂窝铝)在不同夹芯构型(单层夹芯、两层夹芯)及不同面板/夹层板/背板厚度下的十种夹芯结构,并对上述夹芯结构开展了0.5 kg TNT和1 kg TNT当量爆炸加载实验,分析了不同当量下夹芯结构的整体变形特征,探讨了夹芯材料、夹芯构型等因素对吸能防护的影响。实验结果表明:爆炸加载下,泡沫夹芯结构及蜂窝夹芯结构均可通过芯体材料的大幅压缩变形吸收转换能量,但整体而言蜂窝结构的变形均匀化更好;芯体吸能效率的发挥一方面与自身的比压缩强度相关,另一方面也与表层面/背板的强度及刚度相关,在实际应用时需优化匹配芯体的压缩强度与面/背板的强度及刚度,保证芯体材料可获得最大程度的压缩,发挥其吸能优势;实验中发现双层夹芯结构在吸能防护性能上优于等面密度的单层夹芯结构,即在等面密度的情形下,通过对内部芯体的合理结构优化是提升结构整体吸能防护效果的有效途径。该研究可以为实际应用中的防护结构设计提供更多参考数据。

轻质抗侵彻材料及结构研究现状

基于国内外已有的研究结果,介绍了目前在抗侵彻领域展现出较大优势的轻质材料及其抗侵彻机理,介绍了利用相关材料组成的抗侵彻复合结构及相应吸能机理;最后给出个人关于抗侵彻研究的一些思考。

超高分子量聚乙烯纤维复合材料的应用及其抗侵彻性能研究

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维因在比强度上的巨大优势引起科研技术人员的广泛关注(其密度约为0.97g/cm3,而抗拉强度可达GPa量级)。研究表明,以UHMWPE纤维作为主要组分的复合板在侵彻防护领域具有极大的应用潜能,其防护效率明显优于现有陶瓷、轻金属等抗侵彻材料。介绍了UHMWPE纤维的基本性质、发展现状及其抗侵彻机理,概述了以UHMWPE纤维为主要组分的复合材料在抗侵彻领域中的应用,指出了UHMWPE纤维复合材料发展中有待解决的问题。

破片和爆炸波联合加载下UHMWPE纤维复合材料失效行为实验研究

由于超高的比拉伸强度,超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,简称“UHMWPE”)纤维复合材料在冲击防护领域获得了极大的关注。本文通过可同时产生破片和爆炸波加载装置的设计,实验观察了UHMWPE纤维复合材料在联合冲击加载下的失效行为。实验发现,UHMWPE复合材料在联合加载下失效模式复杂,包括层间脱层、屈曲与褶皱、侵彻穿透、纤维烧蚀等。基于失效模式的分析,总结了UHMWPE纤维复合材料在破片和爆炸波联合加载下失效破坏的四个典型阶段。

重型燃气轮机高温透平叶片热障涂层系统中的应力和裂纹问题研究进展

燃气轮机是清洁高效火电能源系统的核心动力装备之一,是关乎国家能源安全和国防安全的战略高技术,是国家重大装备制造水平的标志,被誉为制造业王冠上的明珠.透平前燃气温度代表了燃气轮机的技术水平,人们一直在不断地追求燃气温度的提高.目前,国际最先进的重型燃气轮机的透平前燃气温度已达1600℃,未来还将向1700℃及以上发展.这种极端高温服役环境对高温透平叶片的设计和制造提出了严峻挑战,热障涂层(TBC)技术是解决这一问题的核心技术之一,在燃气轮机发展进程中发挥了重要作用,它不仅具有热障效果,而且还能防止氧化、腐蚀、外来物冲蚀等对叶片造成的损伤.因此,深入研究TBC的失效机理及其影响因素,对TBC的设计、制备及强度评价具有重要意义,对燃气轮机的安全服役具有重要作用.本文拟介绍重型燃气轮机高温透平叶片TBC系统中应力和裂纹问题的国内外最新研究进展,重点介绍本课题组十年来的研究成果,涉及理论、实验和数值分析几个方面.主要内容包括:TBC制备过程中的热应力,热生长氧化物(TGO)及其诱发的生长应力,TBC中的表面裂纹、界面裂纹及表界面裂纹间的竞争,TBC双轴强度评价方法,先进层级TBC中的表面和界面裂纹及其竞争,表面环境沉积物(CMAS)渗入诱发的涂层脱粘行为,陶瓷层烧结及其对TBC开裂的影响等.

热障涂层系统内粘结层循环塑性研究

在热障涂层系统内,热生长氧化层(TGO)在热循环作用下的位移失稳通过诱发涂层的开裂、剥落而导致系统失效.而粘结层(BC)内的塑性积累又是控制TGO失稳的一个最为关键因素.本文采用数值模型观察了BC在热循环作用下的塑性积累.TGO在高温下的生长以及蠕变行为在计算中同时被考虑.计算结果表明BC内的塑性积累主要发生在热循环的热震阶段,而高温保温阶段的TGO增厚主要导致BC在热震阶段发生塑性屈服以及反向屈服所需要的温度变化幅值降低.因此,在TGO每经过一次高温生长后,BC在随后的热震阶段将在更小的温度变化范围内屈服,而这将导致更大的塑性积累出现.