基于塑性弦线法的深水爆炸下加筋锥柱壳变形模型

为探究凸型加筋锥柱壳在静水压与深水爆炸载荷联合作用下的动态响应,在塑性弦线模型基础上考虑静水压载荷、锥角因素,将问题简化为求解拥有初边界值的波动方程,利用特征值展开将肋间板壳径向位移表示为无穷级数的形式,并对每个特征值计算相应的卸载时间,以此显示冲击波载荷的衰减特性。使用有限元程序Abaqus对半锥角为20°的凸型加筋锥柱壳开展最大深度500 m、最大冲击因子0.79 kg 0.5/m的水下爆炸数值模拟研究,对邻近结合处的柱段、锥段肋间板壳的理论模型计算结果进行验证对比和讨论。研究结果表明:与不计静水压相比,静水压使得肋间板壳刚度减小——最大位移出现时刻延滞,最终径向位移随水深而增大;在不同冲击因子下,理论模型与数值模拟最终径向位移误差最大为21.7%(锥段),最小为2.0%(柱段);由于锥角的存在,肋间板壳位移不再关于中心点对称分布,中心点最终位移较柱段减小40%以上。

凸型加筋锥柱结合壳深水爆炸失稳特性研究

为研究凸型加筋锥柱结合壳结构在深水爆炸载荷作用下的动力学响应以及在此过程中伴随的失稳特性,采用ABAQUS有限元软件中的声固耦合算法开展了300~500 m水深条件下深水爆炸数值模拟研究,基于结构挠度变化的失稳判据,分析总结了加筋锥柱结合壳的失稳模式,获得了加筋锥柱结合壳临界失稳载荷和临界失稳挠度随水深和壳体结构参数的变化规律.结果表明,水深条件、壳体半径、壳体厚度以及结构锥角对结构稳定性有较大影响,而腹板厚度对结构的稳定性影响不大.在此基础上,运用量纲分析的方法结合模拟得到的临界失稳数据建立了结构在常见失稳模式下结构临界失稳判据的计算公式.

动能撞击偏转近地小天体研究进展

以近地小天体防御为背景,介绍了近地小天体的基本概念和物理特性,分析了超高速动能撞击偏转近地小天体的研究进展。讨论了超高速动能撞击近地小天体表面成坑形貌、相似律以及成坑过程中抛射物产生机制、演化过程和抛射物质量速度分布相似律。总结了基于结合点源假设、实验和数值模拟结果建立的超高速动能撞击小天体动量传递理论模型和相似律。分析了近地小天体的物理特性和撞击条件对动量传递系数的影响规律。归纳了超高速动能撞击偏转近地小天体研究中存在的问题,对超高速动能撞击防御小天体的发展趋势提出了若干建议。

舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究

为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了3种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。

依兰陨石坑形成过程数值模拟研究

基于iSALE-2D仿真代码对依兰陨石坑的形成过程进行了研究,采用欧拉算法开展数值模拟,探讨了依兰陨石坑的撞击条件,统计分析了成坑过程中熔化层的形成与分布规律,结合点源成坑相似律模型,拟合得到强度机制下的成坑半径关系式。研究结果表明一颗直径120 m、撞击速度12 km/s的花岗岩质小行星垂直撞击地表形成一个与依兰陨石坑形态相似的陨石坑,再现了成坑形成的3个阶段:接触与压缩阶段、开坑阶段、后期调整阶段。大部分熔体在坑底呈分层堆叠分布,少量熔体随抛射物沉积在靶体表面,呈离散状分布,完全熔化材料质量约为撞击体质量的24倍。直径120 m、撞击速度12 km/s工况模拟结果与拟合的成坑半径关系式结果相对误差10.3%。

超高速动能撞击密实小行星的动量传递规律

动能撞击被认为是使潜在威胁小行星偏离与地球碰撞轨道的有效方法。基于撞击速度对动量传递系数的影响规律,利用二级轻气炮进行了6mm铝弹丸以2~4km/s超高速撞击玄武岩靶试验,利用AUTODYN光滑粒子流体动力学方法开展了数值模拟,将模拟结果和试验结果进行了比较,验证了计算模型和参数的准确性。模拟结果表明在不同撞击速度下抛射物的质量和速度分布基本一致,撞击速度越大累计抛射物质量越大。结合试验和数值模拟结果,获得了动能撞击密实小行星的动量传递系数相似律,密实小行星的动量增强系数随撞击速度的0.65次方的增大而增大。动量传递相似律可为动能撞击偏转小行星提供数据支撑。

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

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。

水下爆炸爆源定位方法与误差分析

提出了一种采用最小误差逼近法对水下爆源进行定位计算的方法。通过验证性实验表明,在有效传感器观测数据不小于4个的情况下,该方法完全可以满足现场测量的要求;该方法在个别测量数据准确性较差的情况下,仍能得出较好的计算结果。最后分析了测点数据准确性、测点布置紊乱度、模型参数的准确性和测点数量对计算误差的影响,提出了定位计算实验所需要注意的问题。

超高速弹丸碰撞薄板产生碎片云的运动模型分析

为了准确地描述超高速碰撞薄板形成碎片云的运动特征,通过数值模拟结果与Swift,Piekutowski和Bless这3种碎片云模型结果进行比较,并对Swift模型进行了修正.结果表明:Piekutowski和Bless模型能较好地描述圆片弹丸所形成碎片云的运动;修正后的Swift模型能较好地描述球形弹丸所形成的碎片云的运动.

含能材料防护屏在球形弹丸超高速撞击下的穿孔特性研究

以空间碎片防护设计为工程应用背景,将亚稳态含能材料应用于空间碎片防护结构。利用二级轻气炮对聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)含能材料防护结构进行了不同面密度、不同弹丸直径、不同速度的超高速撞击实验,获得了撞击过程中的高速摄像图片及光学高温计信号。分析结果表明,含能材料防护屏超高速撞击瞬间发生了可靠的冲击起爆反应,根据反应度的不同可分为冲击爆轰区、破碎爆燃区、零反应破碎区3个区域。基于实验结果,建立了铝合金弹丸超高速撞击PTFE/Al含能材料防护屏穿孔直径的无量纲经验公式。利用实验与分析结果验证了数值模拟的有效性,获得了环境温度对PTFE/Al含能材料防护屏超高速撞击穿孔特性的影响规律。

深水爆炸下凸型加筋锥柱壳结构的破坏模式

水深是深潜装备在水中爆炸时结构动态响应的重要影响因素,深水爆炸条件下深潜装备结构的动态响应是深潜装备防护设计的重要基础。以典型深潜装备的防护需求为背景,研究加筋锥柱凸结构在深水爆炸载荷下的破坏模式。进行500 m水深范围内加筋锥柱凸结构的爆炸实验,并利用ABAQUS数值仿真方法得到了多种工况下结构的动态响应过程。根据结构变形量和破坏程度,获得了加筋锥柱凸结构包含肋间壳板凹陷变形、壳板与肋骨协同变形和压溃撕裂破坏的3种破坏模式,揭示了不同破坏模式之间的演变与转化机理。结果表明:随着水深、冲击因子的增加,加筋锥柱凸结构的变形破坏结果更加严重,破坏模式的演变与转化过程更加复杂。

水滴超高速撞击Whipple防护结构的毁伤特性

采用水中泡大的高吸水性材料模拟水滴,开展了常温下直径为3.7和6.4 mm的球形水滴超高速正撞击典型Whipple防护结构(由缓冲板和效应板构成)的实验研究,得到了不同直径的水滴弹丸撞击下双层铝板的毁伤特性。采用LS-DYNA软件的有限元方法-光滑粒子流体动力学(finite element method-smoothed particle hydrodynamics,FEM-SPH)自适应方法对Whipple防护结构在直径为3~7 mm的水滴不同速度撞击下的毁伤特性进行了研究,分析了水滴直径、撞击速度、靶板厚度等因素的影响,给出了2~8 km/s速度范围内水滴超高速撞击铝板的无量纲穿孔直径经验公式,得到了3~7 mm水滴弹丸击穿Whipple防护结构所需的最低速度。

超高速碰撞成坑特性分子动力学模拟

基于开源分子动力学程序LAMMPS,对直径为4.86nm的球形铝弹丸以10km/s超高速撞击半无限厚铝靶进行模拟.弹坑形成的物理过程与超高速碰撞宏观现象相似,弹坑深度与宏观经验公式计算结果基本一致,获得了弹丸头部相对于碰撞点的位移随时间的变化规律;分析了靶板中冲击波传播特性,碰撞初期冲击波阵面传播速度达到12km/s,随后冲击波传播速度逐渐减小,接近于弹性波速;弹坑周围观测区发生熔化相变,熔化时间持续0.07ps,熔化层厚度为2.9nm;弹坑周围观测区冷却速率达到1015 K/s量级,抑制了原子重结晶,最终呈现为固相非晶结构.

球形弹丸超高速撞击靶板时背表面材料破碎的数值模拟分析

选取合适的材料状态方程和强度模型,通过数值模拟分析超高速撞击下弹丸材料的破碎行为。弹丸的破碎主要有两种:稀疏波引起的层裂和材料在高压作用下的碎裂。由于层裂影响和高压影响下弹丸的破碎方式不同,导致两种情况下材料产生的碎片形状和大小不同。分析球形弹丸在撞击靶板过程中压力脉冲的传播及衰减形式发现:在弹丸和靶板尺寸相同的情况下,弹丸中压力脉冲的脉宽基本保持不变,而峰值压力随着撞击速度的增加而增加;在撞击速度相同的情况下,弹丸中压力脉冲的峰值压力基本不变,而压力脉冲的脉宽随着靶板厚度的增加而增加。弹丸中传播的压力脉冲与后期弹丸背表面的层裂相关,其峰值及变化速率直接影响背表面层裂厚度,其脉宽直接影响背表面沿弹丸径向的层裂深度。得到层裂厚度以及层裂破碎方式的影响区域,对研究后期碎片云分布有重要参考价值。

双层复合材料爆炸圆筒内爆载荷作用变形特征数值模拟

为研究内爆载荷作用下双层复合材料爆炸圆筒的变形与内外层相互作用的规律,将多层缠绕纤维复合材料等效成一层材料,并将内爆载荷通过载荷曲线的形式施加,提出一个简化的数值计算模型。在模型校核的基础上,利用LS-DYNA软件对同一双层圆筒、不同药量下以及不同内外层厚度比例圆筒在内爆载荷下的变形特征进行分析。结果表明:双层爆炸圆筒壳体在小药量炸药爆炸作用下以弹性呼吸振动为主,随药量增加,金属内衬与外层复合材料会发生分离,外层复合材料在振动过程中会强烈压缩金属内衬,内衬会发生不规则变形,在大药量条件下内衬会被压溃而失去承载能力;相同壳体面密度条件下,过薄的金属内衬在外层复合材料强作用下会过早被压溃,从而失去承载能力,过厚的金属会使得壳体的环向形变增大。研究结果可为双层复合材料爆炸圆筒的设计提供数据参考。

近地小天体对地撞击成坑模型研究进展

近地小天体对地撞击成坑是行星研究的前沿问题之一。本文中介绍了陨石坑成坑过程与类型、实验室模拟成坑现象和陨石坑成坑模型律,分析了近地小天体对地撞击成坑机理和点源模型的不足,指出了近地小天体对地撞击成坑未来研究的发展趋势。

多层复合结构对高速破片的防护特性

目前破片防护结构的研究多集中在小质量(1 g以下)破片的超高速(3 km/s以上)撞击和大质量(10 g以上)破片的低速(1 km/s以下)撞击,而对于质量5~10 g破片高速(1~2 km/s)撞击的防护研究较少。针对高速厘米级破片开展多层复合结构防护特性研究。采用二级轻气炮为加载平台,将6 g 7075-T651铝合金柱形弹丸以1.5~1.7 km/s发射撞击3层防护结构靶板,分析其防护特性,并对比不同结构与材料两种防护结构方案,得到一种基于碳化硼与Kevlar复合材料的优化防护结构。利用三维Autodyn软件进行数值仿真计算,将实验结果与数值计算结果对比,验证了数值计算模型参数的有效性。通过仿真计算,得到破片撞击复合结构防护板的能量传递过程,同时得出复合结构板铺层顺序的合理化方案。

超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性

在超高速碰撞下,波阻抗梯度材料能使弹丸的动能更多地转变为靶板材料内能,使其发生熔化、气化等相变,分散和消耗弹丸的动能,进而实现航天器对空间碎片的防护。以钛、铝、镁3种材料组成的波阻抗梯度材料为研究对象,借助于光滑粒子流体动力学数值模拟方法,采用Tilloston状态方程和Steinberg-Guinan本构模型,给出各材料的冲击相变判据,结合速度为7.9 km/s的超高速碰撞实验结果,验证数值模拟结果的有效性。计算结果表明:钛、铝、镁波阻抗梯度材料在受到大于4 km/s速度撞击时,形成的碎片云会发生不同程度的熔化和气化;钛、铝、镁3种组分分别在受到6 km/s、5 km/s、4 km/s速度撞击时碎片云会发生熔化,在受到8 km/s、9 km/s、6 km/s速度撞击时碎片云会发生气化。

超高速碰撞产生的电磁辐射

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。

钨合金杆在线型聚能射流作用下变形断裂的机制及其特性

为研究钨合金杆在线型聚能射流作用下变形断裂的机制及其特性,通过静态实验研究自由状态下钨合金杆在线型聚能射流作用下的变形断裂特征。在验证模型的基础上利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟线型聚能射流对静态钨合金杆和以不同角度对运动钨合金杆的作用过程,分析其断裂特征及断裂机理。结果表明:在线型聚能射流冲击下,静态和运动钨合金杆均断裂成几截,钨合金杆的断裂不是由于射流的侵彻作用,断裂的主要机制是钨合金杆在线型射流的冲击作用下变形引起的拉伸和剪切失效引起的断裂;断裂位置和断裂截数与线型聚能射流和运动钨合金杆之间的夹角有关。研究结果可为拦截长杆弹的新型反应装甲设计提供数据参考。