阻抗梯度飞片加载下的超高速发射二维数值模拟方法

阻抗梯度飞片准等熵加载和超高速发射的二维数值模拟,在计算方法上集中体现了多介质、多界面、大变形、高密度比等特点.采用多介质流体高精度PPM计算方法,以VOF为基础研制MFPPM2二维计算程序,数值模拟Sandia实验室的超高速发射实验模型,获得了与Sandia实验室数值计算一致的结果.

冲击加载-准等熵加载过程的密度梯度飞片计算设计

采用一维弹塑性流体动力学计算方法,通过对LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)Mg-Cu体系密度梯度飞片冲击加载-准等熵加载实验过程数值计算和比较,验证了流体动力学计算方法、不同材料体系混合模型以及计算程序的正确性和实用性。考虑到在飞片材料制备中,单层厚度最小值为0.2 mm和Mg-W最大阻抗混合质量分数的致密条件限制,开展了对新的Mg-W体系密度梯度飞片实现冲击加载-准等熵加载过程计算设计,给出了满足加载要求的飞片结构特征;从计算给出的粒子速度波剖面可见,密度梯度飞片波阻抗分布对加载过程和加载强度非常敏感,通过精心设计准连续型变阻抗的梯度飞片,可以进行不同复杂加/卸载过程的物理模型设计和实验研究。

Mg-W体系密度梯度飞片复杂加载实验的计算分析

采用弹塑性流体动力学计算方法对Mg-W体系密度梯度飞片复杂加载实验进行计算设计,考虑到飞片材料制备中单层厚度值和Mg-W最大阻抗混合质量百分数的致密条件限制,提供12层Mg-W体系飞片的制备参数.采用研制的梯度飞片在气炮上进行冲击加载-准等熵加载实验,给出了飞片和LiF窗口界面处速度剖面的VISAR或DISAR实验测试结果,并通过数值计算对实验数据进行对比,对出现的异常现象进行了分析和实验验证,提出以Mg-Cu为飞片材料体系的建议,为后续深入开展可控加卸载路经和可控加卸载速率的实验研究奠定了基础.

梯度飞片材料的制备及其准等熵压缩技术

波阻抗梯度飞片材料作为一类新型的功能梯度材料，在准等熵压缩技术中有重要的应用。本研究采用粉末冶金技术和平面扩散焊接方法分别制备了两种类型的波阻抗梯度飞片：“Multi-ply”和“Pillow”，利用它们成功实现了对靶材料的准等熵压缩。论文重点对这两种梯度飞片的制备及其准等熵压缩效果进行了研究，并分析了二者之间的差异。

W-Mo-Ti-Mg体系阻抗梯度飞片无冲击驱动过程数值分析

对于W-Mo-Ti-Mg复合体系材料,给出了一种按指数规律变化的阻抗梯度飞片厚度计算公式,飞片厚度从高阻抗到低阻抗遵循逐渐递减规律。针对20层准连续性阻抗梯度飞片,在两种不同的阻抗分布情况下,给出了针对1.0mm铜样品准等熵加载过程的计算结果,同时通过在飞片末端增加几层更低阻抗材料,实现了对铜样品的无冲击驱动。

波阻抗梯度飞片的特性研究

基于波阻抗梯度飞片撞击二次飞片时的准等熵压缩特性,给出了波阻抗梯度飞片的设计原则.根据该设计原则,设计了一种由TPX、镁合金、铝、钛、铜、钽等材料组成的波阻抗梯度飞片,并计算了该梯度飞片的波阻抗分布.计算结果表明,该梯度飞片前后表面的波阻抗与二级飞片波阻抗的比值分别为0.08和2.45.

实现应变率为10~5～10~6s^(-1)的阻抗梯度飞片复杂加载波形计算分析

为了在气炮上实现应变率为105~106 s-1的复杂加载技术研究,采用自行研制的拉格朗日程序MLEP(multi-material Lagrangian elastic-plastic)对Al-Cu-W材料体系的阻抗梯度飞片复杂加载不锈钢靶板进行数值模拟,计算设计并分析了阻抗梯度飞片的厚度和密度分布指数对靶板压力、速度和应变率峰值等波形的影响。结果表明:密度指数分布越大,加载时间越短,加载后期的压力、速度和应变率峰值曲线更陡峭;同时,为了避免靶板/LiF窗口界面反射的稀疏波早于阻抗梯度飞片后界面反射的稀疏波达到碰撞面位置,计算设计中还考虑了飞片厚度的影响。此外,对基于理论设计的阻抗梯度飞片进行了动态考核实验,实验结果基本反映了预期的设计,为材料强度的测量奠定了基础。

波阻抗梯度飞片材料及其在动高压物理中的应用

波阻抗梯度飞片材料是一类新型的功能梯度材料（FGM）,它是FGM在动高压物理领域内的功能延伸.利用波阻抗梯度飞片材料可以实现对靶材料或二级飞片的准等熵压缩和超高速发射,进而能够在实验室条件下获得相当于核爆水平的极端超高压状态,从而为核武器的设计和武器物理研究提供了现实、可行的研究手段.

密度梯度飞片实现复杂加／卸载过程的数值模拟

采用流体动力学计算方法，通过数值计算给出了满足复杂加／卸载过程要求的几种密度梯度飞片结构特征。从计算给出的速度波剖面可见，密度梯度飞片波阻抗分布对加／卸载过程和加／卸载强度非常敏感。通过精心设计准连续型变阻抗的密度梯度飞片，可以进行不同复杂加／卸载过程的物理模型设计和实验研究，这样的梯度飞片具有产生可控制的加／卸载路径的能力。

W-Mo-Ti系梯度飞片的显微组织特征

利用电子探针、扫描电镜和X射线衍射仪对W Mo Ti系梯度飞片的化学成分分布、显微组织和组织结构特征进行了研究。研究表明 :W Mo Ti系梯度飞片中主要元素W、Mo、Ti分布整体上具有梯度变化规律 ;以Ti为主的Mo Ti混合区和高Ti区 ,Ti主要以多角形α相存在。

基于广义波阻抗梯度飞片的准等熵压缩技术

基于变截面杆的波传播特性,设计了一种"针床型"广义波阻抗梯度飞片,即在圆薄片基座上密排叠加许多犹如针尖的小正四棱锥。采用LS-DYNA软件中SPH算法对广义波阻抗梯度飞片高速击靶过程进行了数值计算,结果显示:在飞片击靶过程中,每一个小正四棱锥台可以看作"点"式加载脉冲源,产生一系列具有缓慢上升前沿的近似球面波,球面波相互叠加得到具有缓慢上升前沿的平面加载波形,从而实现对靶板准等熵压缩加载。在数值计算中详细讨论了飞片击靶速度、飞片几何特征参数对准等熵压缩加载特性的影响规律,为广义波阻抗梯度飞片的设计与应用提供指导。基于数值计算结果,采用激光选区烧结金属增材制造技术,制备了一种广义阻抗梯度飞片样品,在一级气炮上进行击靶实验,实测了靶板自由面速度时程曲线,波形呈现了准等熵压缩加载特性,并与计算结果进行了对比,两者基本一致,从而验证了广义波阻抗梯度飞片结构设计的可行性以及数值计算结果的可靠性。

梯度飞片材料的波阳抗分布设计与优化

波阻抗梯度飞片是一种新型的功能梯度材料，其特性波阻抗值在飞片厚度方向上按一定规律呈梯度变化。研究表明，合理的波阻抗分布设计是梯度飞片具有良好准等熵压缩特性的前提与保证。采用中国工程物理研究院提供的计算程序，对选定的、W-Mo-Ti体系波梯度飞片材料的准等熵压缩特性进行数值模拟。

为实现准等熵压缩的波阻抗梯度飞片的实验研究

采用粉末冶金方法 ,制备出波阻抗沿厚度方向呈特定分布的W Mo Ti体系梯度飞片 ,在二级轻气炮上进行了梯度飞片击靶实验的初步研究 .结果表明 ,利用梯度飞片可以实现对靶样品的准等熵压缩 ,击靶后产生的波阵面是平缓、连续上升的 ,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面 ,靶面压力峰值最高达到了 16 7GPa.

梯度飞片材料的波阻抗分布设计与优化

建立起了梯度飞片击靶的理论模型 ,对具有不同波阻抗分布特征的W Mo Ti体系梯度飞片的击靶过程进行了数值模拟计算 .结果表明 ,梯度飞片对靶产生的压缩是逐步进行的 ,靶板的自由面速度也是逐渐提高的 ,准等熵压缩过程的加载速率远低于传统冲击压缩 .为获得较好的准等熵压缩效果 ,梯度飞片的波阻抗分布应遵循随厚度变化的二次至三次幂函数关系 ,并且靶板厚度必须与梯度飞片的击靶速度等相匹配 .

W-MO-Ti体系波阻抗梯度飞片的制备与准等熵压缩特性

采用粉末冶金方法，制备出整体致密的、波阻抗沿厚度方向呈特定分布的Ｗ－Ｍｏ－Ｔｉ体系梯度飞片．在一级轻气炮上进行的击靶实验结果表明，利用该梯度飞片可以实现对靶材料的准等嫡压缩．

利用多层阻抗梯度飞片产生准等熵压缩的理论解析

基于冲击波理论对多层阻抗梯度飞片击靶过程波系的相互作用做了理论分析,计算表明在多层阻抗梯度飞片的撞击下,样品的压缩线是一组通过不同初始状态点的冲击压缩线的连线,它位于冲击压缩(hugoniot)线与等熵压缩线之间.所以通过飞片层数的设计,可获得介于冲击压缩线与等熵线之间的任意状态点,这就为以后偏冲击压缩(off_hugoniot)状态方程的实验研究提供了理论参考.实验测量的样品/窗口界面速度与理论计算的一致性支持上述结论的可靠性与准确性.

冲击加载下梯度密度飞片系统产生准等熵压缩过程的实验技术

为研究固体炸药准等熵压缩过程,采用"钉床"形梯度密度飞片,通过改变飞片尖峰高度并结合火炮加载技术和铝基组合式电磁粒子速度计技术,测试并捕捉了飞片尖峰撞击缓冲层后缓冲层继而冲击固体炸药时炸药前表面及内部产生的准等熵压缩过程,用组合式电磁粒子速度计测试了炸药前表面及内部不同深度处的粒子速度,用冲击波示踪器捕捉了冲击波到达炸药内部各深度处的时刻,进行了不同尖峰高度的对比实验。结果表明,2.5mm飞片尖峰高度下JB-9014靶和聚四氟乙烯(PTEF)靶前表面准等熵压缩时间分别为0.37μs和0.22μs。发现靶前表面有完整的准等熵压缩过程,靶内已经完成准等熵压缩到冲击的过程。冲击波x-t图显示靶内冲击波速度前期稳定,后期衰减。发现当"钉床"(BON)飞片尖峰高度和缓冲层厚度合理配置时,才会在靶样品内部产生较宽时间的准等熵压缩过程。

W-Mo系复合材料的制备及其特性波阻抗

采用放电等离子烧结技术,在相同的温度(1473K)及压力(30MPa)下,制备出不同配比的致密的W Mo系复合材料样品。采用高精度超声波脉冲回波重合方法,精确测量了超声波在样品中传播的横、纵波声速,并由此得到样品的特性波阻抗值。对样品的相组成分析及电子探针分析的结果表明,W Mo系复合材料主要是以W、Mo机械混合的形式通过粘结相获得致密化的。因此,选用混合物模型对其特性波阻抗值进行了理论预测,与实测值的比较表明该模型能对W Mo系复合材料的特性波阻抗作出比较准确的预测。

复杂加载下材料动态响应的数据反演技术

对梯度飞片撞击复杂路径加载实验中,具有冲击加载-斜波加载-斜波卸载的金属铝材料的波剖面信息进行了数据分析和处理,不同加载路径用不同力学响应关系式进行描述,以铝材料\氟化锂窗口界面处的速度剖面作为初始条件,用反积分方法向铝材料内部直至加载面进行了反向计算,所得计算结果与正向计算结果比较吻合较好。计算得到了材料内能、温度、声速及应变率在复杂路径加载中变化规律,并给出了材料的P-V参考线,所得结果可与正向积分计算结果相互校核。

偏Hugoniot状态下93钨状态方程

利用动高压实验装置二级气体炮和5层阻抗梯度飞片,在2.12和5.02km/s的碰撞速度下测量了93钨样品的自由面速度,同时基于冲击波理论对实验测量的自由面速度进行了解读。高温高压下93钨的偏Hugoniot状态方程分析表明,在较低的碰撞速度下多次压缩后93钨的压强和温度要高于单次Hugoniot压缩的压强和温度,而在较高的碰撞速度下截然相反,其主要原因是93钨在多次加载过程中Hugoniot参数和相对压缩性发生了变化。