空腔理论在固体剂量计中的应用

在Burlin空腔理论基础上提出了1个经修改后可适用于兆伏级X（γ）能量固体剂量计的新空腔理论。它通过Monte-Carlo方法分别计算固体剂量计空腔内的初级光子粒子注量和散射光子粒子注量及它们相应产生的次级电子粒子注量，并按空腔尺寸所对应的电子射程，把高能和低能光子分开，计算初级光子和散射光子沉积在固体剂量计灵敏体积中的能量，即吸收剂量。为验证该空腔理论，用半导体固体剂量计在6MV医用电子直线加速器上进行了水模体输出因子测量，并模拟相同测量条件用新空腔理论对水模体输出因子进行了理论计算，其测量结果与计算结果在0．5％内符合。

γ射线空气比释动能空腔理论计算值准确度的蒙特卡罗研究

当使用基于空腔理论的石墨空腔电离室绝对测量γ射线空气比释动能时,需要考虑空腔体积的大小变化对测量结果准确度的影响。利用EGSnrc程序计算得到10~5000cm^3的球型石墨空腔电离室的石墨和空气的限制的阻止本领比(LΔ(E)/ρ)c,air、入射光子与空腔气体直接作用沉积能量的份额Fair和Spencer-Attix空腔理论修正因子kSA。结果表明对于60Co和137Cs能量的光子,在计算(LΔ(E)/ρ)c,air时选择合适的值可以使kSA的值保持在0.998~1.000之间。此外kSA的大小随空腔体积的增大有逐渐减小的趋势。表明在设计和使用较大体积(≥50cm^3)的石墨空腔电离室时需要考虑合适大小的kSA值,以保证空腔理论计算值和绝对测量结果的准确。

空腔膨胀理论中混凝土材料模型的对比

基于三向应力空腔膨胀理论,对比研究了具有代表性的7种混凝土介质球形空腔膨胀模型。与三组试验数据的对比表明,混凝土材料本构可压缩性假设明显优于不可压缩性假设,而塑性锁应变假设与线性压力—体积应变假设差别不大,材料响应弹塑性假设与弹性—断裂—塑性假设差别不大。在合理的参数选择下,相对简单的模型可以获得令人满意的结果。

弹体垂直侵彻混凝土靶体的柱形空腔膨胀理论分析

采用统一强度理论作为混凝土材料的屈服准则,根据柱形空腔膨胀理论求得了混凝土靶体在弹体垂直侵彻下的空腔膨胀压力和空腔膨胀速度的关系,给出了柱形空腔膨胀条件下卵形弹体侵彻靶体深度的理论计算公式,求出了弹体以400～1100m/s的速度撞击混凝土靶体的侵彻深度,通过和试验结果比较,表明提出的模型具有一定的合理性.进一步研究还表明,统一强度理论参数b、弹体质量和弹头形状对侵彻深度均有影响,b=0时侵彻深度较大,b=1时侵彻深度较小;弹体质量越大或弹头越尖,侵彻深度越大.

考虑混凝土孔隙压实效应的球形空腔膨胀理论

根据混凝土材料动态响应的特点,将常规弹速范围内混凝土球形空腔的动态响应区域划分为弹性区、开裂区和孔隙压实区,孔隙压实区的混凝土材料采用两段式线性状态方程和考虑拉伸破坏的Mohr-Coulomb屈服准则描述。运用相似变换方法推导了球形空腔动态膨胀响应的理论表达式,采用Runge-Kutta-Felhberg数值方法给出了球形空腔动态响应的数值解。结果表明,运用该理论建立的侵彻模型与试验结果具有良好的一致性。

考虑剪胀效应的混凝土动态球形空腔膨胀理论

在考虑混凝土的压缩和扩容特性条件下,建立了动态球形空腔膨胀理论,其中完整的靶体响应为密实区-扩容区-开裂区-弹性区,在扩容区采用扩容方程。基于上述理论得到了空腔表面应力与膨胀速度的表达式,使用侵彻方程计算不同工况的侵彻深度并与试验值作对比,同时对混凝土强度参数和压缩系数对弹体侵彻深度的影响规律进行研究。结果表明:该模型可以较好预测侵彻深度,具有一定的合理性;混凝土强度参数中压力硬化系数对侵彻深度的影响较大,随着弹体初速度增大应考虑混凝土材料的剪切饱和性质;随着压缩系数不断减小,混凝土材料由压缩转为膨胀状态,导致空腔表面应力增加,侵彻深度降低。

基于修正空腔膨胀理论的随进弹丸侵彻规律分析

针对串联随进战斗部中弹丸对预开孔靶的侵彻性能,基于经典的空腔膨胀理论解析模型,建立修正的空腔膨胀理论模型,对不同尺寸预开靶孔的弹丸随进性能进行了分析.研究结果表明,预开孔深对改善弹丸综合侵彻性能有一定的限制,尽可能提高预开孔径是提高随进弹丸侵深、降低过载的有效方法.所建立的解析模型得到实验的验证.

考虑含水率干密度的土壤动态球形空腔膨胀理论

为研究土壤含水率、干密度对弹体侵彻阻力的影响,通过引入含水率及干密度对土壤摩尔库伦屈服条件进行修正,完成材料的动态球形空腔膨胀理论推导,获得考虑含水率及干密度的靶体阻力函数.在此基础上对文献中的实验进行计算,并与实验数据及其他经验公式计算结果进行对比和分析.结果表明,侵彻过程中材料空腔表面径向应力会随着含水率的增加而降低,随干密度的增加而增高;与经验公式及其他模型计算结果相比,考虑含水率干密度的计算模型具有更好的预测精度,可用于低速侵彻土壤的侵深计算.

考虑剪胀效应的混凝土动态柱形空腔膨胀理论

同时考虑混凝土的压缩和扩容特性,建立了动态柱形空腔膨胀理论,其中完整的靶体响应为密实区-扩容区-开裂区-弹性区,在扩容区采用扩容方程,使用该理论得到了空腔表面应力与膨胀速度的表达式,并使用该式计算得到弹体侵深和加速度.研究结果表明,运用该理论建立的刚性侵彻方程,其计算结果与实验结果具有良好的一致性,模型可以较好描述不同头部形状尖卵形弹体的侵彻能力以及加速度变化趋势.

空腔电离理论发展概述

简述了空腔电离理论的基本原理及其在辐射剂量学中的地位 ;介绍了 Bragg-Gray理论、Spencer-Attix理论、Burch理论、Burlin模型、Kearsley模型、等效电子源理论等空腔电离理论及各种理论的适用范围 ;同时 ,介绍了用蒙特卡罗方法 ( EGS4程序 )对不同理论及模型的计算结果。

基于空腔膨胀理论的TBM盘形滚刀侵岩载荷模型建模分析及试验验证

刃底密实核动态衍生现象严重影响了盘形滚刀的破岩机理,进而一定程度上影响了全断面岩石隧道掘进机(TBM)的掘进效能。参考H Alehossein钝楔形压头侵岩模型,将密实核衍生现象及密实核区周围复杂的应力场纳入考察,基于空腔膨胀理论和离散化建模思路,建立了常截面平刃滚刀侵岩模型。随后,分别以滚刀所受垂直力和刃底无因次平均接触应力为性能指标,将滚刀侵岩过程中刀圈刃部横截面几何尺寸参数和岩石物理力学性能参数作为考察变量,针对上述所建侵岩模型开展了十因素两水平的正交试验分析,探究了各考察变量的敏感程度,并分析了无因次平均接触应力的变化规律。最后,选取了2种具有不同粒径的岩石试样,制备了4种刀圈压头,并在TRW-3000三轴冲击破岩试验机上开展了侵岩试验验证。研究结果表明:对于垂直力和无因次平均接触应力而言,刀刃宽和侵深均为敏感因素;由于将密实核现象纳入考核,在滚刀压头侵岩作用下位于刃底的岩石应力水平明显大于单轴抗压强度;所建模型对于在第一次阶跃破碎之前的侵岩载荷速率的预测误差最大不超过10%,这表明模型具有良好的准确性。

隧道掘进机滚刀破岩动态荷载理论模型及试验研究

滚刀荷载的动态信息(如峰值荷载、增长速度以及频率等)对保持全断面隧道掘进机系统稳定、控制刀盘振动等至关重要。目前的破岩力预测公式不足以满足刀盘受力及振动的求解需要。因此,基于离散化建模思路,将传统空腔膨胀理论的一维贯入运动扩展至高维度的回转破岩中,对岩体参数及操作参数对荷载特性的影响进行了研究。并通过多组全尺寸回转破岩试验进行验证。结果表明:安装半径、转速以及贯入度的增大使单位时间内滚刀挤压的岩体体积增多、密实核边界速度升高,导致侵岩荷载的增长速度及频率均升高,荷载变化及刀盘振动更加剧烈。岩体强度的增大会导致荷载峰值及增长速度升高、频率降低。所建立的回转破岩动态荷载理论模型与试验结果相差5%以内,验证了该模型的准确性。

基于Ottosen屈服条件的不同强度混凝土空腔膨胀模型及侵彻机理

针对毁伤与防护领域对深层超硬目标理论研究及工程应用的迫切需求,引入改进的Ottosen屈服条件,对混凝土空腔膨胀过程中的响应分区和边界条件进行优化,求解空腔膨胀的全过程,分析不同强度混凝土响应分区的变化规律;根据空腔边界应力和空腔膨胀速度的关系,建立了弹体侵彻深度计算模型,对弹体侵彻不同强度混凝土工况进行了对比计算,并深入分析了靶体强度对侵彻深度影响的机理。通过与实验数据进行对比发现,改进的空腔膨胀理论对于普通混凝土和高强混凝土均有很好的适用性,可准确计算径向应力与空腔边界速度关系以及侵彻深度。研究结果显示,高强混凝土的弹塑性开裂区范围更大,密实区范围更小,表明了高强混凝土脆性大,材质密实的特点,引入塑性开裂区可以更好地反应侵彻过程中高强混凝土压实时对应速度更高的现象;随着混凝土强度的提高,其屈服包络面变化越来越小,因此混凝土的空腔边界应力增大但变化程度越来越小,导致弹体侵彻深度随速度增加的增量变小。

考虑刚性弹弹头形状的混凝土(岩石)靶体侵彻深度半理论分析

基于动力球型空腔膨胀理论和"冲击成坑+钻孔区"两阶段侵彻模型,以截卵形弹头弹体为例,运用曲面积分,引入表征弹头形状和弹靶摩擦效应的量纲一系数、质量比和冲击因子,提出了综合考虑弹头形状变化、成坑区深度、弹靶摩擦阻力的混凝土和岩石靶体的刚性弹垂直侵彻深度的计算公式。该公式在相关参数取特殊值时,可退化为经典的侵彻深度计算公式。通过与8组不同弹头形状弹体冲击混凝土和岩石靶体的侵彻实验数据、已有10个(半)经验公式计算结果对比,验证了本文公式的适用性。并结合实验和参数影响分析,给出了混凝土和岩石靶体的弹靶摩擦系数和与冲击因子相关的不同弹头形状弹体成坑系数的建议值。

抗弹陶瓷材料抗弹性能的理论表征

通过对杆式弹侵彻过程的力学分析,运用Tate理论方程和空腔膨胀理论,将侵彻过程的运动参量表达为材料力学性能的显式函数,进而将陶瓷材料差分效益因子表达为材料力学性能的显式函数,从而在理论上用材料力学性能的显式函数对陶瓷材料抗弹性能的试验数值指标进行了表达,以明确的数学形式表示了陶瓷材料对抗弹效能具有关键作用的力学性能参量.初步计算表明,该理论方法可以对陶瓷复合装甲抵抗杆式穿甲弹的防护效益做出近似的估计.

高速长杆弹侵彻半无限混凝土靶的理论分析

为了从理论上确定混凝土材料的靶板阻力,采用三段式线性状态方程和考虑拉伸破坏与剪切饱和的Mo-hr-Coulomb屈服准则描述混凝土材料,将半无限混凝土靶在高速冲击下的响应分为弹性区、开裂区、孔隙压实区和密实区,建立了混凝土材料的准静态空腔膨胀理论,确定了靶板阻力,运用A-T模型进行了长杆弹高速侵彻半无限混凝土靶的理论分析.算例结果表明,侵彻深度的理论分析结果与实验结果具有较好的一致性.

钨杆弹高速侵彻陶瓷靶的理论分析

陶瓷材料由于具有硬度高 ,抗压强度高 ,低密度等优良的力学性能 ,被经常用作抗冲击的防护材料。当弹体高速冲击陶瓷靶时 ,在撞击表面产生一很强的压缩波 ,使陶瓷局部被破坏形成碎块 ,随着弹体的进一步侵彻 ,最终在弹头部附近产生一破碎区。本文即考虑了陶瓷的破碎 ,基于球型空腔膨胀理论求出了A T模型中的靶体强度参数Rt,利用A T模型求出了钨杆弹以 1 5～ 4 5km /s撞靶时的侵彻深度 。

楔形刀具侵入岩石损伤破坏影响因素的理论分析及数值模拟

通过空腔膨胀理论研究楔形刀具几何参数(刃角)、岩石力学参数(抗压强度、泊松比)对刀具与岩石接触面下岩石弹-塑性交界面半径的影响。结果表明:刀具与岩石接触宽度一定时,刃角越小,岩体的损伤区域越大,从而导致弹-塑性交界面半径增大。在其他因素不变的前提下,岩石泊松比增大或者抗压强度增加都导致弹-塑性交界面半径减小。采用参数敏感性分析方法对3种影响因素的敏感性进行了分析,在接触宽度一定的条件下,刃角的大小对弹-塑性交界半径的影响最大。采用ABAQUS软件建立刀具侵入岩石的数值模型,研究表明,刃角的变化对文中定义的岩体内最大拉应力点空间位置以及最小梯度方向有着显著影响。

盾构隧道施工对桩基影响的解析理论研究

研究目的:基于柱体空腔膨胀理论,引入桩侧荷载传递函数前沿成果,深化了地层应力、地层变形和桩侧荷载传递函数的计算表达式,并以此为基础,研究盾构隧道施工影响下桩基的附加轴力、摩阻力、竖向位移的解析理论以及桩基在隧道不同位置处的力学响应规律,同时辅以有限元计算结果进行对比分析。研究结论:(1)在同一工况、不同荷载传递函数λ值下,桩基附加轴力及附加摩阻力随着λ值的增大而减小,桩基竖向位移不受λ值影响;(2)在不同工况、相同的荷载传递函数λ值下,桩基的竖向位移、桩基附加轴力及附加摩阻力均会随着桩基与隧道的水平距离的增加而减小,竖向位移的减小幅度为0.5 mm/m,附加轴力及附加摩阻力的减小幅度为0.16×2^(n/3-1);(3)通过解析计算结果与有限元计算结果对比分析后发现,荷载传递函数λ取值为2可较好地反映盾构隧道施工对桩基的力学和位移影响。