Influence of structural factors on the strength properties of aluminum alloys under shock wave loading

The results of measurements of the strength characteristics-Hugoniot elastic limit and spall strength of aluminum and aluminum alloys in different structural states under shock wave loading are presented.Single-crystals and polycrystalline technical grade aluminumА1013 and aluminum alloysА2024,АА6063Т6,А1421,A7,А7075,А3003,A5083,АА1070 in the initial coarse-grained state and ultrafine-grained or nanocrystalline structural state were investigated.The refinement of the grain structure was carried out by different methods of severe plastic deformation such as Equal Chanel Angular Pressing,Dynamic Channel Angular Pressing,High-Pressure Torsion and Accumulative Roll-Bonding.The strength characteristics of shock-loaded samples in different structural states were obtained from the analysis of the evolution of the free surface velocity histories recorded by means of laser Doppler velocimeter VISAR.The strain rates before spall fracture of the samples were in the range of 10^(4)-10^(5 )s^(-1),the maximum pressure of shock compression did not exceed 7 GPa.The results of these studies clearly demonstrate the influence of structural factors on the resistance to high-rate deformation and dynamic fracture,and it is much less than under the static and quasi-static loading.

舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围,设计了大尺度舱段模型,并开展了舱室内爆毁伤试验,试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式,分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理,据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明:(1)舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤,形成多种破坏模式;(2)舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元;(3)建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏,理论计算结果与试验结果吻合较好。

激波脉动荷载作用下煤岩体动态损伤特征

为了研究水中高压电脉冲激波脉动荷载特性及其作用下的煤岩体动态损伤特征,开展了真三轴煤岩体压裂试验。试验研究了不同水压、电压条件下的水激波峰值压力、冲击荷载、加载速率等水激波加载特性,探究了煤岩体钻孔侧壁环向有效应力与动态抗拉强度的关系,同时揭露了煤岩体裂纹起裂应力、扩展角与地应力、水压力、脉冲激波之间的关系。基于CT扫描和ABAQUS数值模拟计算不同液电参数下的煤岩体损伤变量,进而评价煤岩体动态损伤和裂纹起裂扩展形态及演化特征。结果表明:脉冲水激波峰值压力随着放大电压和水压的增加而迅速增加,加载速率随放电电压增加而增加,随水压增加而减小;相对于水压变化,放电电压的变化对水激波峰值压力及其加载速率影响更大;数值模拟与室内试验所得结果吻合度较高,二者从细、微观角度互相印证了随着水压、放电电压的增加,煤岩体的损伤变量增加明显,损伤致裂程度加剧,裂纹数量、扩展长度、开度、复杂程度变化明显,其中放电电压的改变对煤岩体的损伤影响尤其明显。研究结果可以为我国水中高压电脉冲压裂煤岩体,高效抽采煤层气提供指导。

覆土真空爆炸容器内部载荷及动态响应分析

为了研制超大型真空爆炸焊接容器,探索覆土真空爆炸容器内的冲击载荷及结构动态响应,设计了一座可以满足实验需要的0.55 m^(3)小型真空爆炸容器,在其内部开展了一系列真空爆炸实验;应用AUTODYN有限元应用程序,对真空爆炸实验进行了数值模拟分析,深入探索了冲击波在容器内部的传播规律、冲击载荷分布状态、结构动态响应以及覆土厚度对平板结构消振作用的影响等问题。实验和数值模拟结果表明:爆炸容器内冲击载荷时程曲线的第2次脉冲峰值明显高于第1次脉冲峰值,且冲击波的叠加和反射总是发生在封盖内壁;随着容器内部真空度的不断下降,冲击载荷的峰值也被明显削弱;容器封盖的动态响应分为阶跃上升、脉冲随动、惯性滞后和静压稳定4个发展阶段;随着真空度的下降以及覆土厚度的增加,爆炸容器的动态响应逐渐被削弱。降低容器内部环境压力和增加覆土厚度均可削减爆炸容器的受迫振动,可为超大型真空爆炸容器的结构设计提供参考。

爆炸载荷作用下高强度混凝土毁伤效应的数值模拟及实验研究

高强度混凝土靶板在爆炸载荷作用下的毁伤效应极其复杂,针对爆炸载荷作用下高强度混凝土靶板的破坏问题设计了相应的实验,并采用自主构建的有虚拟流体欧拉-拉格朗日双向流固耦合算法(GEL)对实验结果进行了验证与分析,深入探讨了不同装药模式、装药量、混凝土靶板强度和炸高等对毁伤结果的影响规律,总结了外爆载荷与内爆载荷作用机理的差异,揭示了高强度混凝土在爆炸载荷作用下的毁伤机理,具有很高的理论研究意义和实际应用价值.结果表明,对于外爆工况,600 g装药3种强度下的爆坑深度比300 g装药下提升了11.85%,8.82%和7.71%,而爆坑直径分别提升了15.71%,8.51%和7.51%,说明随着混凝土强度的提升,爆坑深度和爆坑直径随装药量增大而提升的量逐渐减小,且对于各强度混凝土靶板,爆坑直径随装药量增大而提升的量要大于爆坑深度提升的量.当炸高分别为0,5和10 cm时,爆炸冲击波传播到混凝土靶板中心位置时的压力峰值分别为16.08,1.33和0.30 GPa,表明随着炸高的增大,混凝土靶板爆坑深度和直径都随之减小,越靠近混凝土靶板,爆坑深度和爆坑直径的降低量越小,冲击波随着传播距离的增加呈指数级衰减,这也是导致不同炸高条件下漏斗坑破坏存在差异的主要原因.对于内爆载荷,炸药起爆之后,巨大的爆炸冲击波能量无法及时排解到空气中,冲击波传播受到了严重阻碍,导致在混凝土内壁空气的压力和密度急速升高.以C120高强度混凝土靶板为例,60 g炸药作用下的混凝土靶板爆炸漏斗坑模拟深度和直径分别比30 g炸药下提升了13.38%和77.73%,说明提升装药量对靶板横向破坏影响较大.以30 g炸药内爆工况为例,C120高强度混凝土比C40普通混凝土的爆坑深度减少13.14%,C160高强度混凝土比C120高强度混凝土的爆坑深度减少2.20%,而爆坑直径的减少程度分别为54.43%和21.77%,说明高强度混凝土比普通混凝土具有更强的抗爆能力.与外爆条件的破坏模式略有不同,内爆作用下混凝土靶板的横向破坏模式比较明显.

冲击波和破片联合作用下舱段毁伤效应分析

为了研究冲击波和破片联合作用下船舶舱段的毁伤效应,首先在ANSA中建立舱段的有限元模型,设定材料模型、模拟舷侧破口、建立战斗部模型和耦合模型;之后在AUTODYN中对比分析了爆炸冲击波单独作用以及冲击波、破片联合作用2种情形下,船舶舱段的舱内爆炸载荷特性、舱室结构等效塑性应变及位移等数值结果的差异。结果表明:考虑冲击波和破片的联合作用时,冲击波压力曲线的前期趋势与冲击波单独作用下大致相同,但由于冲击波从破口发生泄漏,舱室内压力会较早达到准静态压力状态。同时,爆炸当舱的更多区域出现了大破口,毁伤主要表现为角隅大塑性变形以及边缘大面积撕裂,甲板和舷侧的最大位移和等效塑性应变也较冲击波单独作用大得多。

平板玻璃在爆炸载荷下的损伤数值模拟

平板钠钙玻璃为常见建筑材料,研究其在爆炸冲击波下的裂纹扩展规律和损坏具有重要的科学意义。本文通过建立数值模型,考虑材料的本构关系、边界条件、载荷作用方式等,模拟爆炸载荷的传播过程,将得到的载荷信息作为输入数据,结合近场动力学方法(PD),模拟玻璃结构在爆炸载荷下的响应过程。结果表明:用近场动力学法(PD)进行数值模拟时,明显形成了环状裂纹和径向裂纹,且边框处有大量玻璃碎片飞溅,表明PD算法可有效模拟玻璃破碎过程;冲击波负压阶段对结果影响很小,在数值模拟时可忽略不计;在相同的爆心距下,随TNT质量的增加,玻璃碎片的抛撒速度越大;当冲击波超压峰值相同时,随爆心距的增加,冲击波的正压作用时间和比冲量都增加;玻璃碎片的最高速度与爆心距接近线性关系,平板玻璃的毁伤阈值为0.052MPa。

等效水下爆炸冲击加载装置的设计研究

为了获取等效水下爆炸冲击波载荷,基于一维弹性波理论与水介质的线性状态方程,对飞片撞击充水锥形靶舱进行了理论分析。采用AUTODYN有限元软件,对撞击过程进行了数值模拟,对比分析了两种活塞厚度对应的冲击波衰减时间。根据理论与数值模拟研究结果,设计组装了等效水下爆炸冲击加载实验装置,测得了水靶舱侧壁中心处的冲击波压力时程曲线。研究结果表明:在实验室范围内通过飞片撞击锥形水靶舱,获取等效水下爆炸冲击波载荷是可行的,而且飞片速度与活塞厚度决定了水靶舱内冲击波的压力峰值与衰减时间;研制的加载装置可用于典型结构与材料的水下爆炸冲击响应分析研究。

隧道内爆炸冲击波传播特性及爆炸荷载分布规律研究

隧道内爆炸产生复杂的爆炸冲击波流场,作用于隧道衬砌上的冲击波荷载分析十分困难。采用三维有限元计算方法,对带端墙隧道内爆炸空气冲击波的传播过程进行了数值模拟,给出了内爆炸产生的隧道内冲击波流场,并与双向开口隧道内爆炸流场进行了对比,分析了炸药装药形状、炸药引爆位置对爆炸荷载分布的影响,研究了作用于隧道讨砌上的反射冲击波荷载峰值分布规律,给出了估计衬砌上反射超压峰值的公式。

导叶间隙不确定性对可调向心涡轮影响数值研究

为了评估可调向心涡轮导流叶片叶顶及叶根间隙尺寸不确定性对涡轮级性能的影响,首先将喷嘴环叶片大开度模型的单通道定常数值结果与实验数据对比;然后以导流叶片小开度涡轮为研究对象,数值模拟导叶两端叶顶间隙尺寸多种分配模型三维流场,总结出导叶间隙不确定性与涡轮级性能之间相应变化规律;最后选取导叶两端间隙平均分配模型和最优涡轮性能下间隙分配模型开展多通道定常/非定常计算,用于分析间隙分配变化对转静干涉影响。研究结果表明:当导流叶片轮缘侧间隙尺寸占全部间隙尺寸5%~15%范围时,涡轮级效率较高;当导叶间隙全部集中在轮缘侧时,涡轮效率较低;最高、最低效率差别约为6%。间隙泄漏流变化将引起下游转子叶片进口气流角发生变化,进而改变转子叶片吸力面前缘分离涡损失大小。此外,导叶两端间隙分配变化可以改变嘴环叶片吸力面激波强度,并通过诱发交变载荷变化方式影响转子叶片可靠性。

近水面水下爆炸对结构冲击的数值模拟

采用AUTODYN数值计算软件,对彭托利特炸药近水面爆炸时对圆柱壳体的冲击加载过程进行了数值模拟。计算时,在炸药及其附近水域建立足够细密的二维Euler网格模型,以捕捉初始冲击波的高频特征;并将计算结果映射到三维流固耦合模型中继续计算,较好地解决了计算精度和计算耗时之间的矛盾;同时选择了合理的材料模型参数和网格单元类型。数值计算结果与实验吻合较好。计算方法对结构抗冲击数值模拟具有一定的参考意义。

水下冲击波载荷作用下气背固支圆板动态毁伤实验

为了研究水下近爆载荷作用下舰艇水下结构的动态变形及失效毁伤模式,利用水下爆炸冲击波等效加载装置结合高速摄影技术,对两种厚度的气背固支5A06铝合金圆板进行了水下冲击波加载实验。得到了气背固支圆板塑性大变形、中心拉伸撕裂和边界剪切破坏3种典型失效模式的动态响应历程。比较分析了冲击波强度、冲击因子、损伤参数和响应参数4种毁伤判据对该类靶板毁伤模式的判别能力。实验结果表明:考虑了结构因素的损伤参数和响应参数能够更为全面的判别结构的失效毁伤情况。

内部爆炸加载条件下圆柱钢壳的动态断裂

在内部爆炸冲击波载荷作用下,爆炸容器的动态断裂是进行爆炸容器安全评估和失效分析的基础。为了研究爆炸容器的动态断裂特征,进行圆柱钢壳在中心装药的爆炸加载实验,采用非线性动力有限元分析程序LS-DYNA分析圆柱钢壳的弹塑性动力响应,研究圆柱钢壳的宏观变形和断口的宏观、细观形貌,分析圆柱钢壳的断裂模式及断裂机理。结果表明,圆柱钢壳纵向断口具有微孔聚集型剪切韧窝断裂特征,呈现出微孔聚集型剪切韧性断裂模式。内部爆炸冲击波加载下圆柱钢壳因径向膨胀发生动态塑性变形,产生剪切带,由于剪切带的软化效应而成为优先断裂通道,剪切带和环向拉应力的共同作用是形成微孔聚集型剪切韧窝断裂这种混合韧性断裂模式的原因。

铝合金格栅夹层结构水下抗冲击特性的实验研究

基于非药式水下爆炸冲击波加载技术,对格栅型夹层结构的动态响应及抗冲击防护性能,进行了实验研究。利用高速相机,对夹层板的动态变形情况进行了实时观测,获得了格栅夹层板气背面在水下冲击波作用下的动态响应历程,并结合相同面密度单层板在水下冲击波作用下的抗冲击变形结果,对比分析了铝合金格栅夹层板的抗冲击防护性能,获得了格栅型夹层板的气背面板最大变形量与水下冲击波量纲一冲量间的定量关系。

脉冲X射线衍射法测量冲击加载下的晶格形变量

脉冲X射线衍射可实现冲击加载下材料晶格形变量的在线测量。在建立晶格形变量的脉冲X射线衍射测量模型的基础上,分析了撞击倾斜及晶体宏观位移对衍射测量结果的影响。确定了影响晶格形变量测量的晶体样品宏观位移及衍射峰读出等因素的不确定度来源,建立了各种因素综合影响下的不确定度分析方法。给出了轻气炮驱动的平面冲击加载实验中LiF(100)晶体的脉冲X射线衍射测量结果,实验获得了晶体处于3.65 GPa和2.33 GPa两个不同冲击压缩状态下的动态衍射峰。经计算得到的晶格形变量与材料宏观雨贡纽关系吻合,并从晶格层面上证实了LiF晶体在冲击塑性形变时晶格处于各向同性的压缩状态。

锥-柱体外形脉动压力及抖振载荷响应研究

针对锥-柱体外形,通过风洞试验研究其在亚声速、跨声速和超声速条件下的脉动压力特性,分析了均方根脉动压力系数和其功率谱随马赫数、攻角等变化规律,并给出了脉动压力的空间分布及其影响区域,由此所得到的相关规律与理论、工程经验相符合.同时,根据脉动压力特性进一步推导了抖振载荷的计算方程,计算了某模型的抖振载荷,并与定常载荷进行了比较.

α-AlH3对凝聚相炸药能量输出的影响

向凝聚相炸药中添加α-AlH 3会使爆轰产物中的氢气含量迅速增加,增加气态爆轰产物的量。为了研究α-AlH 3对凝聚相炸药能量输出的影响,制备了含α-AlH 3的HMX基炸药,研究了其能量输出规律。研究表明,与同质量分数的含铝炸药相比,含α-AlH 3炸药爆轰冲击波的加载能力和爆轰产物膨胀做功能力较弱,爆轰产物在膨胀后期做功较多,二者对外输出的总能量相当。

直坑道内防护门上的爆炸冲击波荷载

为可靠开展抗爆结构设计与评估,基于理论计算与数值分析对直坑道内爆炸冲击波荷载的计算问题进行了研究。定量对比分析了现有不同方法计算结果的差异,基于结构响应对不同方法进行了评价,并结合模型实验对近距离爆炸情况下直坑道内防护门上的设计荷载取值问题进行了研究。结果表明,在进行荷载简化时有必要考虑荷载形式与结构响应的耦合,而现有坑道内爆炸冲击波荷载的简化计算方法普遍没有考虑结构动态特性影响,且相互之间存在很大差异,严重影响设计或评估工作的可靠性;近距离爆炸情况下,取门中线上距门边1/4宽度处的压力或门上平均压力作为坑道内防护门上的设计荷载,在比较宽的结构频率范围内是合理的。研究结果可为坑道内结构的防护设计提供参考。

高强度水下爆炸等效冲击波加载特性研究

为了实现实验室范围内的高强度水下爆炸冲击波加载,在现有非药式水下冲击波加载装置的基础上,对加载水舱的结构进行了改进,并利用实验和仿真相结合的方法对非药式高强度水下爆炸冲击波等效加载特性进行了研究,分析了飞片及活塞的质量对加载冲击波强度和衰减时间常数的影响规律,确定了该方法所产生的高强度水下冲击波加载特性。进而利用该装置对0.5 mm厚铝合金靶板进行了水下冲击波加载实验。实验结果表明,改进后的非药式水下爆炸冲击波等效加载装置能够对目标结构进行有效的高强度水下冲击波加载。

冲击荷载作用下有限元方法求解波动过程的精度研究

研究了用动力有限元求解瞬态波动过程中产生的高频振荡和波形畸变的原因，提出了提高计算精度的有效方法及相应的确定单元尺寸及时间步长的方法。计算结果表明，作者提出的方法能有效地提高冲击荷载下波动问题求解精度。