硬质相形状对Ti-Al_(3)Ti仿生复合材料断裂行为影响的数值模拟研究

Al_(3)Ti具有低密度、高硬度等特点,然而,由于其具有较高的脆性,导致较小的变形下便会发生破碎。为了提高Al_(3)Ti的应用范围,受生物结构的启发,根据贝壳珍珠层、海螺壳和鱼鳞的几何结构,建立了Ti-Al_(3)Ti仿生有限元计算模型,研究了硬质相形状和加载速度对材料断裂的影响,从断裂行为、裂纹扩展过程和吸能效果等角度分析仿生复合材料的抗断裂机理。定义了形状系数,并对结构进行优化设计。结果表明,在准静态条件下,硬质相形状对仿珍珠层试样的断裂行为有显著影响。长方形硬质相能更好地抑制裂纹向载荷端扩展,从而提高试样的承载能力。形状系数在5.0左右的试样表现出最优的抗断裂能力和吸能效果。在动态冲击条件下,软质相抑制裂纹扩展的能力增强,使长方形试样的抗断裂能力和吸能效果得到进一步提高。

不同试验条件和含水状态下花岗岩的声发射与破裂演化特征

为进一步揭示含水岩石破裂演化机制和裂纹扩展规律,开展了不同含水状态花岗岩的单轴压缩试验、巴西劈裂试验和直剪试验,得到了岩石在变形破坏过程中的力学、声学信息,结合声发射振铃计数和特征参数(RA)与平均频率(AF)的相对关系,厘清了含水花岗岩在不同试验条件下的微观破裂特征。结果表明:水对岩石的抗压、抗拉、抗剪强度以及弹性模量均有明显的弱化作用;不同试验条件下花岗岩的声发射信号存在明显差异,单轴压缩条件下声发射振铃计数在峰值应力点附近激增且信号活动主要出现在峰值应力点后,巴西劈裂条件下声发射振铃计数的整体波动相对较小,直剪试验条件下振铃计数激增现象比单轴压缩明显提前,呈阶梯式增长;单轴压缩条件下张拉裂纹数量呈现先减少再增加的趋势,而剪切裂纹始终在减少,直剪试验条件下剪切裂纹占主导作用,巴西劈裂条件下张拉裂纹占主导作用;不同试验条件下水对花岗岩剪切裂纹和张拉裂纹的影响机制类似,水会促进岩石内部张拉裂纹的发育而抑制剪切裂纹的发育。研究结果可为进一步探究工程围岩在不同应力场下的破裂特征提供一定的参考依据。

磷石膏高温高压实验及其改性

以磷石膏高温高压实验及其改性处理为重点研究内容,探讨了高温高压条件对磷石膏单一体系和磷石膏复合体系的影响。通过控制高温高压实验条件,探究不同磷石膏体系在300℃、300 MPa的温压条件下的晶体形貌及矿物组成。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对合成样品的物相和形貌进行分析。XRD表征结果表明,在高温高压条件下,不同磷石膏体系的矿物种类及含量发生了明显变化,具体表现为:磷石膏-生石灰复合体系经高温高压实验后,其SiO_(2)含量低于检测限;磷石膏-硅藻土复合体系经高温高压实验后,其矿物由二水石膏全部转化为无水石膏。SEM表征结果显示:在磷石膏单一体系、磷石膏-生石灰复合体系、磷石膏-硅灰复合体系、磷石膏-水泥复合体系中,磷石膏晶体在高温高压下可在反应釜内自发生长结晶,形貌规整且分散均匀,晶形大多呈四棱柱状,晶体表面光滑,且出现团聚现象。磷石膏-硅藻土复合体系在高温高压条件下生成大量的硫酸钙晶须,其形貌规整、分散均匀,平均直径为2.61μm,平均长径比约为8。

金属隔层和空气间隙对钝感炸药冲击起爆的影响

为了确定空气间隙和金属隔层对冲击起爆的影响,采用火炮加载蓝宝石飞片冲击起爆Φ50 mm×30 mm的A型炸药,产生的冲击波通过空气间隙和金属隔层起爆Φ50 mm的台阶型B型炸药。在B型炸药的后界面粘贴镀膜氟化锂(LiF)窗口,使用光子多普勒测速仪(PDV)测量金属和B型炸药的后界面速度,进而计算得到金属和B型炸药的冲击波透射压力,再利用阻抗匹配计算得到金属和B型炸药的入射压力。结果表明:传爆药和金属隔层间的空气间隙使冲击压缩过程转变为准等熵压缩和冲击压缩两个过程,同时使冲击波的幅值减小;确定了金属隔层厚度为5 mm时冲击波压力的衰减范围;当使用A型炸药作为传爆药,空气间隙为0.3 mm,金属隔层厚度为5 mm时,B型炸药在7~10 mm之间开始反应。

基于双光源干涉的PDV数据补偿方法

针对结构动态响应测试中的大量程负向速度测量问题,设计了基于双光源干涉的光纤速度干涉仪(PDV)测试系统,与单光源PDV系统相比,大幅拓宽了负向测速范围。但在爆炸实验中发现,由于光源波长波动产生了位移基线漂移和振荡问题。为此,引入一路参考反射镜,产生双光源干涉本底信号,用于补偿位移基线,并研究了数据补偿算法。经实验验证,补偿后的位移基线漂移量为微米级,双光源模式及补偿方法可行且有效。

基于头罩结构改进的航空炸弹毁伤威力提升技术

在不改变原型航空炸弹的质量特性和其他舱段功能特性的前提下,为有效利用航空炸弹的辅助舱段头罩,改进设计头罩成为内部装配破片的新结构,通过隔舱战斗部实现头罩破片的有效加载,毁伤面积提高 20%以上,加强了航空炸弹对于理论落点和炸点投影点周围地面目标的有效打击。

金属内冲击波跨晶界传播的应力分配机制初探

冲击波跨越晶界过程中的应力分配机制对于深入理解冲击波与多晶金属材料的相互作用现象和塑性机理有重要意义。为探明该机制,采用分子动力学,对4种面心立方(FCC)晶格金属展开研究,细致统计分析了冲击波在单晶金属{100}晶面内随晶向角变化的应力生成特征及冲击波跨过单一晶界前后的应力状态和大小关系。结果表明:(1)垂直和平行于冲击波运动方向的应力分量随晶向角呈现不同的变化特征,这种应力生成差异的根源来自晶格原子排列导致的受力差异和原子间作用力机制,而其生成差异的结果恰恰是不同晶向塑性差异的主要原因;(2)弹性冲击波跨过单一晶界前后的应力状态存在一定的分配转换关系,由一个独立的应力分配张量D确定,不同FCC晶格元素的D张量形式一致,系数差异小,具有一定的通用特征;(3)验证表明,对于给定的FCC晶格金属,D具有一致的可预测特性,反映了冲击波与晶格相互作用的本质特征。

线性装药爆破去除输电线覆冰研究

针对输电线由于覆冰引起各类事故灾害的问题,采用线装药爆破方式进行除冰是一种新思路。为研究该方法的除冰机理和关键技术,通过小尺寸覆冰输电线的爆破实验和数值模拟,研究爆破除冰机理和爆破参数影响规律。结果表明:爆炸载荷的直接作用使迎爆面覆冰大量粉碎,背部覆冰内形成贯穿型裂纹,随后解体或者在电线的冲击振动下脱除。当覆冰对导爆索约束较弱时,爆炸能量从约束较弱侧迅速衰减,当覆冰无法形成贯穿型裂纹时则不能脱冰。导爆索位于覆冰内部时有利于爆破除冰,因此应根据覆冰厚度预估装药间隔。

冲击载荷下Al2O3陶瓷的失效与破碎特性

作为典型的脆性材料,陶瓷对变形具有高度敏感性,在强动载荷下具有完全不同于延性金属材料的损伤、破坏行为等力学响应特性。采用分离式霍普金森杆测试系统对Al2O3陶瓷进行了冲击加载试验,获得了陶瓷的动态抗拉/压力学性能,以及材料破碎特性随应变率的变化关系。利用能量守恒和动力学的理论方法,对脆性陶瓷材料在不同应变率下的力学特性和碎片尺度进行了深入研究。结果表明:在冲击载荷作用下,Al2O3陶瓷的抗拉和抗压强度均与应变率呈正相关。Al2O3陶瓷试样在一维应力波作用下的破碎颗粒尺寸差异较大,随着加载应变率的增加,破碎的陶瓷颗粒总数增大,颗粒平均粒径减小,应力集中的影响逐渐减弱。采用DID模型模拟的脆性材料碎片尺度与实验结果比较吻合,Grady模型源于韧性材料的推广,与实验结果的偏差较大。

模拟舱室内部气云爆炸载荷的不同精度WENO格式比较

为了研究加权本质无振荡(WENO)格式精度对舱室内部气云爆炸载荷的影响规律,基于FORTRAN平台,采用三、五、七、九阶WENO格式,开发了高精度舱室内部气云爆炸三维数值计算程序。选用Sod激波管、激波与熵波相互作用两个经典算例验证了程序编写的可靠性,并初步考察了不同精度WENO格式的计算性能。采用已验证的程序开展了封闭舱室和泄压舱室内部球体气云爆炸的数值模拟,并探讨了WENO格式精度对爆炸载荷的影响规律。研究表明:舱室内部气云爆炸载荷主要包含瞬态冲击波和持续时间较长的准静态超压;WENO格式精度对冲击波载荷影响较大,高阶格式给出更陡峭的峰值,而对形成的准静态超压影响较小。

HNS-Ⅳ炸药的短脉冲冲击起爆判据

飞片冲击起爆HNS-Ⅳ炸药是直列式传爆序列的重要研究方向。考虑到能量加载方式(一般为电爆炸驱动、微装药驱动和激光驱动)和飞片材料对冲击起爆的影响,根据文献测量的飞片阈值速度拟合得到了HNS-Ⅳ炸药p^nτ和James判据的系数。同时,利用ANSYS/LS-DYNA程序模拟了铜叠氮化物爆炸驱动飞片冲击起爆HNS-Ⅳ炸药的过程,并根据数值模拟结果修正了HNS-Ⅳ炸药p^nτ和James判据的系数。结果表明,HNS-Ⅳ炸药的p^nτ(其中p为压力,τ为脉冲作用时间)判据应该调整为p^(2.08)τ>1.54GPa^(2.08)·μs(0.001μs<τ<0.14μs,3.8GPa<p<28.0GPa),James判据应调整为0.215/Σ+0.108/E<1(Σ为比动能,E为能通量)。调整后的起爆判据与数值模拟结果相一致,并具有更高的实用性。

磁驱动斜波压缩实验结果的不确定度分析

磁驱动斜波压缩作为一种新颖的加载技术受到冲击动力学界的关注。对磁驱动斜波压缩实验过程进行了分析,给出了Lagrange正向数据处理的误差传递公式,并对反向积分数据处理的实验不确定度进行了评估。正向分析和反向积分计算得到的实验不确定度一致。磁驱动斜波加载实验获得的材料声速的相对不确定度小于1.5%,应力的相对不确定度小于2.5%,表明磁驱动平面斜波压缩实验技术是一种可靠的精密物理实验技术。

隔板装药对偏心起爆效应的放大作用

带隔板的聚能装药可有效调整爆轰波形,提高射流的侵彻能力。偏心起爆会导致射流弯曲偏转和速度降低等现象,即偏心起爆效应。现实生产工艺中,聚能装药战斗部的起爆点和隔板的安装不易实现对称控制,基于此问题,应用LS-DYNA有限元软件和ALE算法讨论聚能战斗部中隔板对偏心起爆下产生射流的影响。经对比有无隔板的聚能装药在不同偏心起爆距离下产生射流的形态及速度分布,结果表明:有隔板的聚能装药对偏心起爆效应具有放大作用,且偏心距离越大,放大作用越明显。

磁场对P3HT:PCBM活性层的薄膜形貌及光电性能的影响

以P3HT(Poly(3-Hexylthiophene))为电子给体,PCBM([6,6]-Phenyl C61Butyric Acid Methyl Ester)为电子受体,在活性层P3HT:PCBM的退火过程中,利用磁场对活性层有机分子的排列取向作用,制备了有机体异质结太阳能电池。研究结果表明:当磁场强度为0.9MA/m时,器件的短路电流密度从7.414A/cm2提高到8.332A/cm2,填充因子也相应地增加,但开路电压却有所降低,最高的光电转换效率为2.562%。由光致发光光谱和原子力显微图像可知,磁场对活性层的结晶度、内部分子排列和表面形貌都有明显的影响。

激波管驱动石英砂颗粒抛洒的数值模拟

为了研究激波驱动下固体颗粒的抛洒问题，采用FLUENT的离散相模型，对不同直径（2．00～3．00mm、0．80～1．10mm和0．42mm）、质量均为5g的石英砂颗粒在激波管加载下抛洒的气一固两相流动过程进行了数值模拟，得到了石英砂颗粒云团的中心颗粒在抛洒过程中不同时刻沿激波加载方向的平均速度和平均位移，并与实验结果进行了对比。结果表明，两者的吻合度较好，只是由于计算模型中未考虑滤网，并且假定激波管纸膜为瞬间破裂，因此导致数值模拟得到的平均速度和平均位移略高于实验值。

高静压物理变性处理糯玉米淀粉的糊化及重结晶机理研究

采用高静压技术(HHP)作为物理变性方法处理糯玉米淀粉,考察高静压力对糯玉米淀粉糊化及重结晶的影响。采用偏光显微镜及扫描电子显微镜观测处理后的淀粉颗粒的形态变化,激光粒度分析仪用于记录淀粉颗粒的粒度分布及变化规律;利用红外光谱技术分析可能发生的微观二级结构变化,结合X射线衍射曲线及DSC差热分析曲线,验证淀粉颗粒内部结构的变化。结果表明:300MPa的高静压对淀粉具有压缩作用,使其粒度减小,结晶度提高,起始糊化温度、糊化焓值增加;450MPa高静压处理后,淀粉的结晶结构几乎完全被破坏,糊化度达到95%,膨胀度为57.07%,并以此验证了HHP处理会导致淀粉颗粒发生有限膨胀;600MPa高静压处理后,淀粉颗粒发生重结晶现象,表现为典型的多峰、宽峰DSC曲线,结晶度增加。综合本研究及其他研究成果,提出"3个发展阶段"的HHP对糯玉米淀粉颗粒微观结构变化的新机制,包括:颗粒被压缩、内部结晶结构解体及颗粒解体并重新排序阶段。

弹体材料性能对破片形成的影响

为了获得弹体材料性能对破片形成的影响规律,应用破片战斗部设计软件,数值计算了82钢、50SiMnVB钢、40CrMnSiB钢及30CrMnSiNi2A钢等4种材料形成破片的情况,得到了4种材料形成的破片的飞散角、初速及质量分布的变化规律,并进行了破片质量分布的实验研究。结果表明,不同合金钢材料对形成的破片飞散角与初速的影响不大,且沿弹体轴向方向的变化规律相同,其中破片飞散角沿弹轴方向先减小后增大,破片的最大初速出现在距起爆点约72.5%圆筒长度处;但是对破片质量分布情况的影响较大,随着材料极限抗拉强度的增加和断裂韧性的降低,弹体破碎程度升高,总破片数增加了39.3%。

空位点缺陷对金刚石在高压下的电子结构和光学性质的影响

基于密度泛函理论框架下的平面波超软赝势方法,分别计算了255GPa压力下金刚石理想晶体以及含空位点缺陷晶体时的电子结构和光学性质。结果表明,在255GPa的冲击压力下,冲击诱导的空位点缺陷的存在使得在金刚石的能隙中出现了缺陷电子态;在可见光区390~570nm范围内产生了一定的光吸收,金刚石在该波段的光学透明性降低,但在可见光区的高波段金刚石却仍保持透明（其吸收系数仍为零）;空位点缺陷的存在对反射谱和能量损失谱的影响相似,谱主峰均向短波方向微移,且峰值强度都略有降低。

大尺寸活塞-厚壁圆筒式固体传压高温三轴压力室的温度标定

"600℃、20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机"的高温三轴压力室,采用活塞-厚壁圆筒式结构,内、外径分别达到300mm和1 060mm,高1 100mm,岩石试件尺寸达200mm×400mm,采用低电压高电流内加热方式。为了对高温压力室进行温度标定,在试样内、外布设9个测温点,观测试样在加热和保温过程中各测点的温度变化,研究试样内的温度分布特征及其与试样外控制点温度的关系。实验结果表明,试样中部盐环与外层云母板交界处的温度数据稳定可靠,与试样内部的温度具有良好的线性关系,可作为加热过程的温度控制点。在同一横截面上,试样内部的温度高于试样外盐环与外层云母板交界处的温度,且两者的中部温度均高于两端;试样轴向温度对称于试样中部分布,中间高于两端,温差随加热温度的上升不断增大,最大温度梯度为0.85℃/mm;试样径向温度随着离中心点距离的增加近似呈线性增大,表面温度最高,最大温度梯度约0.5℃/mm。同时,试样轴心温度、离轴心40和80mm点的温度,以及试样表面的温度,分别比控制点高21%、27%、28%和29%,而试样上、下端温度只比控制点温度低1.5%。试验机加热方式合理,温度控制精度高,试样温度分布较均匀。

围压条件下空化磨料射流的冲蚀特性与机制分析

磨料射流在水利水电、石油工程和海洋资源开发等领域有着广泛的应用,研究射流的冲蚀特性和破坏物料机制对提高水射流利用效率具有重要意义。利用自行研制的实验装置,研究了围压条件下自振空化、文丘里和锥形3种喷嘴形成的磨料射流冲蚀特性,分析了空化磨料射流冲蚀物料的机制。结果表明:自振空化喷嘴和文丘里喷嘴的冲蚀效果优于锥形喷嘴,空化作用有助于提高磨料射流的冲蚀效果;磨料射流的冲蚀效率随围压的增大而降低,主要原因是围压对纯水射流和空化磨料射流的压力脉动和冲击力具有抑制作用。分析认为,空化磨料射流冲蚀破碎物料的机制主要包括冲蚀、气蚀和共混磨蚀3种作用。