大直径分离式霍普金森压杆试验中的波形整形技术研究

采用直径100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，以碳纤维混凝土(CFRC)的SHPB试验为例，就试验过程中的波形整形技术展开研究，内容包括：波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性分析。结果表明：厚度为1 mm，直径分别为20 mm、22 mm、25 mm、27 mm、30 mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果，可将入射脉冲上升沿的升时延长1～1.6倍；应变率对于波形整形器的直径很敏感，随着整形器直径的增大，最佳近似恒应变率也在增加，一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率．且与整形器的直径之间满足线性函数关系；应力不均匀系数能够有效地描述混凝土材料SHPB试验的应力均匀性。     

波形整形器在火工品高过载试验中的应用

改进了传统的霍普金森压杆(Hopkinson)技术,采用输入波形整形技术,使加载波形更能满足火工品实际加载环境的需要,从试验得出使用整形器最大的特点是可以获得比较光滑的入射波,降低波的弥散效应,可消除高频振荡,明显改善加载波的质量, 有较长的上升前沿时间,并且可以获得更接近常应变率的动态加载条件.同时,根据理论预估模型对不同形状的紫铜整形器进行计算,与试验结果对比表明,该预估方法可行.     

不等径开放式撞击流雾化特征及二乙二醇/水体系混合研究

采用粒子图像测速技术(PIV)对不等径开放式撞击流中质量分数60%的甘油-水溶液雾化性能进行了研究,探讨韦伯数We(51≤We≤1605)、入射速度u(2.12 m·s^-1≤u≤6.37m·s^-1)、喷嘴直径(喷嘴1:左侧喷嘴直径(D₁)=1.5 mm,右侧喷嘴直径(D₂)=2 mm;喷嘴2:D₁=2 mm,D₂=3 mm)对液膜破碎特征及液滴行为的影响,并对复合含能材料粘结剂溶剂二乙二醇与水混合过程的液滴分布进行了研究。结果表明:随着We增大,液膜破碎长度先增大,当液膜破碎模式到达无边缘模式后减小,且液膜厚度与液滴直径逐步减小,液滴速度逐步增大;随喷嘴直径增大,液膜破碎模式变化不显著,液膜破碎长度、厚度、液滴直径均增大,液滴速度则逐步减小。同时,拟合得到液膜破碎长度、液膜厚度、液滴索特平均直径D[3,2]与喷嘴直径、韦伯数间的经验关联式,采用二乙二醇与水体系验证后发现,随入射速度增大,二乙二醇与水撞击混合后液滴直径减小,分布变窄,D[3,2]数值在经验关...     

高g值加速度计动态线性度标定方法研究

针对高g值加速度计动态线性度标定问题,对基于霍普金森杆的标定系统所存在的技术问题进行了研究。为实现双子弹同步撞击标定杆从而产生标定所需的叠加信号,提出了单一炮管同步发射双子弹的方法,利用防止内外2发子弹相互滑动的紧固措施,有效地实现了双子弹撞击的同步性。运用有限元方法系统研究了子弹几何形状、材料、冲击速度和整形器的使用对高g值加速度计标定中的激励脉冲波形的影响机制,进而总结出双子弹标定系统子弹选择和波形控制方法。结果表明：在双子弹标定系统中,为了对加速度计进行某一频带上的动态线性度标定,可通过改变双子弹相对截面积或冲击速度的方式改变g值,通过改变子弹材料的方式改变标定频带。最后,利用提出的单炮管双子弹霍普金森杆标定系统对988-1198型加速度计的动态线性度进行实测,效果良好,证明了该方法的可行性。     

数值模拟锥形杆对反射应力波的影响

应用锥形杆获得放大应力波信号过程中,过渡锥面形成的反射应力波和所要测反射波叠加,要区分开来就必须获得在相关锥形杆和入射波条件下锥面反射波的情况。采用数值模拟和部分实验验证相结合的方法来研究该问题。其中模拟过程分2部分,其一为在锥形杆形状固定的情况下分别模拟对不同宽度的入射波(矩形、三角和梯形)所形成的反射波的影响,其二为对于SHPB实验中常用的矩形入射波,讨论不同的锥体几何参数(特征长度、小端直径)的变化对反射应力波的影响。数值模拟结果表明:当入射波宽度和锥体的特征时间tL=L/C0接近的情况下,锥体对反射波波形的影响很大,而对于实际应用中的锥形杆及相应的梯形入射脉冲,如果锥体的特征长度远小于子弹的长度(10%),小大端的直径比d/D0.8的情况下,反射波应力可以按阶梯截面过渡杆进行计算,反射波从峰值应力处到平台区的过渡时间与入射脉冲上升沿时间接近,反射波上升沿、下降沿和波宽与入射脉冲基本一致,锥体特征长度对峰值应力的影响小于d/D值的影响。     

柱形93钨弹体超高速撞击薄钢板穿孔及破片群扩展特征

为进一步研究柱形弹体超高速撞击靶板的破片群扩展、弹体侵蚀等问题,开展柱形93钨 弹体超高速撞击薄钢板实验研究。通过量纲分析方法给出柱形弹体穿靶的穿孔直径经验公式;利用高速摄像技术获得靶后破片群运动图像,分析破片群扩展规律以及弹体的侵蚀规律;基于微观组织分析,探索超高速撞击中弹靶材料的熔化问题。结果表明：通过对实验数据的拟合,认为在弹靶材料不变的情况下,靶板穿孔直径、靶后破片群轴向扩展最大速度、横向扩展最大速度近似和弹体直径、靶板厚度、撞击速度相关,而对于弹体侵蚀长度,除上述参数外还与弹体长径比相关;在柱形弹体超高速撞击靶板问题中,靶板背表面产生层裂并在破片群前部形成速度大于剩余弹体速度的“尖端”,可近似由靶板厚度小于弹体直径的0.72倍来确定;当柱形93钨弹体以2~3 km/s速度撞击靶板时,靶后破片群尚未发生大范围熔化,但当破片群、剩余弹体撞击第2层靶板时,受到二次加载作用,撞击区附近将发生大范围的材料熔化。     

撞击对建筑外墙钢板涂层性能的影响

建筑外墙用钢板涂层能有效提高其使用寿命,为降低钢板涂层脱落,研究撞击对不同厚度钢板的涂层影响,基于弹丸冲击模拟方法,分析撞击后钢板涂层性能变化.结果表明:不同厚度钢板,其结合面法向应力区间随钢板厚度增大而减小;不同撞击速度下,撞击时间小于7μs时,撞击速度越大,钢板表面初始压力越大,结合面法向应力越大;不同撞击角度下,涂层质量损失随撞击角度增大而增大;不同撞击力下,涂层质量损失随撞击力增大而增大.     

头支撑下空化器外形对通气超空泡的影响

目前,空化器外形对超空泡形态的影响研究都是在空化器前的流场未被干扰时进行的,当水洞试验因采用头部支撑方式而影响了空化器前的流场时,通气超空泡形态随空化器外形的变化规律尚不明确。本文应用计算流体力学(CFD)仿真软件FLUENT,参照头支撑下通气超空泡生成的试验模型,建立了随空化器直径、连接杆直径和空化器锥角变化的仿真模型。在通气量一定的情况下,通气超空泡的长度和长径比随头支撑连接杆的增大而增大,随空化器直径的增大而减小,随空化器锥角的减小而增大,并深入研究了空化器外形对空泡尺寸的影响规律,为水洞超空泡试验在头支撑方式下空化器外形的设计提供参考。     

爆炸箔起爆器发火阈值影响因素的数值模拟

为了研究由桥箔、飞片和加速膛所组成的换能组件对爆炸箔起爆器(EFI)发火性能的影响,达到降低发火阈值的目的,利用ANSYS/AUTODYN软件,模拟了桥箔驱动飞片起爆六硝基茋(HNS-Ⅳ)的过程。研究了桥箔厚度对飞片速度的影响,探究了桥区宽度、飞片材料(有机玻璃、陶瓷和聚酰亚胺)、飞片厚度和加速膛长度对EFI发火阈值的影响。结果表明,减小桥区宽度有利于降低爆炸箔起爆器的发火阈值。在输入电压相同的条件下,2μm厚度的桥箔驱动飞片速度最大;爆炸箔起爆器发火电压随着飞片厚度的增加先降低后增大,当厚度为10μm时发火电压最低;相比于0.225 mm、0.250 mm和0.275 mm加速膛,用0.125 mm加速膛时发火电压最低,说明减小加速膛长度有利于降低爆炸箔起爆器的发火阈值;在加速膛孔径确定的情况下,"无限型"加速膛发火电压低于"有限型"加速膛。聚酰亚胺力学性能好、发火电压低、撞击动能小,优于其它两种材料(有机玻璃和陶瓷)。     

复合型含能破片冲击波起爆特性研究

为了解释冲击波对复合型含能破片内装药的起爆机理,建立了含能破片反射波冲击起爆理论模型,对含能破片的起爆阈值速度进行理论计算。对含能破片的撞靶过程进行数值模拟,分析了不同头部厚度、装药长度和破片直径对含能材料入射波和反射波起爆的影响。分析结果表明:含能破片反射冲击波起爆阈值速度比入射波低;破片壳体头部厚度只影响2种起爆方式的阈值速度,不决定装药的起爆方式,装药长度和破片直径之比k决定含能材料的起爆方式;不同的含能材料具有不同的临界值,当k小于临界值时,含能破片的临界起爆速度由反射波强度决定。2种起爆方式的毁伤模式有一定的差异,同时起爆方式也对释能时间有一定影响。     

Al2O3陶瓷分离式霍普金森压杆恒应变率动态压缩试验研究

采用入射波整形技术对Al203陶瓷进行了分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验。通过合理设计整形器尺寸和子弹初速，获得了较为理想的入射波。试验结果表明：入射波整形技术可以有效地研究脆性材料的恒应变率变形行为；而入射波整形技术结合直接测量应变方法可以准确地测定高强度脆性材料在高应变率下的应力一应变曲线。     

含孔隙富铝聚四氟乙烯/铝含能材料冲击温升规律

为研究孔隙度对富铝含量聚四氟乙烯/铝（PTFE/Al）含能材料冲击温升效应的影响,采用考虑熔化效应的一维粘塑性孔洞塌缩模型,对该材料的冲击温升进行了理论分析。建立孔隙度分别为10%、20%、30%的富铝PTFE/Al细观离散化模型,并借助非线性动力有限元软件AUTODYN开展细观数值模拟,对冲击加载下含孔隙富铝PTFE/Al含能材料的孔洞压缩及温升规律进行了分析。通过分离式霍普金森压杆实验对数值模拟结果进行了验证。结果表明：材料内部温度随着入射杆的周期性加载总体呈现出间歇性升高的现象;在压缩过程中,材料内部温度升高主要受孔洞内径速度和屈服强度的影响,且孔隙度为10%的富铝PTFE/Al含能材料（质量配比50/50,试件尺寸8 mm× 5 mm）相比孔隙度为20%和30%的富铝含量PTFE/Al含能材料,其温度升高最高。研究结果可为PTFE/Al含能材料的工程化应用提供参考。     

PBX模拟材料动态力学响应及细观损伤模式

基于分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行高应变率(1763~2650 s-1)动态压缩实验,采用铅整形器得到正弦入射脉冲。聚偏氟乙烯(PVDF)压力传感器监测试件两端的应力状态,高速相机拍摄试件的变形和破坏过程,激光位移计测量试件的轴向应变,采用电子显微镜观测细观结构形貌和损伤模式。结果表明,PBX模拟材料具有应变率相关性;结合界面脱粘和晶体断裂理论,认为晶粒与粘结剂的分离,晶粒脆性断裂是该PBX模拟材料的主要细观损伤模式。     

双锥罩射流侵彻钢靶侵深计算模型

为了完整地描述双锥罩聚能射流侵彻钢靶的全过程,利用冲击波Hugoniot关系修正伯努利方程,结合改进的PER理论推导双虚拟原点,建立了考虑冲击波、射流速度分布及射流状态等影响因素的侵深计算模型。通过试验验证了考虑冲击波、双虚拟原点及射流断裂影响的计算模型能够提高预测侵深的准确性,比较了各分界点因素对射流侵深的影响,获得了炸高及双锥罩结构参数对射流侵深的影响规律。研究结果表明：随着炸高的增大,连续射流与断裂射流分界点的出现将早于冲击波影响分界点;头部速度、拐点速度和侵彻深度均随上锥角的增大而减小;随着上锥高占罩高比例的增大,射流头部速度、侵彻深度逐渐增大,而射流拐点速度呈下降趋势。     

空心锥撞击杆对分离式霍普金森压杆入射脉冲弥散的抑制效果分析

为了抑制入射脉冲弥散效应,采用动力有限元软件分析了常规分离式霍普金森压杆（SHPB）入射脉冲几何弥散的空间变化规律,发现入射杆中沿着应力波传播方向,几何弥散效应趋于增强;横截面上沿径向向外弥散效应趋于减弱。为此,在撞击杆的碰撞端部挖去一个共轴圆锥,称改造后的撞击杆为空心锥撞击杆。进而分析了空心锥撞击杆获得入射脉冲几何弥散的空间变化规律,结果表明：入射脉冲初始振荡得到有效抑制,且加载上升时间变长,空心锥的底面半径越大、锥角越小对弥散效应抑制效果越好;研究还发现采用空心锥撞击杆时,碰撞端面的摩擦效应对入射脉冲几何弥散影响不大,只是改变了振荡波的相位。最后,采用实验方法对该种改造方法的效果进行了验证,实验结果与理论和数值分析结果吻合较好。     

级间通道构型对小型双脉冲发动机燃烧室内两相流的影响

为研究级间通道构型对小型双脉冲发动机燃烧室两相流的影响,气相采用SIMPLE算法和k-ε模型,两相流采用PSIC算法和离散相模型,对小型双脉冲固体火箭发动机内流场进行了详细的计算。结果表明,级间孔径的大小对流场影响很大。级间孔与燃烧室的直径比值影响粒子对级间结构和喷管收敛段的撞击及速度。级间开孔角度越大,再附着点的位置变化不大,但一脉冲内主流气体的速度越大。气固两相耦合的情况下,一脉冲燃烧室内的粒子速度也会增大。     

某空气雾化旋流喷嘴在受限空间内雾化特性的实验研究

为了研究某空气雾化旋流喷嘴在受限空间内的雾化特性,采用多普勒相位粒子动态分析仪测量了雾化场中液滴的粒径和轴向速度,并将大气环境中和受限空间内的雾化参数进行了对比分析。结果表明：雾化液滴的索特平均直径由气体和液体喷射压力共同决定;随着距喷嘴轴向距离的增大,液滴索特平均直径呈现先减小后增大的变化趋势,液滴轴向速度逐渐减小;当液体喷射压力一定时,气体喷射压力增大,液滴索特平均直径变小,液滴轴向速度变大;当气体喷射压力一定时,液体喷射压力增大,液滴索特平均直径增大,但液滴轴向速度变化较小。     

亚半球罩形成杆式射流正交设计的数值分析

为研究亚半球罩形成杆式射流的成型因素,利用非线性动力学软件AUTODYN-2D对其成型过程进行数值模拟.分析亚半球罩外曲率半径、罩高、壁厚和装药长径比4种因素对杆式射流头部速度以及头尾速度差的影响规律,在此基础上对4种因素影响杆式射流的头部速度和头尾速度差的主次关系进行正交设计研究,并通过数据处理得到4种因素各水平的最优组合.研究结果表明:随着装药长径比、亚半球罩外曲率半径、罩高的增大以及亚半球罩壁厚的减小,杆式射流的头部速度和头尾速度差增大;装药长径比是影响头部速度的主要因素,外曲率半径对头部速度影响最小;罩高是影响头尾速度差的主要因素,外曲率半径和壁厚对头尾速度差影响较小.该研究可为杆式射流结构优化提供参考价值.