泡沫铝衰减冲击波压力的理论分析

由于泡沫铝具有良好的缓冲与吸收撞击或爆炸能量性能,常被粘贴在主结构可能遭受撞击面或迎爆面,用于降低撞击或爆炸冲击波对主结构的破坏作用。目前关于泡沫铝缓冲层衰减主结构上冲击波压力的理论计算没有得到很好的解决。为考查泡沫铝相对密度、孔洞形式及厚度对其衰减主结构上冲击波压力的影响,运用一维冲击波理论,考虑冲击波在压缩泡沫铝材料过程中的能量损耗,提出一种简化计算泡沫铝缓冲层衰减结构物上冲击波压力的方法。运用该方法分析了结构物上包覆一层泡沫铝缓冲层对飞片撞击结构所产生冲击波压力的衰减情况。并通过实例给出计算泡沫铝缓冲层衰减飞片冲击结构上冲击波压力的计算步骤及其影响因素。     

空气夹层对含液结构在球形弹体侵彻作用下动态响应的影响

基于一维应力波理论对高强水中冲击波在不同介质间的传播进行分析,提出了2种防护含液结构的空气夹层形式,建立了数值仿真模型。在验证数值仿真方法的基础上,分析了含液结构在弹体侵彻过程中空穴演化、冲击波传播、空气夹层结构变形等的动态变化过程及弹体速度衰减规律,讨论了不同舱室结构在球形弹体侵彻作用下的冲击波特点和结构不同组成部分的能量转换关系,对比了不同弹速下前后板的塑性变形。研究结果表明:(1)在含液结构中添加空气夹层能有效降低含液结构前板和后板的冲量、能量和塑性变形;(2)空气夹层影响前后板变形的主要原因为阻抗失配和空气夹层变形引起的稀疏波及液体空化;(3)从整体看,双层间隔板结构衰减前后板变形能力优于方格夹层板结构,但随着弹速的增加,双层间隔夹层板的前后壁变形相互制约,2种结构对含液塑性变形的改变逐渐接近。     

平面S波在非饱和土自由边界上的反射问题研究

运用非饱和孔隙介质理论阐述了弹性波在非饱和土中的传播特性,分析了平面S波在非饱和土层自由边界上的反射问题。根据边界条件,分别导出了在非饱和土自由边界上的四种反射波：反射P1波、反射P2波、反射P3波及反射S波的振幅反射率及能量反射率的理论表达式,并在此基础上进行了数值计算。算例中讨论了四种反射波的振幅反射率及能量反射率受平面S波入射角度及土层饱和度变化的影响情况。计算结果表明：各反射波的振幅反射率及能量反射率不仅与入射角有关,也受到饱和度变化的影响,这些结论对土动力学的理论研究以及相关工程地震勘探具有一定指导意义。     

应力波作用下岩石声发射实验研究

在霍普金森（SHPB）冲击系统上进行了应力波作用下岩石声发射实验,获得了该加载条件下岩石破裂的声发射规律。实验结果表明,应力波下,声发射峰值能量之前所出现的声发射信号相当匮乏;而且其能量规律呈现出两种明显不同的特征：I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到了加载的末期,能量出现了一定的回升,产生了“拐点”;II型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对I型较慢,且不出现“拐点”。研究结果表明,声发射的能量特征与岩石破碎的程度密切相关;冲击载荷作用下岩石的声发射不仅仅是裂纹信息的反映,其中也包含了对应力波信号的反映。     

泡沫铝衰减冲击波峰值压力的理论及数值分析

为比较系统地了解表面粘贴泡沫铝及其夹芯层对结构上作用冲击波峰值压力的衰减性能与影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了泡沫铝及其夹芯层衰减冲击波峰值压力的性能。并讨论了影响泡沫铝及其夹芯层衰减冲击波峰值压力的几个主要因素。研究结果显示,在达到压实应变之前,表面粘贴泡沫铝及其夹芯层能有效地衰减冲击波的峰值压力。达到压实应变后,泡沫铝及其夹芯层对冲击波峰值压力的衰减性能下降。孔洞形式、相对密度对泡沫铝衰减冲击波峰值压力具有明显地影响,面板材料对泡沫铝夹芯层衰减冲击波峰值压力的性能也有一定的影响。要取得较好地衰减冲击波峰值压力的性能需综合考虑以上因素进行优化设计,否则可能出现粘贴的泡沫铝或其夹芯层达不到衰减结构上冲击波峰值压力的目的。     

钢纤维混凝土动态抗拉强度的实验研究

基于线弹性和一维应力波假定,采用Φ75mmSHPB对钢纤维体积率Vf分别为0、0.75%和1.50%的三种混凝土材料进行了一维杆层裂实验,考虑了应力波在混凝土材料内传播时的波形弥散效应和应力幅值衰减,通过计算应变片记录的应力信号确定了材料的动态抗拉强度。结果表明,钢纤维混凝土的动态抗拉强度受应变率和钢纤维体积率的影响,本文为测试脆性材料的动态抗拉强度提供了一种有效方法。基于微观扫描技术,对钢纤维增强机理进行了分析。     

含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。     

利用波动法研究曲梁结构中的波形转换和能量传递

基于Flugge理论,建立了薄壁均质常曲率曲梁面内运动的6阶微分控制方程,得到了曲梁的频散特性曲线和6种波的轴向位移和径向位移的比值,推导了位移和内力响应的表达式以及物理域和波数域的变换矩阵。利用波的传递和反射矩阵对曲梁和半无限长直梁耦合时的能量传递系数和反射系数进行了求解分析。对于半无限长直梁中给定的拉伸波或弯曲波入射,得到了和频率,曲率半径和伸展角度相关的各种波传递和反射的能量系数表达式。数值结果表明,纵波和弯曲波在经过曲梁结构之后发生了波形转换,并研究了能量传递和反射系数随频率,伸展角度,曲梁曲率半径和截面尺寸比的变化。结果表明,无限长直梁和曲梁耦合系统中,低频时,经过曲梁反射和传递后的弯曲波和纵波会相互转化;高频时弯曲波和纵波都能够没有散射地通过曲梁而进行传播。为改善高频时曲梁中的能量衰减效果,研究了在曲梁结构中插入单个、多个中间支撑或阻振质量块时的能量传递和反射系数。结果表明,阻振质量块能够很好地阻止高频时曲梁中能量的传递,对于周期分布的多个阻振质量块,能量传递系数随频率的变化存在周期结构的阻带特征。这些研究结果为曲梁结构的设计提供定性的理论基础。     

一种改进的近邻多损伤“移相叠加”成像方法

近邻多损伤成像是Lamb波成像研究中的一个难点。在传统“移相叠加”方法基础上提出一种改进的近邻多损伤成像方法。为了避免或减轻相邻损伤散射信号间的混叠,该方法利用双面激励产生较高空间分辨率的单模式Lamb波监测信号。同时,根据Lamb波在传播中的能量衰减情况,引入衰减补偿因子来减小监测信号对不同位置监测灵敏度的差异。理论分析和实验均证明了上述两处改进对于提高近邻多损伤成像质量的有效性。     

软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究

针对含软弱夹层岩体爆炸应力波的传播过程,采用数值模拟的方法,探讨了软弱夹层厚度、位置及角度对爆炸应力波传播的影响规律。研究结果表明:爆炸应力波在软弱夹层界面处发生反射,产生的拉伸应力波使应力波能量在迎波面汇聚,加剧该部分岩体的破坏程度。随着软弱夹层厚度的增加,前方岩体拉应力峰值增长作用由近迎波面岩体向炮孔周边岩体传播,拉应力峰值增长率逐渐提高;同时,夹层阻隔作用增强,后方岩体有效应力峰值衰减加快。软弱夹层与起爆中心的间距减小使得夹层前方岩体拉应力峰值显著增长,而对夹层后方岩体的阻隔作用逐渐减弱。应力波能量主要汇聚在软弱夹层的垂直方向,致使岩体爆破产生的裂缝偏离水平测线方向而向软弱夹层法线方向发展。研究成果可用于指导类似地层隧道爆破施工设计。     

多层差异性气泡帷幕对水下爆破冲击波的衰减效应的试验研究

为评估气泡帷幕产生的气水混合层对冲击波能量的衰减效应,设计了乳化炸药水下延期爆破试验,研究气泡帷幕对水下爆破冲击波的影响。以冲击波斜入射条件下波阻抗差异性为研究对象,设计多层差异性气泡帷幕。以距爆心12 m处帷幕前、后测点处的冲击波衰减率为评价指标,测得多排孔气泡帷幕前测点处的冲击波压力峰值为1.518 MPa和1.493 MPa,帷幕后测点处的冲击波压力峰值为0.026 MPa和0.034 MPa,冲击波综合衰减率为97.72%⁹8.29%。与陆上岩石爆破冲击波传播规律相比,水下爆破冲击波作用时间短,波阵传播速度快,冲击波压力更大,且传递过程中能量损耗少,传递效率高,同等爆破当量的条件下水下爆破对结构的损害更大。采用多层差异性气泡帷幕对水下爆破施工进行防护,可以在完成水下炸礁爆破施工任务的同时,不破坏水下生态环境。     

深孔间隔装药爆破对不同孔壁介质的影响

数值模拟研究了岩石、混凝土和土三种不同孔壁介质深孔间隔装药爆破时的扩孔特征、压力场、应力场、速度场和能量分布及传播衰减规律,还分析了间隔介质(空气和水)和起爆方式等对孔壁介质中冲击波传播规律的影响。研究表明:由于岩石、混凝土和土三种孔壁介质的波阻抗和可压缩性不同,导致爆破后分别形成"狼牙棒"型、"纺锤"型和"圆柱"型三种爆腔。与岩石和混凝土相比,在土体中的扩孔宽度分别提高约60%和约45%,土能缓解孔壁压力和等效应力、降低爆破振动效应、减缓爆炸冲击波的衰减速度和提高能量利用率,而在岩石和混凝土介质中,上述效果的差异性不太明显。与水间隔装药相比,在岩石和混凝土孔壁介质中采用空气间隔装药结构能降低约7%的孔壁压力。在岩石和混凝土孔壁介质中,采用底部起爆方式能够提高炸药的能量利用率,中部起爆方式能够减缓爆破振动效应,而在土体中并不明显。     

Deformation and fracture behaviour of plate specimens subjected to underwater explosion—a review

Behaviour of plate specimens subjected to underwater explosion is of interest to metal forming community and ship designers. The break down of the original molecule of an explosive into product molecules associated with the evolution of large amount of heat generates a shock front in the water medium, followed by a gas bubble pulsation. The interaction of the shock wave with a plate imparts energy to it, which is dissipated in the form of deformation. The intensity of explosion determines whether a plate undergoes elastic deformation, yielding, plastic deformation or fracture. When the deformation is in the elastic range, the stress developed in the plate is given as a function of the material and shock wave parameters. As the intensity of explosion progressively increases, the elastic to plastic transition occurs over a specific shock factor. Plastic deformation is predicted as a function of geometric and material properties of the plate and shock pulse impulse. Deflection-time history reveals the reloading effects of the shock wave. As the deforming plate absorbs maximum energy, depending on its strength and ductility, it undergoes fracture. Terminal strain to fracture is considered as the criterion for explosive shock performance of ship materials.     

浅水爆炸下高桩钢管柱表面作用荷载实验研究

通过不同炸药量、不同爆炸距离、不同起爆深度的水中爆炸模型实验,研究了浅水爆炸条件下高桩钢管柱表面压力特征和空间分布规律,分析了比例爆距对冲击波峰值及空间分布影响,给出了钢管柱表面冲击波反射系数、绕射系数和抗爆设计中实际作用冲击波的工程算法。研究结果表明:水中爆炸作用下,反射和绕射冲击波近似同时作用在钢管柱表面,峰值沿柱身高度方向非均匀分;冲击波受水面影响程度相对较小,二次气泡脉动受水面影响程度较大;反射和绕射冲击波峰值均随炸药量增加、作用距离减小而增加。比例爆距相同,反射冲击波峰值相同,但炸药量小、爆炸距离近的实验工况绕射冲击波峰值相对较小;钢管柱表面冲击波反射系数和绕射系数随比例爆距增加而减小。比例爆距≥1.71时,钢管柱实际作用冲击波峰值可近似按自由场冲击波峰值的1.37倍计算。     

Localization of pulsed energy deposition in a transverse surface discharge initiated in a gas flow with shock wave

The localization of a nanosecond transverse surface discharge initiated in a plasma sheet sliding over a dielectric surface in a channel featuring gas flow with a plane shock wave has been studied by monitoring glow intensity distribution at the discharge-ionized channel surface in the presence of the shock wave. Judging from the glow pattern, the entire energy of discharge is usually localized in a low-pressure region in front of the propagating shock wave. The density of energy deposited in front of the shock wave can be varied (in particular, increased up to 12–15 eV per particle) by initiating the discharge at various positions of the shock wave. Transitions from the discharge with glow localized sharply in front of the shock wave to the regimes with glow extended behind the front or with a volume glow region ahead of the shock wave were observed for certain values of the Townsend parameter (E/P) and Mach number (M).     

一种改进的水下爆炸冲击波信号修正方法

爆炸载荷是舰船抗冲击设计和分析的基础,爆炸冲击波是表征炸药威力的一个关键物理量。在水下爆炸试验中,由于PCB138A50型电气石水下传感器在高频段存在失真,使得水下爆炸自由场压力信号存在上升沿、峰值失真的情况。当爆源与测点的水平距离远大于测点深度时,测点接收的信号需考虑反射波影响,一般会出现水面截断,形成驼峰现象。这都会使压力信号的冲击波能量计算产生误差,进而影响舰船的抗冲击分析。文章用Jensen提出的方法修正峰值,使用Cole函数对冲击波进行拟合修正。经对比,Cole函数拟合法比传统的指数拟合法修正后的冲击波能量更接近于试验炸药冲击波能量的理论值。     

柱状炸药水下冲击波连续测量研究

通过自制的压导探针,对柱状装药水下爆炸过程进行连续测量,获得了柱状炸药的爆轰波和水下近场冲击波头的时间历程演化曲线。由此计算出柱状炸药的爆速、水的冲击波速度随时间的变化曲线;进一步由水的冲击雨果尼奥关系式和界面压力、速度连续方程,计算得到了炸药爆压、水下近场冲击波超压变化曲线。结果表明,水下爆炸近场的冲击波速度近似以指数形式衰减,最初阶段衰减很快,随时间推移,衰减越来越慢,最终水中冲击波速度趋于声速。近场冲击波超压的衰减形式与冲击波速度的衰减形式相似。     

Dynamic energy absorption characteristics of hollow microlattice structures

Hollow microlattice structures are promising candidates for advanced energy absorption and their characteristics under dynamic crushing are explored. The energy absorption can be significantly enhanced by inertial stabilization, shock wave effect and strain rate hardening effect. In this paper we combine theoretical analysis and comprehensive finite element method simulation to decouple the three effects, and then obtain a simple model to predict the overall dynamic effects of hollow microlattice structures. Inertial stabilization originates from the suppression of sudden crushing of the microlattice and its contribution scales with the crushing speed, v. Shock wave effect comes from the discontinuity across the plastic shock wave front during dynamic loading and its contribution scales with v². The strain rate effect increases the effective yield strength upon dynamic deformation and increases the energy absorption density. A mechanism map is established that illustrates the dominance of these three dynamic effects at a range of crushing speeds. Compared with quasi-static loading, the energy absorption capacity at dynamic loading of 250 m/s can be enhanced by an order of magnitude. The study may shed useful insight on designing and optimizing the energy absorption performance of hollow microlattice structures under various dynamic loads.     

两种介质中爆轰波和冲击波连续测量技术研究

通过自制的有机玻璃压导探针,对炸药、有机玻璃和水中的爆轰波和冲击波进行连续测量,得到了爆轰波和冲击波的时间历程演化曲线。由此计算出炸药爆速、有机玻璃和水中冲击波速度随时间的变化曲线;再由有机玻璃和水的冲击雨果尼奥关系式和动量定理,计算得到了炸药爆压、有机玻璃和水近场冲击波速度、压力变化曲线。结果表明:理论计算结果与有机玻璃和水的冲击波和炸药爆压试验结果基本吻合,能够准确反映冲击波在有机玻璃和水中的衰减规律。     

基于小波分解的水中电爆炸冲击波波形重建方法研究

水中金属丝电爆炸产生的冲击波,上升时间仅有数十纳秒,脉冲宽度仅为十几微秒,远小于化学炸药产生的冲击波,采用现有传感器对其进行精确测量非常困难。分析了冲击波波形形成过程,基于帕塞瓦尔时频域能量守恒定律,采用多尺度小波分解的方法,给出了一种冲击波波形重建方法。采用该方法对PCB138传感器实测的压力信号进行了重建,并与Müller-plate针式压力传感器得到的波形进行了比对。结果表明:重建后的信号更加接近真实波形,基于多尺度小波分解的波形重建算法,较基于傅立叶变换的重建算法,稳定性更好,准确度更高。