波阻抗梯度飞片超高速发射的数值模拟

研究波阻抗梯度飞片的超高速发射特性.应用LS-DYNA有限元程序对波阻抗梯度飞片超高速发射二级飞片的过程进行了数值模拟,计算了二级飞片的压力剖面和速度曲线.研究结果表明,当梯度飞片被聚碳酸酯(Lex-an)封装时,二级飞片的最终发射速度可以达到波阻抗梯度飞片初始加载速度的1.63倍,并且所设计的波阻抗梯度飞片能够实现对二级飞片的准等熵加载.     

超高速碰撞成坑特性分子动力学模拟

基于开源分子动力学程序LAMMPS,对直径为4.86 nm的球形铝弹丸以10 km/s超高速撞击半无限厚铝靶进行模拟.弹坑形成的物理过程与超高速碰撞宏观现象相似,弹坑深度与宏观经验公式计算结果基本一致,获得了弹丸头部相对于碰撞点的位移随时间的变化规律;分析了靶板中冲击波传播特性,碰撞初期冲击波阵面传播速度达到12 km/s,随后冲击波传播速度逐渐减小,接近于弹性波速;弹坑周围观测区发生熔化相变,熔化时间持续0.07 ps,熔化层厚度为2.9 nm;弹坑周围观测区冷却速率达到1015 K/s量级,抑制了原子重结晶,最终呈现为固相非晶结构.      

基于二维颗粒元法的超高速碰撞薄靶数值模拟

传统基于网格数值方法在模拟超高速碰撞时存在着材料大变形引起节点位置异常变化,导致单元畸变严重使计算无法进行;尤其是超高速碰撞中引起的材料断裂、破碎等用传统网格算法很难准确描述. 为克服传统网格算法在模拟超高速碰撞时存在的缺陷和不足,用二维颗粒元法模拟直径为5 mm球形弹丸以4~7 km/s对2 mm厚的靶板碰撞. 模拟结果表明,该方法克服了计算过程中存在的网格畸变现象,模拟得到的弹丸对薄靶开孔规律和形成碎片云形貌与实验基本吻合,证实了二维颗粒元法可作为新方法模拟超高速碰撞.     

两级爆轰驱动装置发射弹丸的实验和数值模拟

为研究利用多级爆轰驱动发射高速爆炸成型弹丸的可行性,利用两级爆轰驱动进行发射爆炸成型弹丸的实验研究.二级爆轰驱动系统的次级被置换为成型装药,研究改变装药高度对弹丸速度的影响,并利用数值模拟对实验的结果进行比对.实验结果和数值模拟结果吻合良好.实验结果表明,二级爆轰驱动装置比传统一级成型装药能大幅提高爆炸成型弹丸的速度,具有发射大于3km/s弹丸的能力.     

超高速微小碎片激光测速系统研制及应用

地面超高速模拟实验是研究微小空间碎片撞击效应经济有效的手段,其中等离子体加速器为微米量级碎片的主要地面模拟设备.本文研制了在等离子体驱动微小碎片加速器系统并应用于高速飞行微粒速度测量的激光测速系统.该激光测速系统工作原理是.利用主动激光照明,在颗粒飞行路径上形成光墙,通过检测颗粒通过光墙形成的散射激光,得到微粒到达光墙的时间,利用飞行时间法进行高速微粒速度测量.在激光测速系统原理测试实验中,采用信号响应上升时间小于10 ns,电子渡越时间小于20ns的高灵敏、快响应的光电倍增管,原理试验测得该探测系统的响应时间仅为约70 ns.该响应时间小于速度为15 km/s的颗粒通过3～5mm厚度的片状激光束的理论时间,并验证了该系统灵敏度高、响应时间快的特点,可以满足超高速微粒(8～20 km/s)通过3～5 mm激光墙的时间阈值(约0.1 μs)的需求.目前,激光测速系统已经应用于等离子体加速器发射超高速微粒的试验中,能有效测量等离子体加速器所发射的高速微粒的群速度,对15 km/s及以上速度的超高速颗粒亦能捕捉到有效信号,实现对微粒速度的测量,达到了良好的预期效果.在等离子体微小碎片加速器上开展的超高速撞击试验中,激光测速系统能够实现无损在线速度测量,对等离子体加速器上开展的超高速撞击试验提供了重要帮助.     

波阻抗梯度材料超高速正/反撞击下防护特性研究

为分析梯度分布对波阻抗梯度材料超高速撞击防护特性的影响,针对梯度分布为钛合金/铝合金/镁合金的波阻抗梯度材料,设计开展了以钛合金为撞击面（正撞击）、镁合金为撞击面（反撞击）的超高速撞击实验与数值模拟研究.研究获得了实验条件下防护结构碎片云特性及后墙损伤特性,并借助数值模拟,深入分析了不同撞击条件下弹靶冲击压力特性、内能转化特性.结果表明,正撞击有利于增大弹靶冲击压力,促进动能向内能的转化,从而提高防护能力.     

金属桥箔电爆炸驱动飞片过程数值模拟研究

为研究金属桥箔电爆炸等离子体驱动飞片全过程中飞片的性能特征和影响规律,建立了金属桥箔电爆炸驱动飞片全过程的多相流数值计算模型,并进行了数值模拟计算.计算中,利用了相变分数描述金属桥箔由固相到等离子体相的相态转变,采用了考虑粒子数目变化及粒子间库仑作用的高温高压等离子体状态方程描述电爆炸等离子体的形成和运动行为,采用了动网格模型描述飞片的运动.将计算结果与实验结果进行对比分析,计算得到的飞片速度值与实验值的误差小于5%,表明计算模型的准确性较好.基于该计算模型,对总面积相同的双体阵列桥箔和单体桥箔电爆炸等离子体驱动飞片过程进行了数值模拟,计算结果表明,由于阵列桥箔电爆炸过程中等离子体和冲击波的叠加汇聚作用,提高了能量转化效率,使得等离子体及冲击波流场对飞片的驱动力增加,从而提高了飞片的速度.等离子体流场对飞片表面的烧蚀厚度约为0.1μm,飞片的完整性较好.     

超高速碰撞实验中跟进气体对等离子体信号的影响

针对二级轻气炮加载铝弹丸超高速碰撞靶板产生等离子体的过程中,弹丸后面跟进气体有可能对等离子体信号造成影响的问题,利用三探针、磁线圈、高温计等实验设备分别对有铝弹丸和无弹丸两发实验进行了诊断测量,得出了相应的电子温度、磁感应强度、物质温度变化曲线.比较实验结果得出:弹丸超高速碰撞靶板产生等离子体的过程中跟进气体信号幅值较小,不会对实验结果造成明显影响.     

超高速碰撞电磁效应数值模拟

采用理论分析和数值模拟结合的方法对超高速碰撞产生等离子体问题进行研究. 通过SPH方法,建立二维轴对称模型,针对不同碰撞速度进行数值模拟,对比不同时刻碎片云的形状以及膨胀速度,验证数值模拟的正确性;利用Thomas-Fermi模型,计算超高速碰撞过程中SPH粒子的温度,对于发生汽化的部分考虑其产生的等离子体参数;以统计物理学为基础,基于化学反应动力学原理,建立了非热平衡等离子体电子数密度、电子温度、宏观温度以及内能之间的关系,用以计算超高速碰撞过程中产生等离子体的参数. 给出不同时刻碰撞产生的总电荷数随时间的变化,将数值模拟结果与文献中经验公式结果进行对比,验证了本文中计算超高速碰撞产生等离子体方法的正确性.     

PMT在测量超高速碰撞闪光趋势中的应用

为了研究超高速碰撞闪光强度和趋势,设计了超高速碰撞闪光光电倍增管测量系统. 该测量系统由4通道组成,由光纤探头采集的不同波长的闪光信号经光纤输入光电倍增管,将光信号转换为电信号并放大后输入示波器. 通过不同碰撞条件下的二级轻气炮加载实验测出给定位置、方位角和不同碰撞条件下的碰撞闪光趋势,根据测量系统的标定计算出碰撞闪光强度. 实验结果表明,碰撞闪光的特点比较明显,强度峰值信号首先出现,其后伴随持续的黑体辐射衰减.     

超高速碰撞产生的电磁场对通信电路的干扰

研究2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶板产生的电磁场对通信电路的干扰.实验中采用盘式磁线圈对超高速碰撞产生的电磁场进行测量,获得了碰撞速度为5.93 km/s下不同的空间位置处磁感应强度以及与上弹道方向平行的不同放置位置处通信电路的受干扰情况.实验结果表明:超高速碰撞产生的电磁场会使通信电路受到严重的干扰,电磁场对通信电路的干扰幅值达到了1 V.     

LY-12铝合金熔化的临界碰撞速度

借助于二级轻气炮,实现了ＬＹ－１２铝合金弹丸以４￣６ｋｍ／ｓ的速度对铝双层板的超高速碰撞。对ＬＹ－１２铝合金球形弹丸超高速冲击铝双层板熔化的临界条件进行了研究。     

钨合金弹体超高速撞击混凝土靶成坑特性研究

为探究钨合金弹体超高速撞击混凝土靶的成坑直径和成坑体积随动能变化的规律,采用二级轻气炮开展了钨合金弹体以1。97～3。66km/s的速度撞击混凝土靶实验,利用CT图像诊断方法得到了实验后的成坑特性实验数据,并基于点源假设进行了超高速撞击条件下成坑特性的量纲归—化分析。结果表明:超高速撞击条件下靶板成坑为“弹坑+弹洞”型;成坑直径和成坑体积随动能增加而单调递增,通过量纲分析得到成坑直径3次方和成坑体积都与弹体动能近似成正比,拟合指数μ接近动能主导的指数2/3,说明成坑过程主要受动能影响。      

超高速碰撞产生等离子体的电磁场测量方法

介绍了超高速碰撞过程中等离子体产生的环形电磁场测量方法,测量过程中采用螺旋型线圈,并分析了该线圈对外界干扰磁场的屏蔽效应.实验中采用该线圈测量到速度为6.2km/s的球形LY12铝弹丸超高速碰撞LY12铝靶板产生磁场强度随时间的变化规律.测试结果表明,等离子体产生的瞬态电磁场的持续时间为1ms左右,最大幅值为15μT.     

2-3km/s初速下圆形破片对金属薄靶的侵彻效应分析

针对2 ～3 km/s初速条件下破片对金属薄靶的侵彻开展了实验和数值模拟研究,用LS-DYNA软件对该速度段下弹丸侵彻金属靶板的过程进行数值模拟,采用爆轰驱动装置发射钢质球形弹丸进行试验研究.分析了不同工况下靶板的毁伤模式,并与600 ～ 800 m/s这一低速段下靶板的毁伤模式进行对比分析.结果表明:数值模拟跟实验吻合较好,在该速度段下,球形钢质弹丸对靶板的毁伤模式主要为穿孔;垂直撞击时在靶板上形成延性扩孔,而在低速度段下,靶板上形成的穿孔直径几乎跟弹丸直径一样,没有形成延性扩孔;垂直侵彻时在钢靶上形成的扩孔直径比在铝靶上形成的扩孔直径大.     

高速气流作用下两级飞行器动态分离过程研究

为研究超声速气流对分离过程的影响,开展了两级飞行器高速气流下动态分离过程的数值模拟,建立了高速气流环境下含空气阻力内弹道模型;基于嵌套网格技术,分析了不同高速气流来流速度及攻角下前级的气动与运动特性,得到了前级典型气动参数、动态分离速度及静动态分离速度差异变化规律.结果表明:在本文研究范围内,静动态分离速度差异在不同高速气流来流速度和攻角条件下变化明显.随高速气流来流速度增大,前级分离结束时刻的阻力系数、升力系数和动态分离速度减小,速度差异因子增大;随攻角增大,阻力系数、升力系数和分离速度增大,速度差异因子减小.      

高速碰撞下二次破片光滑粒子流体力学法数值模拟

采用AUTODYN-2D无网格光滑粒子流体力学方法(SPH)数值技术,对遭遇速度为1.5～2.5 km/s下圆柱钨弹丸垂直碰撞装甲靶板产生的二次破片云分布特征进行了数值模拟,获得了不同碰撞速度下靶板穿孔直径及破片云前端运动速度、侧向膨胀速度和最大飞散角等分布特征.在此基础上,建立了二次破片云质量及空间分布预测模型.结果表明,数值模拟和模型预测均与实验结果相吻合.