气炮发射获得超高速碰撞器的数值模拟研究进展

航天器结构防护的实验研究需要将克量级的金属飞片加速到10 km/s左右的超高速状态,目前中国工程物理研究院流体物理研究所在二级轻气炮装置上对这一关键技术取得了突破性进展,成功将克量级的LY12铝飞片驱动加速到11.0 km/s,将克量级的高密度Ta和Pt飞片分别驱动加速到约10.0 km/s和9.0 km/s.本文简要回顾了我们近年来的实验研究结果,并利用研制的高精度MFPPM计算程序对气炮加载驱动超高速飞片过程进行数值模拟,给出的飞片自由面速度与实验测量结果基本一致.考虑到超高速碰撞效应涉及物质熔化、汽化和等离子状态等宽区物态方程问题,进一步发展了具有自主知识产权的LSFC欧拉型计算程序,在气炮加载驱动超高速飞片问题中对其进行了验证,其计算结果与MFPPM的计算结果基本吻合,拟进一步发展后将其应用于超高速空间碎片及其防护的数值模拟研究.     

冲击起爆单元中飞片参数的数值模拟

为了研究飞片参数对飞片冲击起爆的影响规律,采用Lee-Tarver点火增长模型对不同材料飞片的厚度、直径冲击起爆HNS-Ⅳ炸药进行数值模拟研究,分析不同飞片参数对起爆阈值的影响.结果表明,对于直径为Φ1.57 mm×25 μm的飞片,聚酰亚胺的冲击起爆动能低于玻璃和陶瓷材料,是目前冲击起爆装置低能化设计较为理想的材料.飞片参数研究表明,在25~145 μm厚度范围内,冲击起爆炸药的飞片阈值速度随着飞片厚度的不断增大而降低,当飞片的厚度大于145 μm,飞片冲击起爆HNS-Ⅳ炸药的阈值速度无明显变化.当飞片直径为1.02~1.57 mm,飞片阈值速度随着飞片直径的增加逐渐降低,当飞片直径超过1.57 mm时,飞片冲击起爆HNS-Ⅳ炸药的阈值速度趋于一个定值.     

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.     

不锈钢陶瓷复合管材剪切过程数值模拟

快堆乏燃料组件进入快堆乏燃料后处理工艺流程的第一步便是剪切解体,因辐射的制约,通常使用不锈钢模拟元件包管和陶瓷模拟燃料芯棒进行实验。将不锈钢模拟元件包管和陶瓷模拟燃料芯棒并组成复合管材模型模拟单根快堆乏燃料组件,根据非线性有限元分析软件Abaqus中Johnson-Cook本构模型与Johnson-Holmquist ceramic(JH-2)本构模型构建不锈钢陶瓷复合管材的材料模型,模拟其剪切断裂过程,并研究不锈钢陶瓷复合管材在剪切过程中断裂损伤失效过程中受力变形情况,以及刀具进给速度、剪切间隙对剪切力的影响。结果表明最大剪切力随进给速度增大而增大,随剪切间隙增大呈现先增大后减小的趋势,能为组件剪切方案和剪切机设计提供参考。     

双脉冲激光驱动飞片实验与理论计算

飞片速度是衡量激光驱动飞片起爆能力的重要指标,如何在有限的激光能量密度下提高飞片速度是需要研究的关键问题之一.本文进行了双脉冲激光驱动飞片实验,采用将激光分束再汇聚的方法,实现双脉冲激光驱动飞片过程;采用激光纹影高速照相法,观测了不同时刻下飞片的形态和位置,给出了飞片运动速度.推导了双脉冲激光驱动飞片速度的理论计算公式,计算了不同激光能量和脉冲间隔下飞片的速度.研究发现,在相同激光能量下,采用适当时间间隔的双脉冲激光,可以提高飞片对激光的能量吸收率,从而提高飞片速度.     

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.     

阵列桥箔电爆炸过程数值模拟

为提高金属桥箔电爆炸的能量利用效率,增加桥箔电爆炸等离子体作用范围,设计了金属阵列桥箔结构,采用有限元流体动力学方法对金属阵列桥箔电爆炸过程进行了数值模拟.利用相变分数和考虑电离度、粒子数目变化及粒子间库仑作用的等离子体状态方程,实现了金属导体在脉冲大电流作用下电爆炸产生等离子体及冲击波的数值模拟计算.对比分析了阵列桥箔在有加速膛通道和无加速膛自由场两种情况下的电爆炸等离子体流场特征及演化规律.计算结果表明,两种情况下等离子体束在叠加汇聚区压力较高,在无加速膛自由场中电爆炸初始冲击波速度和等离子体射流传播速度都较高;在有加速膛情况下,由于气体粘性作用,管壁附近存在一个高压低速边界层,加速膛通道内冲击结构较为复杂.     

奥克托今（HMX）基塑料粘结炸药（PBX）驱动不同金属圆筒试验及数值模拟

为研究某HMX基PBX炸药对不同材料金属壳体的驱动加速能力,参照25mm标准圆筒试验,研究了该炸药对无氧铜Cu、钛合金TC4和高强度钢G50三种壳体材料的做功能力,获得了圆筒壁的膨胀过程及最大膨胀速度,并与理论计算值和数值模拟结果进行了对比。研究表明：该炸药爆轰驱动不同壳体材料的膨胀破裂时间和破裂半径存在差异,且对低密度钛合金壳体材料的驱动能力最强;圆筒试验件破片初速理论计算值、数值模拟结果与试验值吻合较好,相对误差均在10%以内;相比标准圆筒试验只考虑炸药对单一金属铜管的驱动加速能力,研究结果可为该炸药与武器弹药壳体材料的匹配设计提供参考。     

利用LS-OPT软件自动标定DNAN/RDX熔注炸药JWL状态方程参数

爆轰产物状态方程是预估炸药做功能力的重要手段. 为拟合JWL状态方程参数,使用铜和钨两种阻抗相差较大的金属飞片进行炸药驱动飞片实验,得到两组飞片自由面中心点速度-时间曲线. 使用试错法及LS-OPT软件自动标定两种方法标定了钨飞片工况下的DNAN基熔注炸药（DNAN/RDX 40/60）JWL状态方程参数,试错法得到结果的计算曲线与实验曲线对比误差为16.86%,自动标定的误差为3.04%. 再使用自动标定得到的参数对炸药驱动铜飞片的过程进行数值模拟,与铜飞片的实验曲线进行对比,误差为4.60%. 研究表明,LS-OPT软件自动标定的方法可用于标定DNAN基熔注炸药JWL状态方程参数,与传统拟合方法相比,可避免进行大量的人工计算,得到的结果更为准确.      

AerMet100钢动态剪切性能数值仿真研究

根据AerMet100钢动态剪切试验结果,基于ABAQUS/Explicit动力学分析软件对AerMet100帽形试件的绝热剪切敏感性、临界速度以及绝热剪切带的宽度进行了数值模拟分析,模拟结果与实验吻合较好. 在此基础上,研究了AerMet100钢绝热剪切敏感性与加载速度的关系,分析了AerMet100钢试件在动态加载过程中的应力场分布、绝热剪切带的演化过程以及温度场分布. 研究结果表明,剪切区域特征单元的承载能力随加载速度的提高而降低,剪切带形成的临界速度在32 m/s左右,剪切高温区集中在微米量级的带状区域.      

Interface bond mechanisms of ceramic-cemented carbide compact insert

Conclusion Ceramic-cemented carbide compact inserts have been developed by hot-pressing sintering techniques, the upper part of the compact insert is of Al₂O₃ + TiB₂ ceramic material, while the base part of the compact insert is of WC + Co cemented carbide. The compact insert makes full use of the advantages of the high hardness of ceramic materials and the high strength of cemented carbide, and its mechanical properties are just between that of Al₂O₃ + TiB₂ and WC + Co. SEM, XRD and electron microprobe analysis showed that element diffusion and formation of new phases are the main causes for the bond of Al₂O₃ + TiB₂ with WC + Co in the interface.     

冲击载荷下氧化铝陶瓷的动态响应实验研究

为研究冲击载荷氧化铝陶瓷的动态响应特性,采用DISAR测试系统,测得了氧化铝陶瓷试件的自由面粒子速度时程曲线. 实验结果表明,在不同的实验条件下,粒子速度时程曲线的上升前沿出现了不同程度的趋缓现象,这说明陶瓷材料在冲击载荷作用下表现出了 "类塑性"的特征. 同时,实验中陶瓷材料的Hugoniot弹性极限存在着随试件厚度增加而衰减的变化规律,这在一定程度上反映了陶瓷材料的动态响应特性.      

A bulk metal/ceramic composite material with a cellular structure

Metal/ceramic composite materials can be divided into two groups: one is ceramic reinforced metal matrix composite, and the other is metal toughened ceramic matrix composite. The research on these materials mainly focuses on the mechanical properties due …     

用于45#钢丝拉拔加工的叠层陶瓷拉拔模具磨损分析

为研究45#钢丝拉拔加工过程中受力和Al₂O₃-TiC/Al₂O₃-TiC-CaF₂叠层陶瓷拉拔模具磨损情况,采用真空热压烧结方式制备Al₂O₃-TiC/Al₂O₃-TiC-CaF₂叠层陶瓷拉拔模具,并将其固定在万能拉伸试验机上进行钢丝拉拔实验。 采用三维造型软件SolidWorks建立钢丝坯料和拉拔模具的有限元模型,通过有限元模拟软件对钢丝拉拔成形过程进行仿真分析,得到45#钢丝在变形过程中的轴向应力、应变以及拉拔力的变化情况。 扫描电镜（SEM）及能量弥散X射线谱（EDS）观察拉拔模具磨损后的微观形貌。 结果表明:叠层陶瓷拉拔模具工作区的Al₂O₃-TiC-CaF₂材料层比Al₂O₃-TiC材料层磨损严重,Al₂O₃-TiC-CaF₂材料层的固体润滑膜被拖覆到Al₂O₃-TiC材料层,模具整体具有自润滑性能。 实际测量拉拔力与公式计算所得拉拔力相吻合,模拟所得拉拔力比实际测量拉拔力小。      

Al2O3-SiC纳米复合陶瓷的制备及其表征

以分析纯Al(NO₃)₃·9H₂O, (CH₂)₆N₄和粒径为30 nm的SiC粉末为原料, 采用溶胶-凝胶(sol-gel)方法制备干凝胶, 经煅烧合成Al₂O₃-SiC纳米陶瓷粉, 利用真空热压装置对粉末进行烧结. 通过X射线衍射(XRD)、 扫描电镜(SEM)和维氏硬度实验分析了不同SiC含量和不同烧结温度的Al₂O₃-SiC陶瓷样品的结构、 形貌、 晶粒尺寸和硬度, 并研究了其机理.     

典型反应破片冲击反应压力特性试验研究

为研究金属-氟聚物、铝热剂和金属间化合物等3种类型反应材料的冲击反应压力特性,选择Al-PTFE、Al-Fe₂O₃以及Al-Ni制成反应破片,基于弹道枪驱动发射,使破片冲击前置靶板,并在密闭箱体内发生剧烈化学反应,通过箱壁上不同位置处的压力传感器记录箱体内的动态压力散布特征. 试验结果显示,同体积反应破片以1 200 m/s冲击贯穿2 mm厚LY-12硬铝板,进入密闭试验箱内产生的反应压力峰值p_Al-Ni >p_Al-Fe2O3 >p_Al-PTFE;Al-Ni,Al-Fe₂O₃和Al-PTFE的能量释放率依次为74%、40%和10%,并且在试验中观察到了因反应材料二次燃烧反应消耗气体产生的负压峰值.     

Fabrication of an r-Al2Ti intermetallic matrix composite reinforced with α-Al2O3 ceramic by discontinuous mechanical milling for thermite reaction

In this study, a powder mixture with an Al/TiO2 molar ratio of 10/3 was used to form an r-Al2Ti intermetallic matrix composite (IMC) reinforced withα-Al2O3 ceramic by a novel milling technique, called ...     

Growth characteristics of directionally solidified Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript>/YAG/ZrO<Subscript>2</Subscript> ternary hypereutectic <Emphasis Type="Italic">in situ</Emphasis> composites under ultra-high temperature gradient

Oxide eutectic ceramic in situ composites have attracted significant interest in the application of high-temperature structural materials because of their excellent high-temperature strength, oxidation and creep resistance, as well as outstanding microstructural stability. The directionally solidified ternary Al₂O₃/YAG/ZrO₂ hypereutectic in situ composite was successfully prepared by a laser zone remelting method, aiming to investigate the growth characteristic under ultra-high temperature gradient. The microstructures and phase composition of the as-solidified hypereutectic were characterized by using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction (XRD). The results show that the composite presents a typical hypereutectic lamellar microstructure consisting of fine Al₂O₃ and YAG phases, and the enriched ZrO₂ phases with smaller sizes are randomly distributed at the Al₂O₃/YAG interface and in Al₂O₃ phases. Laser power and scanning rate strongly affect the sample quality and microstructure characteristic. Additionally, coarse colony microstructures were also observed, and their formation and the effect of temperature gradient on the microstructure were discussed.     

Character and fabrication of Al/Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript>/Al tunnel junctions for qubit application

The superconductive Josephson junction is the key device for superconducting quantum computation. We have fabricated Al/Al2O3/Al tunnel junctions using a double angle evaporation method based on a suspended shadow mask. The Al2O3 junction barrier has been formed by introducing pure oxygen into the chamber during the fabrication process. We have adjusted exposure conditions by changing either the oxygen pressure or the oxidizing time during the formation of tunnel barriers to control the critical current density Jc and the junction specific resistance Rc. Measurements of the leakage in Al/Al2O3/Al tunnel junctions show that the devices are suitable for qubit applications.     

Microstructure and properties of mullite-based porous ceramics produced from coal fly ash with added Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript>

Using coal fly ash slurry samples supplemented with different amounts of Al₂O₃, we fabricated mullite-based porous ceramics via a dipping-polymer-replica approach, which is a popular method suitable for industrial application. The microstructure, phase composition, and compressive strength of the sintered samples were investigated. Mullite was identified in all of the prepared materials by X-ray diffraction analysis. The microstructure and compressive strength were strongly influenced by the content of Al₂O₃. As the Al/Si mole ratio in the starting materials was increased from 0.84 to 2.40, the amount of amorphous phases in the sintered microstructure decreased and the compressive strength of the sintered samples increased. A further increase in the Al₂O₃ content resulted in a decrease in the compressive strength of the sintered samples. The mullite-based porous ceramic with an Al/Si molar ratio of 2.40 exhibited the highest compressive strength and the greatest shrinkage among the investigated samples prepared using coal fly ash as the main starting material.