碎片云的毁伤潜力

提出了超高速碰撞研究的工程算法模型,并采用该模型来模拟弹丸超高速撞击薄板形成的碎片云对后靶的破坏毁伤情况,与超高速碰撞实验相比较,数值模拟结果与实验结果较为一致。采用的工程算法模型很好地描述了超高速碰撞现象,定性地给出了碎片云的毁伤潜力。     

超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.      

INVESTIGATION OF PLASMA DAMAGE PROPERTIES GENERATED BY HYPERVELOCITY IMPACT

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.     

光滑粒子模拟方法在超高速碰撞现象中的应用

简要介绍了基于黎曼解的光滑粒子法,并将改进的SPH方法应用于超高速碰撞,对二维轴对称条件下的弹丸超高速碰撞薄板问题进行了数值模拟,研究了靶板厚度、弹丸速度、弹丸形状等因素对形成碎片云的影响。通过与实验数据比较,该算法模拟的碎片云的形状及特征与实验相吻合,验证了光滑粒子法对冲击动力学问题数值模拟的有效性。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

93W杆式弹超高速撞击多层Q345钢靶毁伤及微观分析

为了解杆式弹超高速撞击多层薄钢靶的破坏过程及毁伤机理,开展了克级93W杆式弹正撞击多层Q345钢靶实验及数值模拟研究,通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）及金相显微镜,分析了超高速撞击实验后靶板材料的微观组织及成分。结果表明,超高速撞击作用下,靶板呈现出“翻唇”穿孔变形、花瓣状塑性变形、撕裂、撞击成坑及鼓包等破坏模式。靶板前3层毁伤以超高速穿孔为主,孔洞数目多但面积小,后几层靶板毁伤孔洞数目少且孔径呈先增大后减小趋势。微观分析表明靶材在强冲击压力下发生晶粒碎化、熔化及再结晶,撞击过程中会形成微孔聚集与微裂纹,可见靶板失效主要是熔融混合物冷却过程中产生的热应力与切应力下的剪切撕裂综合作用的结果。     

超高速撞击下碎片云的OTM分析

空间碎片超高速撞击是典型的高温、高压、高应变率的极限力学问题，涉及材料复杂的动态响应，对传统的数值方法提出了巨大挑战。最优运输无网格（OTM）方法通过有机结合最优运输时间积分理论、局部最大熵无网格近似、物质点抽样、基于物理的裂纹扩展算法以及大规模并行计算策略，克服了传统数值方法瓶颈，在理论上保证了不同形式能量耗散的自主耦合分配，为超高速撞击仿真预测提供了高效的解决方案。采用基于OTM方法自主研发的极限力学仿真软件ESCAAS，对不同质量（3、10 g）的铜飞片以不同撞击角度（5.4°、11.7°）和不同撞击速度（5.55、5.12 km/s）撞击铝合金靶板的过程进行数值模拟，获得碎片云的形貌、靶板穿孔孔径等结果，与实验测量数据吻合良好，显示出OTM方法及ESCAAS软件可以作为超高速撞击的有力数值分析手段。     

超高速冲击铝双层板的熔化效应

对超高速冲击铝双层板的熔化效应进行了实验研究和数值模拟，用扫描电镜观察后板的弹坑发现：当弹丸碰撞速度超过５ｋｍ／ｓ时，后板出现熔坑；随着弹丸碰撞速度的增加，后板熔坑数目亦随之增加，碎片云对后板的破坏明显减弱。数值模拟表明，击波加热和塑性功加热是熔化的两种机制，有关熔化主要特征的数值模拟结果与实验结果基本吻合。     

后墙拆分结构防护性能的实验和计算对比研究

为验证利用后墙拆分方式提升防护结构性能的可行性,通过开展数值模拟（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度5.0～8.3 km/s）和超高速撞击实验（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度约8.3 km/s）,研究了3种防护结构的性能差异以及不同撞击速度对结构防护性能的影响。防护结构主要包括Whipple结构和两种后墙拆分结构。针对直径6.0 mm铝弹丸分别以5.0、6.0、7.0、8.3 km/s的速度撞击防护结构的工况,借助Autodyn软件开展了数值模拟,并将模拟结果与在弹道靶设备上获得的超高速撞击实验结果进行了对比。模拟结果与实验结果均表明,在相同撞击状态下两种后墙拆分结构的防护性能有所差异,但均优于相同面密度的Whipple结构,且随着撞击速度的提高,这种优势具有增大的趋势。     

冲击扰动下泥页岩块剪切蠕变损伤特性研究

矿体爆破是大多数露天矿山开采作业中的必要环节,然而持续爆破作业产生的冲击扰动作用会降低露天边坡的长期稳定性,甚至促使滑坡灾害的发生。为研究冲击扰动效应对边坡岩体蠕变特性的影响,以露天石灰石矿山二叠系软弱夹层中的炭质泥页岩为研究对象,利用自主研发的岩石冲击-剪切蠕变试验系统开展了不同冲击能量扰动下的剪切蠕变试验。试验结果表明：（1）冲击扰动对软岩剪切蠕变破坏具有明显的促进作用,随着冲击扰动能量的增加,软岩进入加速蠕变历时缩短,蠕变破坏总时长与剪切蠕变破坏强度亦随之降低。（2）冲击能量可改变泥页岩剪切破坏面的发育特征,冲击扰动能量越大,剪切面裂隙发育越充分且岩样结构形态越破碎。（3）岩样总体变形量与冲击能量呈正相关关系,随着冲击能量的增加,其造成的总变形中塑性永久变形占比越大而弹性变形占比约小,当冲击能量为7.09J时两次冲击后的塑形永久变形占比均不小于73.1%。根据试验结果,引入基于冲击能量的损伤因子D,建立了考虑冲击扰动效应的软岩剪切蠕变损伤模型。采用BFGS算法和1stOpt通用全局优化数学软件进行了模型参数辨识,采用损伤模型对试验结果进行拟合后发现,所建立模型能够较好地描述冲击扰动下泥页岩剪切蠕变变形的全过程,可为爆破扰动效应下的矿山边坡长期稳定性研究提供一定的理论基础。     

基于红外热成像的编织复合材料低速冲击和冲击后压缩试验研究

针对二维三轴编织复合材料（two-dimensional triaxially braided composite, 2DTBC）在低速冲击和冲击后压缩（compression after impact, CAI）载荷下的损伤失效机理,开展了2DTBC试样的不同能量低速冲击试验以及相应的CAI试验,并采用红外热像仪监测在低速冲击和CAI试验过程中的温升现象。通过C扫描表征了不同能量低速冲击后试样的分层损伤情况,讨论了试样背面温度场分布特性及其随冲击能量的演化规律;对比分析了2DTBC冲击后剩余压缩强度与冲击能量的对应关系,基于数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术监测了CAI试验中的全局应变场,结合热成像、变形场和光学图像数据,阐明了不同能量冲击后2DTBC的压缩失效特性,讨论了基于红外热成像技术表征编织复合材料损伤失效行为的有效性。试验结果显示:编织复合材料低速冲击和CAI试验中的温度场分布图与编织几何构型有明显关联度;低速冲击试验的温升幅值随冲击能量的增加而快速上升,CAI试验的温升现象随着冲击能量的增加而减弱;分层面积随冲击能量的增大而增大,冲击后剩余压缩强度随冲击能量的增大而降低。研究结果表明:红外热成像技术能够很好地捕捉试样破坏瞬间释放断裂能所产生的温升现象,温度场图像相较于全局应变场能更好地捕捉破坏的起始位置和失效特征。     

基于凹坑深度的复合材料低速冲击损伤分析

对复合材料层合板进行了低速冲击实验,建立了冲击凹坑深度与冲击能量的关系。依据凹坑深度反推冲击能量,并用能量确定冲锤质量和冲击速度,从而可对层合板进行动态数值模拟。冲击凹坑深度与冲击能量的关系表明,凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的,在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析。采用ANSYS有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行模拟,采用瞬态分析方法来研究层合板的冲击与损伤过程。对冲击后的试验件进行了C扫描损失检测。计算和试验结果表明,此方法是可行的,特别适合于层合板冲击后的损伤评估。     

基于小波分析的实船水下爆炸船体响应特征

为了研究水下爆炸条件下船体冲击振动响应时频特征,针对某实船非接触水下爆炸实验冲击响应测试实验数据,基于小波分析及能量统计方法对响应信号进行时频特性分析,得到了实船非接触水下爆炸冲击振动响应的时频分布和能量分布。分析结果表明,采用基于小波变换的时频分析方法,可以成功获得船体冲击响应信号不同频率段下的强度、能量和作用时间等时频细节信息,包括响应信号各频段冲击峰值、衰减过程、振动能量及其在全频率段上所占的分数。通过对小波频段能量统计以及冲击强度分析发现,冲击响应能量频段分布较广,主甲板及以下甲板全频段振动能量的80%以上在312.5 Hz以上,上层建筑甲板平台各频段冲击振动能量分数向低频段转移。     

基于连续-非连续单元法的三维脆性颗粒冲击破碎特性分析

通过在连续-非连续单元法(CDEM)中引入考虑应变率效应的断裂能本构以及能量统计算法,实现了球体冲击破碎过程中损伤破裂程度及能量演化的定量分析。计算结果表明,冲击破碎过程分为接触蓄能阶段、损伤破碎阶段和碎块飞散阶段。首先,颗粒的部分动能转化为单元弹性变形能,随后这部分变形能和动能迅速转化为摩擦消耗、阻尼消耗及弹簧断裂能,破碎基本完全后碎块继续飞散。不同冲击速度下,颗粒分别出现了反弹、开裂、破碎和粉碎的现象。随冲击速度的增加,D50的变化速率逐渐放缓,破碎块度逐渐趋于稳定;破裂度、损伤度以及平均损伤因子的变化速率先增加后放缓,颗粒破坏以拉伸破坏为主。以上结论可为脆性材料冲击破碎工艺的优化设计提供依据。     

基于量纲分析的泡沫铝板吸能研究

基于落锤冲击试验,以含有5个变量的泡沫铝板受冲击的能量吸收规律为研究对象,运用量纲分析法描述试验系统中各参数之间的内在联系。以落锤冲击试验为基础进行仿真试验设计,利用Abaqus软件进行仿真试验并求得相应的仿真数据,最后得到泡沫铝板受冲击后的吸能量与参数之间的方程式,检验结果显示方程式对能量吸收值具有较好的预测性。     

钢球斜侵彻碳纤维复合材料板的实验研究

为了研究碳纤维复合材料板（CFRPs）在斜侵彻下的抗弹性能,利用一级轻气炮对碳纤维复合材料板进行了70~280 m/s速度范围的0°、30°和45°的侵彻贯穿实验,通过高速摄影技术测量了弹体速度和弹道轨迹。分析了冲击角度对弹道极限、能量吸收和弹道偏转的影响。结果表明:在冲击能量较低时,靶板在正冲击下的能量吸收率比斜冲击高,而当冲击能量较高时则恰好相反;此外,由于弹体穿过层合板的穿透长度随着冲击角度的增加而增加,弹道极限随着冲击角度的增加而增加;而冲击角度对弹道偏转的影响则随着冲击速度的变化而变化。     

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法，利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型，并用有限元软件，对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响，发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比，其两端的应力值均较小，可同时保护冲击端、支撑端物体；径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小，能够保证物体受力稳定；几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫，能量吸收能力对密度梯度大小不敏感，对梯度方向敏感，径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫；平均相对密度越大，径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。     

等温淬火热处理工艺对Fe-0.5C-2.0Si-2.5Mn钢冲击磨损性能的影响

采用MLD10动载磨粒磨损试验机对成分为Fe-0.5C-2.0Si-2.5Mn的贝氏体/马氏体复相钢进行冲击磨损试验,通过观察磨损率,表层组织演变以及表面磨损形貌的变化过程,重点研究了等温淬火热处理工艺对Fe-0.5C-2.0Si-2.5Mn钢冲击磨损性能的影响,结果表明:经不同热处理后的贝氏体/马氏体复相钢的耐磨性较铸态有明显提高(1.4~2.3倍),随着下贝氏体含量的增加,耐磨性先降低再趋于平稳.当冲击功由1 J增至4 J时,材料磨损性能下降,表面磨损形貌表征塑形破坏加剧;当冲击功为5 J时,组织中出现大量形变马氏体,加工硬化明显,表面磨损形貌较低能冲击下的表面更为平整均匀,磨损性能增强,但出现强烈的脆性断裂倾向.     

Non-linear behaviour of foams under static and impact three point bending

The influence of impregnation on mechanical properties of polyurethane foams at room temperature has been experimentally evaluated in both static and impact loading conditions. The impregnation layer increases the flexural modulus and changes the foam behaviour at impact. For un-impregnated foam the energy absorbed to fracture is equal to the impact energy, while for the impregnated specimens the energy absorbed to fracture is approximately 80% of the impact energy, which indicated that the other part of the impact energy was consumed for internal damage. The same amount of energy was reached for both static and impact tests, but different shapes of energy versus displacement curves were obtained. For notched specimens under impact load, the effect of impregnation is cancelled and identical behaviour was obtained for un-impregnated and impregnated specimens.