爆炸载荷作用下锥形飞片的平面度研究

 尽管分离式Hopkinson压杆（SHPB）和轻气炮作为较为常用的两种动加载手段已经被广泛应用到多种材料的动态力学特性研究之中,但由于其自身加载试件尺寸较小,难以满足真实的混凝土和钢筋混凝土的实验研究需要。为解决该问题,提出了一套大尺寸简易爆炸加载装置,将飞片设计为锥形,利用炸药直接驱动飞片,实现大尺寸加载。先用数值模拟完成对爆轰加载装置的初步设计和优化,通过模拟炸药驱动飞片的动力过程,给出飞片和药柱的优化尺寸;然后利用自制的同轴探针、脉冲形成网络和两台示波器进行靶场实验测定,研究飞片平面度,提出改进方案,最终为大尺寸混凝土和钢筋混凝土试件的动态加载实验做准备。     

梯度飞片材料的波阻抗分布设计与优化

建立起了梯度飞片击靶的理论模型，对具有不同波阻抗分布特征的W-Mo-Ti体系梯度飞片的 击靶过程进行了数值模拟计算.结果表明，梯度飞片对靶产生的压缩是逐步进行的，靶板的 自由面速度也是逐渐提高的，准等熵压缩过程的加载速率远低于传统冲击压缩.为获得较好 的准等熵压缩效果，梯度飞片的波阻抗分布应遵循随厚度变化的二次至三次幂函数关系，并 且靶板厚度必须与梯度飞片的击靶速度等相匹配. 关键词： 梯度飞片材料 波阻抗分布 准等熵压缩     

冲击载荷下非晶态碳材料的动态响应模型研究

 在一维应变冲击加载条件下，采用两个石英压力传感器进行了双值应力历史测量，对非晶态碳材料的动态响应特性进行了分析研究。研究结果表明，非晶态碳材料的冲击响应是简单稳定的，在试验冲击应力范围内为非线性弹性响应，Hugoniot曲线呈上凸的，表明材料内部传播的不是一个冲击波而是一簇压缩波，因此可采用特征线方法来解该冲击波问题，并用Riemann积分法对冲击应力过程进行修正，得到材料更精确的Hugoniot方程。还采用COPS程序对该材料的冲击响应过程进行了数值模拟，数值模拟曲线与试验曲线是很吻合的。表明采用Riemann积分法处理是合理的，此方法可以在VISAR测量中得到应用。     

磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射实验技术

磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射技术是近十年来国外核武器实验室发展起来的冲击动力学方面的一种新型实验方法和技术。它可以达到压力平滑加载范围跨越最大，可以实现GPa到TPa量级的加载，一次实验可提供一条从低压到高压完整的等熵参考线，己实现宏观金属飞片高达34km／s的速度，同时可以在一发实验中实现多个样品或飞片的同时加载。更重要的是以往各种加载手段实现的是冲击压缩，而磁驱动实现的是准等熵压缩。     

梯度飞片材料的波阳抗分布设计与优化

波阻抗梯度飞片是一种新型的功能梯度材料，其特性波阻抗值在飞片厚度方向上按一定规律呈梯度变化。研究表明，合理的波阻抗分布设计是梯度飞片具有良好准等熵压缩特性的前提与保证。采用中国工程物理研究院提供的计算程序，对选定的、W-Mo-Ti体系波梯度飞片材料的准等熵压缩特性进行数值模拟。     

冲击加载-准等熵加载过程的密度梯度飞片计算设计

 采用一维弹塑性流体动力学计算方法,通过对LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）Mg-Cu体系密度梯度飞片冲击加载-准等熵加载实验过程数值计算和比较,验证了流体动力学计算方法、不同材料体系混合模型以及计算程序的正确性和实用性。考虑到在飞片材料制备中,单层厚度最小值为0.2 mm和Mg-W最大阻抗混合质量分数的致密条件限制,开展了对新的Mg-W体系密度梯度飞片实现冲击加载-准等熵加载过程计算设计,给出了满足加载要求的飞片结构特征;从计算给出的粒子速度波剖面可见,密度梯度飞片波阻抗分布对加载过程和加载强度非常敏感,通过精心设计准连续型变阻抗的梯度飞片,可以进行不同复杂加/卸载过程的物理模型设计和实验研究。     

微喷加载装置中爆轰波阵面的测量

 根据金属材料微喷射激光全息诊断技术的要求,提出了一种测量微喷加载装置中爆轰波波前形状的实验方法,利用快响应光纤探针阵列来测量传爆药柱加载飞片的冲击波波前形状,并根据所得的实验数据用计算机模拟出爆轰波波前的形状,给出冲击波到达飞片上表面的时间分散性曲线。     

万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究

针对极端高压条件物质特性研究需求，在我国万焦耳激光装置上利用其高能量、高功率、任意整形长脉冲输出的技术优势先后开展了冲击压缩、准等熵压缩以及“预冲击准等熵压缩”复合热力学路径压缩等多种热力学路径的高压加载技术研究，建立了实用的高压加载设计方法，重点优化了高压加载源的平面性和干净性，发展了高压状态精密表征技术，实现了1011 Pa以上准等熵，1012 Pa以上冲击以及两种路径之间的宽区高压加载状态能力，为激光装置上的高压状态方程及相变动力学研究提供了重要的技术基础。     

电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50GPa),成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5GPa。     

诊断LiF单晶弹性变形的瞬态X射线衍射

利用瞬态X射线衍射技术对LiF单晶沿晶向[100]方向冲击加载的晶格变形进行了诊断研究。实验在神光Ⅱ装置的球形靶上进行,北四路激光驱动Cu靶获得的类He线作为X射线背光源,第九路为加载光源,对大小为7mm×7mm、厚300μm的受激光加载的LiF单晶衍射,实验获得了LiF单晶晶面(200)压缩和未压缩状态的衍射信号。实验结果表明:LiF单晶在激光沿[100]方向冲击加载下,晶格发生了弹性变形,(200)晶面间距变小,衍射线上移,晶格压缩量为11%;该瞬态X射线衍射技术可用于冲击加载下的微观动态响应特性测量。     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏

与韧性金属材料相比，脆性材料在冲击压缩下表现出许多异常的力学响应特性，尤其是损伤破坏特性，经常在应变不到1％时就发生破坏。因此对脆性固体的动态压缩特性研究不仅是一个工程问题，也是一个非常有意义的科学问题。     

金属材料再加载“准弹性”响应的实验验证

 用波反射法设计了一维应变冲击实验，由时间分辨VISAR系统（Velocity Interferometer System for Any Reflection）测量了镁铝合金的冲击-再加载速度波剖面。结果显示，在排除窗口反射稀疏波的情况下，从24 GPa冲击态开始的再加载存在明显的“准弹性”响应，证实了Asay等报道的二次压缩“准弹性”响应是材料本征特性。并对金属材料高压本构参量实验测量的关键技术进行了探讨。     

聚苯乙烯泡沫材料的动态压缩特性

通过万能材料试验机和落锤式冲击试验装置,对发泡聚苯乙烯泡沫材料进行准静态和动态压缩试验,探讨密度和加载速率对材料动态压缩特性的影响。基于落锤试验数据,考虑密度相关性,通过修正得到恒定应变率下材料动态本构关系的经验公式。基于LS-DYNA中的MAT57和MAT163以及ABAQUS中的Low Density Foam和Crushable Foam 4种材料模型,建立了适用于有限元仿真的发泡聚苯乙烯泡沫本构模型。通过模拟落锤冲击过程,对比试验结果发现:MAT163和Crushable Foam模型能较好地预测材料动态响应和能量吸收性能,验证了动态本构模型的可靠性,并且这两种特定的材料模型在模拟发泡聚苯乙烯泡沫冲击碰撞时具有良好的适用性。     

激光等离子体射流驱动亚毫米直径铝飞片及姿态诊断

强激光烧蚀低密度有机材料形成等离子体射流碰撞,可以对材料进行准等熵加载,比激光冲击加载应变率低,相同压强下可以获得更高的压缩度和更低的温升,在状态方程、飞片加速等方面有很强的应用前景.在星光Ⅲ置上首次开展了等离子体射流驱动小尺寸铝飞片及姿态诊断联合实验.通过调控有机材料厚度和真空间隙长度,获得了厚度20μm、直径约400μm的铝飞片,飞片加速时间长达200 ns.基于ps拍瓦激光的高能X光背光照相结果显示铝飞片在飞行约400μm距离后仍然保持了很好的飞行姿态和完整性.     

材料预加热冲击压缩实验技术及高温下不锈钢的动态响应

 建立了用于轻气炮上冲击压缩实验的材料预加热系统及相关实验技术。介绍这一系统的原理、构造及操作。利用这一系统，在加载幅度8 GPa的恒定载荷下，得到了初始温度300～980 K范围内HR-2抗氢不锈钢的动态响应特性，包括层裂强度、Hugoniot弹性极限、卸载声速及它们随温度的变化规律。     

氮化硅陶瓷层裂强度的研究

 用一级轻气炮冲击加载装置，对氮化硅陶瓷进行了冲击性能实验研究。发展了一种新的方法用于研究层裂特性，即通过在样品中埋设电磁粒子速度计来记录氮化硅陶瓷内部的层裂特性。该方法不同于常用的VISAR激光干涉法和锰铜计法，记录的是样品内部粒子速度的变化特征，位于层裂面后方的粒子速度计能清晰地表征材料的层裂特性。通过实验，得到了密度为3.12 g/cm³的氮化硅陶瓷的层裂强度为0.73 GPa，和Nahme等得到的强度较为接近，对称碰撞得到的裂片厚度与该次实验的飞片厚度相当。实验表明，电磁粒子速度计的方法可以用于研究非磁屏蔽材料的层裂特性。由于采用多个计进行记录，还得到了材料在弹性区内（1.8~3.6 GPa）的Hugoniot冲击绝热线。     

无氧铜的准等熵压缩性

 利用递变冲击阻抗材料叠合而成的组合飞片，在二级轻气炮上对无氧铜进行了准等熵压缩性测量，加载时间约达1 μs。用激光速度干涉仪连续记录了不同厚度处无氧铜样品自由面速度随时间的变化过程，并通过拉格朗日波分析技术计算得到40 GPa下的准等熵的应力-应变曲线。结果表明：在低应力区，无氧铜的准等熵压缩线位于冲击绝热线之上；到32 GPa以上，准等熵压缩线才回落到冲击绝热线之下。这个现象与Barker、Chhabildas等对铝与钨的实测现象是一致的，它表明：在低应力区，材料的冲击强化效应与加载速率密切相关。     

激光驱动带窗口宏观飞片特性实验研究

 利用激光驱动带窗口宏观高速飞片技术可以实现对材料的一维加载,特别适合开展材料的高压状态方程及高应变率下材料的动态力学特性研究。利用小型脉冲YAG激光器进行了驱动飞片技术研究。开展了飞片结构对飞片力学参数影响的实验,结果表明：复合靶飞片的能量耦合效率比单膜结构飞片具有较大的提高,平均速度提高约15%~30%。同时,飞片的平面性和完整性也有明显的改善。实验中测量了飞片的启动弛豫时间,结果显示：飞片的启动弛豫时间为5~10 ns。利用多通道光纤阵列开展了飞片的平面性测量。实验结果表明,在约1.0 mm的范围内,飞片的时间分散性为20~30 ns。利用高灵敏度激光干涉技术,对飞片速度历史进行了测量,结果表明,飞片在前20 ns就加速到最终速度的90%以上。     

Ti-Cu-W体系Pillow飞片加载铋熔化再凝固过程计算分析

采用数值计算设计了Ti-Cu-W材料体系Pillow飞片,实现金属铋样品的冲击加载和准等熵加载,并通过实验研究铋的冲击熔化再凝固这一复杂的物理过程,实验获得的速度波剖面结果与数值模拟结果基本一致。还建立了金属铋的包含5个固相和1个液相的完全物态方程,计算相图的三相点以及高压区的Hugoniot线与实验数据吻合较好,计算还获得了冲击加载再凝固实验中的温度信息和相变信息。通过计算分析和对实验数据的解读,认为Ti-Cu-W材料体系Pillow飞片加载可以用于铋的冲击熔化再凝固复杂物理过程研究,为实验探索研究建立了适用的研究方法和有效的技术手段。     

利用多层阻抗梯度飞片产生准等熵压缩的理论解析

基于冲击波理论对多层阻抗梯度飞片击靶过程波系的相互作用做了理论分析，计算表明在多层阻抗梯度飞片的撞击下，样品的压缩线是一组通过不同初始状态点的冲击压缩线的连线, 它位于冲击压缩(hugoniot)线与等熵压缩线之间. 所以通过飞片层数的设计,可获得介于冲击压缩线与等熵线之间的任意状态点,这就为以后偏冲击压缩(off-hugoniot)状态方程的实验研究提供了理论参考. 实验测量的样品/窗口界面速度与理论计算的一致性支持上述结论的可靠性与准确性. 关键词： 准等熵压缩 多层阻抗梯度飞片 理论解析