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Hypervelocity impact induced shock acoustic emission waves for quantitative damage evaluation using in situ miniaturized piezoelectric sensor network

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Chinese Journal of Aeronautics 2019年第5期32卷 1059-1070页

作者： Menglong LIU Qiang WANG Qingming ZHANG renrong long Fangsen CUI Zhongqing SU Institute of High Performance Computing A*STAR (Agency for Science Technology and Research) School of Automation Nanjing University of Posts and Telecommunications State Key Laboratory of Explosion Science and Technology Beijing Institute of Technology Institute of High Performance Computing (A*STAR Agency for Science Technology and Research) Department of Mechanical Engineering The Hong Kong Polytechnic University

Manmade debris and natural meteoroids, travelling in the Low Earth Orbit at a speed of several kilometers per second, pose a severe safety concern to the spacecraft in service through the HyperVelocity Impact(HVI). To address this issue, an investigation of shock Acoustic Emission(AE) waves induced by HVI to a downscaled two-layer Whipple shielding structure is performed,to realize a quantitative damage evaluation. Firstly a hybrid numerical model integrating smoothparticle hydrodynamics and finite element is built to obtain the wave response. The projectiles, with various impact velocities and directions, are modelled to impact the shielding structure with different thicknesses. Then experimental validation is carried out with built-in miniaturized piezoelectric sensors to in situ sense the HVI-induced AE waves. A quantitative agreement is obtained between numerical and experimental results, demonstrating the correctness of the hybrid model and facilitating the explanation of obtained AE signals in experiment. Based on the understanding of HVI-induced wave components, assessment of the damage severity, i.e., whether the outer shielding layer is perforated or not, is performed using the energy ratio between the regions of ‘‘high frequency" and ‘‘low frequency" in the acquired AE signals. Lastly, the direct-arrival fundamentalsymmetric wave mode is isolated from each sensing signal to be input into an enhanced delay-andsum algorithm, which visualizes HVI spots accurately and instantaneously with different sensor network configuration. All these works demonstrate the potential of quantitative, in situ, and real time HVI monitoring using miniaturized piezoelectric sensor network.

关键词： Acoustic Emission(AE) Damage detection Hypervelocity impact Piezoelectric sensor Whipple shielding assembly

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Effects of projectile parameters on the momentum transfer and projectile melting during hypervelocity impact

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Defence Technology（防务技术） 2024年第2期32卷 89-103页

作者： Wenjin Liu Qingming Zhang renrong long Zizheng Gong Ren Jiankang Xin Hu Siyuan Ren Qiang Wu Guangming Song State Key Laboratory of Explosion Science and Technology Beijing Institute of TechnologyBeijing100081China Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering China Academy of Space TechnologyBeijing100094China

The effects of projectile/target impedance matching and projectile shape on energy,momentum transfer and projectile melting during collisions are investigated by numerical *** comparing the computation results with the experimental results,the correctness of the calculation and the statistical method of momentum transfer coefficient is *** shapes of aluminum,copper and heavy tungsten alloy projectiles striking aluminum,basalt,and pumice target for impacts up to 10 km/s are *** influence mechanism of the shape of the projectile and projectile/target density on the momentum transfer was *** an increase in projectile density and length-diameter ratio,the energy transfer time between the projectile and targets is *** projectile decelerates slowly,resulting in a larger cratering *** energy consumed by the projectile in the excavation stage increased,resulting in lower mass-velocity of ejecta and momentum transfer *** numerical simulation results demonstrated that for different projectile/target combinations,the higher the wave impedance of the projectile,the higher the initial phase transition velocity and the smaller the mass of phase *** results can provide theoretical guidance for kinetic impactor design and material selection.

关键词： Hypervelocity impact Energy partitioning Impact melting Momentum transfer

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Electromagnetic radiation of granite under dynamic compression

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International Journal of Mining Science and Technology 2024年第10期34卷 1427-1441页

作者： Juncheng Li Qingming Zhang Zhixiang Liu renrong long Xianzhe Zhong Wenjin Liu Mingze Wu Xin Hu Jinlong Xu Jiankang Ren Wei Wei Qiang Liu Keqin Zheng Haozhe Liang State Key Laboratory of Explosion Science and Technology Beijing Institute of TechnologyBeijing 100081China Taiyuan University of Technology Taiyuan 030024China

To elucidate the characteristics and mechanism of electromagnetic radiation in granite under impact loading,based on the quasi-static compression tests,this paper conducts dynamic compression experiments on granite using Hopkinson pressure bar and one-stage light-gas gun as loading *** with experimental and theoretical analyses,the relationship between mechanical and electromagnetic responses under impact loads of different intensities,and the time-domain signals of electromagnetic radiation generated by a single crack under different strain rates are *** intensity and frequency of electromagnetic radiation increase with the increasing compressive strain *** to the thermal activation theory,it reveals the microscopic mechanism of the transition from intergranular microcracks to transgranular microcracks in terms of strain *** also serves as the physical basis for the increase in electromagnetic radiation intensity amplitude and frequency with increasing compressive strain *** microcracks are the primary cause of electromagnetic radiation generated by fractures.

关键词： Impact load Granite Electromagnetic radiation Transgranular microcracks

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A numerical simulation method on injury of natural fragments to human thorax

A numerical simulation method on injury of natural fragments...

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中国力学大会（CCTAM2019）

作者： Yuanyuan Ju Lei Zhang Haiyan Liu renrong long Dike Ruan Naval Research Academy of PLA State Key Laboratory of Explosion Science and Technology Beijing Institute of Technology The Sixth Medical Center of Chinese PLA General Hospital

Objective: Fragment injury as a kind of blast injury is becoming more common in military campaigns and terrorist attacks. The numerical simulation method on the formation of natural fragments and its injury to the biological target are expected to be developed. Methods: A cylindrical warhead model was established and the formation process of natural fragments was simulated by using the approach of tied nodes with failure through the explicit finite element(FE) software of LS-DYNA. The interaction between detonation product and warhead shell was simulated by the Fluid-Structure Interaction(FSI) algorithm. A method of simulating the injury of natural fragments to biological target was presented by transforming Lagrange elements into Smooth Particle Hydrodynamics(SPH) particles after the natural fragments formed finally. The computational model of human thorax was established to simulate the injury induced by natural fragments by the node to surface contact algorithm with erosion. Results: The discontinuous velocities of warhead shell at different locations resulted in the formation of natural fragments with different sizes. The velocities of natural fragments increased rapidly at the initial stage while slowly after the warhead shell fractured. The initial velocities of natural fragments at the central part of the warhead shell were the largest, while those at both ends of the warhead shell were the smallest. The natural fragments resulted in bullet holes which were the same as the fragments in shape while larger a little than the fragments in size in human thorax after they penetrated through. The stress waves propagated in the ribs enhanced the injury to soft tissue, and the ballistic pressure waves ahead of natural fragments were also an injury factor to soft tissue. Conclusions: The present method on simulating the formation of natural fragments and its injury to biological target was effective. The method will be helpful for simulating the combined injury of natu

关键词： numerical simulation fragment injury natural fragments human thorax Fluid-Structure Interaction(FSI) Smooth Particle Hydrodynamics(SPH)

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超高速碰撞产生的电磁辐射

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爆炸与冲击 2021年第2期41卷 12-28页

作者：龚良飞张庆明龙仁荣张凯巨圆圆重庆交通大学土木工程学院重庆400074 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 国民核生化灾害防护国家重点实验室北京102205 海军研究院北京100161

超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应,在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象,总结了不同碰撞条件下,超高速碰撞产生微波和闪光的时... 详细信息

超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应,在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象,总结了不同碰撞条件下,超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性;从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面,分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型;归纳了超高速碰撞下的发光机理,并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型,指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。

关键词：超高速碰撞电磁辐射等离子体闪光微波

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深水爆炸下凸型加筋锥柱壳结构的破坏模式

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兵工学报 2021年第5期42卷 987-996页

作者：梁浩哲张庆明龙仁荣任思远北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

水深是深潜装备在水中爆炸时结构动态响应的重要影响因素,深水爆炸条件下深潜装备结构的动态响应是深潜装备防护设计的重要基础。以典型深潜装备的防护需求为背景,研究加筋锥柱凸结构在深水爆炸载荷下的破坏模式。进行500 m水深范围内... 详细信息

水深是深潜装备在水中爆炸时结构动态响应的重要影响因素,深水爆炸条件下深潜装备结构的动态响应是深潜装备防护设计的重要基础。以典型深潜装备的防护需求为背景,研究加筋锥柱凸结构在深水爆炸载荷下的破坏模式。进行500 m水深范围内加筋锥柱凸结构的爆炸实验,并利用ABAQUS数值仿真方法得到了多种工况下结构的动态响应过程。根据结构变形量和破坏程度,获得了加筋锥柱凸结构包含肋间壳板凹陷变形、壳板与肋骨协同变形和压溃撕裂破坏的3种破坏模式,揭示了不同破坏模式之间的演变与转化机理。结果表明:随着水深、冲击因子的增加,加筋锥柱凸结构的变形破坏结果更加严重,破坏模式的演变与转化过程更加复杂。

关键词：加筋锥柱凸结构深水爆炸破坏模式深潜装备

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超高速碎片云撞击下薄板变形与撕裂建模研究

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高压物理学报 2022年第2期36卷 74-82页

作者：刘泽荣龙仁荣张庆明陈利北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为研究多层板结构中薄板在碎片云作用下的变形与破坏问题,开展了超高速撞击多层板实验。实验结果表明,薄板在高速碎片云冲击下的典型破坏特征为中央穿孔及环孔凹陷变形与花瓣型撕裂。在此基础上,考虑弯矩和膜力作用,建立了描述薄板在轴... 详细信息

为研究多层板结构中薄板在碎片云作用下的变形与破坏问题,开展了超高速撞击多层板实验。实验结果表明,薄板在高速碎片云冲击下的典型破坏特征为中央穿孔及环孔凹陷变形与花瓣型撕裂。在此基础上,考虑弯矩和膜力作用,建立了描述薄板在轴对称分布强冲击载荷作用下大变形的理想刚塑性环板模型,据此可以计算环板变形过程的横向与径向速度场,结合Grady破碎理论,可以计算花瓣型撕裂的花瓣数,理论计算值与实验比较吻合。研究结果可以为多层板结构在超高速弹丸撞击下的毁伤评估提供理论基础。

关键词：超高速撞击碎片云环板动态变形花瓣型撕裂

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凸型加筋锥柱结合壳深水爆炸失稳特性研究

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北京理工大学学报 2023年第3期43卷 240-251页

作者：龙仁荣廖晨张庆明汪海洋刘博文北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为研究凸型加筋锥柱结合壳结构在深水爆炸载荷作用下的动力学响应以及在此过程中伴随的失稳特性,采用ABAQUS有限元软件中的声固耦合算法开展了300~500 m水深条件下深水爆炸数值模拟研究,基于结构挠度变化的失稳判据,分析总结了加筋锥柱... 详细信息

为研究凸型加筋锥柱结合壳结构在深水爆炸载荷作用下的动力学响应以及在此过程中伴随的失稳特性,采用ABAQUS有限元软件中的声固耦合算法开展了300~500 m水深条件下深水爆炸数值模拟研究,基于结构挠度变化的失稳判据,分析总结了加筋锥柱结合壳的失稳模式,获得了加筋锥柱结合壳临界失稳载荷和临界失稳挠度随水深和壳体结构参数的变化规律.结果表明,水深条件、壳体半径、壳体厚度以及结构锥角对结构稳定性有较大影响,而腹板厚度对结构的稳定性影响不大.在此基础上,运用量纲分析的方法结合模拟得到的临界失稳数据建立了结构在常见失稳模式下结构临界失稳判据的计算公式.

关键词：加筋锥柱结合壳深水爆炸失稳特性

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双层复合材料爆炸圆筒内爆载荷作用变形特征数值模拟

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兵工学报 2020年第S02期41卷 189-199页

作者：王尧鑫龙仁荣张庆明董奇郭香华北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621000

为研究内爆载荷作用下双层复合材料爆炸圆筒的变形与内外层相互作用的规律,将多层缠绕纤维复合材料等效成一层材料,并将内爆载荷通过载荷曲线的形式施加,提出一个简化的数值计算模型。在模型校核的基础上,利用LS-DYNA软件对同一双层圆... 详细信息

为研究内爆载荷作用下双层复合材料爆炸圆筒的变形与内外层相互作用的规律,将多层缠绕纤维复合材料等效成一层材料,并将内爆载荷通过载荷曲线的形式施加,提出一个简化的数值计算模型。在模型校核的基础上,利用LS-DYNA软件对同一双层圆筒、不同药量下以及不同内外层厚度比例圆筒在内爆载荷下的变形特征进行分析。结果表明:双层爆炸圆筒壳体在小药量炸药爆炸作用下以弹性呼吸振动为主,随药量增加,金属内衬与外层复合材料会发生分离,外层复合材料在振动过程中会强烈压缩金属内衬,内衬会发生不规则变形,在大药量条件下内衬会被压溃而失去承载能力;相同壳体面密度条件下,过薄的金属内衬在外层复合材料强作用下会过早被压溃,从而失去承载能力,过厚的金属会使得壳体的环向形变增大。研究结果可为双层复合材料爆炸圆筒的设计提供数据参考。

关键词：复合材料爆炸圆筒爆炸载荷双层壳体变形与破坏

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球形弹丸超高速撞击靶板时背表面材料破碎的数值模拟分析

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高压物理学报 2019年第2期33卷 77-83页

作者：郝伟江龙仁荣张庆明陈利龚自正北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 北京卫星环境工程研究所北京100094

选取合适的材料状态方程和强度模型,通过数值模拟分析超高速撞击下弹丸材料的破碎行为。弹丸的破碎主要有两种:稀疏波引起的层裂和材料在高压作用下的碎裂。由于层裂影响和高压影响下弹丸的破碎方式不同,导致两种情况下材料产生的碎片... 详细信息

选取合适的材料状态方程和强度模型,通过数值模拟分析超高速撞击下弹丸材料的破碎行为。弹丸的破碎主要有两种:稀疏波引起的层裂和材料在高压作用下的碎裂。由于层裂影响和高压影响下弹丸的破碎方式不同,导致两种情况下材料产生的碎片形状和大小不同。分析球形弹丸在撞击靶板过程中压力脉冲的传播及衰减形式发现:在弹丸和靶板尺寸相同的情况下,弹丸中压力脉冲的脉宽基本保持不变,而峰值压力随着撞击速度的增加而增加;在撞击速度相同的情况下,弹丸中压力脉冲的峰值压力基本不变,而压力脉冲的脉宽随着靶板厚度的增加而增加。弹丸中传播的压力脉冲与后期弹丸背表面的层裂相关,其峰值及变化速率直接影响背表面层裂厚度,其脉宽直接影响背表面沿弹丸径向的层裂深度。得到层裂厚度以及层裂破碎方式的影响区域,对研究后期碎片云分布有重要参考价值。

关键词：层裂压力脉冲超高速撞击破碎方式分布

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