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马赫反射波系冲击诱导平面界面失稳的数值模拟

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中国科学:物理学力学天文学 2024年第10期54卷 50-59页

作者：张恩来廖深飞邹立勇刘金宏李欣竹梁正虹中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室

针对实际应用中面临的马赫反射波系冲击诱导界面失稳问题,通过数值模拟研究了马赫反射波系与平面N2/Kr气体界面作用的波系和界面演化过程,并分析了界面凹腔的形成机制.结果表明,马赫反射波系对平面界面失稳的贡献分两部分:一是波系非均... 详细信息

针对实际应用中面临的马赫反射波系冲击诱导界面失稳问题,通过数值模拟研究了马赫反射波系与平面N2/Kr气体界面作用的波系和界面演化过程,并分析了界面凹腔的形成机制.结果表明,马赫反射波系对平面界面失稳的贡献分两部分:一是波系非均匀冲击引起的界面速度扰动;二是波后流场中的局部高速质量流持续驱动界面变形.马赫反射波系中的反射激波对界面演化产生重要影响,其对界面的二次冲击极大地抑制了界面的斜压涡量和速度扰动,从而抑制界面的扰动增长.在马赫反射波系冲击界面后,流场中形成了贯穿界面的剪切层结构,这些剪切层包围的高速流体持续驱动界面发生剪切变形,最终演化为凹腔结构.

关键词：激波 Richtmyer-Meshkov不稳定性马赫反射数值模拟

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温稠密物质模拟的第一性原理方法进展

物理学进展 2024年第2期44卷 49-72页

作者：张航陈默涵高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学应用物理与技术研究中心北京大学工学院北京100871 北京大学物理学院北京100871 北京科学智能研究院北京100080

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简... 详细信息

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简并和热效应等重要的物理性质,因此需要采用量子力学的基础理论来描述。近年来,基于量子力学的第一性原理计算模拟方法发展迅速,逐渐成为了深入理解温稠密物质性质的有效工具。一方面,直接将凝聚态物理和材料科学中广泛适用的第一性原理方法应用于温稠密物质面临着巨大的挑战,特别是在宽温区和极端高压等极端条件下,需要不断改进现有的第一性原理算法和软件。另一方面,基于机器学习的分子动力学方法发展迅速,也给温稠密物质模拟带来了新的工具。在这篇综述中,我们首先回顾了适用于温稠密物质模拟的传统第一性原理方法,包括Kohn-Sham密度泛函理论方法和无轨道密度泛函理论方法。其次,我们介绍了近年来发展的新方法和软件,例如改进的第一性原理方法和随机密度泛函理论方法,后者已在国产开源密度泛函理论软件原子算筹(ABACUS)中实现。以上新方法可以显著提升温稠密物质的计算规模和效率,从而提升温稠密物质的结构、动力学和输运系数等性质的计算精度。

关键词：温稠密物质第一性原理分子动力学机器学习原子算筹

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基于“钉床型”飞片的斜波加载技术及应用

爆炸与冲击 2021年第4期41卷 138-146页

作者：宗泽王刚方嘉铖林茜王永刚宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室浙江宁波315211

为了实现斜波加载,设计了一种“钉床型”广义波阻抗梯度飞片,即在基座上密排叠加许多小圆锥,简称“钉床型”飞片。该飞片采用激光选区熔化金属增材制造技术进行制备。利用一级轻气炮加载装置和全光纤激光位移干涉测试系统,开展不同工况... 详细信息

为了实现斜波加载,设计了一种“钉床型”广义波阻抗梯度飞片,即在基座上密排叠加许多小圆锥,简称“钉床型”飞片。该飞片采用激光选区熔化金属增材制造技术进行制备。利用一级轻气炮加载装置和全光纤激光位移干涉测试系统,开展不同工况下“钉床型”飞片高速击靶压缩实验和层裂实验,重点讨论小圆锥高度和撞击速度对斜波压缩加载波形的影响规律,以及斜波加载对不锈钢靶板层裂特性的影响。实验结果显示:(1)“钉床型”飞片对靶板产生的压缩是逐步的,从自由面速度剖面上观察到压缩波上升前沿时间被显著延长,形成了斜波波阵面,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面;(2)在飞片击靶速度近似恒定条件下,斜波波阵面的上升沿时间、平台速度峰值都明显依赖于“钉床型”飞片上的小圆锥高度,随着小圆锥高度增大,上升沿时间呈线性增大,而平台速度峰值呈线性减小;(3)在“钉床型”飞片的几何尺寸保持不变的条件下,斜波波阵面的上升沿时间随着飞片击靶速度的增大而线性减小,平台速度峰值则线性增大;(4)与冲击加载相比,“钉床型”飞片产生的斜波加载不会对材料的层裂强度产生明显影响,但对材料内部损伤演化速率有一定的影响。

关键词：斜波加载 “钉床型”飞片金属增材制造技术层裂

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晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

爆炸与冲击 2021年第4期41卷 21-29页

作者：陈伟谢普初刘东升史同亚李治国王永刚宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室浙江宁波315211 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室四川绵阳621999

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸(60、100、500μm)的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨... 详细信息

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸(60、100、500μm)的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示:(1)晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值,在低应力条件下,层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系,而在高应力条件下,晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响;(2)随着晶粒尺寸的增大,靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大,但数量显著减少,在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象;(3)随着晶粒尺寸的增大,层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变,且在断口上观察到少量随机分布的小圆球,归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。

关键词：晶粒尺寸层裂强度损伤演化高纯铝板材

激光烧蚀下不同颗粒度Al-teflon的反应行为

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爆炸与冲击 2019年第4期39卷 19-24页

作者：丁彤郭文灿张旭王忠淼郑贤旭刘仓理中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999 中国工程物理研究院四川绵阳621999

为研究不同颗粒度对Al-teflon反应行为的影响,以颗粒度25μm、1μm和20～200 nm的Al粉和微米级Teflon粉混合制备的反应材料为研究对象,基于脉冲激光烧蚀实验,结合ICCD相机和光谱仪对反应过程中的自发光成像和发射光谱进行瞬态观测。研... 详细信息

为研究不同颗粒度对Al-teflon反应行为的影响,以颗粒度25μm、1μm和20～200 nm的Al粉和微米级Teflon粉混合制备的反应材料为研究对象,基于脉冲激光烧蚀实验,结合ICCD相机和光谱仪对反应过程中的自发光成像和发射光谱进行瞬态观测。研究结果表明,Al-teflon反应材料在激光烧蚀下的反应行为体现出典型的二次反应特征,具有持续燃烧特征和明显的后燃效应,也具有较长的能量释放时间;同时,其反应行为与Al粉颗粒度密切相关:初始阶段,反应随Al粉颗粒度的降低加剧,随着反应的进行,纳米级Al粉对应的反应材料后续反应能力逐渐下降,反应强度和反应时间都小于1μm铝粉对应的反应材料。

关键词：激光烧蚀 Al-teflon 颗粒度反应行为

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激波/平板层流边界层干扰熵增特性

航空学报 2023年第21期44卷 269-286页

作者：宋家辉许爱国苗龙廖煜淦梁福文田丰聂明卿王宁飞北京理工大学宇航学院北京100081 北京应用物理与计算数学研究所计算物理全国重点实验室北京100088 冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室绵阳621900 北京理工大学爆炸科学技术国家重点实验室北京100081 北京大学工学院应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京理工大学重庆创新中心重庆404100

超声速流动中存在着复杂的激波/边界层干扰现象。在激波/边界层干扰中,激波引起的“波阻”和边界层引起的“摩擦阻力”是气动阻力的主要来源,而这两种阻力均与熵增直接相关,因而熵增是评估超声速流中气动阻力的关键参数。采用基于非平... 详细信息

超声速流动中存在着复杂的激波/边界层干扰现象。在激波/边界层干扰中,激波引起的“波阻”和边界层引起的“摩擦阻力”是气动阻力的主要来源,而这两种阻力均与熵增直接相关,因而熵增是评估超声速流中气动阻力的关键参数。采用基于非平衡统计物理学的离散玻尔兹曼方法(DBM)对高马赫数规则反射及激波/层流平板边界层干扰问题进行了仿真研究,借助高阶非守恒动理学矩,DBM可以方便地捕捉黏性和热流等热力学非平衡效应,并定量化研究两者引起的熵产生率。结果表明:对于规则反射,反射激波中的非平衡强度强于入射激波;对于激波/层流平板边界层干扰,激波中黏性引起的熵产生率占主导,边界层中热流引起的熵产生率占主导,两种熵产生率的强度均随马赫数的增加而增强。研究结果可为评估进气道内的流动品质提供理论指导。

关键词：超燃冲压发动机熵增非平衡特性离散玻尔兹曼方法激波/层流边界层干扰

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轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

力学进展 2023年第2期53卷 395-432页

作者：崔天宁秦庆华西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室极端环境服役性能与防护技术西安市重点实验室西安710049 中国兵器工业第203研究所西安710065

多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构,具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性,在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例,是一类极具... 详细信息

多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构,具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性,在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例,是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构.为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理,进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围,对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望,依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型,分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究,展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.

关键词：夹芯结构多孔材料弹道极限侵彻能量耗散破坏机制轻量化

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脆性材料动态断裂的介观格子模型

高压物理学报 2019年第3期33卷 74-90页

作者：喻寅李媛媛贺红亮王文强中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材... 详细信息

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材料可靠性和安全性的关键,但同时也是计算建模与数值模拟研究面临的难点。为了解决爆炸与冲击加载下脆性材料中裂纹网络随机萌生、裂纹面挤压摩擦、大量裂纹交错扩展等复杂过程带来的算法困难,一种无网格/粒子方法“格子模型”得到了持续的关注和长足的发展。本文综述了格子模型的原理和方法,介绍了运用格子模型开展脆性断裂研究的代表性成果,分析了格子模型存在的不足与改进的方向。

关键词：格子模型脆性材料动态断裂裂纹网络无网格方法

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系

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爆炸与冲击 2022年第9期42卷 88-97页

作者：朱磊刘洋孟锦晖李治国胡建波李国平王永刚宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室浙江宁波315211 宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室四川绵阳621999

为了开展激光选区熔化(SLM)增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金... 详细信息

为了开展激光选区熔化(SLM)增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。

关键词：激光选区熔化 Ti-6Al-4V合金动态力学性能 Johnson-Cook本构有限元模拟