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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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HTPB在高应变率斜波加载下的动力学响应

含能材料 2017年第9期25卷 750-755页

作者：蔡进涛肖松王桂吉赵锋吴刚税荣杰胥超谭福利赵剑衡中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999 北京航天长征飞行器研究所北京100076

利用磁驱动斜波压缩加载实验技术,开展了以甲苯二异氰酸酯(TDI)为固化剂的端羟基聚丁二烯(HTPB)样品在斜波加载下的动力学响应实验研究,实验峰值压力1.2 GPa。实验利用激光干涉测速技术获得了三种不同厚度的HTPB样品在斜波压缩加载下的... 详细信息

利用磁驱动斜波压缩加载实验技术,开展了以甲苯二异氰酸酯(TDI)为固化剂的端羟基聚丁二烯(HTPB)样品在斜波加载下的动力学响应实验研究,实验峰值压力1.2 GPa。实验利用激光干涉测速技术获得了三种不同厚度的HTPB样品在斜波压缩加载下的速度响应曲线。对实验结果进行Lagrange数据分析处理,得到了HTPB样品的声速-粒子速度曲线和应力-比容关系。基于该应力-比容关系和实验获得的加载压力历史曲线,对斜波压缩实验进行了一维流体动力学模拟计算验证,模拟计算很好地再现了HTPB样品在斜波压缩加载下的动力学响应实验结果。研究结果显示,0~1.2 GPa压力范围内,HTPB样品的拉格朗日声速表现为线性行为,实验的应变率为2×10~5~1×10~6s^(-1),随着样品厚度增加,加载应变率随之增加,实验结果未见明显应变率效应,与文献冲击加载实验结论一致。

关键词：端羟基聚丁二烯(HTPB) 斜波加载拉格朗日声速动力学响应

冲击加载和斜波加载下PBX炸药细观结构点火特性对比

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高压物理学报 2017年第1期31卷 27-34页

作者：王洪波王旗华卢永刚梁斌中国工程物理研究院总体工程研究所四川绵阳621999

基于有限元方法,采用Monte-Carlo法建立了考虑炸药颗粒尺寸、形状和位置随机分布的高聚物黏结炸药(PBX)的细观结构。计算分析了冲击加载和斜波加载下黏结剂、孔洞缺陷对PBX炸药细观结构点火特性的影响,研究发现黏结剂含量的增加有效提... 详细信息

基于有限元方法,采用Monte-Carlo法建立了考虑炸药颗粒尺寸、形状和位置随机分布的高聚物黏结炸药(PBX)的细观结构。计算分析了冲击加载和斜波加载下黏结剂、孔洞缺陷对PBX炸药细观结构点火特性的影响,研究发现黏结剂含量的增加有效提高了炸药的临界点火压力。相比冲击加载,斜波加载下PBX炸药的临界点火压力有明显提升。炸药内部的孔洞缺陷对临界点火压力的影响与加载方式相关,冲击加载下,孔洞缺陷降低了PBX炸药的临界点火压力;而斜波加载下,孔洞缺陷提高了PBX炸药的临界点火压力。

关键词：爆炸力学高聚物黏结炸药(PBX) 细观结构冲击加载斜波加载

基于增材制造广义波阻抗梯度飞片的斜波加载技术

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基于增材制造广义波阻抗梯度飞片的斜波加载技术

作者：宗泽宁波大学

学位级别：硕士

斜波加载是一种新颖的动态加载实验技术。为了实现斜波加载,基于应力波传播相关理论,分别设计了“梯度泡沫型”“半圆孔叠加型”与“钉床型”三种广义波阻抗梯度飞片。采用LS-DYNA有限元仿真软件对三种类型飞片进行数值模拟,讨论了几何... 详细信息

斜波加载是一种新颖的动态加载实验技术。为了实现斜波加载,基于应力波传播相关理论,分别设计了“梯度泡沫型”“半圆孔叠加型”与“钉床型”三种广义波阻抗梯度飞片。采用LS-DYNA有限元仿真软件对三种类型飞片进行数值模拟,讨论了几何构型对斜波加载特性的影响,其中重点研究了“钉床型”飞片,采用激光选区熔化金属增材制造技术对“钉床型”飞片进行制备。使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,以及斜波加载对靶板层裂特性的影响,并且与相应的仿真结果进行验证。论文的主要研究成果如下:(1)对“梯度泡沫型”“半圆孔叠加型”以及对“钉床型”飞片进行数值模拟,结果表明:“梯度泡沫型”与“半圆孔叠加型”飞片产生的斜波加载波形不光滑、不稳定,而“钉床型”飞片斜波加载波形效果较好,并且“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)基于数值模拟结果开展了“钉床型”飞片的斜波加载实验,结果显示:在“钉床型”飞片击靶速度近似恒定的条件下,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。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冲击靶速度的增大而线性减小,平台速度峰值则线性增大。结果与数值模拟结果进行对比也较为一致。(3)开展基于斜波加载技术下的不锈钢与无氧铜靶板层裂实验。结果表明:冲击加载相比,“钉床型”飞片对不锈钢靶产生的斜波加载不会对材料的层裂强度产生明显影响,而无氧铜靶的层裂强度产生了一定的影响,随着圆锥高度增加层裂强度减小,但两者都会对材料内部损伤演化速率有一定的影响。

关键词：斜波加载广义波阻抗梯度飞片金属增材制造技术层裂

35 GPa斜波加载下RDX单晶炸药的动力学行为

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高压物理学报 2022年第3期36卷 23-28页

作者：种涛张朝辉王贵林傅华李涛随志磊郑贤旭中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

利用磁驱动斜波加载10 MA装置和激光干涉测速技术,开展了35 GPa压力下(100)晶向RDX单晶炸药的斜波压缩实验,获得了RDX单晶/LiF单晶窗口界面速度数据。实验结果显示,速度波剖面表现为明显的三波结构,由低到高依次对应弹性波、塑性波和相... 详细信息

利用磁驱动斜波加载10 MA装置和激光干涉测速技术,开展了35 GPa压力下(100)晶向RDX单晶炸药的斜波压缩实验,获得了RDX单晶/LiF单晶窗口界面速度数据。实验结果显示,速度波剖面表现为明显的三波结构,由低到高依次对应弹性波、塑性波和相变波,α-γ相变的起始压力为3.1 GPa。结合修正的多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对RDX单晶炸药的斜波压缩过程开展一维流体动力学数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致。

关键词： RDX单晶炸药斜波加载弹塑性转变相变

基于增材制造广义波阻抗梯度飞片的斜波加载技术数值模拟研究

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基于增材制造广义波阻抗梯度飞片的斜波加载技术数值模拟研究

作者：陈子博宁波大学

学位级别：硕士

梯度功能材料是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料。在轻气炮实验中,波阻抗梯度功能材料制作的飞片在高速碰撞靶材后,可以在靶材中产生具有缓慢上升前沿的压缩加载波,实现对靶材的斜波加载。增材制造技... 详细信息

梯度功能材料是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料。在轻气炮实验中,波阻抗梯度功能材料制作的飞片在高速碰撞靶材后,可以在靶材中产生具有缓慢上升前沿的压缩加载波,实现对靶材的斜波加载。增材制造技术主要是依靠计算机辅助设计数据,采用材料逐层铺层的方式,所以在波阻抗梯度飞片制备中运用此技术。因此论文基于金属增材制造技术,通过几何结构设计来研发新型的广义波阻抗梯度飞片材料。论文的主要研究成果如下:（1）通过对GP1不锈钢材料在MTS810万能试验机和SHPB压杆做准静态压缩和动态单轴压缩实验,得出不同应变率下应力应变曲线。拟合GP1不锈钢Johnson-Cook本构模型参数,为广义波阻抗梯度飞片数值模拟奠定基础。（2）基于变截面杆的波传播特性,设计了“针床形”和“锥孔形”广义波阻抗梯度飞片,采用LS-DYNA仿真软件中SPH算法对“针床形”和“锥孔形”广义波阻抗梯度飞片中高速击靶过程进行了数值计算,重点讨论结构设计的关键参数和碰撞速度对加载波形的影响规律。“针床形”飞片随着撞击速度增加,加载波上升沿时间减小,而峰值速度增大;随着“针床形”飞片四棱锥台高增大,加载波上升沿时间增大,而峰值速度减小;相反,保持四棱锥台高不变,只改变锥角的大小,随着锥角的增大加载波上升沿时间减小,而峰值速度增大;为了获得比较平顺的准等熵压缩加载条件,四棱锥台需要保持尖锐度。而“锥孔形”飞片加载波达到速度峰值较“针床形”要低,斜波加载效果也没有“针床形”飞片好。（3）基于数值计算结果,采用激光选区烧结金属增材制造技术,制备了“针床形”和“锥孔形”广义阻抗梯度飞片样品。在一级气炮上进行击靶实验,实测了靶板自由面速度时程曲线,波形呈现斜波加载特性,并与计算结果进行了对比两者趋势基本一致,从而验证了两种广义波阻抗梯度飞片结构设计的可行性以及数值模拟结果的可靠性。（4）基于增材制造技术又设计了一种“泡沫孔洞形”广义波阻抗梯度飞片,并对“泡沫孔洞形”飞片数值模拟。重点讨论了飞片冲击速度和孔径大小、孔隙率和靶板厚度对靶板斜波加载的影响。总结一些简单规律,击靶速度越高对靶板自由面波阵面前沿上升时间越长,达到峰值速度也越高;只改变孔洞的孔径,孔径越大靶板自由面速度峰值越小,靶板内波阵面前沿上升的时间也相应的延长;在孔径很小的范围内,改变孔洞数量对靶板波阵面前沿上升时间和自由面速度峰值影响都很小。一定的靶板厚度范围中,孔洞波阻抗梯度飞片撞击靶板后产生的都是斜波压缩波,并且这些波形随着靶板厚度的变化会存在差异。这些影响规律为广义波阻抗梯度飞片的设计与应用提供指导。

关键词：广义波阻抗飞片斜波加载金属增材制造技术光滑粒子算法一级气炮

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斜波压缩下锡的相变和层裂行为

力学学报 2023年第1期55卷 113-119页

作者：种涛莫建军傅华李涛罗斌强中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

获取不同热力学路径下锡的动态响应实验数据,是深入研究其相变和损伤物理过程的基础.利用小型磁驱装置CQ-4完成了金属锡的斜波加载实验,获取了锡含有相变和层裂损伤物理信息的实验数据.实验结果显示,在加载段锡依次经历了弹塑性转变和β... 详细信息

获取不同热力学路径下锡的动态响应实验数据,是深入研究其相变和损伤物理过程的基础.利用小型磁驱装置CQ-4完成了金属锡的斜波加载实验,获取了锡含有相变和层裂损伤物理信息的实验数据.实验结果显示,在加载段锡依次经历了弹塑性转变和β-γ相变两种物理过程,屈服强度约0.194 GPa,相变压力随着锡厚度的增加从7.54 GPa减小到7.14 GPa.在卸载段出现了明显的层裂损伤,层裂强度约1.1 GPa,与相同加载压力下冲击实验结果有巨大差异,层裂片厚度约0.38 mm.结合由锡的多相Helmholtz自由能计算的多相状态方程、Hayes相变动力学方程和损伤度理论,对斜波压缩实验过程进行一维流体动力学数值模拟,计算结果可以很好描述锡的弹塑性转变、相变和层裂三个物理过程.

关键词：相变多相状态方程层裂损伤度斜波加载

不同装药密度PBX-3炸药的高压声速和状态方程

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火炸药学报 2022年第3期45卷 364-369页

作者：种涛傅华李涛莫建军蔡进涛中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

利用斜波实验装置和双光源外差测速技术,开展了3种密度的HMX基塑料黏结炸药(PBX-3)的动态压缩实验,获得了PBX-3炸药的界面速度历程数据;利用适用于斜波压缩台阶样品实验的数据处理方法,获得了3种装药密度PBX-3炸药的高压声速与粒子速度... 详细信息

利用斜波实验装置和双光源外差测速技术,开展了3种密度的HMX基塑料黏结炸药(PBX-3)的动态压缩实验,获得了PBX-3炸药的界面速度历程数据;利用适用于斜波压缩台阶样品实验的数据处理方法,获得了3种装药密度PBX-3炸药的高压声速与粒子速度间的关系以及压力与相对比容间的关系。结果表明,随着PBX-3炸药的装药密度从1.82g/cm^(3)增加到1.84g/cm^(3),其初始声速从2.45km/s增至2.68km/s;基于斜波压缩过程对应的三阶Birch-Murnaghan等熵状态方程和实验数据处理获取的动力学参数,对PBX-3炸药的斜波动力学压缩过程进行了一维动力学模拟,计算与实验的速度波形起跳时刻基本相同,上升沿时间均约为0.4μs,3发计算与实验的速度峰值分别约为1.00、0.80和0.95km/s,计算结果可很好地描述实验过程。

关键词：材料力学 PBX-3 Birch-Murnaghan状态方程斜波加载声速

不同波形加载下[100]单晶铝层裂破坏的分子动力学模拟研究

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高压物理学报 2024年第3期38卷 59-69页

作者：杨向阳吴楯祝有麟李俊国张睿智张建罗国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全国重点实验室四川绵阳621999 武汉理工大学湖北省先进复合材料技术创新中心湖北武汉430070 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室湖北武汉430070

采用分子动力学方法模拟了[100]单晶铝在等冲量斜波和方波作用下的形变和层裂行为,分析了加载波形与层裂行为之间的相关性。研究表明,脉冲形状与热力学路径的协同作用影响了材料层裂。不同加载波形下单晶铝层裂强度的差异并非受缺陷主... 详细信息

采用分子动力学方法模拟了[100]单晶铝在等冲量斜波和方波作用下的形变和层裂行为,分析了加载波形与层裂行为之间的相关性。研究表明,脉冲形状与热力学路径的协同作用影响了材料层裂。不同加载波形下单晶铝层裂强度的差异并非受缺陷主导的非均匀孔洞形核影响,而是由不同热力学路径下温升的差异决定。例如:当最大加载速度为3.00 km/s时,单晶铝均经历均匀层裂,但斜波加载下铝的层裂强度较方波加载时提升56.6%。斜波加载会产生逐渐增强的压缩波,使单晶铝产生相比于冲击加载更轻度的损伤。这一现象随着加载速度的提高而变得更加显著。

关键词：层裂单晶铝分子动力学模拟斜波加载