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冲击作用下CL⁃20含能共晶的反应分子动力学模拟

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含能材料 2024年第1期32卷 49-64页

作者：伍俊英方汇璇尚伊平李钧剑王健宇陈朗北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

共晶技术是降低六硝基六氮杂异伍兹烷(CL‐20)感度的有效方法之一,研究冲击作用下CL‐20共晶的化学反应,有助于理解CL‐20共晶的冲击反应机制,对炸药安全评价分析具有重要意义。本研究采用ReaxFF‐lg反应力场的分子动力学方法,同时结合... 详细信息

共晶技术是降低六硝基六氮杂异伍兹烷(CL‐20)感度的有效方法之一,研究冲击作用下CL‐20共晶的化学反应,有助于理解CL‐20共晶的冲击反应机制,对炸药安全评价分析具有重要意义。本研究采用ReaxFF‐lg反应力场的分子动力学方法,同时结合非平衡加载方法,对CL‐20/2,5‐二硝基甲苯(DNT)、CL‐20/1,3‐二硝基苯(DNB)和CL‐20/1‐甲基‐3,5‐二硝基‐1,2,4‐三唑(MDNT)三种共晶在2~5 km·s^(-1)冲击速度下的冲击压缩过程进行了分子动力学模拟,获得了含能共晶在冲击作用后的热力学演化特征、初始化学反应路径和产物信息,并与CL‐20的情况进行了对比分析。研究发现:CL‐20/DNT、CL‐20/DNB和CL‐20/MDNT 3种共晶都有一定程度的降低冲击感度作用,3种共晶的冲击感度顺序依次为CL‐20/MDNT>CL‐20/DNB>CL‐20/DNT。3种共晶的分解反应均是从CL‐20分解开始,且CL‐20的分解速度比DNT、DNB和MDNT快。在2 km·s^(-1)冲击速度下,CL‐20共晶首先发生聚合反应,CL‐20与共晶配体分子间的聚合反应早于CL‐20分子间的聚合,且反应频次远高于CL‐20分子之间聚合。在3 km·s^(-1)的冲击条件下,CL‐20首先发生了N—N以及C—N键断裂,笼型结构被破坏,同时生成NO_(2),CL‐20初步断键后的结构及产物NO_(2)会进一步与共晶配体分子DNT、DNB、MDNT结合,降低CL‐20反应中间产物的浓度,达到降感作用。在4,5 km·s^(-1)冲击条件下,CL‐20中的环状骨架结构会直接遭到破坏,发生C—N键断裂,产生小分子碎片,直接生成N2,同时有NO_(2)、H_(2)、CO_(2)、H_(2)O等产物生成。

关键词：含能共晶反应力场分子动力学冲击波反应机理

铝纤维增强铝/聚四氟乙烯活性材料力学性能及反应特性

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兵工学报 2024年第5期45卷 1573-1581页

作者：赵涵任会兰宁建国北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为研究纤维含量对铝(Al)/聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)力学性能及反应特性的影响,针对模压烧结法制备的铝纤维增强型活性材料,采用材料试验机和冲击加载实验技术开展静态、动态力学响应和冲击反应研究,并结合细观结构特征... 详细信息

为研究纤维含量对铝(Al)/聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)力学性能及反应特性的影响,针对模压烧结法制备的铝纤维增强型活性材料,采用材料试验机和冲击加载实验技术开展静态、动态力学响应和冲击反应研究,并结合细观结构特征揭示纤维增强活性材料的变形失效机制。研究结果表明:Al纤维含量(质量比)为1%~4%时,随机分布的Al纤维抑制了基体内裂纹扩展,提高了Al/PTFE的静态屈服强度和动态抗压强度;Al纤维含量1%的动态力学性能最优,随着纤维含量的增加,Al纤维穿出基体的破坏是限制材料动力学性能持续增强的主要因素;在保证Al/PTFE理论释能不变的前提下,Al纤维的加入提高了Al/PTFE的冲击反应阈值,无纤维时最小反应比入射能为50.7 J/cm^(2),纤维含量增加至4%时提高到61.3 J/cm^(2),活性材料的冲击不敏感性得到提升。

关键词：铝纤维铝/聚四氟乙烯活性材料力学特性反应阈值

冲击波强间断的高分辨率低耗散的精确捕捉数值计算方法

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中国科学：技术科学 2024年第5期54卷 870-880页

作者：宁建国苏璇许香照北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

强间断是爆炸冲击波的典型特征之一,如何高效且高分辨率地求解爆炸冲击波强间断是实现爆炸冲击问题精确数值模拟的关键.本文基于传统5阶加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory,WENO)格式提出一种具有更高分辨率、更低耗... 详细信息

强间断是爆炸冲击波的典型特征之一,如何高效且高分辨率地求解爆炸冲击波强间断是实现爆炸冲击问题精确数值模拟的关键.本文基于传统5阶加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory,WENO)格式提出一种具有更高分辨率、更低耗散的5阶WENO格式.通过引入一种紧凑形式的局部光滑度量对子模板的光滑度进行定量表征,并设计新的全局光滑度量以衡量整体模板的光滑度,能够充分利用各子模板的光滑信息,有效降低强间断附近的耗散.针对现有格式的权值调控系数受网格步长直接限制的缺陷,提出一种能够摆脱网格步长依赖的自适应权值调控系数,使得非线性权值能够随流场变化自动调控.此外,该权值调控系数适当地提高欠光滑模板的权重,避免在网格较粗糙的情况下将欠光滑部分误识别为强间断,从而提高格式分辨率.最后,通过精度测试与典型的具有强间断特性的数值算例表明新计算方法可明显降低强间断附近的耗散,提高传统WENO格式的分辨率,从而实现对爆炸冲击波的锐利捕捉以及冲击波碰撞后复杂流场旋涡结构的高分辨率识别,为爆炸冲击问题的数值模拟仿真和冲击波强间断面的预测提供支撑.

关键词：强间断光滑度量因子高分辨率低耗散

基于BP神经网络的爆炸用激波管峰值压力预测方法

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爆炸与冲击 2024年第5期44卷 130-139页

作者：陈梓薇王仲琦曾令辉北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

针对爆炸用激波管缺乏相应的经验公式和数值模拟时效性差的问题,同时为了快速得到激波管内的峰值压力,建立预测爆炸用激波管试验段峰值压力的四层反向传播(back propagation,BP)神经网络。采用数值模拟方法计算激波管试验段峰值压力,计... 详细信息

针对爆炸用激波管缺乏相应的经验公式和数值模拟时效性差的问题,同时为了快速得到激波管内的峰值压力,建立预测爆炸用激波管试验段峰值压力的四层反向传播(back propagation,BP)神经网络。采用数值模拟方法计算激波管试验段峰值压力,计算结果与激波管爆炸试验结果进行对比,平均相对误差为2.69%。证明激波管数值模型的准确性后,将数值模拟得到的195组激波管测得的峰值压力作为输出层,激波管驱动段TNT的药量、药柱的长径比以及爆炸比例距离作为神经网络的输入层。为了加快神经网络迭代速度和提高预测精度,使用自适应矩估计(adaptive moment estimation,ADAM)算法作为神经网络误差梯度下降的优化算法。结果表明,训练好的神经网络得到的预测结果与模拟值基本吻合,预测结果与数值模拟结果的平均相对误差为3.26%。BP神经网络模型能够反映激波管爆炸的峰值压力与影响因素之间的映射关系,采用BP神经网络模型计算时比数值模拟节约了大量运算时间。

关键词： BP神经网络激波管峰值压力自适应矩估计

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金属基活性破片侵彻间隔铝靶作用行为

兵工学报 2023年第8期44卷 2263-2272页

作者：周晟张甲浩余庆波北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为揭示活性破片穿靶毁伤机理,研究活性破片靶后碎片云与毁伤效应行为,开展了金属基活性破片侵彻间隔铝靶弹道枪实验。通过观察间隔铝靶穿孔模式与弹靶作用行为高速摄像,结合破片侵靶破碎理论、能量守恒定律和活性破片激活响应行为,分析... 详细信息

为揭示活性破片穿靶毁伤机理,研究活性破片靶后碎片云与毁伤效应行为,开展了金属基活性破片侵彻间隔铝靶弹道枪实验。通过观察间隔铝靶穿孔模式与弹靶作用行为高速摄像,结合破片侵靶破碎理论、能量守恒定律和活性破片激活响应行为,分析活性破片侵彻间隔铝靶作用行为。研究结果表明:球形活性破片侵彻间隔铝靶时,对前靶造成冲塞毁伤,靶后形成碎片云对后靶造成动能-化学能耦合毁伤,后靶毁伤主要呈现为中心贯穿和碎片撞击复合模式,活性破片激活程度随碰撞速度增加呈增大趋势:建立了活性破片靶后碎片云理论模型,获得了碎片云演化规律,在不同碰撞速度下,临界贯穿孔径位置处的单位碎片动能与单位反应质量呈负相关关系。

关键词：金属基活性破片间隔铝靶弹道枪实验碎片云

Al-PTFE活性材料冲击释能行为及数值计算方法研究

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北京理工大学学报 2023年第10期43卷 1059-1067页

作者：卢冠成刘振扬袁盈葛超刘睿陈鹏万王海福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Al-PTFE活性材料冲击释能行为,基于活性材料冲击引发化学反应理论模型,开发了包含激活判据与反应速率方程的数值计算方法.开展了活性材料密闭容器内爆能量释放实验验证该数值计算方法的有效性,并定量分析了活性破片的飞散反应过程... 详细信息

为研究Al-PTFE活性材料冲击释能行为,基于活性材料冲击引发化学反应理论模型,开发了包含激活判据与反应速率方程的数值计算方法.开展了活性材料密闭容器内爆能量释放实验验证该数值计算方法的有效性,并定量分析了活性破片的飞散反应过程.结果表明,仿真结果中材料反应过程与实验中火光变化趋势一致,材料释能计算量与实验结果平均相差26.3%,该方法可以较好地反映活性材料冲击释能行为.活性材料能量释放过程可分为平台段、上升段与下降段三个阶段,释能量与化学反应速率随碰撞速度的增加而快速提升.

关键词：活性材料冲击激活能量释放数值模拟

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钨锆钛活性破片对间隔靶的毁伤效应

兵工学报 2023年第12期44卷 3862-3871页

作者：王在成徐祎姜春兰胡榕何政北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为研究钨锆钛活性破片穿靶后的耦合毁伤机理,开展了钨锆钛活性破片侵彻6 mm Q235钢板和1.5 mm铝板组成的间隔靶的弹道枪实验,观察钢靶穿孔模式、后效铝靶的毁伤模式及活性破片侵彻间隔靶的高速摄像,结合活性破片冲击反应理论、能量守恒... 详细信息

为研究钨锆钛活性破片穿靶后的耦合毁伤机理,开展了钨锆钛活性破片侵彻6 mm Q235钢板和1.5 mm铝板组成的间隔靶的弹道枪实验,观察钢靶穿孔模式、后效铝靶的毁伤模式及活性破片侵彻间隔靶的高速摄像,结合活性破片冲击反应理论、能量守恒原理,计算靶板变形能,分析化学能和动能在耦合毁伤中的贡献占比。研究结果表明:活性破片着靶速度小于800 m/s时,钢靶塞块与破片碎片云在铝靶上造成隆起、侵坑、烧蚀破坏,着靶速度增大到1 187 m/s以上时,铝靶受前层钢靶塞块作用发生冲塞破坏,在碎片云的动能与化学能耦合毁伤作用下出现隆起、裂纹和花瓣翘曲;随着着靶速度的增大,后效靶毁伤面积与活性破片反应程度均呈增大趋势;化学能在耦合毁伤中的贡献度逐渐增大。

关键词：钨锆钛活性破片侵彻毁伤效应间隔靶

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基于刻槽结构的复合杆爆炸焊接数值模拟

焊接学报 2023年第8期44卷 41-48,I0005,I0006页

作者：周壮壮陈放北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

结合复合杆的结构特性,推导出考虑复管收缩产生塑性功影响的Gurney公式,并运用该公式对复管的碰撞速度进行计算,探究复管受冲击波驱动变形产生塑性功对碰撞速度的影响,并提出一种新型的刻槽式复管结构,通过该结构可以获得较好的焊接质量... 详细信息

结合复合杆的结构特性,推导出考虑复管收缩产生塑性功影响的Gurney公式,并运用该公式对复管的碰撞速度进行计算,探究复管受冲击波驱动变形产生塑性功对碰撞速度的影响,并提出一种新型的刻槽式复管结构,通过该结构可以获得较好的焊接质量.通过理论计算与有限元分析结果表明,普通圆管形钢管在基杆与复管间隙为3.5 mm时,炸药爆炸驱动复管获得的动能被塑性变形全部抵消,其碰撞速度为0,理论计算与仿真结果一致性较好;而在同等条件下,所设计的刻槽式复管结构仿真结果表明,其碰撞速度可以达到667.85 m/s,碰撞角度为13.877°,满足焊接下限碰撞速度要求.基于此,二维微观仿真分析结果表明,结合界面处呈现出周期性波纹,并产生大量射流,在结合界面处温度超过两种金属的熔化温度,结合界面质量较好.

关键词：爆炸焊接刻槽式复管数值模拟 SPH-FEM耦合算法

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活性复合射流侵彻多层间隔靶毁伤行为

兵工学报 2023年第2期44卷 325-333页

作者：王海福何锁蔡轶强向镜安苏成海郭焕果北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为研究活性复合罩聚能装药对目标靶后毁伤效应,开展活性复合射流作用多层间隔靶侵彻与爆炸联合毁伤性能研究。采用实验、数值模拟和理论相结合的方法,对活性复合射流侵彻多层间隔靶的毁伤行为及机理进行探究。实验结果表明,对于给定的... 详细信息

为研究活性复合罩聚能装药对目标靶后毁伤效应,开展活性复合射流作用多层间隔靶侵彻与爆炸联合毁伤性能研究。采用实验、数值模拟和理论相结合的方法,对活性复合射流侵彻多层间隔靶的毁伤行为及机理进行探究。实验结果表明,对于给定的活性复合罩聚能装药结构,与活性-铜射流相比,活性-钛射流在钢锭上形成的侵孔直径更大,穿透一定厚度钢靶后可造成后效间隔铝板严重变形甚至撕裂。基于活性复合射流对多层间隔靶的侵爆时序联合毁伤行为,建立后效铝板爆裂毁伤分析模型。仿真结果表明:铝板上的破裂孔面积与随进活性材料有效质量和动能侵孔半径均呈正相关,但二者中活性材料有效质量对其影响更显著;基于实验和数值模拟所获取的经验参数,模型可进一步预测不同活性材料有效质量、动能侵孔和靶板厚度下后效铝板爆裂毁伤面积。

关键词：多层间隔靶聚能装药活性复合射流活性复合罩活性材料毁伤行为