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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

基于人工神经网络算法的多相云雾爆轰毁伤效应预测模型

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兵工学报 2024年第6期45卷 1889-1905页

作者：徐永康薛琨北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

云雾爆轰毁伤范围的预测是云爆武器造成大规模毁伤的研究基础,但云雾爆轰后超压场分布规律与燃料浓度的依赖关系未知,制约了对于云爆毁伤范围的预测。因此,针对2种最为常用的多相云雾燃料,采用最小自由能法计算得到了液相燃料完全以液... 详细信息

云雾爆轰毁伤范围的预测是云爆武器造成大规模毁伤的研究基础,但云雾爆轰后超压场分布规律与燃料浓度的依赖关系未知,制约了对于云爆毁伤范围的预测。因此,针对2种最为常用的多相云雾燃料,采用最小自由能法计算得到了液相燃料完全以液滴或蒸汽形式存在的多相云雾发生理想爆轰的CJ参数,并通过拟合,得到体JWL状态方程参数。在此基础上计算得到了不同浓度和状态的多相云雾理想爆轰造成的超压场,并借助人工神经网络获得了浓度范围在0.03~0.30 kg/m 3的气固两相和气液固三相云雾场爆轰峰值超压随比例距离衰减规律的代理模型并预测不同毁伤等级对应的毁伤比例半径随燃料浓度的变化,得到毁伤比例半径最大的最优浓度。研究结果表明:云雾区中液相燃料以液滴或蒸汽形式存在对云雾爆轰参数,产物JWL状态方程参数,与云爆爆轰后超压场分布规律的影响都比较微弱(级~Ⅲ级毁伤比例半径的最大和最小值分别相差21%、19%、6%,因此大装药结构形成的云雾场爆轰后,Ⅰ级和Ⅱ级毁伤半径与燃料浓度的依赖性更强。

关键词：云雾爆轰燃料浓度超压毁伤人工神经网络

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

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活性横向增强弹靶后横向效应实验与数值模拟

兵工学报 2024年第7期45卷 2270-2281页

作者：张甲浩郭萌萌周晟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

为揭示活性横向增强弹(Penetrator with Enhanced Lateral Effect,PELE)的靶后横向增强机理,开展活性PELE冲击钢靶毁伤效应实验,在钢靶后设置效应铝靶,得到不同前置钢靶厚度条件下的穿孔毁伤情况。基于点火增长模型建立活性PELE冲击爆... 详细信息

为揭示活性横向增强弹(Penetrator with Enhanced Lateral Effect,PELE)的靶后横向增强机理,开展活性PELE冲击钢靶毁伤效应实验,在钢靶后设置效应铝靶,得到不同前置钢靶厚度条件下的穿孔毁伤情况。基于点火增长模型建立活性PELE冲击爆燃反应过程的两步仿真分析模型。综合实验和仿真对活性PELE在780 m/s速度条件下冲击6~20 mm厚度范围内钢靶的靶后横向增强效应进行讨论,从效应靶毁伤、芯体反应、波相互作用及壳体破片飞散4个方面进行深入分析。分析结果表明:仿真分析模型有效模拟了活性PELE冲击靶板的爆燃反应过程;靶板厚度对活性PELE在效应靶上的穿孔散布尺寸影响显著,随着靶板厚度的增加,活性PELE的靶后横向增强效应先增大后减小;活性芯体的爆燃反应释能使壳体最大径向速度提高了40%以上。

关键词：活性横向增强弹活性材料冲击爆燃点火增长

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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

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

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药型罩形状对活性聚能侵彻体成型的影响

北京理工大学学报 2024年第4期44卷 327-335页

作者：孙韬袁盈郑元枫余庆波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

结合理论与数值模拟,对3种不同形状药型罩活性聚能侵彻体的成型行为开展了研究.数值模拟结果表明,在聚能效应下,球缺罩和大锥角圆锥罩形成尾部带有碎片云的类杆状活性聚能侵彻体,而小锥角圆锥罩则形成活性射流.相比于活性射流,类杆状活... 详细信息

结合理论与数值模拟,对3种不同形状药型罩活性聚能侵彻体的成型行为开展了研究.数值模拟结果表明,在聚能效应下,球缺罩和大锥角圆锥罩形成尾部带有碎片云的类杆状活性聚能侵彻体,而小锥角圆锥罩则形成活性射流.相比于活性射流,类杆状活性聚能侵彻体速度较低,但凝聚性较好.进一步结合活性材料反应动力学方程,对活性聚能侵彻体成型激活反应行为进行分析.分析结果表明:活性射流激活区位于杵体外壁、射流头部和轴线附近;随炸高增加,激活区内活性材料反应不断加剧,特别是射流头部和轴线附近材料的反应,将导致活性射流膨胀发散,不利于侵彻;而类杆状活性聚能侵彻体激活区域主要集中在尾部碎片区和杆尾中心部位,化学反应对其影响相对较小.

关键词：活性材料聚能装药射流药型罩成型行为

低速撞击下PBX炸药黏弹塑性细观损伤点火模型研究

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北京理工大学学报 2024年第2期44卷 123-134页

作者：王昕捷王心宇丁凯黄风雷北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为研究塑性黏结炸药PBX-9501在低速撞击条件下的力学变形、损伤以及温升情况,发展了基于黏塑性演化方程以及复杂应力状态下微裂纹形核、演化机制的非线性黏弹塑性细观损伤力热化学耦合模型.通过分析低速撞击试验中力学变形-损伤对炸药... 详细信息

为研究塑性黏结炸药PBX-9501在低速撞击条件下的力学变形、损伤以及温升情况,发展了基于黏塑性演化方程以及复杂应力状态下微裂纹形核、演化机制的非线性黏弹塑性细观损伤力热化学耦合模型.通过分析低速撞击试验中力学变形-损伤对炸药宏细观温升的影响,可确定炸药发生点火的主导机制及点火速度阈值,结果表明:撞击速度为59 m/s时PBX-9501炸药呈现大变形与破碎响应特征,顶部位置微裂纹和微孔洞演化程度最高,裂纹摩擦热点机制对炸药热点温升起主要作用;随着撞击速度增大,微裂纹热点机制仍为点火主导机制,可预测得到PBX-9501炸药点火临界撞击速度为120~125 m/s.

关键词： PBX-9501 低速撞击微裂纹演化黏塑性

Au(111)表面WS_(2)成核控制的理论研究

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物理学报 2024年第13期73卷 111-120页

作者：胡艺山袁清红华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室上海200241

二维二硫化钨(WS_(2))作为一种具有层依赖的电子和光电特性的半导体材料,在光电器件领域展现出极具潜力的应用前景.当前,晶圆级单层WS_(2)薄膜的制备是推动其在先进晶体管和集成电路中应用的关键挑战.化学气相沉积(CVD)能够实现大尺寸... 详细信息

二维二硫化钨(WS_(2))作为一种具有层依赖的电子和光电特性的半导体材料,在光电器件领域展现出极具潜力的应用前景.当前,晶圆级单层WS_(2)薄膜的制备是推动其在先进晶体管和集成电路中应用的关键挑战.化学气相沉积(CVD)能够实现大尺寸、高质量的单层WS_(2)薄膜合成,但其生长过程的复杂性导致了WS_(2)生长效率低,质量参差不齐.为指导实验上减少WS_(2)晶界,提高薄膜质量以增强其电子性能和机械稳定性,本文基于第一性原理的理论计算,深入探讨了WS_(2)在CVD生长过程中的成核机制.通过引入化学势这一变量,分析了不同实验条件下WS_(2)的生长能量曲线,发现调整前驱体钨源和硫源的温度或压强能有效控制WS_(2)的成核速率.特别是当钨源温度为1250 K时,成核速率达到最大,而提高硫源温度或降低硫源压强则能降低成核速率,从而提高单层WS_(2)的结晶度和均匀性.这些理论计算结果为实验中根据需求精确调整成核速率提供了坚实的理论依据,并为如何通过优化实验参数来提高单层WS_(2)薄膜的结晶度和均匀性提供了理论指导,有望推动WS_(2)材料在各类高性能电子器件中的应用发展,对未来材料科学和工业应用具有重要意义.

关键词：第一性原理计算生长机制化学气相沉积二维二硫化钨

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