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爆炸与冲击

爆炸与冲击

2024年10期

《爆炸与冲击》创办于1981年7月，由中国力学学会主办，是我国爆炸力学与冲击动力学领域的专业性学术期刊。目前为月刊，现任主编为刘仓理院士。

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封面文章 | 基于超材料的动态压剪复合加载实验新技术

封面文章 | 基于超材料的动态压剪复合加载实验新技术

摘要：材料或结构在动态压剪复合加载条件下的力学性能对于其工程应用具有重要影响。然而，现有的动态复合加载实验技术存在压缩波和剪切波难以同步施加到试件、实验设备昂贵等问题。本文中利用压扭超材料进行应力波转化，在一维分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）上实现动态压剪同步复合加载。该实验技术具有荷载精准同步、剪压比可控、简单便捷、低成本等优点。针对当压扭超材料转化出来的扭转波幅值较大，透射杆惯性约束不足情况下出现的扭转信号三角波的问题进行详细讨论，并提出相应的解决方案。选用屈服应力各不相同的金属钛、304 不锈钢和316L 不锈钢等3 种材料进行了实验测试，证实了动态压剪同步复合加载技术的有效性。借助有限元模型，深入分析压扭超材料的几何参数对其压扭系数及承载能力的影响，并结合实验结果讨论了该实验技术的适用范围，预测动态压剪同步复合加载技术能测试的材料强度可达约1 GPa，施加给试件的剪压比可达1.18。
专题：第14届爆炸力学会议论文 | 连续纤维增强高孔隙复合材料的抗侵彻性能研究

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 连续纤维增强高孔隙复合材料的抗侵彻性能研究

摘要：为开展连续纤维增强高孔隙复合材料的侵彻防护性能，首先，用二级轻气炮发射Q235钢质弹丸，对连续纤维增强高孔隙复合材料开展弹道侵彻实验，计算了弹道极限，归纳和分析了其损伤的形态和模式，并将这种复合材料的侵彻防护性能与其他材料进行了比较；然后，对弹道侵彻连续纤维增强高孔隙复合材料进行了数值模拟，比较了剩余速度、损伤的形态和范围，模拟结果与实验结果吻合较好；进而通过观察有限元模拟的弹孔形态、应力分布和损伤分布等方式，对侵彻过程的损伤机理进行了分析。研究结果可为复合材料在防热、冲击防护与承受外载荷等多功能一体化的应用提供参考依据。
专题：第14届爆炸力学会议论文 | 基于SHPB试验的碳纳米管增强混凝土动态压缩行为研究

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 基于SHPB试验的碳纳米管增强混凝土动态压缩行为研究

摘要：为探究碳纳米管增强混凝土在冲击荷载作用下的动态压缩行为，采用?100mm大直径分离式霍普金森压杆（splitHopkinsonpressurebar,SHPB）对其进行了冲击试验，对比分析了不同冲击速度和碳纳米管掺量条件下混凝土的动态抗压强度、受压形变以及能量耗散特征的演化规律。试验结果表明：碳纳米管增强混凝土的动态强度特性具有显著的加载速率敏感性，动态抗压强度和动态强度增长因子均与冲击速度呈线性正相关的关系，当加载水平相同时，动态抗压强度随碳纳米管掺量的增大呈先上升后略有下降的变化趋势，且与普通混凝土相比增幅可达23.7%。碳纳米管增强混凝土的极限应变与冲击韧度的变化特点相似，均随冲击速度的增大而逐渐提高，具有一定的冲击速度强化效应，但与冲击速度之间并没有表现出明显的线性关系。在同一加载水平下，当碳纳米管掺量为0.30%时，混凝土的冲击韧度达到相对最大，较之普通混凝土提升约10%。掺入适量的碳纳米管能够有效强化混凝土内部结构的整体性和致密性，进而改善混凝土的动态力学性能以及能量耗散特征。
专题：第14届爆炸力学会议论文 | 不同风化程度花岗岩的动态力学特性及抗侵彻性能

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 不同风化程度花岗岩的动态力学特性及抗侵彻性能

摘要：风化会使岩石材料孔隙发育，严重影响其工程性能，研究风化作用对花岗岩力学特性及抗侵彻性能的影响，对侵彻战斗部毁伤效能评估及地下工程防护能力分析具有重要意义。选用两种不同风化程度的花岗岩为研究对象，基于试验法系统分析其物理特性、静/动态压缩性能及抗侵彻性能的差异。结果表明：风化作用会造成花岗岩中黑云母和斜长石含量降低，孔隙率增加、内部组织变松散，缺陷加剧；风化作用将导致花岗岩抗压强度劣化、应变率效应降低，破坏模式从脆性破坏向弱剪切破坏转变；三轴围压作用下，两种花岗岩的静、动态抗压强度随围压的增大显著提升，且中风化花岗岩的抗压强度对围压的作用更敏感；高速（873～1040m/s）侵彻条件下，两种风化花岗岩的抗侵彻性能差异较小，无量纲侵深不超过3倍弹长，岩石靶中不存在明显的侵彻弹道区，但有明显的压碎区，压碎区长度约为弹径的5～8倍。
专题：第14届爆炸力学会议论文 | 二次爆炸作用下钢筋混凝土梁动力响应的数值模拟

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 二次爆炸作用下钢筋混凝土梁动力响应的数值模拟

摘要：为了探究钢筋混凝土梁在二次爆炸作用下的毁伤效应，开展了相关数值分析研究：利用LS-DYNA中的流固耦合算法和完全重启动技术，对钢筋混凝土梁二次爆炸试验进行了数值模拟，分析结果与试验结果基本一致，验证了模拟方法和材料模型参数的正确性；在此基础上，对二次爆炸场景进行扩展，对典型足尺钢筋混凝土梁进行建模分析，探究了爆炸场景、混凝土强度、纵筋配筋率和箍筋配筋率对二次爆炸作用下钢筋混凝土梁损伤破坏模式和动力响应的影响。结果表明：由于压力膜效应的存在，在保持爆炸总当量不变的前提下，单次爆炸对钢筋混凝土梁构件造成的损伤比连续两次爆炸造成的累积损伤更严重；提高混凝土强度可以显著提高二次爆炸作用下钢筋混凝土梁的抗爆性能；提高纵筋配筋率对梁抗爆性能的提升效果不明显；而对混凝土梁支座部位采用箍筋加密措施可以降低钢筋混凝土梁在爆炸作用下的剪切破坏程度，提高钢筋混凝土梁在二次爆炸作用下的抗爆性能。进一步计算得到了所涉及二次爆炸场景下两种不同设计参数钢筋混凝土梁的等损伤曲线，建立了相应的损伤程度分区图。
专题：第14届爆炸力学会议论文 | 聚脲加固配筋砌体墙抗燃气爆炸动态响应的数值模拟分析

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 聚脲加固配筋砌体墙抗燃气爆炸动态响应的数值模拟分析

摘要：为研究燃气爆炸作用下配筋砌体墙的抗爆能力及聚脲对墙体的加固性能，采用LS-DYNA软件，对无配筋砌体墙、配筋砌体墙、聚脲加固无筋砌体墙、聚脲加固配筋砌体墙的抗燃气爆炸性能进行数值模拟，得到了不同墙体在峰值为5、10、20、30kPa的燃气爆炸荷载作用下的动态响应，并对灰缝竖向配筋增强效果和聚脲加固效果进行了对比分析。结果表明：（1）无筋墙体抗燃气爆炸能力较弱，一般在20kPa荷载作用下发生不可修复破坏，在30kPa荷载作用下发生倒塌破坏；（2）在砌体墙灰缝中，竖向配置钢筋和在墙体表面喷涂聚脲均可增强砌体墙的抗爆能力。在20kPa荷载作用下，各加固墙体跨中峰值位移均较无筋墙体的减小，破坏均较轻，均可修复，其中双面喷涂聚脲加固无筋墙体的抗爆效果最好，其在30kPa荷载作用下也未发生倒塌破坏，配筋加强和背爆面喷涂聚脲加固的次之；（3）三组聚脲加固配筋墙体均可承受30kPa燃气爆炸荷载的作用，迎爆面喷涂加固的墙体中间发生开裂，有碎块飞溅，跨中峰值位移最大，背爆面以及双面喷涂加固的墙体两端出现局部破坏，两者墙体基本完整，且双面喷涂的墙体跨中峰值位移最小，说明在灰缝竖向配筋的基础上再双面喷涂聚脲，抗爆加固效果最优，还可以承受更大的燃气爆炸荷载。
专题：第14届爆炸力学会议论文 | 起爆方式对椭圆截面战斗部破片速度分布的影响

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 起爆方式对椭圆截面战斗部破片速度分布的影响

摘要：为研究椭圆截面战斗部在不同起爆方式下破片速度的分布特性，建立了5种具有不同短长轴比的椭圆截面战斗部数值模拟模型。开展了端面中心单点、短(长)轴中点双点、短长轴中点4点以及端面面起爆5种起爆方式数值模拟研究，分析了不同起爆方式下椭圆截面战斗部破片的速度分布及能量输出特性。研究结果表明：在径向方向，战斗部在不同起爆方式下破片最大径向速度变化规律基本一致，均呈现由长轴至短轴方向对数增长，且随着短长轴比的增大，短长轴方向破片速度差值逐渐减小。然而，不同起爆方式下椭圆截面战斗部最大速度截面上破片速度平均值存在明显差异，具体表现为端面起爆时的破片径向平均速度最高，单点起爆最低，且随着起爆点数量的增加，最大速度截面上的破片的整体平均速度逐渐增大。在轴向方向，受端面稀疏波的影响，不同方位角最大破片速度均出现在靠近非起爆端1/4处，且起爆点在短轴轴线上相较于在长轴轴线上会提高靠近起爆端长轴方向的破片速度，但短轴方向沿轴向的破片速度分布无明显差异。此外，不同起爆方式对椭圆截面装药爆炸能量输出特性无明显影响，其中27%的装药能量转化为壳体动能，有50%的能量被壳体断裂变形以及空气冲击波消耗。
专题：第14届爆炸力学会议论文 | 覆土真空爆炸容器内部载荷及动态响应分析

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 覆土真空爆炸容器内部载荷及动态响应分析

摘要：为了研制超大型真空爆炸焊接容器，探索覆土真空爆炸容器内的冲击载荷及结构动态响应，设计了一座可以满足实验需要的0.55m3小型真空爆炸容器，在其内部开展了一系列真空爆炸实验；应用AUTODYN有限元应用程序，对真空爆炸实验进行了数值模拟分析，深入探索了冲击波在容器内部的传播规律、冲击载荷分布状态、结构动态响应以及覆土厚度对平板结构消振作用的影响等问题。实验和数值模拟结果表明：爆炸容器内冲击载荷时程曲线的第2次脉冲峰值明显高于第1次脉冲峰值，且冲击波的叠加和反射总是发生在封盖内壁；随着容器内部真空度的不断下降，冲击载荷的峰值也被明显削弱；容器封盖的动态响应分为阶跃上升、脉冲随动、惯性滞后和静压稳定4个发展阶段；随着真空度的下降以及覆土厚度的增加，爆炸容器的动态响应逐渐被削弱。降低容器内部环境压力和增加覆土厚度均可削减爆炸容器的受迫振动，可为超大型真空爆炸容器的结构设计提供参考。
专题：第14届爆炸力学会议论文 | 典型金属粉末对FAE冲击波效应和热毁伤性能的影响

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 典型金属粉末对FAE冲击波效应和热毁伤性能的影响

摘要：为了探究典型金属粉末对燃料空气炸药（fuelairexplosive，FAE）冲击波效应和热毁伤性能的影响，采用20L球形液体爆炸测试系统并结合比色测温方法，深入研究了不同金属粉种类和含量下环氧丙烷(epoxypropane，PO)的燃爆特性、火焰结构及温度分布特征。实验结果表明：纯环氧丙烷的最佳质量浓度为780g/m3，最大爆燃超压Δpmax=0.799MPa，最大压力上升速率(dp/dt)max=52.438MPa/s。添加Al粉、Ti粉和Mg粉的环氧丙烷最大燃爆超压、最大压力上升速率和最大火焰平均温度均随着金属粉末质量比（I）的增加而增大，而最大压力上升时间的变化趋势则与之相反；最大燃爆超压和最大火焰平均温度的变化规律一致，从大到小依次为：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，且当金属粉的质量比I=40%时，3种固-液混合燃料的Δpmax值相较于纯环氧丙烷分别增加了12.00%、8.41%和11.54%；此外，最大压力上升速率和燃烧速率的变化规律一致，从大到小依次为：Mg/PO、Al/PO、Ti/PO，且当金属粉的质量比I=40%时，3种固-液混合燃料的(dp/dt)max值相较于纯环氧丙烷分别增加了41.91%、39.60%和45.29%。研究结果表明，不同高能金属粉末在改善环氧丙烷燃爆性能方面各有优势，在FAE的配方设计时，应根据毁伤性能指标合理选择金属粉末作为含能添加剂。
爆炸物理 | 强爆炸火球热辐射尺度效应理论和数值研究

爆炸物理 | 强爆炸火球热辐射尺度效应理论和数值研究

摘要：针对火球热辐射双脉冲极值特征问题，基于辐射流体热传导近似模型，理论推导了表征尺度效应的相似参数来界定热辐射极值特征的适用域。选取火球特征尺度和辐射自由程特征尺度差异较大的2类典型问题来验证尺度效应相似参数的有效性，并采用高精度Euler辐射流体计算程序来模拟火球热辐射对尺度效应相似参数的依赖性。理论和数值模拟结果表明：尺度效应相似参数能较好地描述不同条件下的火球热辐射演化规律，并可扩展到实验分析中；仅依靠爆炸高度来表征火球演化中的尺度效应存在一定局限性。
冲击动力学 | 高强钢弹体高速侵彻混凝土靶的刚体临界侵彻速度研究

冲击动力学 | 高强钢弹体高速侵彻混凝土靶的刚体临界侵彻速度研究

摘要：刚体临界侵彻速度的理论准确预测是高强钢弹体高速侵彻混凝土靶研究中的关键问题，本文中利用二级轻气炮开展了克级高强钢（G50）卵形头长杆弹以1010～1660m/s的速度侵彻C40混凝土靶实验研究，获取了刚体临界侵彻速度和侵彻深度实验数据，并开展了刚体临界侵彻速度和考虑弹体头部磨蚀的侵彻深度理论分析，得到结论如下：(1)克级G50卵形头长杆弹侵彻C40混凝土靶时的刚体临界侵彻速度区间为1320～1520m/s；(2)基于已有侵彻模型，建立了新的刚体临界侵彻速度理论模型，模型计算结果与本文及文献中的系列实验结果吻合较好；(3)建立了考虑头部侵蚀的侵彻深度模型，与实验结果吻合较好；(4)弹体屈服强度对刚体临界侵彻速度有显著影响，靶体无围压抗压强度对刚体临界侵彻速度有较小影响，实验前的弹体头形系数和弹体尺寸对刚体临界侵彻速度无显著影响。
冲击动力学 | 弹体材料性能对超高速侵彻深度的影响规律

冲击动力学 | 弹体材料性能对超高速侵彻深度的影响规律

摘要：为研究弹体材料参数（主要指屈服强度、韧性等）对超高速侵彻混凝土靶侵彻深度的影响规律，开展了不同材料性能的93W合金柱形弹以2300～3600m/s的速度侵彻混凝土靶实验，得到了不同材料性能弹体的侵彻深度和残余弹体长度实验数据，并结合已有文献中的实验结果以及数值模拟方法，分析了材料参数对侵彻深度、残余弹体长度的影响规律。得到的结论如下：(1)如果弹体材料的韧性增强而强度不变，残余弹体特征参数并未显著改变，侵彻深度无显著变化，侵彻深度极大值对应的弹速也无显著变化；(2)如果弹体材料的强度提高而韧性不变，则弹体抵抗侵蚀的能力提升，使弹体残余长度增加，侵彻阶段的临界转变速度增加，进而使刚体侵彻深度和总侵深增加，同时使弹体侵彻深度极大值对应的侵彻速度提高。
应用爆炸力学 | 水下爆炸载荷下柔性支撑板架结构防护效能快速预报与优化方法

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摘要：为实现柔性支撑板架结构在水下爆炸下防护效能的快速评估和设计优化，基于高置信度仿真，建立了水下爆炸作用下柔性支撑板架防护效能的评估方法并开展试验验证。采用验证后的高置信度仿真方法生成样本工况数据，并通过径向基神经网络模型构建能快速评估柔性支撑板架结构防护效能的代理模型。结合多岛遗传算法对建立的代理模型进行防护结构高防护效能和轻量化的多目标优化并获取最优结构参数。建立的快速预报与优化方法可以为相关的结构设计优化提供重要的技术支撑。

爆炸与冲击

目录

封面文章 | 基于超材料的动态压剪复合加载实验新技术

封面文章 | 基于超材料的动态压剪复合加载实验新技术

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 连续纤维增强高孔隙复合材料的抗侵彻性能研究

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 连续纤维增强高孔隙复合材料的抗侵彻性能研究

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 基于SHPB试验的碳纳米管增强混凝土动态压缩行为研究

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 基于SHPB试验的碳纳米管增强混凝土动态压缩行为研究

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 不同风化程度花岗岩的动态力学特性及抗侵彻性能

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 不同风化程度花岗岩的动态力学特性及抗侵彻性能

专题：第14届爆炸力学会议论文 | 二次爆炸作用下钢筋混凝土梁动力响应的数值模拟

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专题：第14届爆炸力学会议论文 | 聚脲加固配筋砌体墙抗燃气爆炸动态响应的数值模拟分析

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专题：第14届爆炸力学会议论文 | 起爆方式对椭圆截面战斗部破片速度分布的影响

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专题：第14届爆炸力学会议论文 | 覆土真空爆炸容器内部载荷及动态响应分析

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专题：第14届爆炸力学会议论文 | 典型金属粉末对FAE冲击波效应和热毁伤性能的影响

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爆炸物理 | 强爆炸火球热辐射尺度效应理论和数值研究

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冲击动力学 | 高强钢弹体高速侵彻混凝土靶的刚体临界侵彻速度研究

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冲击动力学 | 弹体材料性能对超高速侵彻深度的影响规律

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应用爆炸力学 | 水下爆炸载荷下柔性支撑板架结构防护效能快速预报与优化方法

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