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爆炸与冲击

爆炸与冲击

2024年04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 | 多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE 复合结构的抗侵彻性能

封面文章 | 多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE 复合结构的抗侵彻性能

陶瓷/纤维复合装甲的纤维背板由于其刚度较低，无法为陶瓷面板提供足够的支撑，削弱了陶瓷面板对弹丸的侵蚀作用。为了增强复合装甲的整体结构刚度，在陶瓷/纤维复合装甲中加入了金属夹芯层材料，通过试验和数值模拟研究了夹芯复合装甲对12.7 mm 穿燃弹的抗弹性能。试验结果表明，穿燃弹弹芯表现出脆性断裂的失效模式，复合材料装甲表现出多种失效模式，包括夹芯层的花瓣形扩孔， UHMWPE (ultra-high molecular weight polyethylene) 层压板的分层和凸起变形。建立了三维数值模型来分析整个弹道响应的演变，通过试验结果验证了模拟的准确性。模拟结果表明，12.7 mm 穿燃弹的被甲会对陶瓷造成损伤，同时陶瓷会侵蚀弹芯的尖卵形头部，使弹芯头部变钝从而削弱弹芯对UHMWPE 背板的侵彻能力。残余弹体的动能大部分由UHMWPE 层吸收，UHMWPE 层压板的失效模式会随着层数的增加由剪切失效转变为拉伸失效占主导地位。此外，作为夹芯层的多孔TC4 板能够为陶瓷面板提供支撑，提高陶瓷面板的吸能效果以及弹体的侵蚀作用，并且12 mm 孔径的TC4 夹芯层能够提供更大的刚度支撑，使整体复合结构的吸能效率提升10%。
冲击动力学 | 冲击载荷作用下钽电容的电压瞬变特性及微观机理

冲击动力学 | 冲击载荷作用下钽电容的电压瞬变特性及微观机理

为探究钽电容在冲击载荷作用下的失效机制，设计并开展了5 组不同强度的钽电容水下爆炸冲击实验，研究了冲击载荷作用下钽电容的电压瞬变特性，通过漏电、充电电流变化分析了钽电容的失效模式，利用扫描电镜观察钽电容的微观结构，讨论了冲击载荷作用下钽电容的失效机理。结果表明：钽电容受冲击后发生短路失效，电压大幅度降低，在自愈完成后电压缓慢上升。随着冲击波超压的增大，钽电容失效的概率增大，钽电容失效的临界超压约为32 MPa。不同类型的电压变化对应不同的失效模式，包括击穿后瞬间自愈、击穿后缓慢自愈和多次击穿自愈。不同类型电压变化的初始漏电电流峰值有较大差别，Ⅰ类电流峰值为2.5～5 A，Ⅱ类为1～2 A，Ⅲ类为8～9 A，且峰值越大，峰宽越小。冲击载荷作用下钽电容的微观失效机理与其氧化膜的瑕疵相关，机理包括氧化膜中微裂缝扩展使得局部电场强度超过击穿场强造成击穿、氧化膜较薄区域下方的杂质及晶态膜突出形成导电通道、贯穿型裂缝形成后气体电离导致的击穿。
冲击动力学 | 墨鱼骨结构的力学行为及其应变率效应

冲击动力学 | 墨鱼骨结构的力学行为及其应变率效应

墨鱼骨是一种墨鱼内部产生的生物矿化壳，通过调节壳内的气液比从而实现墨鱼的深浅浮动，同时满足轻质和高刚度的力学特性，使墨鱼能够很好地适应深海环境，所以墨鱼骨是一种典型的高比刚度的多孔材料。为探究墨鱼骨结构的力学性能，通过Instron 材料试验机和分离式Hopkinson 压杆实验装置，对墨鱼骨在不同加载应变率下的力学行为进行研究。研究结果表明，墨鱼骨在准静态加载下，其应力-应变曲线呈现典型的三阶段变化模式，即弹性段、平台段和压实段，具有很好地吸能缓冲作用；随着加载应变率的提高，墨鱼骨的初始压溃应力和平台应力也随之增加，表明墨鱼骨材料对加载应变率存在很强的敏感性。进一步分析不同生长方向的墨鱼骨在准静态压缩下的力学行为，结果表明随着生长方向的增加，墨鱼骨结构的刚度和吸能性能都得到了弱化，从而揭示了墨鱼骨材料压缩行为的各项异性。
冲击动力学 | 多折角梯形台面折纸夹层结构的冲击防护性能

冲击动力学 | 多折角梯形台面折纸夹层结构的冲击防护性能

多折角梯形台面折纸（truncated square pyramid, TSP）作为新型折叠结构，具有良好的抗冲击、能量吸收特性并具有模块化易加工的特点。基于此结构模块化形成了单层以及多层夹层板，利用空气炮试验装置研究了背板无支撑的夹层结构以及覆层结构，在不同冲击工况、边界条件下结构的冲击防护性能以及吸能特性。通过测量、对比单层夹层结构的位移时程及冲击后的失效模式，对抗冲击性能进行了评估。利用装于背板的多点压力传感器装置，测量冲击作用下覆层结构对背板不同位置的传递力时程，研究不同工况下的缓冲性能。对于背板无支撑夹层工况，背板的残余位移随冲击速度的增大而增大。对于覆层工况，双层覆层有较好的能量吸收和抗冲击性能，相比于单层表现出更充分的芯层利用率。此外，冲击位置通过改变模块单元的变形模式对覆层结构动态响应产生显著影响，尤其影响传递力峰值和峰值出现时间。研究结果可为TSP 防护结构的工程设计和应用提供参考。
冲击动力学 | 循环冲击下大理岩的损伤力学行为及能量耗散特性

冲击动力学 | 循环冲击下大理岩的损伤力学行为及能量耗散特性

为了研究循环冲击荷载作用下大理岩的动态力学行为和能量耗散特性，首先采用分离式霍普金森压杆，通过试冲法确定出5 种代表性的入射子弹速度，据此完成了大理岩试样的等幅循环冲击试验，并对试样的应力均匀性进行了检验。接着，从应变率时程曲线、应力-应变关系、冲击次数和能量耗散特性等方面对测试数据进行了系统分析。最后，基于能量演化定义损伤变量，探讨了能量耗散与岩样损伤发展之间的关联机制。结果表明：试样应变率时程曲线在低弹速下会出现变化率恒定的平台段，应力-应变曲线在峰后阶段均产生一定的回弹；随着循环次数的增加，试样峰值应力总体减小，而峰值应变、平均应变率和累积比能量吸收值则变化趋势相反，且在临近破坏或开裂前其变化速率呈现突增现象；峰值应力与平均应变率存在明显的线性关系，弹性模量随平均应变率的变化整体上符合指数衰减规律；试样的耗散比能与平均应变率之间呈线性正相关，基于能量耗散定义的损伤变量可以较好地表征该大理岩试样动载下的损伤破坏过程。
冲击动力学 | 柱形装药空中爆炸冲击波荷载研究

冲击动力学 | 柱形装药空中爆炸冲击波荷载研究

受比例距离、装药长径比、起爆方式、方位角、冲击波入射角以及反射面相对位置等多种因素的影响，球形装药空中爆炸冲击波荷载的计算方法不适用于柱形装药。为探究柱形装药空中自由场爆炸冲击波入射和反射荷载，首先，开展柱形TNT 装药单端起爆的空中爆炸试验，并基于显式动力学分析软件AUTODYN 进行数值模拟，通过与试验和规范进行对比，验证了采用的有限元分析方法的适用性。进一步开展考虑比例距离、长径比、起爆方式、方位角和刚性反射等因素的1 000 余组柱形装药空中爆炸工况的数值模拟。基于模拟结果，揭示了柱形装药空中爆炸入射冲击波峰值超压和最大冲量及其形状因子的分布特征，提出峰值超压和最大冲量临界比例距离的判定准则和确定方法，阐明了刚性反射冲击波峰值超压和反射系数的变化规律。最后，提出柱形装药空中爆炸入射和反射冲击波荷载的计算方法，并得到360 余组试验数据的验证。该方法可快速计算作用于建筑结构上的爆炸荷载，并为弹药毁伤效能评估、结构动态响应和破坏分析及其抗爆设计提供参考。
冲击动力学 | 含钢率对GFRP管-钢骨混凝土组合构件抗冲击性能的影响

冲击动力学 | 含钢率对GFRP管-钢骨混凝土组合构件抗冲击性能的影响

为了研究含钢率对GFRP（ glass fiber reinforced polymer）管-钢骨混凝土组合构件抗冲击性能的影响，建立15个组合构件的数值模型，在验证模型正确的基础上，通过分析典型构件的冲击全过程、截面弯矩发展以及破坏时应变分布规律，研究构件在侧向冲击荷载作用下的破坏模式；通过分析构件冲击力时程曲线、侧移时程曲线以及能量变化情况，探究含钢率对不同长细比构件抗冲击性能的影响。结果表明：与未配置钢骨的构件相比， GFRP管-钢骨混凝土构件的抗冲击承载力提高了7%～134%，侧向位移减小了13%～68%。在侧向冲击荷载作用下，构件的破坏模式以弯曲破坏为主，同时伴随着GFRP 管和混凝土冲击区域的局部破坏，抗弯刚度是影响构件抗冲击性能的主要因素之一。构件的抗冲击承载力随着含钢率的增高而提高，随着构件长细比的增大而降低。含钢率相差1.5% 时，截面惯性矩较大的窄翼缘型钢对构件的抗冲击性能更有利。对于长细比大于20的构件，钢骨耗能是组合构件总能耗的主要组成部分。
冲击动力学 | 电磁驱动高速弹丸成型模式与影响因素

冲击动力学 | 电磁驱动高速弹丸成型模式与影响因素

为了研究电磁驱动药型罩形成高速成型弹丸的可行性及弹丸成型特性，基于CQ-7脉冲功率装置，开展了电磁驱动线性药型罩形成弹丸技术实验。结合激光多普勒测速技术，实现了电磁驱动药型罩形成弹丸的速度测量和侵彻铝靶验证。同时，基于流体动力学软件和相应电磁仿真模块，建立了电磁驱动弹丸成型的物理模型和数值模拟方法，模拟了弹丸成型和侵彻铝靶的动力学过程，利用实验结果验证了数值模拟方法的可靠性。在此基础上，研究了等壁厚球缺型药型罩的结构参数以及加载能量对弹丸成型参数的影响规律。结果表明：外曲率半径对弹丸的头部速度影响较小，而头部速度会随壁厚的减小和加载能量的增大显著增加；弹丸的长径比随外曲率半径和壁厚的减小、加载能量的增大呈逐渐增加的趋势。最后，利用数值模拟方法预测并验证了利用电磁驱动技术获得高速度和大质量成型弹丸的可行性。
冲击动力学 | 钨丝/锆基非晶复合材料与93W合金弹芯侵彻靶板的损伤特征

冲击动力学 | 钨丝/锆基非晶复合材料与93W合金弹芯侵彻靶板的损伤特征

为研究钨丝/锆基非晶复合材料(WF/Zr-based bulk metallic glass matrix composite，WF/Zr-MG) 及93W 合金两种弹芯材料对于45 钢靶板的侵彻特征机理与损伤特征，利用上述两种弹芯进行对比开展侵彻试验，在宏观和微观层面对侵彻结果进行分析，其中，宏观定量化表征量采用等效直径进行研究，微观层面利用扫描电镜、光学显微镜、XRD衍射仪与显微维氏硬度仪对靶板的微观形貌、相变及硬度特征进行表征。试验结果表明， WF/Zr-MG 弹芯完全贯穿靶板，而93W 合金弹芯残留于靶板之中，其等效扩孔直径分别为16.7 和18.4 mm，前者较后者低10.18%， WF/Zr-MG 弹芯的穿甲能力高于93W 合金弹芯。在微观角度，WF/Zr-MG 与93W 合金弹芯侵彻后弹坑细晶层晶粒长径比分别为4.5 和7.3，其维氏硬度HV 的峰值分别为249 和287，其中高硬度层宽度分别为10.2 和8.9 mm。前者对应靶板高硬度层更宽的原因是Zr 基非晶合金在侵彻过程中持续释放热量，使其温度影响区较大，因此硬度提升的区域大。侵彻过程中，后者的靶板强度明显高于前者的，其主要原因为WF/Zr-MG 弹芯发生屈曲回流，而93W 合金弹芯产生蘑菇头现象，使得WF/Zr-MG 弹芯对于靶板的挤压变形更小，晶粒拉长效果减弱，硬度峰值提升变小，靶板单位长度的能量损耗小，从而增强WF/Zr-MG 复合材料弹芯的穿甲能力。
应用爆炸力学 | 不耦合装药下岩石爆破块体尺寸的分布特征

应用爆炸力学 | 不耦合装药下岩石爆破块体尺寸的分布特征

通过不同装药结构下立方体红砂岩小型爆破实验，分析了岩石的损伤程度和破坏模式，同时引入三参数极值分布函数量化岩石爆破块体尺寸分布特征。此外，根据岩样R1 的爆破实验结果进行了有限元数值模型验证，基于验证的模型展开了岩石单孔爆破损伤破裂行为的模拟，讨论了径向、轴向不耦合系数和耦合介质对岩石破碎效果的影响。结果表明，三参数极值分布函数可以较好地表征岩石爆破后破碎块体尺寸分布特征，块体平均尺寸随着不耦合系数的减小呈线性降低趋势，且破碎块度趋于均匀。通过比较不同耦合介质装药时岩石内部的能量分布特征和破坏体积发现，水作为耦合介质时，爆炸能量的传递效率最高，其次分别是湿砂和干砂，空气的能量传递效率最低。结合等效波阻法计算的理论应力透射系数可以很好地反映不耦合装药时岩石的破碎程度。
应用爆炸力学 | TA2/AZ31B/2024Al爆炸焊接复合板界面微观结构特征及其动态力学性能

应用爆炸力学 | TA2/AZ31B/2024Al爆炸焊接复合板界面微观结构特征及其动态力学性能

运用平行法爆炸焊接工艺，开展了TA2/AZ31B/2024Al 多层轻质金属板材爆炸焊接实验。通过扫描电镜、电子背散射衍射、分离式霍普金森压杆及三维轮廓扫描等测试技术，对多层爆炸焊接复合板界面微观结构特征、材料物相变化规律、复合板材动态力学性能及材料冲击断口特征开展了系统研究。研究结果表明：焊后多层轻质金属复合板的4 个焊接界面均呈现出爆炸焊接特有的波形结构特征，结合界面处无明显缺陷，总体焊接质量良好。结合界面处晶粒发生细化并形成细晶区，1060Al 过渡层内晶粒组织由于强塑性变形呈现典型的拉长层状晶粒特征，4个结合界面处均出现明显的变形织构与再结晶织构特征。沿X 方向的试样最大动态抗压强度达605 MPa，分层断口界面三维形貌呈现近似水面波纹的独特结构特征。沿Z 方向的试样最大动态抗压强度达390 MPa，断口界面三维形貌呈现明显的纤维状韧性断裂特征。
应用爆炸力学 | 镁铝水滑石抑制聚乙烯粉尘爆炸特性与机理

应用爆炸力学 | 镁铝水滑石抑制聚乙烯粉尘爆炸特性与机理

为寻求新型、清洁、高效的聚乙烯粉尘爆炸抑制剂，将镁铝水滑石用于聚乙烯粉尘爆炸抑制，并从爆炸超压和最低着火温度两方面，分析了镁铝水滑石抑制聚乙烯粉尘爆炸特性，并与氢氧化铝、氢氧化镁进行对比。结果表明，镁铝水滑石对聚乙烯粉尘爆炸超压和最低着火温度的抑制作用均优于氢氧化铝和氢氧化镁。在爆炸超压的抑制方面，在抑制比为2 时，镁铝水滑石可完全抑制聚乙烯粉尘爆炸，而氢氧化铝和氢氧化镁对聚乙烯达到完全抑爆所需的抑制比分别为4 和5。最低着火温度的抑制方面，抑制比为1 时，镁铝水滑石可使聚乙烯粉尘的最低着火温度提高290 ℃，大于氢氧化铝的260 ℃ 和氢氧化镁的250 ℃。此外，结合镁铝水滑石的热解特性及红外光谱，从物理作用和化学作用两个方面对聚乙烯粉尘爆炸的抑制机理进行分析，揭示了阻断爆炸反应的进程。
应用爆炸力学 | 掺氢比例对金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播的影响

应用爆炸力学 | 掺氢比例对金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播的影响

为进一步揭示金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播特征的规律，通过实验研究了掺氢比例对不同孔隙密度金属丝网阻火过程的影响。结果表明：随着掺氢比例的增加，金属丝网的阻火难度加大，金属丝网的阻火效果可由成功转为失败，对火焰传播的影响作用可能从抑制转变为促进；当金属丝网阻火失败时，金属丝网会引起火焰褶皱并导致火焰加速，但郁金香形火焰的首现时间有所延迟；随着掺氢比例的增大，火焰穿过金属丝网后的加速现象更为明显；提高金属丝网孔隙密度可提高金属丝网对掺氢甲烷预混火焰的阻火能力，孔隙密度越大，阻火能力越强；60 mpi 以上金属丝网能够有效淬熄掺氢甲烷预混火焰。

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目录

封面文章 | 多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE 复合结构的抗侵彻性能

封面文章 | 多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE 复合结构的抗侵彻性能

冲击动力学 | 冲击载荷作用下钽电容的电压瞬变特性及微观机理

冲击动力学 | 冲击载荷作用下钽电容的电压瞬变特性及微观机理

冲击动力学 | 墨鱼骨结构的力学行为及其应变率效应

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冲击动力学 | 多折角梯形台面折纸夹层结构的冲击防护性能

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冲击动力学 | 循环冲击下大理岩的损伤力学行为及能量耗散特性

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冲击动力学 | 柱形装药空中爆炸冲击波荷载研究

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冲击动力学 | 含钢率对GFRP管-钢骨混凝土组合构件抗冲击性能的影响

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冲击动力学 | 电磁驱动高速弹丸成型模式与影响因素

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冲击动力学 | 钨丝/锆基非晶复合材料与93W合金弹芯侵彻靶板的损伤特征

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应用爆炸力学 | 不耦合装药下岩石爆破块体尺寸的分布特征

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应用爆炸力学 | TA2/AZ31B/2024Al爆炸焊接复合板界面微观结构特征及其动态力学性能

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应用爆炸力学 | 镁铝水滑石抑制聚乙烯粉尘爆炸特性与机理

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应用爆炸力学 | 掺氢比例对金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播的影响

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