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爆炸与冲击

爆炸与冲击

2024年07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 | 高温下多主元合金的动态变形行为与本构建模

封面文章 | 高温下多主元合金的动态变形行为与本构建模

摘要：为加速多主元合金在航空工业领域的应用，将航空发动机经常面临的高温高应变率耦合环境作为实验条件，在5 种温度下开展了CoCrFeNiMn 多主元合金的动态压缩实验和变形后试样的塑性变形机理微观表征。结果表明：在1 273 K 的高温环境中，多主元合金的动态屈服强度可达200 MPa，表现出较好的耐高温性能；随着动态塑性应变的增加，材料内部出现了晶粒粗化的现象，并且在晶界处具有更高的亚结构孕育
特别约稿与研究综述 | 富氢甲烷的爆燃特性与爆炸抑制研究进展

特别约稿与研究综述 | 富氢甲烷的爆燃特性与爆炸抑制研究进展

摘要：氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，将氢气与天然气混合形成富氢燃料，可为能源结构向可再生和绿色能源转型提供支持，但也带来了更严峻的安全挑战。为系统了解富氢甲烷燃料的应用现状及富氢甲烷燃料的安全利用，通过文献调研，从爆燃火焰特性、爆炸特征参数、爆燃机理以及抑爆材料等方面对富氢甲烷爆燃特性与抑爆研究进行综述和讨论，并分析总结近年来的研究方向。发现随着氢气添加比的增加，火焰固有不稳定性、火焰传播速度和爆炸强度等参数存在不同程度的增强，抑爆材料的抑制效果不断减弱；目前针对多元因素耦合的富氢甲烷爆炸特性研究不足，抑爆剂协同抑爆机理尚未揭示清晰。基于此，对富氢甲烷燃料亟待解决的方向和今后研究重点进行展望，为富氢天然气产业规模化发展的安全问题提供理论依据。
冲击动力学 | 高马赫数激波作用下单模界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

冲击动力学 | 高马赫数激波作用下单模界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

摘要：为了研究高马赫数激波冲击下的单模界面Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性，特别是高马赫数激波带来的热化学非平衡效应的影响，采用基于有限体积方法的二维高温非平衡流动程序，利用自适应非结构网格模拟了空气中高马赫数激波冲击两侧温度不同的单模界面导致的RM不稳定现象。研究中涵盖了轻/重界面和重/轻界面2种情况，涉及的激波马赫数范围分别为6～9和8～11。对比了冻结流、热非平衡流和热化学非平衡流3种气体模式下的流场演化过程，揭示了扰动增长和增长率的变化规律。通过对比扰动增长的线性理论和非线性理论，分析了初始激波马赫数和初始扰动尺度的变化对RM不稳定性的影响，同时讨论了涡量场分布和环量的演化规律。结果表明，与冻结流相比，热化学非平衡流中透射激波、反射波及界面速度明显不同，扰动振幅增长率峰值降低，界面增长率脉动减弱，界面不稳定性增长速度变慢。通过对比多种理论模型和本文的数值模拟结果，发现Zhang-Sohn模型相对于其他模型更适用于高马赫数激波作用下的单模界面RM不稳定性问题。对涡量场的研究发现，有2个较强的涡量生成区域，一个位于界面上，另一个位于透射激波波后，这同低马赫数下涡量主要在界面上生成的结论显著不同。此外，热化学非平衡流中环量的幅值大小低于冻结流中的结果，这与热化学非平衡流中扰动的增长低于冻结流的结论对应。
冲击动力学 | 特定热层温度下入射角对前驱波特性的影响

冲击动力学 | 特定热层温度下入射角对前驱波特性的影响

摘要：空中强爆炸会释放热辐射使地表形成热层，冲击波进入热层后传播速度加快，形成前驱波。冲击波入射角是影响前驱波特性的重要因素，但目前相关工作大多依赖理论推导，实验研究较少。利用爆炸波模拟激波管平台，开展了热层温度为300℃时入射角对前驱波形成影响的研究实验，结合实验构型建立了数值仿真模型，并将实验、数值仿真结果与已有理论结果进行了对比。结果表明：实验获得的前驱波形成临界角范围与理论计算结果一致；入射角越大，前驱波超过马赫杆的距离越大，到时提前越多；前驱波会导致超压峰值减小，且随着入射角的增大，超压峰值减小程度先增大后减小；整体上看，前驱波动压峰值随入射角的增大而增大，当入射角达到一定阈值后，动压峰值增大程度开始在一定范围内波动，这是由气流密度和粒子速度的峰值到时不同所导致的；动压冲量的增大程度随入射角的增大逐渐增大。
冲击动力学 | 大口径锥头弹体高速倾斜入水偏转规律数值模拟

冲击动力学 | 大口径锥头弹体高速倾斜入水偏转规律数值模拟

摘要：结合某大口径锥头弹体高速倾斜入水试验，采用任意拉格朗日-欧拉（arbitraryLagrange-Euler，ALE）流固耦合方法对弹体倾斜入水偏转行为进行数值模拟，研究了弹体以500m/s高速倾斜入水过程中不同受力模式、载荷变化特征以及弹体发生偏转的力学机理，分析了入水角度对弹体偏转规律的影响。结果表明：在俯仰力矩作用下，弹体均发生抬头方向偏转，且偏转速度呈现先增大后减小的趋势，偏转程度在
冲击动力学 | 活性弹丸超高速撞击蜂窝夹芯板双层结构的损伤特性

冲击动力学 | 活性弹丸超高速撞击蜂窝夹芯板双层结构的损伤特性

摘要：为了研究蜂窝夹芯板双层结构在活性弹超高速撞击下的损伤特性，制备了PTFE（polytetrafluoroethylene）/Al/Cu柱形活性弹丸，利用二级轻气炮对蜂窝夹芯板双层结构靶开展超高速撞击实验，采用超高速摄像机记录了活性弹撞击蜂窝板的碎片云演化过程，分析了蜂窝板的穿孔特性和结构内部各组件的损伤特征；数值模拟了撞击过程，分析了活性弹丸的超高速侵爆效应，获得了碎片云的膨胀运动规律，揭示了活性弹丸冲击-爆轰耦合效应对靶板的损伤机理。结果表明：活性弹丸在蜂窝板上形成较小的入射孔和较大的出射孔，出射孔直径随着撞击速度的提高而增大；蜂窝夹芯板入射孔、出射孔和蜂窝芯穿孔直径随着活性弹体质量的增加而增大，入射孔直径不受蜂窝板厚度和蜂窝芯胞格直径的影响，出射孔和蜂窝芯穿孔直径随着蜂窝板厚度的增大先增大后减小，随着蜂窝芯胞格直径的增大而增大；活性弹产生具有较高膨胀速度的高温碎片云，其膨胀速度随着撞击速度的提高而提高。活性弹的冲击-爆轰耦合效应增大了结构内部组件的毁伤面积。在2～6km/s速度范围内，活性弹在蜂窝板上形成的出射孔直径约为铝合金弹的1.3～1.8倍，碎片云的膨胀速度是铝合金弹的1.8～3.2倍。相较于铝合金弹丸，活性弹丸增大了蜂窝夹芯板双层结构内部和后板的毁伤面积，提高了毁伤效能。
实验技术与数值方法 | 装药过载环境力等效模拟实验技术研究

实验技术与数值方法 | 装药过载环境力等效模拟实验技术研究

摘要：为解决装药安全可靠性能实验成本高、强过载环境测试难度大等瓶颈问题，以等效模拟弹体侵彻钢板时内部装药过载环境力为目标，基于数值模拟方法，设计了装药过载环境力等效模拟实验装置，并开展了等效模拟实验，突破了同时满足加载压力大于1GPa和脉冲宽度大于100μs的技术难点。结果表明，弹丸侵彻钢板时装药受到的过载为正弦波单脉冲。在装置中采用波形调整器不仅能够调控加载到待测药表面的波形，还能对压力的衰减产生大幅影响。随着波形调整器厚度的增大，加载在待测药表面的压力逐渐减小，脉冲宽度显著增大；随着飞片厚度增大，飞片获得的驱动速度逐渐减小，加载在待测药表面的压力明显减小，脉冲宽度变化不明显。装药过载环境力模拟装置形成的脉冲特征值与弹丸侵彻钢靶过程的数值模拟结果对比，超压峰值误差最高为5.71%，脉宽误差最高为14.8%，均低于15%，验证了用该装置模拟弹体侵彻钢靶时装药加载状态的等效性。
实验技术与数值方法 | 柱形装药空中运动爆炸冲击波荷载计算模型

实验技术与数值方法 | 柱形装药空中运动爆炸冲击波荷载计算模型

摘要：为预测战斗部的爆炸威力，对柱形装药运动爆炸的入射和反射冲击波峰值超压和最大冲量开展数值仿真研究。首先，基于AUTODYN有限元分析程序提出了“三阶段”装药运动爆炸有限元分析方法，通过与已有静止和运动爆炸试验结果对比，验证了方法的可靠性。然后，考虑装药运动速度、长径比、比例距离、方位角和刚性反射等影响因素，开展了运动爆炸工况下200组柱形装药的数值模拟。结果表明：相较于静爆，动爆冲击波场整体前移，波阵面强度在装药运动方向增强而在反方向减弱，该影响与装药运动速度正相关。最后，针对柱形装药空中自由场运动爆炸和垂直于目标迎爆面运动爆炸的典型工况，分别提出了装药运动爆炸入射和反射冲击波峰值超压以及最大冲量的计算模型。该模型与2种战斗部柱形TNT装药运动爆炸工况的数值模拟结果符合良好，能较好地计算柱形装药空中运动爆炸冲击波荷载。
实验技术与数值方法 | 深部大理岩真三轴力学特性离散元和有限差分耦合分析

实验技术与数值方法 | 深部大理岩真三轴力学特性离散元和有限差分耦合分析

摘要：为了研究深部大理岩的动态力学特性，首先基于离散元PFC(particleflowcode)和有限差分FLAC(fastLagrangiananalysisofcontinua)耦合法，对大理岩的细观参数进行标定。接着，对三维分离式霍普金森压杆（splitHopkinsonpressurebar,SHPB）冲击模拟中的动态应力平衡条件及均匀性假设进行数值验证。最后，对真三轴应力环境下大理岩的应力-应变响应、破碎特征及能量演化机理等问题进行深入分析。结果表明：基于PFC-FLAC耦合理论的真三轴SHPB试验数值结果满足应力均匀性假设，模拟得到的应力-应变曲线与室内试验数据高度一致。峰值应力、峰值应变随着冲击方向上预压（下称“轴向压力”）的增大呈下降趋势。在轴向压力相同时，试样峰值应力增幅随入射应力的提高逐渐变小；当入射应力固定时，轴向压力对试样峰值应力有削弱作用，垂直于冲击方向的侧压则会提升试样的抗压强度。加载过程中声发射事件爆发期整体上发生在应力峰后段，并在此阶段试样内形成较明显的宏观破碎带。在真三轴动态压缩下，大理岩试样主要以拉伸裂纹居多，在总裂纹数中占比超过80%。试样从加载至破坏的过程伴随有能量的变化，达到应力峰值点时试样的应变储能达到极限，之后转化为以耗散能为主、颗粒动能等为辅的能量形式。
应用爆炸力学 | 带剪切销抗爆容器定向泄压特性研究

应用爆炸力学 | 带剪切销抗爆容器定向泄压特性研究

摘要：为优化机载抗爆容器的结构设计并拓展其工程应用，研究了带剪切销抗爆容器的定向泄压特性。利用LS-DYNA软件建立了内爆载荷下带剪切销抗爆容器的数值模型，开展了容器内爆试验，获得了剪切销临界直径，并验证了模型可靠性，阐明了抗爆容器内冲击波的传播与载荷分布规律，分析并讨论了泄压过程中泄压盖的运动规律，建立了不同泄压盖质量下药量与剪切销直径之间的函数关系，探究了剪切销的临界断裂问题。结果表明：100gTNT内爆试验得到剪切销临界直径为22mm，TNT爆炸后冲击波在容器内往复式传播，约3.8ms时泄压盖冲出容器，5.0ms时容器底部残存压力约为0.5MPa；容器底部超压峰值约为144MPa，罐体与泄压盖交汇形成的角隅处超压峰值约为149MPa，且罐体在角隅处产生应变增长效应，角隅处成为新的危险点。剪切销的变形断裂过程会影响泄压盖的运动规律，导致泄压盖速度曲线中出现下降段，剪切销直径越大，下降段持续时间越长。TNT药量与剪切销临界直径呈正比，二者的线性关系不受泄压盖质量的影响。
应用爆炸力学 | 地面爆炸作用下地下综合管廊动力响应的实验研究

应用爆炸力学 | 地面爆炸作用下地下综合管廊动力响应的实验研究

摘要：为研究地下综合管廊结构的抗外部爆炸性能，针对整体现浇管廊和预制节段拼装管廊结构在地面爆炸作用下的动力响应特性和破坏模式开展了野外爆炸实验研究。通过11个工况的野外爆炸实验，观测了现浇管廊和预制节段拼装管廊在不同比例距离爆炸工况下的破坏特征和动力响应，对比分析了现浇管廊和预制节段拼装管廊的抗爆性能。结果表明：在地面爆炸作用下，现浇管廊和预制节段拼装管廊的顶板最终均出现弯剪破坏，整体现浇管廊的抗爆性能总体上优于预制节段拼装管廊。起爆位置对预制节段拼装管廊爆炸响应的影响较大，在节段中心上方起爆时结构损伤最严重。在小比例距离地面爆炸作用下，现浇管廊的损伤区域大于预制节段拼装管廊，预制节段拼装管廊的损伤集中在近爆心下方所在的节段或连接接缝处，节段间可产生较大残余滑移。
应用爆炸力学 | 改性煤矸石-海藻酸钠粉体对管道内甲烷/空气爆炸的抑爆实验

应用爆炸力学 | 改性煤矸石-海藻酸钠粉体对管道内甲烷/空气爆炸的抑爆实验

摘要：以工业固废煤矸石（coalgangue，CG）为原料，通过焙烧、酸碱激发和物理研磨等方法对其进行改性，得到一种表面粗糙、比表面积较大的微孔改性煤矸石（modifiedcoalgangue，MCG）材料。以MCG作为基体，采用机械化学技术（mechanochemicaltechnology，MCT）将一种新型阻燃剂海藻酸钠（sodiumalginate，SA）与MCG进行复配，制备出一种高效、环保、经济的改性煤矸石-海藻酸钠（MCG-SA）粉体抑爆剂。运用热重分析仪、扫描电子显微镜、X射线衍射分别对上述3种粉体进行表征，以确定其热分解特性、微观形貌和晶相成分。在自行搭建实验平台的基础上探究了MCG、SA及MCG-SA复合粉体在不同复配比、不同添加质量条件下对甲烷-空气预混气体的爆炸压力、火焰传播速度等特性参数的影响。研究结果表明：MCG、SA及MCG-SA复合粉体具有良好的抑爆效果，且复合粉体的抑爆能力优于单一粉体。其中，质量为250mg、SA质量分数为50%的复合粉末对甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气爆炸的协同抑制效果最显著，最大爆炸压力和最大火焰传播速度分别降低36.72%和68.93%，最大爆炸压力和最大火焰传播速度的抵达时间分别延长243.36%和171.33%。
应用爆炸力学 | 泄爆条件对管内气粉两相混合体系燃爆特性的影响

应用爆炸力学 | 泄爆条件对管内气粉两相混合体系燃爆特性的影响

摘要：为探究气粉两相混合体系泄爆特性变化规律，以甲烷-硝酸铵为实验介质，利用自行搭建的不锈钢火焰加速管道开展了泄爆口不同静态动作压力（pst）的燃爆实验，着重研究了pst对气粉两相燃爆压力、火焰传播速度和泄爆火焰形态的影响规律。pst由泄爆口阻塞比（θ）和泄爆膜层数（n）决定，θ和n增大的共同作用使pst升高。pst升高将增强管道对气粉和反应产物冲出管外的约束，增大管内流体的黏滞效应，促进管内气粉两相反应，降低未燃气在管外二次爆炸的强度。对爆燃压力进行分析，发现pst从2.97kPa升高至14.64kPa时，爆燃压力时程曲线呈含维稳平台的双峰结构。第一压力峰值从5.48kPa增大至10.20kPa，维稳时间从6ms延长至25ms，第二压力峰值从23.03kPa减小至9.71kPa；pst为16.08和24.12kPa时，破膜前压力多次叠加反射，致使泄爆膜压力时程曲线呈特殊振荡上升的三峰结构。对火焰传播速度进行分析，发现pst升高使火焰的平均传播速度从161.33m/s降低至67.99m/s。对泄爆火焰进行分析，发现当n=2时，θ增大将使泄爆火焰结构由簇状转变为射流状；θ=88.9%时，泄爆火焰呈典型的射流状。θ增大和n增大均使火焰亮度逐渐降低，火焰发光区长度减小，破膜至火焰出现时间间隔和火焰持续时间延长。

爆炸与冲击

目录

封面文章 | 高温下多主元合金的动态变形行为与本构建模

封面文章 | 高温下多主元合金的动态变形行为与本构建模

特别约稿与研究综述 | 富氢甲烷的爆燃特性与爆炸抑制研究进展

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冲击动力学 | 高马赫数激波作用下单模界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

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冲击动力学 | 特定热层温度下入射角对前驱波特性的影响

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冲击动力学 | 大口径锥头弹体高速倾斜入水偏转规律数值模拟

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冲击动力学 | 活性弹丸超高速撞击蜂窝夹芯板双层结构的损伤特性

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实验技术与数值方法 | 装药过载环境力等效模拟实验技术研究

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实验技术与数值方法 | 柱形装药空中运动爆炸冲击波荷载计算模型

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实验技术与数值方法 | 深部大理岩真三轴力学特性离散元和有限差分耦合分析

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应用爆炸力学 | 带剪切销抗爆容器定向泄压特性研究

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应用爆炸力学 | 地面爆炸作用下地下综合管廊动力响应的实验研究

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应用爆炸力学 | 改性煤矸石-海藻酸钠粉体对管道内甲烷/空气爆炸的抑爆实验

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应用爆炸力学 | 泄爆条件对管内气粉两相混合体系燃爆特性的影响

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