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爆炸与冲击

爆炸与冲击

2024年08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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| 波动传播简介

| 波动传播简介

DOI：10.11883/bzycj-2024-0233 爆炸/冲击碰撞问题极为严峻，防护材料与结构不断推陈出新，材料非均匀性、非连续性对传统的波传播理论提出了全新的挑战，亟需认识新材料/结构在强动载荷作用下的波传播特性，发展计及材料非线性、界面非线性影响的波传播理论，以指导高强韧防护材料设计和应用，全面提升装备防护性能，促进深海、深空、深地、国防和民用等相关领域的发展。波动是一个物质运动形
| 专刊主编简介

| 专刊主编简介

郑志军，中国科学技术大学近代力学系副教授，博士生导师。中国力学学会爆炸力学专业委员会委员、《爆炸与冲击》编委会编委。长期从事冲击动力学、材料力学行为与设计、接触力学和微纳米力学等领域的研究工作，并承担研究生课程《高等应用数学》和本科生课程《统计热力学》的教学工作。在Adv .Mater.（ 2 篇）、J. Mech. Phys. Solids（ 4 篇）、Int. J. ImpactEng.（
研究综述 | 梯度多胞材料的动态力学性能分析与设计研究综述

研究综述 | 梯度多胞材料的动态力学性能分析与设计研究综述

多胞材料是一种内部含有大量空穴和胞元的结构，具有轻质、高比吸能等特性，广泛应用于航空航天、交通运输和人体防护等碰撞/爆炸防护领域。引入梯度设计可实现多胞材料的有序耗能和载荷调控，满足不同情形和工况下的防护需求。对梯度多胞材料动态力学行为和设计的研究进展进行了综述，着重介绍了梯度多胞材料/结构在抗冲击、抗爆炸和模拟爆炸载荷加载3 个方面的应用案例。首先，介绍了梯度多胞材料的分类，较系统地总结了梯度多胞材料在动态加载下的变形特征、冲击波模型、防护性能等方面的研究，阐明了梯度多胞材料的密度/强度梯度与惯性效应存在的竞争机制。其次，以冲击波模型为力学原理指导梯度多胞材料/结构设计，介绍了梯度多胞材料耐撞性反向设计、多种抗爆炸夹芯结构设计、计及弹靶耦合效应的爆炸载荷模拟器设计等策略，实现了最佳防护效果或载荷精准控制，为抗冲击/抗爆炸防护设计和快速评估提供理论基础和技术支撑。最后，展望了梯度多胞材料在极端环境加载、大能量冲击和强非线性载荷调控等需求下冲击防护领域的应用前景。
波动理论 | 幂律梯度材料的热弛豫响应行为

波动理论 | 幂律梯度材料的热弛豫响应行为

梯度材料热弛豫响应行为的理论研究对于热分析具有重要意义。结合Cattaneo-Vernotte 线性双曲型热传导方程，推导得到幂律梯度材料的一维双曲型非傅里叶热传导方程。通过积分变换法，解得频域内温度场的贝塞尔级数形式解，随后利用极点留数法，得到时间域内温度场的第一类解析解。在第一类解析解的基础上，由简化欧拉方程解得第二类解析解。结合拉普拉斯数值逆变换方法，验证了解析解的准确性。以高温阻热梯度材料Mo-ZrC 的应用为例，讨论了一般温度边界条件以及温度脉冲载荷作用下幂律梯度材料的热弛豫响应行为。分析发现，在所研究范围内温度场具备波动和传导衰减的双重特性。响应时间和温度幅值随着热弛豫时间系数的增大而增大，温度场分布和单元波形与梯度结构相关。
波动理论 | 岩石界面的动态剪切扩散行为

波动理论 | 岩石界面的动态剪切扩散行为

动载荷下剪切失稳控制的扩散行为是岩石局部大变形发展和宏观力学性能劣化的诱因。基于广义变分原理建立剪切载荷作用下界面动态失稳的力学模型，得到了关于界面失稳的判别式和扩散方程。基于判别方程得到了剪切力和动力效应对失稳界面角度的影响，结果表明：随着外部剪切作用力的增大，剪切变形带角度有一定程度的增大；随着局部动力系数的增大，即局部惯性作用力的增大，剪切带角度明显减小。结合本征位移求解扩散方程，初步得到其位移解析表达式，位移随加载时间的增加逐渐增大。为了验证理论模型的可靠性，并进一步研究界面失稳的变形行为和对波传播的影响，建立了数值分析模型。分析结果表明：界面失稳为局部剪切破坏滑移的先导条件；界面厚度和剪切力越大，局部位移越大；界面剪切扩散行为极大降低了透射波的幅值，同时也改变了透射波的频率。研究结果可为岩石局部化变形、岩石动态强度等研究提供理论参考。
波动理论 | 反平面线源荷载作用下浅埋圆形非完全粘结隧道动力响应研究　

波动理论 | 反平面线源荷载作用下浅埋圆形非完全粘结隧道动力响应研究　

为加深理解波源距离和非完全粘结对地震波散射的影响规律，结合位移不连续模型、波函数展开法、Graf 公式和镜像方法推导了反平面线源荷载下浅埋圆形非完全粘结隧道动力响应的级数解，并通过衬砌内外边界条件残余量与级数解截断项数的关系校验了该解的精度。通过对该级数解进行参数分析，系统地探讨了衬砌与围岩的接触刚度、衬砌模量、衬砌厚度、隧道埋深和波源距离等因素对衬砌内表面位移和周向剪应力的影响。结果表明：衬砌与围岩的接触刚度对隧道的动力响应具有显著的影响，尤其在某些较小接触刚度情况下隧道动力响应幅值可能非常大；增大衬砌模量会减小位移，但同时会导致周向剪应力增加；增大衬砌厚度能同时减小位移和周向剪应力；增大隧道埋深会使最大位移和周向剪应力向隧道拱顶附近移动；增大线源与隧道的水平距离会使隧道背波侧相对幅值增大。
波动模拟 | 一维理想弹塑性体的SPH-HLLC耦合算法

波动模拟 | 一维理想弹塑性体的SPH-HLLC耦合算法

通过弹塑性波分析求得HLLC（ Harten-Lax-van Leer-contact）近似黎曼解，提出了SPH（ smoothed particlehydrodynamics）与一维理想弹塑性体模型下近似的HLLC 黎曼求解器耦合的一种构造简单的算法。在SPH 计算中，支持域内每个粒子对都存在一个黎曼间断问题，它的黎曼解被代入控制方程中计算。其中一维理想弹塑性体的HLLC 近似黎曼解的思想是：先假设整体处于弹性状态计算黎曼解，然后对计算结果进行塑性条件修正，最后用修正后的物理变量计算HLLC 近似黎曼解。将提出的SPH-HLLC 耦合算法与传统SPH 算法在一维算例下的计算结果进行对比，结果表明，该算法能有效模拟一维理想弹塑性体材料的碰撞，并能有效抑制在不同材料之间的压强和偏应力震荡，这是传统SPH 方法很难做到的。
波动模拟 | 中口径多环境枪弹致伤效应研究

波动模拟 | 中口径多环境枪弹致伤效应研究

为探究跨介质枪弹的致伤威力，选用明胶为人体模拟靶标，借助LS-DYNA 软件对设计的7.62 mm 多环境枪弹侵彻模拟靶标过程进行了数值模拟，分析了弹头的运动规律和靶标空腔的变化特性，通过三自由度刚体运动模型，获得了弹头运动的理论曲线。采用多参数同步测量技术，开展了枪弹侵彻靶标实验。结果表明，数值模拟与实验现象一致，较好地再现了多环境枪弹侵彻靶标的过程和致伤效果。理论模型与实验结果误差较小，能准确预测枪弹在靶标中的运动规律。空化槽结构提高了枪弹跨介质运动的稳定性，相较传统的56 式7.62 mm 普通弹，多环境枪弹在靶标中稳定飞行时间长、距离远、速度衰减慢，翻滚阶段出靶角度小，最大空腔、永久空腔和能量传递效率基本一致，具有一定的致伤效果。研究成果可为新型轻武器弹药优化设计提供数据支撑。
波动模拟 | 长脉宽爆炸波与圆柱壳作用的波系演化与载荷分布特征

波动模拟 | 长脉宽爆炸波与圆柱壳作用的波系演化与载荷分布特征

长脉宽爆炸波与结构作用的波传播及其载荷分布规律是大型爆炸防护设计与安全评估的重要基础。为了掌握长脉宽爆炸波与圆柱壳的相互作用机制及其作用下圆柱壳表面的载荷分布规律，开展了100 ms 级冲击波圆柱绕流的激波管试验，并采用大涡模拟方法和高阶WENO-TCD（ weighted essentially non-oscillatory-tuned centered difference）混合格式进一步对150 ms 长脉宽冲击波与圆柱作用过程的波系演化与压力分布进行了数值分析。结果表明：数值仿真与压力实测结果吻合较好，长脉宽作用下圆柱壳载荷分布呈现出明显的角度和高度相关性，背面压力高于侧面甚至与迎爆面相当，具有不同于传统短脉宽冲击波传播中的压力衰减模式。流场的压力云纹和波系三维结构演化揭示了侧端面的突然扩张是压力初期震荡及相比于正面和背面压力更低的主要原因；系列绕射激波在壳体背面碰撞与反射，以及序列减速激波在135°相位附近的驻定与叠加作用，是引起背面压力呈现出载荷整体提升的主要机制。此外，背风面上尾涡结构的形成与演化过程受边界效应的影响是导致长脉宽圆柱壳载荷分布沿高度方向出现差异的关键因素。
波动实验与测试 | 夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析(Ⅰ)：典型加载波的透反射

波动实验与测试 | 夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析(Ⅰ)：典型加载波的透反射

准确地剖析反射波与透射波的形成过程与影响机理是SHPB（ split Hopkinson pressure bar）精细化试验设计与精准数据处理的核心前提之一。针对夹心杆系统，分析矩形、梯形与半正弦三种典型入射波加载阶段系统中一维弹塑性波的传播与演化，定量研究试件中弹塑性波的传播、两个界面上弹塑性的透反射及其系列透反射波的相互作用影响。结果表明：首先，弹塑性波特别是应力波在弹塑性交界面上的透反射中占主要地位，纯弹性波的透反射与传播反而影响较小；其次，当入射波加载区间有一定的宽度时，杆2中弹性波在两个界面上的多次透反射对反射波造成衰减的同时对透射波进一步强化，这种衰减使得半正弦波对应的反射波峰值并不是在0.5个无量纲时间时，而是有所提前；第三，与传统SHPB分析中弹性波在界面上透反射的初步规律不同，无论是矩形波、梯形波还是半正弦波入射时，试件材料的杨氏模量与密度改变虽然明显影响其弹性波的阻抗比，但对透反射波波形及其峰值强度影响并不明显。研究结果可为SHPB的精细化设计与数据的精准分析提供科学依据。
波动实验与测试 | 夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析（Ⅱ）：弹塑性交界面与平台段反射衰减

波动实验与测试 | 夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析（Ⅱ）：弹塑性交界面与平台段反射衰减

相对于入射波加载阶段透反射分析过程，入射波平台段持续时间长且弹塑性传播与演化行为复杂得多，此阶段试件内弹塑性波相互作用的影响非常明显。开展了矩形入射波作用下试件内弹塑性波的相互作用及其在两个界面上的弹塑性透反射行为计算，定量研究了夹心杆系统中反射波的衰减特征。结果表明：强入射波作用下，由于弹塑性波相互作用，试件内形成了曲线型弹塑性交界面，使透射端达到屈服状态的时间明显提前，该弹塑性交界面以大于弹性声速的速度向反射端变速传播；在塑性阶段，反射波的衰减是试件截面积增大引起的广义波阻抗增大和压缩引起的塑性波往返次数增加两个方面导致的衰减量之和。计算显示，试件的密度变化虽然明显影响其波速和广义波阻抗，但两个方面引起的衰减量之和正好接近于零，使得密度变化对透反射波平台段变化的影响可以忽略；塑性模量的增大使得反射波在平台端衰减更快，而试件直径对反射波衰减速度的影响并不是单调的，从4 mm 增大到10 mm，反射波衰减速度增大，但增大到12 mm 后衰减量反而有所减小。研究结果可为分离式Hopkinson 压杆试验透反射波形的深入分析以及精细化试验设计与数据处理提供参考。
波动实验与测试 | 循环冲击作用下冻融红砂岩动力学特性与损伤机理

波动实验与测试 | 循环冲击作用下冻融红砂岩动力学特性与损伤机理

为探索循环动力扰动作用下冻融岩体的强度和变形特性及损伤机理，开展了两种冲击气压下冻融红砂岩的循环冲击试验，研究了循环冲击次数和冻融次数对应力波传播、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响规律；基于Lemaitre 应变等效原理，提出了能够综合考虑循环冲击和冻融影响的累积损伤因子的计算方法，分析了冻融和循环冲击作用后红砂岩的微观结构特征。结果表明：循环冲击荷载下不同冻融次数处理后的红砂岩试样均呈拉伸破坏模式；红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融次数呈负相关，冻融75 次后试样在首次冲击后即达到破坏状态；循环冲击次数主要影响透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅以及反射波的振幅，而冻融循环次数对第一次冲击时透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大；红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力呈现较好的负相关变化规律；冻融和循环冲击复合作用后红砂岩内部裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络。
波动实验与测试 | 水下爆炸冲击波和气泡行为自由面效应的实验研究

波动实验与测试 | 水下爆炸冲击波和气泡行为自由面效应的实验研究

为研究自由面对水下爆炸冲击波、气泡行为和由气泡与自由面强耦合作用形成水幕的影响，设计了小当量PETN 球形装药近水面水下爆炸实验系统，开展了5 种典型工况水下爆炸实验，采用高速相机和压力传感器分别获取了气泡和水幕形态演变过程、水中测点压力时间历程。根据冲击波、气泡时序特征分别分析了其自由面效应，冲击波主要变现为截断效应，气泡与自由面相互作用表现为复杂的气泡形态演化和水幕生成及演化，通过高速图像结合压力时间历程分析，进一步从气泡水平半径、中心偏移位移和水幕最大高度定量分析气泡自由面效应。结果表明：随着爆深的减小，水面反射波程差减小，自由面对冲击波的截断效应增强，即冲击波正压作用时间减小，实测截断时间差与计算时间差的最大偏差为6.81%；随着比例爆深减小，自由面效应加剧，气泡和水幕形态趋于复杂化；气泡由球形演变为卵形以及更加复杂的形态，水幕由单一的水冢，逐渐转变为水冢-顶端飞溅水柱、水冢-垂直喷射水柱-水射流等复杂形态；气泡水平半径从第2 个脉动周期不再保持脉动特征过渡到第1 个脉动周期，甚至到第1 次气泡膨胀阶段；气泡水平半径中心偏移位移呈现出两段式变化规律，在前期偏移位移快速增加阶段（偏移位移范围0～20 mm），4 种比例爆深偏移位移呈现出近似线性变化规律，线性系数相近。
波动实验与测试 | 基于压力-冲量曲线的水下爆炸压力-时间公式

波动实验与测试 | 基于压力-冲量曲线的水下爆炸压力-时间公式

根据材料受冲击载荷时的压力-冲量函数，推导得到了适用于水下爆炸冲击载荷的压力时程公式。通过水下爆炸实验方法测量不同药量、不同距离的压力时程曲线，使用MATLAB 软件对实验数据进行拟合，由此计算冲击波冲量和能量参数，并与通用的Cole 与Орленко理论计算结果进行对比，验证拟合曲线的准确性。相较于Cole 和Орленко理论，新方法得到的压力衰减曲线更接近实验值。计算水下爆炸冲击波的比冲量和比冲击波能时，新模型具有较高的计算精度，其中：比冲量与实验值的误差不超过4%，与Орленко理论相比，精度提高了5%～10%；比冲击波能与实验值的误差不超过1%，计算精度与通用理论相当。

爆炸与冲击

目录

| 波动传播简介

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| 专刊主编简介

| 专刊主编简介

研究综述 | 梯度多胞材料的动态力学性能分析与设计研究综述

研究综述 | 梯度多胞材料的动态力学性能分析与设计研究综述

波动理论 | 幂律梯度材料的热弛豫响应行为

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波动理论 | 岩石界面的动态剪切扩散行为

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波动理论 | 反平面线源荷载作用下浅埋圆形非完全粘结隧道动力响应研究

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波动模拟 | 一维理想弹塑性体的SPH-HLLC耦合算法

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波动模拟 | 中口径多环境枪弹致伤效应研究

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波动模拟 | 长脉宽爆炸波与圆柱壳作用的波系演化与载荷分布特征

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波动实验与测试 | 夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析(Ⅰ)：典型加载波的透反射

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波动实验与测试 | 夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析（Ⅱ）：弹塑性交界面与平台段反射衰减

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波动实验与测试 | 循环冲击作用下冻融红砂岩动力学特性与损伤机理

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波动实验与测试 | 水下爆炸冲击波和气泡行为自由面效应的实验研究

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波动实验与测试 | 基于压力-冲量曲线的水下爆炸压力-时间公式

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波动理论 | 反平面线源荷载作用下浅埋圆形非完全粘结隧道动力响应研究　

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