兵器科學(xué)與技術(shù)

線性黏彈性球面波的特征線分析

賴華偉，王占江，楊黎明，等

目的：在地震、物理勘探、工程防護(hù)、地下爆炸和工程爆破等實(shí)際問題中常常會(huì)遇到點(diǎn)爆炸或點(diǎn)沖擊載荷，或者在球形腔壁受到爆炸載荷等情況，這時(shí)需要處理的是球面波傳播問題。球面波的傳播特性強(qiáng)烈地依賴于介質(zhì)的材料本構(gòu)關(guān)系，特別是在爆炸/沖擊載荷條件下大多數(shù)材料的動(dòng)態(tài)行為表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。因此，除了對(duì)彈性波傳播進(jìn)行研究外，更要注重黏彈性波傳播的研究，如聚合物、復(fù)合材料和高應(yīng)變率加載下率相關(guān)的脆性介質(zhì)的小斷裂應(yīng)變（如混凝土和巖石）等情形。本文擬用特征線法對(duì)線性黏彈性球面波傳播問題做研究。方法：基于ZWT黏彈性本構(gòu)方程建立線性黏彈性球面波的控制方程組，包含5個(gè)偏微分方程，給定初始-邊界條件解5個(gè)未知量：質(zhì)點(diǎn)速度波、徑向應(yīng)力波、環(huán)向應(yīng)力波、徑向應(yīng)變波和環(huán)向應(yīng)變波。采用特征線法，把5個(gè)偏微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化為解相應(yīng)的常微分方程組，包括3個(gè)特征方程和5個(gè)沿相應(yīng)特征線的特征方程相容關(guān)系。以有機(jī)玻璃PMMA為例，以“突加載荷+指數(shù)衰減載荷”形式的邊界條件解得5個(gè)量的波剖面曲線。該形式的邊界條件特征線數(shù)值模擬得到的質(zhì)點(diǎn)速度波剖面與王占江等對(duì)PMMA中一系列球面波質(zhì)點(diǎn)速度波形的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果在外觀上十分接近。結(jié)果：1）特征線數(shù)值計(jì)算得到的不同球徑處的質(zhì)點(diǎn)速度波、徑向應(yīng)力波、環(huán)向應(yīng)力波、徑向應(yīng)變波和環(huán)向應(yīng)變波，隨著黏彈性球面波的傳播距離增加，波剖面的峰值顯著地衰減。另一個(gè)值得關(guān)注的則是：即使在壓縮邊界條件下，環(huán)向應(yīng)力波在經(jīng)歷短暫的壓縮狀態(tài)后，轉(zhuǎn)變?yōu)橛鷣碛蟮睦鞈?yīng)力；而環(huán)向應(yīng)變波從一開始就進(jìn)入拉伸狀態(tài)，并且隨時(shí)間直線般增大。環(huán)向拉伸應(yīng)力、應(yīng)變的大小是失效分析的關(guān)鍵，特別是對(duì)于脆性材料，一旦最大環(huán)向拉伸應(yīng)力或應(yīng)變值超過材料的臨界拉伸強(qiáng)度，失效將發(fā)生。這也是球面波盡管在壓縮邊界條件下仍然會(huì)發(fā)生拉伸破壞的主要原因。線性黏彈性與線彈性本構(gòu)模型比較分析顯示：本構(gòu)黏性對(duì)球面波的衰減和彌散效應(yīng)尤為顯著，盡管他對(duì)質(zhì)點(diǎn)速度波、徑向應(yīng)變波和環(huán)向應(yīng)變波影響相對(duì)較小。2）給出了新的強(qiáng)間斷線性黏彈性球面波衰減特性的解析表達(dá)式，式子描述了強(qiáng)間斷線性黏彈性球面波的徑向應(yīng)力衰減規(guī)律，其中既有第1項(xiàng)幾何擴(kuò)散效應(yīng)，也有第2項(xiàng)本構(gòu)黏性效應(yīng)影響。其衰減是幾何擴(kuò)散和本構(gòu)黏性兩種效應(yīng)共同作用的結(jié)果。結(jié)論：1）本文基于ZWT黏彈性本構(gòu)方程，克服高應(yīng)變率荷載下的線性粘彈性球面波研究的困難，建立了線性黏彈性球面波的控制方程組。2）采用特征線法，把線性黏彈性球面波控制方程組的5個(gè)偏微分方程求解轉(zhuǎn)化為解沿3族特征線的5個(gè)常微分方程。3）特征線數(shù)值分析顯示，線性黏彈性球面波中黏性對(duì)衰減和彌散影響不可忽略，其程度強(qiáng)于線彈性球面波。雖然加載邊界條件是壓縮的情形，球面波擴(kuò)散引起的環(huán)向拉應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)變是導(dǎo)致介質(zhì)拉伸破壞的主因。4）導(dǎo)出了強(qiáng)間斷線性黏彈性球面波衰減特性的解析表達(dá)式，它是幾何擴(kuò)散效應(yīng)和本構(gòu)黏性效應(yīng)兩者共同作用的結(jié)果。5）本構(gòu)黏性特性和邊界條件中卸載特性明顯影響?zhàn)椥郧蛎娌ǖ膫鞑D像，工程應(yīng)用中應(yīng)重視。

來源出版物：爆炸與沖擊, 2013, 33(1): 42745

入選年份：2014

高反應(yīng)活性納米含能材料的研究進(jìn)展

安亭，趙鳳起，肖立柏

摘要：目的：納米含能材料（nEMs）是指粒徑處于1～100 nm的含能材料，既可以是單質(zhì)含能材料納米晶體，也可以是納米級(jí)的含能復(fù)合物，一般是由金屬/金屬氧化物和（或）無機(jī)/有機(jī)含能材料組分的納米顆粒及基體組成。與普通尺寸的含能材料相比，納米含能材料具有諸多潛在的性能優(yōu)勢(shì)，如改善能量釋放、點(diǎn)火、燃燒（能量轉(zhuǎn)化）效率、感度性能和力學(xué)性能等。因此，納米含能材料代表了含能材料研究與發(fā)展的新領(lǐng)域。nEMs的研究是一個(gè)非常年輕的領(lǐng)域，但目前正處于快速發(fā)展的時(shí)期。本文是為了讓讀者對(duì)納米含能材料的物理化學(xué)特性及其潛在的性能優(yōu)勢(shì)有所了解，詳細(xì)敘述了納米含能材料不同的合成方法和表征手段，簡(jiǎn)要地介紹了納米含能材料的應(yīng)用研究。最后，討論了納米含能材料潛在的研究方向和研究重點(diǎn)，為未來的研究提出了一些建議。方法：本文通過對(duì)這一新興領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外最新發(fā)展的調(diào)研分析，綜述了高反應(yīng)活性納米含能材料的最新研究進(jìn)展，分別介紹了高反應(yīng)活性單分子納米含能材料和高反應(yīng)活性納米復(fù)合含能材料，特別是對(duì)超級(jí)鋁熱劑，即亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合材料（MIC）進(jìn)行評(píng)述。分析了高反應(yīng)活性納米含能材料制備、表征以及應(yīng)用研究中存在的問題，指出了高反應(yīng)活性納米含能材料未來的研究方向及重點(diǎn)，并對(duì)其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)越性進(jìn)行了展望。結(jié)果：高反應(yīng)活性的納米含能材料所追求的目標(biāo)主要是高性能，從而確保武器彈藥具有更高的打擊精度、更高的毀傷效果和更高的使用安全性。從理論上看，含能材料納米化或納米尺度上組裝含能材料，在改善其包括感度、安全性、能量釋放速率及力學(xué)在內(nèi)的一系列性能方面具有很好的前景。綜上所述，過去的10多年中，研究者對(duì)nEMs做了大量研究，在制備和表征等方面取得了一定的成果。綜觀近些年nEMs相關(guān)的研究及所存在的問題，筆者認(rèn)為這一領(lǐng)域今后的研究重點(diǎn)是：1）加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，深入地研究納米含能材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和其生成生長(zhǎng)的機(jī)理，尋求組分與構(gòu)效的關(guān)系、不斷優(yōu)化基礎(chǔ)和感度數(shù)據(jù)的獲得方法；2）開展各類nEMs的制備研究，重點(diǎn)是新型nEMs制備的新工藝研究；3）攻關(guān)并突破粒子控制、干燥、防團(tuán)聚問題及其分散等重點(diǎn)核心技術(shù)，加緊納米含能材料配方的研究，因?yàn)檫@對(duì)于提高武器彈藥性能以及安全可靠性非常重要；4）加強(qiáng)nEMs的長(zhǎng)貯安定性、老化行為、與含能材料各組分間相容性和安定性等綜合性能的研究；5）深入研究nEMs能量釋放過程的反應(yīng)機(jī)理，揭示其與含能材料組分相互作用的本質(zhì)，開展其在含能材料中的應(yīng)用研究。結(jié)論：對(duì)高反應(yīng)活性納米含能材料的研究在國(guó)防科技體系中具有重要的戰(zhàn)略地位，可以預(yù)見其在未來高性能武器裝備系統(tǒng)中的應(yīng)用是國(guó)防科技的重要部分。同時(shí)，發(fā)展納米含能材料科技是未來高科技戰(zhàn)爭(zhēng)之必需，只有通過不斷地開發(fā)新型的納米含能材料，才能最大限度地推動(dòng)納米含能材料科技的進(jìn)一步發(fā)展，而科技的發(fā)展反過來又會(huì)指導(dǎo)引領(lǐng)納米含能材料的拓新。

來源出版物：火炸藥學(xué)報(bào), 2010, 33(3): 55-62，67

入選年份：2014

地磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)誤差分析與補(bǔ)償方法研究

黃學(xué)功，王炅

摘要：地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，是地球系統(tǒng)的基本物理場(chǎng)，具有全天時(shí)、全天候、全地域的特點(diǎn)。高精度、高分辨率地磁信號(hào)檢測(cè)是地磁匹配導(dǎo)航的基礎(chǔ)。然而，地磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)常受許多因素的影響，主要包括：三軸磁傳感器零點(diǎn)漂移引起的誤差、標(biāo)定因數(shù)不一致引起的誤差、三軸磁傳感器相互不正交引起的安裝誤差、三軸磁傳感器周圍軟磁干擾以及硬磁干擾誤差、信號(hào)處理電路本身的誤差等。傳統(tǒng)的干擾磁場(chǎng)抑制和補(bǔ)償方法受各種條件的限制，有的只能校準(zhǔn)硬磁和軟磁干擾。很多方法只能在平面內(nèi)對(duì)二維磁傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，且校準(zhǔn)方法極其復(fù)雜。對(duì)于載體硬磁材料和軟磁材料產(chǎn)生的環(huán)境干擾磁場(chǎng)，分別為硬磁干擾和軟磁干擾。載體上的硬磁材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)是大小和方向恒定不變的矢量，在傳感器周圍可能會(huì)有許多硬磁材料，它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小和方向各不相同，但由于這些硬磁材料和傳感器都是固聯(lián)在載體上的，所以，不論載體姿態(tài)怎樣變化，硬磁材料所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)在磁傳感器三軸的投影分量是不變的，即硬磁干擾所產(chǎn)生的誤差是一個(gè)常值誤差；軟磁材料本身不產(chǎn)生磁場(chǎng)，但它被環(huán)境磁場(chǎng)磁化后將影響其周圍磁場(chǎng)，影響的大小和方向與環(huán)境磁場(chǎng)和軟磁材料屬性有關(guān)。綜合考慮磁傳感器本身誤差以及外部環(huán)境干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的誤差，地磁場(chǎng)真實(shí)值B與磁傳感器測(cè)量值Fm之間的關(guān)系可表示為Fm=CB+O+n，式中C=Cs+Cδ+Cβ，矩陣Cs代表三軸磁傳感器標(biāo)度因數(shù)不一致引起的誤差，轉(zhuǎn)換矩陣Cδ表示正交磁坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系不一致引起的誤差以及測(cè)量坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系不一致引起的誤差，矩陣Cβ表示軟磁材料引起的誤差；矩陣O代表三軸磁傳感器的零偏和硬磁偏差；矩陣n表示采樣或傳感器噪聲誤差，可以采用軟件平均算法濾波，噪聲影響可以忽略不計(jì)。則B=C-1Fm-C-1O=G（Fm-O），式中G=C-1，即實(shí)現(xiàn)磁傳感器含誤差的不準(zhǔn)確的輸出轉(zhuǎn)換為真正地磁場(chǎng)的輸出。BTB=[G（Fm-O）]T[G（Fm-O）]=（Fm）TГFm-2OTГFm+OTГO，該方程是一個(gè)橢球方程，這表明測(cè)量值被限制在一個(gè)橢球軌跡上。在任意空間轉(zhuǎn)動(dòng)地磁信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得出N組地磁測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)用最小二乘估計(jì)法，可以估計(jì)出9個(gè)三軸磁傳感器的誤差修正參數(shù)。為驗(yàn)證橢球擬合校準(zhǔn)方法的有效性，選較空曠地域，首先應(yīng)用高精度三軸磁通門磁測(cè)系統(tǒng)測(cè)量某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度作為該點(diǎn)真實(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。固定地磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)在小型手動(dòng)三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上，使磁測(cè)系統(tǒng)在三維空間任意旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)記錄磁測(cè)系統(tǒng)輸出。試驗(yàn)時(shí)，分別在磁測(cè)系統(tǒng)前、后、左、右人為加上干擾磁場(chǎng)。通過實(shí)驗(yàn)比較，校準(zhǔn)前誤差達(dá)8%，校準(zhǔn)后誤差最大0.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效抑制與補(bǔ)償?shù)卮判盘?hào)檢測(cè)誤差，包括三軸磁傳感器零點(diǎn)漂移引起的誤差、標(biāo)度因數(shù)不一致引起的誤差、三軸磁傳感器相互不正交引起的安裝誤差、三軸磁傳感器周圍軟磁干擾以及硬磁干擾誤差等。橢球擬合校準(zhǔn)算法在三維空間上對(duì)空間磁測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，算法適應(yīng)性強(qiáng)。

來源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2011, 32(1): 33-36

入選年份：2014

定向戰(zhàn)斗部水下爆炸相似性研究

榮吉利，何軒，項(xiàng)大林，等

摘要：考核艦船在水下爆炸沖擊波載荷作用下動(dòng)響應(yīng)最有效的方法是進(jìn)行實(shí)船爆炸實(shí)驗(yàn)，但由于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高，因此無法對(duì)每艘艦船都進(jìn)行水下爆炸實(shí)驗(yàn)以考核其在沖擊波載荷作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，研究水下爆炸相似性問題可以指導(dǎo)并減少水下爆炸實(shí)驗(yàn)的工作量。對(duì)于定向戰(zhàn)斗部，采用8分圓相鄰三線起爆是一種切實(shí)可行的、也能獲得較大的定向能量增益以及較大的定向能量增益區(qū)域的相對(duì)較優(yōu)的定向起爆方案，因此本文針對(duì)8分圓相鄰三線起爆方式來進(jìn)行建模分析。首先通過量綱分析的方法對(duì)圓柱形炸藥進(jìn)行相似性分析，研究并獲得了不同縮比模型與原模型之間爆炸威力場(chǎng)的關(guān)系。對(duì)于采用相同種類的炸藥在水中做小模型實(shí)驗(yàn)，假設(shè)炸藥量Q的縮比比例為Qm=Qp=β3，則只要滿足縮比后的長(zhǎng)徑比k不變，鋁殼厚度變?yōu)閔Al,m=βhAl,p，縮比后爆距Rm=βRp、軸向角度αm=αp、徑向角度Rm=Rp處的峰值壓力與原型中爆距為Rp、軸向角度為αp、徑向角度為Rp處的峰值壓力一樣。之后使用AUTODYN有限元軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。水介質(zhì)使用shock狀態(tài)方程來描述；炸藥使用PBXW-115炸藥，用JWL-Miller能量釋放模型描述。仿真計(jì)算過程中，水域采用3DEuler多物質(zhì)算法，分別建立縮比比例值為1/2、1/3、1/4、1/5的模型來進(jìn)行分析。取主要的增益方向與軸向方向來進(jìn)行分析驗(yàn)證量綱分析所得的相似性規(guī)律，提取兩個(gè)方向上的沖擊波峰值壓力，可知對(duì)于不同縮比比例的各縮比模型，其與原型的偏差基本不超過4.5%，屬于網(wǎng)格劃分等因素造成的誤差，表明在對(duì)應(yīng)位置上各縮比模型與原模型的峰值壓力基本一致，證明了量綱分析結(jié)果的正確性。另外，縮比比例值越小，沖擊波峰值壓力在單位尺度上的變化率越高，這將對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試造成困難，降低實(shí)驗(yàn)精度，因此在實(shí)驗(yàn)中選用縮比模型時(shí)需要綜合各方面因素來考慮。結(jié)果：表明，AUTODYN仿真結(jié)果與量綱分析的結(jié)果一致，即當(dāng)縮比比例值為β時(shí)，在β3倍裝藥量的情況下，在β倍爆距處所產(chǎn)生的峰值壓力與原模型一致，因此，可以使用不同縮比比例的模型來代替原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于定向戰(zhàn)斗部其他起爆方式的相似性與8分圓相鄰三線起爆方式類似，因此該相似理論所揭示的規(guī)律同樣適用于定向戰(zhàn)斗部其他的起爆方式。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于縮比模型與原模型峰值壓力的一致性，理論上講任何縮比比例下都可以模擬原模型的效果，因此縮比比例值越小越節(jié)省費(fèi)用；但實(shí)際上，縮比比例值越小，沖擊波峰值壓力在單位尺度上的變化率越高，這將對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試造成困難，降低實(shí)驗(yàn)精度，而且如果鋁殼厚度太薄，一方面不利于加工制造，另一方面可能會(huì)使鋁殼的強(qiáng)度等參數(shù)發(fā)生變化，因此在實(shí)際縮比實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)合理選擇縮比比例。該研究為使用縮比模型進(jìn)行水下爆炸的實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

來源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2014, 35(9): 1329-1334

入選年份：2014

輕質(zhì)碳材料及其復(fù)合物在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究進(jìn)展

裴江峰，趙鳳起，宋秀鐸，等

摘要：目的：近年來，具有孔隙結(jié)構(gòu)特征的輕質(zhì)碳材料因其較強(qiáng)的吸附能力、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的力學(xué)強(qiáng)度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。在固體火箭推進(jìn)劑中的應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外科研工作者也開展了大量研究。為了使輕質(zhì)碳材料及其復(fù)合物在推進(jìn)劑中得到更好的應(yīng)用，本文對(duì)其在推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。方法：本文從輕質(zhì)碳材料及其復(fù)合物對(duì)固體推進(jìn)劑組分的催化作用、對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的調(diào)節(jié)作用等方面對(duì)碳材料在推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。分析總結(jié)不同輕質(zhì)碳材料對(duì)推進(jìn)劑組分熱分解的不同催化效果及對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)介紹活性炭纖維、石墨等在推進(jìn)劑制造、廢舊推進(jìn)劑處理等方面應(yīng)用的研究，指出今后輕質(zhì)碳材料在固體火箭推進(jìn)劑中應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向。結(jié)果：通過文獻(xiàn)總結(jié)可以看出，輕質(zhì)碳材料及其復(fù)合物在固體火箭推進(jìn)劑中的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：1）對(duì)推進(jìn)劑含能組分的催化作用。利用輕質(zhì)碳材料比表面積大、利于電子轉(zhuǎn)移、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的特性，加速含能材料熱分解反應(yīng)發(fā)生。尤其是具有多層（管、孔）結(jié)構(gòu)的石墨烯、碳納米管等碳材料催化效果更加明顯，將其加入推進(jìn)劑中常用的含能材料，如高氯酸銨（AP）、黑索今（RDX）等，可使含能組分的熱分解峰溫明顯提前、放熱量增大、活化能降低。2）對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒性能調(diào)節(jié)作用。輕質(zhì)碳材料本身為可燃物，可直接作為燃燒催化劑調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的燃燒特性。此外，還可利用其多孔的特性作為載體負(fù)載其他納米金屬化合物，形成復(fù)合燃燒催化劑用于調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃燒性能，尤其是使用碳納米管或石墨烯負(fù)載催化劑后，推進(jìn)劑燃速顯著提高，并且出現(xiàn)平臺(tái)燃燒的性能。這是由于一方面輕質(zhì)碳材料本身促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，另一方面將納米催化劑負(fù)載到碳材料的孔狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)中后，不僅可以防止納米催化劑粒子互相團(tuán)聚，解決分散問題，而且在推進(jìn)劑燃燒時(shí)增加催化活性點(diǎn)，提高催化效果。3）在推進(jìn)劑其他方面的應(yīng)用。利用石墨烯、碳納米管等輕質(zhì)碳材料的空腔結(jié)構(gòu)，將感度較高的含能材料分散于其中，可降低推進(jìn)劑感度。利用膨脹石墨等材料熱穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱性優(yōu)良的特點(diǎn)，制造絕熱層用于推進(jìn)劑燃燒時(shí)的熱防護(hù)。還可利用活性炭、活性碳纖維等強(qiáng)吸附能力，用于推進(jìn)劑回收、提高壽命等方面。結(jié)論：輕質(zhì)碳材料及其復(fù)合物作為燃燒催化劑應(yīng)用于固體火箭推進(jìn)劑的燃燒性能調(diào)節(jié)是目前研究的熱點(diǎn)，也是未來發(fā)展高性能推進(jìn)劑的有效途徑之一，但仍有問題有待解決，今后的研究重點(diǎn)為：1）開展碳納米管、石墨烯等碳材料低成本制造技術(shù)研究；2）開展復(fù)合技術(shù)的優(yōu)化研究或開發(fā)新技術(shù)，以提高復(fù)合物性能穩(wěn)定性，降低批次差異，且附載物含量可控；3）拓展新的碳材料及其復(fù)合物在推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究。

來源出版物：火炸藥學(xué)報(bào), 2014, 36(2): 42741

入選年份：2014

點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉爆炸特性參數(shù)的影響

譚汝媚，張奇，張博

摘要：粉塵濃度和湍流速度對(duì)粉塵爆炸強(qiáng)度以及粉塵爆炸特性參數(shù)的測(cè)試有很大影響。通常對(duì)于給定的揚(yáng)塵裝置，點(diǎn)火延遲時(shí)間常被用來定性地表征點(diǎn)火時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的揚(yáng)塵湍流殘存強(qiáng)度。因此裝置點(diǎn)火延遲時(shí)間的確定直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的適用性。而目前在裝置點(diǎn)火延遲時(shí)間的設(shè)置上標(biāo)準(zhǔn)不一，而且也沒考慮粉塵濃度的影響。本文在5 L圓柱形爆炸裝置中進(jìn)行系列粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)，研究裝置點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)不同濃度粉塵爆炸壓力和壓力上升速率的影響。選用粉塵爆炸中最為嚴(yán)重的鋁粉作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。點(diǎn)火系統(tǒng)采用高壓電極放電，由點(diǎn)火電極和火花發(fā)生器組成，點(diǎn)火能量為22.68 J。通過基于PLC的控制系統(tǒng)控制電磁閥的開啟、噴粉以及點(diǎn)火延遲時(shí)間。吹粉壓力0.6 MPa，電磁閥開啟時(shí)間10 ms。在鋁粉的爆炸濃度范圍內(nèi)選取5組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為200、262、310、500、1000 g/m3，通過改變點(diǎn)火延遲時(shí)間來測(cè)定鋁粉爆炸的最大爆炸壓力。最大爆炸壓力曲線由壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接獲得，進(jìn)而根據(jù)壓力曲線得出相應(yīng)的最大爆炸壓力上升速率。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，可以得出如下規(guī)律：1）在鋁粉爆炸過程中存在一個(gè)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，使得最大爆炸壓力達(dá)到最大。當(dāng)鋁粉濃度為200 g·m-3、262 g·m-3、310 g·m-3、500 g·m-3、1000 g·m-3時(shí)，最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間分別為20 ms、30 ms、60 ms、60 ms、60 ms。2）在500 g·m-3濃度以下，鋁粉在其最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間下得到的最大爆炸壓力和最大壓力上升速率明顯高于固定點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms時(shí)得到的值。3）鋁粉爆炸參數(shù)的變化規(guī)律是：最大爆炸壓力Pmax起初隨著粉塵濃度的增加有較明顯的上升，當(dāng)粉塵濃度高于500 g·m-3以后，Pmax逐漸趨于最大值，并在一定范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定；最大壓力上升速率（dp/dt）max則隨著粉塵濃度的增加而增加。裝置點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)粉塵最大爆炸壓力和最大壓力上升速率有著顯著的影響。顯然裝置內(nèi)粉塵云的分布狀態(tài)，不完全由脈沖氣流的氣相湍流度決定，還與粉塵的濃度有關(guān)，濃度決定著粉塵的分散與沉降，是一個(gè)氣固兩相共同作用的過程，不能僅憑氣相湍流度或單一的粉塵濃度來設(shè)置固定的裝置點(diǎn)火延遲時(shí)間。如果忽略了這種影響，則必然導(dǎo)致測(cè)得的粉塵最大爆炸壓力偏小，這不利于粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)分析，也不利于防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，因此從安全角度考慮，對(duì)于不同濃度的粉塵不應(yīng)采用統(tǒng)一的點(diǎn)火延遲時(shí)間，而應(yīng)找出各自的最佳點(diǎn)。

來源出版物：爆炸與沖擊, 2014, 34(1): 17-22

入選年份：2014

聚乙烯在固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃速影響因素研究

陳雄，成紅剛，周長(zhǎng)省，等

摘要：本文以某大口徑?jīng)_壓增程炮彈用固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制為背景，采用數(shù)值仿真和直連式實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，以聚乙烯（簡(jiǎn)稱PE）為燃料，對(duì)固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中聚乙烯的燃速影響因素進(jìn)行了研究。研究中考慮了空氣質(zhì)量通量和固體燃料內(nèi)徑兩個(gè)因素對(duì)固體燃料燃速的影響，并根據(jù)當(dāng)?shù)厝妓俚膶?shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果分析了無量綱回流區(qū)長(zhǎng)度與突擴(kuò)臺(tái)階高度之間的關(guān)系，研究結(jié)果為SFRJ燃燒室的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。本文數(shù)值仿真以Fluent為計(jì)算平臺(tái)，通過UDF編程計(jì)算固體燃料燃面退移速率，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)各積分方程進(jìn)行離散，湍流模型采用RSM模型，并與非平衡壁面函數(shù)法配合使用，湍流燃燒模型選用渦耗散模型。對(duì)PE燃料固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性進(jìn)行了30次直連式實(shí)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間為25 s，模擬工況為海平面馬赫數(shù)為2.0，來流總壓為0.78 MPa，總溫為540 K。在每次試驗(yàn)結(jié)束后利用兩坐標(biāo)測(cè)量尺對(duì)固體燃料內(nèi)徑沿軸向的變化規(guī)律進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，并通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)而得到當(dāng)?shù)厝济嫱艘扑俾省?shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：1）在Ti=540 K，3.8＜Ga＜7.6 g·s-1·cm-2工況下，PE燃料平均燃速與空氣質(zhì)量通量呈冪函數(shù)遞增關(guān)系，數(shù)值仿真結(jié)果為 r˙∝G0a.52，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為r˙∝G0a.50，變化規(guī)律一致，實(shí)驗(yàn)所得平均燃速大于仿真結(jié)果，最大誤差為8.5%，并且PE聚乙烯平均燃速隨著空氣質(zhì)量通量的增大而增大。原因?yàn)椋S著空氣質(zhì)量通量的增大，藥柱通道內(nèi)氧氣含量增加，燃燒更加充分，燃燒室溫度升高，火焰面與固體燃料表面之間的換熱作用增強(qiáng)，固體燃料表面溫度升高，因而燃面退移速率增大。2）PE燃料平均燃速與固體燃料內(nèi)徑呈冪函數(shù)遞減關(guān)系，數(shù)值仿真結(jié)果為實(shí)驗(yàn)結(jié)果為變化規(guī)律一致，實(shí)驗(yàn)所得燃速均大于仿真結(jié)果，最大誤差為7.8%。隨著固體燃料內(nèi)徑增大，聚乙烯平均燃速逐漸減小。這是因?yàn)椋环矫?，根?jù)前述仿真結(jié)果可見，隨著燃料內(nèi)徑的增大，突擴(kuò)臺(tái)階高度增大，回流區(qū)增長(zhǎng)，火焰面與燃料表面之間的距離增大，降低了火焰面對(duì)燃料表面的傳熱；另一方面，在來流空氣質(zhì)量流率一定的情況下，固體燃料內(nèi)徑增大，燃?xì)馔ǖ罊M截面積增大，引起燃?xì)饬魉俸涂諝赓|(zhì)量通量降低，從而導(dǎo)致燃速減小。3）仿真與實(shí)驗(yàn)所得當(dāng)?shù)厝妓傺剌S向的變化規(guī)律一致。在回流區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)厝妓僦饾u增大；再附著點(diǎn)處，當(dāng)?shù)厝妓龠_(dá)到最大值；再附著點(diǎn)之后，當(dāng)?shù)厝妓僦饾u減小。4）無量綱回流區(qū)長(zhǎng)度與突擴(kuò)臺(tái)階高度呈線性遞增函數(shù)關(guān)系，兩者的關(guān)系數(shù)值仿真結(jié)果為L(zhǎng)r/dp=0.51+4.29h/dp，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為L(zhǎng)r/dp=0.08+5.75h/dp，研究結(jié)果與國(guó)外研究者所得規(guī)律性一致。

來源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2014, 35(11): 1783-1789

入選年份：2014

鈍感高能含能離子鹽的研究進(jìn)展

梁麗軒，周智明

摘要：目的：隨著離子液體的興起，含能離子鹽的概念被引入單質(zhì)炸藥的設(shè)計(jì)中。不同于傳統(tǒng)的含能材料，含能離子鹽作為一類獨(dú)特的高能材料在近十年里得到了廣泛的關(guān)注。將不同的陰陽離子進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能有效地解決含能材料在多方面性能調(diào)節(jié)的排斥性，包括能量與感度的矛盾性。在過去幾年中，美國(guó)、德國(guó)和俄羅斯的研究者從分子水平設(shè)計(jì)出了很多含能離子鹽，通過陰陽離子組合匹配，得到最佳物理化學(xué)和爆轟性能，這些工作為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)鈍感高能炸藥提供了途徑。國(guó)內(nèi)對(duì)含能離子鹽的研究還較少，需要大力開拓這一研究方向。方法：撞擊感度是炸藥的一種重要屬性，是衡量炸藥安全性的重要指標(biāo)之一，可由落錘法測(cè)定。爆速和爆壓是衡量炸藥爆炸性能的重要示性數(shù)，可使用Kamlet公式、氮當(dāng)量法或EXPLO5（5.05版本）軟件包方法計(jì)算。通過篩選近年來撞擊感度和爆速爆壓性能較佳的含能離子鹽，綜述了四唑類、三唑類、咪唑和吡唑類、嗪類和硝基苯類以及非芳香類鈍感高能離子鹽的結(jié)構(gòu)與性能（熔點(diǎn)、熱分解溫度、密度、生成焓、撞擊感度、爆壓和爆速）。重點(diǎn)討論了能量與感度優(yōu)于RDX的鈍感高能離子鹽的結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果：已報(bào)道的絕大多數(shù)含能離子鹽的撞擊感度大于40 J，其中6個(gè)鹽的爆速超過9000 m/s，許多鹽的分解點(diǎn)高于200℃。綜合性能好的四唑鹽：5-硝胺四唑-3,4,5-三氨基-1,2,4-三唑鹽4，爆速D=9048 m/s，分解溫度Td=231℃，撞擊感度IS＞40 J。雙四唑鹽12a：Td=269℃，D=8936 m/s（ρ=1.66 g/cm3），IS＞40J，密度下降導(dǎo)致這種鹽的能量降低。三唑類離子鹽18e：Td=222℃，D=9399 m/s（ρ=1.95 g/cm3），IS＞38 J，其較高的爆速得益于密度的貢獻(xiàn)。由于咪唑鹽焓值低，能量普遍不高，綜合性能相對(duì)較好的為鹽23：Td=328℃，D=8050 m/s（ρ=1.8 g/cm3），△fH=-114.5 kJ/mol。嗪類和硝基苯類鹽氧平衡不理想，能量偏低。非芳香族類鹽熱穩(wěn)定性普遍不理想，主要原因是陰離子中的負(fù)電荷不能得到有效分散。令人驚奇的是，Klap?tke報(bào)道的離子鹽33，爆速D=9698 m/s，撞擊感度20 J，分解溫度221℃，綜合性能優(yōu)異，極具開發(fā)價(jià)值。結(jié)論：1）已報(bào)道的大多數(shù)含能離子鹽的感度很低，標(biāo)準(zhǔn)生成焓高，但密度一般低于1.80 g/cm3；2）這些離子鹽的合成僅在實(shí)驗(yàn)室小量制備階段，爆轟性能均通過計(jì)算得到，并未實(shí)際測(cè)定。雖然有些合成過程簡(jiǎn)單，但鮮有放大工藝的報(bào)道。3）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究，設(shè)計(jì)新型陰離子骨架結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高離子鹽的密度。4）對(duì)綜合性能優(yōu)異的高能鈍感離子鹽，開發(fā)其在火炸藥中實(shí)際應(yīng)用的潛力。

來源出版物：火炸藥學(xué)報(bào), 2014, 37(1): 42746

入選年份：2014

BAMO/AMMO三嵌段共聚物的合成、表征及熱分解動(dòng)力學(xué)

張弛，羅運(yùn)軍，李曉萌

摘要：目的：隨著航天和導(dǎo)彈武器的發(fā)展，要求固體火箭推進(jìn)劑具有高能、鈍感、低特征信號(hào)及低污染的性能。疊氮類聚合物由于具有放熱量大、分解時(shí)無需耗氧、感度低等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛關(guān)注。含能熱塑性彈性體（ETPE）由軟段和硬段所組成，硬段之間聚集形成物理交聯(lián)點(diǎn)，與軟段存在相分離，具有優(yōu)異的力學(xué)性能；而加工時(shí)硬段物理交聯(lián)作用消失，具有可再回收利用的優(yōu)勢(shì)?；诖?，本文制備并表征了3,3'-雙疊氮甲基環(huán)氧丁烷/3-疊氮甲基-3'-甲基環(huán)氧丁烷（BAMO/AMMO）三嵌段含能熱塑性彈性體。方法：以1,4-丁二醇為起始劑，三氟化硼·乙醚為催化劑，利用陽離子開環(huán)聚合反應(yīng)合成了不同分子量的BAMO/AMMO三嵌段共聚物，并進(jìn)行了紅外光譜（FTIR）、核磁共振氫譜（1HNMR）、凝膠滲透色譜（GPC）、差示掃描量熱（DSC）、熱失重（TG）表征。根據(jù)不同升溫速率下的TG曲線，采用Vyazovkin無模型法進(jìn)行了熱分解動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到了活化能隨熱分解轉(zhuǎn)化率的關(guān)系曲線。結(jié)果：1HNMR譜圖中沒有出現(xiàn)因序列結(jié)構(gòu)的差異所產(chǎn)生的質(zhì)子峰的裂分，證明所得產(chǎn)物為嵌段共聚物。根據(jù)特征氫原子的峰面積積分比計(jì)算得到共聚物中結(jié)構(gòu)單元之比為：BAMO∶AMMO=1.005∶1，與單體投料比相一致。GPC結(jié)果表明通過陽離子開環(huán)聚合得到的三嵌段共聚物分子量可控，分子量分布較窄（PDI＜1.5）。DSC曲線測(cè)定的三嵌段共聚物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-38.93℃，BAMO鏈段的結(jié)晶熔融峰位于82℃，表明BAMO鏈段與AMMO鏈段存在相分離，具有熱塑性彈性體的性質(zhì)。熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明當(dāng)熱分解轉(zhuǎn)化率小于35%時(shí)，活化能基本為150 kJ/mol，為疊氮基團(tuán)的分解階段。之后，高分子聚醚主鏈分解，活化能基本位于250 kJ/mol。在疊氮基團(tuán)逐漸分解完全至高分子主鏈開始分解的過程中活化能存在波動(dòng)，這是由于疊氮基團(tuán)分解之后，不穩(wěn)定的氮賓轉(zhuǎn)化成為亞胺。亞胺進(jìn)一步通過分子內(nèi)環(huán)化與分子間交聯(lián)的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)形成三維網(wǎng)絡(luò)。三嵌段共聚物250℃分解殘?jiān)募t外譜圖表明殘?jiān)嬖诮宦?lián)結(jié)構(gòu)。結(jié)論：1）以1,4-丁二醇為起始劑，三氟化硼·乙醚為催化劑，通過陽離子開環(huán)聚合方法合成了BAMO/AMMO三嵌段共聚物：2）合成的三嵌段共聚物分子量可控，分子量分布較窄；3）BAMO/AMMO三嵌段共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-38.93℃；4）軟段與硬段間存在相分離，三嵌段共聚物具有熱塑性彈性體的性質(zhì)；5）疊氮基團(tuán)的分解活化能約為150 kJ/mol；6）三嵌段共聚物在疊氮基團(tuán)分解之后具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

來源出版物：火炸藥學(xué)報(bào), 2010, 33(6): 43054

入選年份：2015

自適應(yīng)反演滑?？刂圃诨鸺诮涣魉欧到y(tǒng)中的應(yīng)用

郭亞軍，王曉鋒，馬大為，等

摘要：目的：防空多管火箭炮在不同的帶彈量下，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及不平衡力矩大范圍變化，且發(fā)射時(shí)負(fù)載阻力矩、不同彈種共架發(fā)射的負(fù)載變化更為突出，使得系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性。傳統(tǒng)的火箭炮位置控制沒有考慮模型中的非線性特性和參數(shù)不確定性，難以保證控制品質(zhì)及適應(yīng)大負(fù)載、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及強(qiáng)干擾的場(chǎng)合。為了使系統(tǒng)具有更好的控制特性，針對(duì)某火箭炮俯仰運(yùn)動(dòng)的位置控制問題，提出了一種自適應(yīng)反演滑模控制方法。方法：位置伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件由永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)（PMSM）構(gòu)成，系統(tǒng)速度環(huán)和位置環(huán)控制采用數(shù)字控制。其工作原理是：全炮控制臺(tái)根據(jù)火炮位置給定值與當(dāng)前實(shí)際的位置，計(jì)算出誤差，并以該誤差作為自適應(yīng)反演滑?？刂扑惴ǖ妮斎?，由該算法得出實(shí)際控制量，最終通過D/A轉(zhuǎn)換器傳送到伺服放大器中，由電路放大后，通過俯仰和方位驅(qū)動(dòng)器控制交流伺服電動(dòng)機(jī)，從而經(jīng)過減速器及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改變火箭炮的方位與仰角。其中位置控制器利用Lyapunov函數(shù)遞推反演滑?？刂疲捎米赃m應(yīng)算法預(yù)估不確定上限。首先根據(jù)基于電流解耦控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)線性化數(shù)學(xué)模型建立建立火箭炮位置伺服系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程。然后先定義位置跟蹤誤差取并取虛擬控制量α1=c1e1，利用Lyapunov函數(shù)求導(dǎo)獲得其倒數(shù)與位置誤差、虛擬控制量及速度誤差之間的方程式。再次利用Lyapunov函數(shù)倒數(shù)與定義的切換函數(shù)求得自適應(yīng)反演滑模控制器，并獲得自適應(yīng)率函數(shù)關(guān)系式F=γs。一般控制對(duì)象的不確定因素的上界值很難預(yù)知，為了避免采用F的上界問題，最后采用自適應(yīng)算法預(yù)估F值。結(jié)果：理論上通過分析Lyapunov函數(shù)得到系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件，并通過取h，c1和k1的值來保證Q為正定矩陣，根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性原理，可得系統(tǒng)式（5）的輸出漸進(jìn)跟蹤指令θref。最后通過設(shè)計(jì)的PID控制器和自適應(yīng)反演滑?？刂破鬟M(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果表明，在0.5 s負(fù)載突加15 N·m的干擾力矩，經(jīng)典控制對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)抵抗能力較差，穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)了靜態(tài)誤差，自適應(yīng)反演滑模控制器響應(yīng)較快，沒有超調(diào)和靜態(tài)誤差。當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化2倍時(shí)，經(jīng)典控制產(chǎn)生了較大超調(diào)，響應(yīng)變慢，超調(diào)時(shí)間較長(zhǎng)。自適應(yīng)反演滑模控制器響應(yīng)仍然較快，無明顯超調(diào)。當(dāng)給定俯仰正弦跟蹤等效正弦輸入信號(hào)為5 sin（0.7136 t），對(duì)比空載跟蹤誤差曲線時(shí)，經(jīng)典控制跟蹤誤差較大，自適應(yīng)反演滑?？刂破鞲櫶匦暂^好，誤差較小。結(jié)論：將自適應(yīng)反演滑?？刂茟?yīng)用于火箭炮位置伺服系統(tǒng)俯仰控制，通過建立基于MATLAB/Simulink的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了幾種工況的仿真分析。仿真結(jié)果表明，此控制算法有效的消除了系統(tǒng)靜差，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的攝動(dòng)及負(fù)載干擾具有較強(qiáng)的魯棒性，并且獲得了較好的跟蹤效果，穩(wěn)定性的理論分析及仿真研究都證明了該控制器的有效性。

來源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2011, 32(4): 493-497

入選年份：2015

高聳筒形結(jié)構(gòu)爆破拆除的數(shù)值模擬

謝春明，楊軍，薛里

摘要：目的：高聳筒形建筑物一般處于建筑群或人口稠密區(qū)，周圍環(huán)境極其復(fù)雜，空間非常有限，控制爆破拆除是拆除此類建筑物的主要手段。雙曲線冷卻塔作為典型的高聳筒形建筑物，具有形狀特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜（如底部坐地面積大、重心低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定）等特點(diǎn)，采用定向倒塌爆破拆除具有一定難度。本文嘗試采用共節(jié)點(diǎn)分離式鋼筋混凝土模型，對(duì)典型的高聳圓筒形結(jié)構(gòu)冷卻塔爆破拆除進(jìn)行數(shù)值模擬。方法：模擬采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，在ANSYS環(huán)境下建立有限元模型，運(yùn)用大型顯示動(dòng)力分析軟件LS-DYNA進(jìn)行求解（使用中心差分時(shí)間積分）。考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，沿塔體底

面直徑取一半結(jié)構(gòu)建模并施加對(duì)稱約束進(jìn)行計(jì)算。模擬采用共節(jié)點(diǎn)分離式模型，充分體現(xiàn)鋼筋在結(jié)構(gòu)倒塌過程中的拉應(yīng)力作用?；炷僚c鋼筋均采用彈塑性材料，混凝土采用SOLID164單元，鋼筋采用BEAM161單元?；炷敛捎美瓚?yīng)力失效準(zhǔn)則，鋼筋由應(yīng)變控制材料失效。通過比較分析塔體缺口中間有切縫與無切縫設(shè)計(jì)2種方案（方案1有切縫），對(duì)典型高聳筒形結(jié)構(gòu)冷卻塔爆破拆除過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。結(jié)果：方案1的模擬結(jié)果顯示，當(dāng)t=0.3 s時(shí)，隨著爆破切口的形成，塔體在自重作用下重心開始偏移并開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)t≈2.7 s時(shí)，冷卻塔觸地，并以觸地部位為支點(diǎn)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，觸地部位單元受壓失效，塔體后部嚴(yán)重扭曲變形。當(dāng)t≈4.5 s時(shí)，塔身受壓變形有裂縫產(chǎn)生，塔口呈橢圓形，當(dāng)t=9.3 s時(shí)，結(jié)構(gòu)完全倒塌。方案2的過程類似，但整體倒塌時(shí)間為9.6 s。由此可見，缺口中間進(jìn)行切縫爆破設(shè)計(jì)有利于縮短整體倒塌時(shí)間。另外共節(jié)點(diǎn)分離模型能夠真實(shí)地反應(yīng)混凝土和鋼筋材料的力學(xué)性能，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確的分析。切縫的設(shè)計(jì)促進(jìn)了塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步前傾倒塌，使塔身解體比較完全。且方案1中，結(jié)構(gòu)定點(diǎn)水平位移曲線的斜率在倒塌過程中保持穩(wěn)定，表明結(jié)構(gòu)倒塌過程中沒有產(chǎn)生下坐和后坐現(xiàn)象。最后從爆堆范圍來看，方案1的模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為一致，而且方案1爆堆范圍比方案2小。結(jié)論：當(dāng)采取切縫設(shè)計(jì)時(shí)，塔體后部扭曲變形嚴(yán)重，能夠確保倒塌和較好的破碎效果。缺口中間采用切縫爆破設(shè)計(jì)有利于整體倒塌時(shí)間的減小。切縫的設(shè)計(jì)促進(jìn)了塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步前傾和倒塌，減小了結(jié)構(gòu)倒塌過程中的下坐與后坐傾向，使得塔身解體比較完全。爆堆范圍與實(shí)際工程較為接近，采用有切縫設(shè)計(jì)的模擬的爆堆長(zhǎng)度與寬度相對(duì)較小。通過對(duì)結(jié)構(gòu)倒塌過程的模擬，可以在爆破前對(duì)倒塌過程、效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)、施工和安全防護(hù)。數(shù)值模擬將成為研究結(jié)構(gòu)爆破拆除力學(xué)過程的重要手段并輔助指導(dǎo)結(jié)構(gòu)爆破拆除設(shè)計(jì)。

來源出版物：爆炸與沖擊, 2012, 32(1): 73-78

入選年份：2015

可調(diào)復(fù)合增壓柴油機(jī)高原功率恢復(fù)方案研究

韓愷，朱振夏，張付軍，等

摘要：我國(guó)地域遼闊，海拔高度在3000 m以上的高原地區(qū)占全國(guó)總面積的26%，高原氣候具有大氣壓力低、空氣密度小、氣溫低和晝夜溫差大等典型特點(diǎn)。隨著海拔升高，空氣密度下降，柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，在平原能正常使用的柴油機(jī)到高原地區(qū)常出現(xiàn)油耗升高、功率下降、排溫過高、增壓器超速、等“水土不服”的問題。渦輪增壓技術(shù)能夠在一定程度上解決上述問題，恢復(fù)柴油機(jī)高原動(dòng)力性。但是，在高原條件下也存在著低速易喘振、高速易超速等問題。因此，大部分柴油機(jī)的高原功率恢復(fù)方案都通過研究增壓系統(tǒng)來提高柴油機(jī)的高原適應(yīng)性。本文首先討論了兩級(jí)增壓、相繼增壓和復(fù)合增壓等高原增壓技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上提出了可調(diào)復(fù)合增壓方案（CASP）。可調(diào)復(fù)合增壓系統(tǒng)由兩級(jí)壓氣機(jī)和一級(jí)渦輪組成。第一級(jí)壓氣機(jī)為可調(diào)增壓器，其轉(zhuǎn)速可通過電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)；第二級(jí)為渦輪增壓系統(tǒng)。在柴油機(jī)低速工況時(shí)，旁通閥關(guān)閉，兩級(jí)壓氣機(jī)串聯(lián)工作；發(fā)動(dòng)機(jī)中高速工況時(shí)，旁通閥打開，并控制可調(diào)增壓器停止運(yùn)轉(zhuǎn)，只有渦輪增壓系統(tǒng)工作。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是可調(diào)增壓器的轉(zhuǎn)速不再受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約束，能夠隨海拔和發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化做出相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)壓氣機(jī)壓比的合理分配，拓寬增壓系統(tǒng)的工作范圍，改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩特性和加速響應(yīng)性。為了進(jìn)一步研究可調(diào)復(fù)合增壓系統(tǒng)的匹配，本文以某V型8缸增壓柴油機(jī)為原型建立了性能仿真模型，并對(duì)模型精度進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上通過匹配合適的增壓器建立了可調(diào)復(fù)合增壓系統(tǒng)柴油機(jī)仿真模型。并設(shè)計(jì)了減油和廢氣放氣兩種高原策略。策略一：發(fā)動(dòng)機(jī)中低速時(shí)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)供油量，保證空燃比與平原相當(dāng)，避免低速時(shí)壓氣機(jī)喘振；發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)，通過控制供油量來防止渦輪超速。策略二：保證發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)供油量與平原一致，增壓壓力過高時(shí)，采用廢氣放氣的辦法來調(diào)節(jié)增壓壓力。然后，在海拔3000 m海拔條件下對(duì)比分析了兩種高原策略與復(fù)合增壓方案的柴油機(jī)的高原性能。仿真結(jié)果表明：可調(diào)復(fù)合增壓方案的高原功率恢復(fù)能力明顯好于策略一。其標(biāo)定點(diǎn)功率恢復(fù)至平原的89.7%，雖然低于策略二的95.4%，但是復(fù)合增壓方案的經(jīng)濟(jì)性在低速段與平原水平接近，高速段的油耗上升3%左右，而策略二的經(jīng)濟(jì)性惡化比較嚴(yán)重，尤其在低速段油耗比平原上升10%～12%。而且，復(fù)合增壓方案發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速由原機(jī)的1800 r/min降低到1600 r/min，最大扭矩相比平原下降3.7%，扭矩適應(yīng)性系數(shù)由1.21提高為1.56。因此，可調(diào)復(fù)合增壓方案不僅能夠有效解決柴油機(jī)在高原環(huán)境下遇到的壓氣機(jī)喘振、超速的問題，還可以明顯地改善柴油機(jī)低速特性，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的高原功率恢復(fù)能力。

來源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2013, 34(2): 129-136

入選年份：2015

基于蓋帽模型的混凝土動(dòng)態(tài)球型空腔膨脹模型和侵徹阻力分析

劉志林，孫巍巍，王曉鳴，等

摘要：為了獲得彈丸高速侵徹混凝土介質(zhì)的阻力方程，提高彈丸高速侵徹混凝土介質(zhì)研究中侵徹深度經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算精度，提出了一種基于混凝土蓋帽本構(gòu)模型的球形動(dòng)態(tài)空腔膨脹理論模型以及其數(shù)值計(jì)算方法。本文采用一般形式的材料狀態(tài)方程和屈服準(zhǔn)則描述素混凝土介質(zhì)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，利用球形空腔膨脹過程的自相似性，通過采用相似變換方法，獲得了通用混凝土球形空腔膨脹理論模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)表達(dá)式。通過引入Capped-Dracker-Prager混凝土屈服模型，在新的球形空腔膨脹模型中考慮混凝土高壓下的屈服軟化特性，根據(jù)混凝土HJC狀態(tài)方程和Capped-Dracker-Prager屈服準(zhǔn)則，將動(dòng)態(tài)空腔膨脹響應(yīng)區(qū)劃分為彈性區(qū)、開裂區(qū)、硬化孔隙壓實(shí)區(qū)、軟化孔隙壓實(shí)區(qū)、密實(shí)流動(dòng)區(qū)，并提出了空腔膨脹速度與空腔表面徑向應(yīng)力的關(guān)系的數(shù)值計(jì)算方法，通過無量綱化擬合，可以得到阻力方程中的靶材靜態(tài)強(qiáng)度項(xiàng)、靶材黏性效應(yīng)項(xiàng)以及流動(dòng)阻力項(xiàng)的無量綱材料常數(shù)。利用此模型計(jì)算了空腔膨脹速度與界面速度與各分區(qū)的關(guān)系，其結(jié)果表明隨著空腔膨脹速度的增大，開裂區(qū)與壓實(shí)區(qū)相繼消失，流動(dòng)阻力項(xiàng)的比重會(huì)逐漸增加，而靜態(tài)強(qiáng)度項(xiàng)的比重逐漸減小，黏性效應(yīng)項(xiàng)先增加后減小。利用本文提出的通用屈服準(zhǔn)則和狀態(tài)方程推導(dǎo)的空腔膨脹的動(dòng)態(tài)響應(yīng)表達(dá)式，計(jì)算了帶剪切飽和的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則下的阻力方程以及Tresca屈服準(zhǔn)則下的阻力方程，不同阻力方程的對(duì)比結(jié)果表明，采用帶剪切飽和的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則與Tresca屈服準(zhǔn)則推導(dǎo)出的阻力方程在高速階段與蓋帽屈服模型計(jì)算結(jié)果差別較大，而在侵徹速度較小時(shí)阻力差別較小。為了驗(yàn)證阻力方程的有效性與準(zhǔn)確性，本文在105毫米口徑火炮發(fā)射平臺(tái)上做了直徑60毫米的尖卵形彈丸垂直侵徹C40強(qiáng)度等級(jí)的素混凝土靶實(shí)驗(yàn)，彈丸侵徹速度在800～1400 m/s范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)后的彈丸侵蝕效應(yīng)不明顯（侵徹速度為1400 m/s的實(shí)驗(yàn)后的彈丸質(zhì)量損失值為4.6%，長(zhǎng)度縮短量為5%），侵徹后彈丸觀察分析表明本文侵徹實(shí)驗(yàn)在剛性彈侵徹假設(shè)范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)侵徹深度與取不同阻力方程模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，本文考慮混凝土高壓屈服軟化特性的阻力方程比用剪切飽和的Mohr-Coulomb推導(dǎo)的阻力方程以及Forrestal提出的半徑侵徹深度計(jì)算公式的計(jì)算精度更高，且隨著侵徹速度的增加，本文推導(dǎo)出的阻力方程的計(jì)算精度較其它模型也在提高。本文研究表明：空腔膨脹速度較低時(shí)（無量綱速度小于3，帶剪切飽和的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則和蓋帽模型屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則下，計(jì)算的侵徹阻力差別很小，而在速度較高時(shí)（無量綱速度大于6，蓋帽模型下的計(jì)算的侵徹阻力明顯小于Tresca屈服準(zhǔn)則和考慮帶剪切飽和的Mohr-Ccoulomb準(zhǔn)則下的侵徹阻力計(jì)算值；基于蓋帽模型的球形空腔膨脹理論模型因考慮混凝土高壓屈服軟化特性與侵徹速度800～1400 m/s的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更好的一致性。

來源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2015, 36(12): 2209-2216

入選年份：2015

納米CoFe2O4與Al/CoFe2O4的制備及對(duì)RDX熱分解性能的影響

王通，趙寧寧，李嘉辰，等

摘要：目的：為了獲得納米顆粒CoFe2O4和Al/CoFe2O4對(duì)RDX的熱分解性能的影響，水熱法制備出納米CoFe2O4顆粒，再通過超聲混合法制備出Al/CoFe2O4混合物。同RDX混合得到CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX復(fù)合物，通過差示掃描量熱儀（DSC）研究其對(duì)RDX熱分解的影響，得出其最可幾機(jī)理函數(shù)。方法：采用水熱法制備出納米CoFe2O4顆粒，再通過超聲混合法制備出Al/CoFe2O4混合物，利用SEM-EDS和XRD測(cè)試其成分，分析其形貌特征。按CoFe2O4或Al/CoFe2O4與RDX質(zhì)量比1∶4、通過超聲混合法分別制備出CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX復(fù)合物。在升溫速率為7.5、10.0、12.5、15.0℃/min的條件下，用差示掃描量熱儀研究CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX熱分解過程。由RDX、CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX不同升溫速率下的DSC曲線得到轉(zhuǎn)化率α，根據(jù)Ozawa方程計(jì)算出分解反應(yīng)的表觀活化能Ea隨α變化的Ea-α曲線。根據(jù)單一非等溫DSC曲線所選機(jī)理函數(shù)形式而得Ea、lgA與用多重掃描速率法和等轉(zhuǎn)化率法求得的值基本一致的原則，經(jīng)邏輯選擇法選擇，得到CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX混合物和RDX分解反應(yīng)機(jī)理函數(shù)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。由計(jì)算的穩(wěn)定活化能和指前因子得到其最可幾機(jī)理函數(shù)，最終得到其動(dòng)力學(xué)方程。結(jié)果：CoFe2O4顆粒粒徑為40～60 nm，Al/CoFe2O4中摻雜了球形納米Al粉，兩種樣品純凈無雜質(zhì)。CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX混合物相比RDX，熱分解起始溫度、峰溫、終止溫度均向低溫方向移動(dòng)，且分解溫度分別降低了4.04℃和3.67℃。轉(zhuǎn)化率為0.20～0.95時(shí)，研究CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/ RDX、RDX的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)是可行的。加入CoFe2O4、Al/CoFe2O4后RDX熱分解表觀活化能均有所降低。CoFe2O4、Al/CoFe2O4折合為RDX分解放熱量與純RDX體系相比有所降低，分解放熱峰峰寬δT變窄，整體分解速率加快，但反應(yīng)深度不足，導(dǎo)致放熱量較小。得到CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX混合物和RDX分解反應(yīng)的機(jī)理函數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)論：1）用水熱法制備了顆粒狀的納米CoFe2O4，通過超聲混合法制備Al/CoFe2O4，并對(duì)其物相組成與形貌進(jìn)行了表征。2）按質(zhì)量比1：4制備得到的CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX的分解峰溫和活化能較RDX有所降低，說明CoFe2O4、Al/CoFe2O4能促進(jìn)RDX的熱分解過程。3）獲得了RDX、CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX的熱分解最可幾理函數(shù)，加入CoFe2O4、Al/CoFe2O4后不會(huì)改變RDX熱分解的最可幾理函數(shù)。

來源出版物：火炸藥學(xué)報(bào), 2015, 38(5): 24-30

入選年份：2015

爆炸荷載下鋼筋混凝土梁的變形和破壞

李猛深，李杰，李宏，等

摘要：目的：恐怖活動(dòng)及生產(chǎn)生活中的爆炸事故時(shí)有發(fā)生，由此導(dǎo)致的建筑物損傷對(duì)人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，梁作為鋼筋混凝土（RC）結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件之一，研究其在爆炸沖擊條件下的破壞模式和抗爆性能，對(duì)于改善RC結(jié)構(gòu)的抗爆性能具有理論意義和工程價(jià)值。方法：采用C30混凝土澆筑了配筋率分別為0.7%、1.01%、1.79%三類梁構(gòu)件，在爆炸壓力模擬器中進(jìn)行了鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的爆炸沖擊實(shí)驗(yàn)，量測(cè)了RC梁頂面的爆炸荷載以及受拉鋼筋和迎爆面混凝土的應(yīng)變，拍攝了結(jié)構(gòu)的破壞圖片。接著利用LS-DYNA軟件建立了鋼筋混凝土梁的分離式有限元模型，其中混凝土采用C&K模型，鋼筋采用J-C模型，荷載采用測(cè)試的壓力時(shí)程數(shù)據(jù)，研究了混凝土損傷發(fā)展過程，并對(duì)破壞形態(tài)、鋼筋和混凝土應(yīng)變、梁的跨中撓度等與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象表明：梁由于支座處的箍筋加密作用，未產(chǎn)生由斜裂紋引起的剪切破壞；混凝土的破壞過程不是連續(xù)的，而是具有漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)特征。局部黏結(jié)的斷裂發(fā)生速度很快，鋼筋由于與混凝土間的粘結(jié)，起著阻礙破壞速度的作用。爆炸沖擊下混凝土裂紋可分為一次裂紋和高次裂紋，一次裂紋破壞了鋼筋和混凝土間的粘結(jié)關(guān)系，引起了構(gòu)件受拉部分內(nèi)力的再分配，一次裂紋通過的橫截面上荷載完全轉(zhuǎn)移到鋼筋上；高次裂紋隨著應(yīng)變的增大在低次裂紋間產(chǎn)生，在高次裂紋階段，鋼筋與混凝土間主要是摩擦力和機(jī)械咬合力。測(cè)得的壓力時(shí)程曲線表明不同配筋率的RC梁所受沖擊波荷載接近，隨著配筋率的提高，試件裂縫數(shù)量增多，裂縫寬度減小。數(shù)值計(jì)算的損傷形態(tài)與實(shí)驗(yàn)照片基本吻合，計(jì)算的受拉鋼筋和梁上表面受壓混凝土的應(yīng)變時(shí)程曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線趨勢(shì)基本吻合，但峰值應(yīng)變和殘余應(yīng)變有誤差。對(duì)跨中的殘余撓度，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值誤差在10%左右。用梁的損傷區(qū)域發(fā)展來判斷其裂縫發(fā)展過程表明，在均布爆炸荷載作用下，梁底部首先產(chǎn)生向上發(fā)展的一次裂紋，隨著變形的加劇，在裂紋間產(chǎn)生高次裂紋并最終導(dǎo)致梁跨中出現(xiàn)密集裂紋。結(jié)論：配筋率的提高對(duì)提高RC梁的抗爆性能作用明顯，主要表現(xiàn)為同荷載下主裂縫寬度減小，配箍率的提高對(duì)抑制剪切破壞作用效果明顯。裂縫的發(fā)展過程可分為一次裂縫和一次裂縫間的高次裂縫兩個(gè)階段，鋼筋在受力的同時(shí)對(duì)裂縫的發(fā)展起阻礙作用。本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明模型選擇和參數(shù)設(shè)置正確，K&C模型能夠大致準(zhǔn)確的模擬沖擊荷載作用下的混凝土性能，但也存在較大誤差，有待強(qiáng)動(dòng)載作用下混凝土本構(gòu)模型的改進(jìn)，及準(zhǔn)確描述混凝土與鋼筋間相互作用關(guān)系模型的出現(xiàn)。

來源出版物：爆炸與沖擊, 2015, 35(2): 177-183

入選年份：2015

編輯：張寧寧