弹丸高速撞击压力容器损伤实验研究

微流星体及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行。而压力容器是航天器上受微流星体及空间碎片撞击威胁最大的关键部件之一。对压力容器的高速撞击能导致其发生破裂而过早终止航天器的使命。本文的目的是通过实验研究,确定高速撞击条件下压力容器发生具有撕裂的简单穿孔和裂纹失稳破裂的界限。实验样件选择6063铝合金管焊接制成。高速撞击实验采用铝柱状弹丸和球形弹丸在3km/s左右的速度下正撞击铝压力容器,铝压力容器的压力从0～30Bar变化来探索获得不同损伤形式的压力条件。给出了铝压力容器前、后壁从穿孔到裂纹失稳破裂的实验结果。未防护充水铝压力容器的主要损伤是其前壁的裂纹失稳破裂。而防护充水铝压力容器在前璧未穿孔时未发生破裂。未防护充气压力容器在给定的实验条件下前璧未发生破裂而后璧发生破裂。防护充气压力容器在小防护间距时前璧发生破裂。     

充气压力容器高速撞击实验研究

为了确定高速撞击条件下压力容器发生具有撕裂的简单穿孔和裂纹失稳扩展的界限 ,实验采用长径比为 0 56的铝柱状弹丸在约 1 7km/s的速度下正撞击铝罐。大部分实验采用的是未防护的铝罐 ,铝罐的压力从 0～ 0 4MPa变化来探索获得不同损伤形式的压力条件。给出了铝罐前、后壁从穿孔到裂纹失稳扩展的实验结果。防护铝罐的主要损伤是其前壁的裂纹失稳扩展。确定了发生裂纹失稳扩展的临界压力 ,并对发生裂纹失稳扩展的临界尺寸进行了分析。     

尖头碎片撞击小尺寸储罐的模拟实验

化工园区内,容器爆炸事故易引发多米诺效应,产生的碎片击中临近目标设备或装置可能造成事故后果升级。通过开展尖头碎片撞击小尺寸储罐模拟实验,得到了不同轴向撞击角的尖头碎片撞击不同壁厚小尺寸储罐的穿透形貌、穿透能量以及穿孔直径。结果表明:（1）尖头碎片以0°轴向撞击角穿透罐壁形成的穿孔正面近似圆形,以15°、30°及45°轴向撞击角撞击形成的穿孔正面近似椭圆形且有2个条形翻边,穿孔背面均呈现花瓣型开裂;（2）轴向撞击角越大,壁厚越大,所需的穿透能量越大;（3）轴向撞击角与壁厚对穿孔轴向直径影响显著,但穿孔环向直径变化幅度不大。最后,根据穿甲力学理论和动量守恒定理,推导出适用于0°~45°轴向撞击角的尖头碎片剩余速度理论计算公式。     

弹丸超高速撞击防护屏穿孔研究

防护屏穿孔直径在Whipple防护结构的超高速撞击实验中易于测量,是检验超高速撞击实验及数值模拟有效性的重要参数.本文分别采用超高速撞击实验、数值模拟及经验公式对铝合金Whipple防护结构的防护屏穿孔进行了研究.数值模拟结果与实验结果吻合很好,说明本文物理建模及参数的选取是合理的,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性;使用经验公式进行了对比计算,结果表明Maiden C J给出的公式具有很好的普适性.最后利用数值模拟研究不同材料对超高速撞击防护屏穿孔的影响.合理的应用经验公式及数值模拟可以更加快捷、有效地开展超高速撞击实验研究.     

93W杆式弹超高速撞击多层Q345钢靶毁伤及微观分析

为了解杆式弹超高速撞击多层薄钢靶的破坏过程及毁伤机理,开展了克级93W杆式弹正撞击多层Q345钢靶实验及数值模拟研究,通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）及金相显微镜,分析了超高速撞击实验后靶板材料的微观组织及成分。结果表明,超高速撞击作用下,靶板呈现出“翻唇”穿孔变形、花瓣状塑性变形、撕裂、撞击成坑及鼓包等破坏模式。靶板前3层毁伤以超高速穿孔为主,孔洞数目多但面积小,后几层靶板毁伤孔洞数目少且孔径呈先增大后减小趋势。微观分析表明靶材在强冲击压力下发生晶粒碎化、熔化及再结晶,撞击过程中会形成微孔聚集与微裂纹,可见靶板失效主要是熔融混合物冷却过程中产生的热应力与切应力下的剪切撕裂综合作用的结果。     

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能，采用二级轻气炮发射球形弹丸，对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究。根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征，以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律。通过固定弹丸直径，改变弹丸撞击速度，寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5~5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线，并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较，结果表明，实验最小临界弹丸直径略大于预测值。     

铝双层板结构的前板厚度对撞击损伤影响的实验研究

低地球轨道上的航天器易受到微流星体和空间碎片的超高速撞击,导致其严重损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的重要问题。本文采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对铝双层板结构进行超高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的超高速撞击作用。实验得到了铝双层板结构在弹丸撞击速度为2.33±0.12km/s和4.36±0.10km/s两种情况时,其前板和后板的撞击损伤随前板厚度变化的规律,随着前板厚度的增加,前板穿孔直径增大,后板撞击中心的损伤减轻,后板上大弹坑由撞击中心移至外围。当撞击速度超过弹丸破碎速度时,后板上将出现弹坑密集分布区。实验结果表明,前板厚度的选取对双层板结构的撞击损伤区域会产生影响。     

真实爆炸容器壳体动力响应的强度分析

运用DYTRAN编码中的欧拉计算方法,得到了作用于内径3．80m、壁厚0．09m的球形爆炸容器内壁的反射冲击波压力;再运用三维LS－DYNA有限元编码,对容器壳体在反射冲击波载荷作用下的瞬态响应进行了强度分析,着重给出了爆炸容器的几个主要开孔部位的等效应力云图。分析结果对类似工程设计和爆炸容器的安全使用具有实际意义。     

Al/Mg波阻抗梯度材料加强型Whipple结构超高速撞击特性研究

波阻抗梯度材料加强型Whipple结构具有优异的防护性能。本文的目的是研究Al/Mg波阻抗梯度材料加强型Whipple结构在5.0 km/s撞击速度下的超高速撞击特性，以及除具有高阻抗的迎撞击面在弹丸中产生更高的冲击压力和温升外，影响波阻抗梯度材料防护性能的主要因素。本文中提出一种由铝合金表层和镁合金基底组成的面密度等效于1.5 mm厚铝合金的新型波阻抗梯度防护屏，采用二级轻气炮在5.0 km/s的撞击速度下对Al/Mg波阻抗梯度材料加强型和铝合金Whipple结构进行了初步超高速撞击对比实验，研究了超高速撞击防护屏穿孔、碎片云和后墙损伤特性。与铝合金防护结构相比，Al/Mg防护结构具有防护屏穿孔翻边更明显、后墙损伤较轻微、碎片云扩散半角大和撞击坑细化程度高4个主要特征。本文中开展了理论分析与计算，研究了冲击耦合过程、波传播特性和热力学状态等。结果表明:不受面密度影响，Al/Mg防护屏能改变冲击波在靶中的传播特征，使弹丸破碎程度更高，并且提升了防护屏中的内能转化率，具有优异的动能耗散特性。因此，与同等面密度的铝合金Whipple结构相比，Al/Mg结构具有更优异的防护性能。     

破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。     

Formation of blast waves as a result of a low pressure domain decomposition

In this article the formation and propagation of blast wave as a result of a focusing of shock wave in a domain with low pressure and density are examined in the frame of an ideal gas model. We consider the decomposition of a pressure-density discontinuity on the boundary of the spherical (or cylindrical) domain which is filled by a gas whose pressure and density are lower than the pressure and density of gas that filling the external space. At initial moments of this decomposition the rarefaction wave propagates in the external space and the converging shock wave is formed in the domain of low pressure and density. The intensity of the converging shock wave gradually increases, and the wave transitions to the self-similar regime. After implosion, a diverging shock wave is formed which propagates through the disturbed gas. The values of wave intensity, wave impulse and other parameters for some magnitudes of initial parameters have been determined by means of numerical calculations. Received 10 August 1997 / Accepted 13 July 1998     

柱壳约束对散心冲击波空间分布的影响

结合实验和数值模拟，研究了散心冲击波在金属柱壳约束下沿有机玻璃内部的空间分布。进行了点起爆柱状炸药驱动飞片加载实验，采用Polyvinylidence Fluoride (PVDF)测试方法对有机玻璃内部的压力进行测试。实验结果显示:在冲击波传播过程中，在特定传播距离处，离中心轴越近，冲击波第一幅值压力越小，这是因为散心冲击驱动飞片成前凸形状，在飞片飞行过程中与有机玻璃碰撞面积越来越大，在远离对称轴部位冲击压力叠加累积效应更强引起的；但在随后的冲击波传播过程中，由于受到柱壳约束影响，离对称轴越近，冲击波幅值越小，这是由散心冲击波在约束柱壳边界反射与冲击波波阵面叠加的结果。通过对炸药网格大变形溢出柱壳翻转进行合理处理，对实验进行了数值模拟。数值模拟结果所得的冲击压力沿径向分布规律计算结果与实验结果定性相符。最后探讨了不同约束程度对这一规律的影响程度，结果表明，后续的冲击波幅值随着约束的增加而急剧增加。     

承压热冲击下反应堆压力容器的塑性失效分析

承压热冲击（PTS）使反应堆压力容器（RPV）的完整性面临极大的挑战,尤其是在喷嘴周围的环带区。考虑到瞬态温度处于零韧性参考温度之上,引入非线性材料性能来模拟一个真实RPV的混合温度场和应力场。应用扩展有限元法对喷嘴区中的裂纹扩展过程进行模拟,并得到了承压热冲击下的临界裂纹尺寸。结果显示,PTS初期的热应力效应显著,后期热-机械耦合作用产生的峰值应力很可能会引起结构失效。应用直接和间接耦合法得到的数值结果吻合,且后者的计算效率较高。在塑性极限承载状况下,裂纹尖端在靠近内壁的位置容易产生扩展。离内壁较远的裂纹尖端由于受热冲击影响较小,发生裂纹扩展的可能性相对较低。随着基体墙厚度的减小,容许的裂纹尺寸急剧缩小,接近临界承载状态时稳态裂纹扩展的程度明显降低。     

Propagation of pressure waves in two-phase flow

We deal with a pressure wave of finite amplitude propagating in a gas and liquid medium or in the fluid in an elastic tube. We study the effects of pipe elasticity on the propagation velocity of the pressure wave. Pressure waves of finite amplitude progressing in the two-phase flow are treated considering the void fraction change due to pressure rise. The propagation velocity of the two-phase shock wave is also investigated, and the behavior of the reflection of the pressure wave at the rigid wall is analyzed and compared to that in a pure gas or liquid. The results are compared to experimental data of a pressure wave propagating in the two-phase flow in a vertical shock tube.     

Initial stage of the collision of blast waves

The collision of two blast waves is analyzed for the case of variable parameters of the gas behind the wave front and wave reflection at a plane, a cylindrical, and a spherical obstacle. The reflection of a blast wave from a nonmoving obstacle is investigated in detail. The problem of the collision of two shock waves with constant parameters behind the front is solved both in the symmetrical case (reflection from a nonmoving wall) and in the case of waves of different amplitudes by a system of algebraic relations for the compression shocks. The reflection of a strong point-source spherical shock wave from a wall has been treated in [1, 2]. The present article examines the initial stage of wave collision for an arbitrary distribution of the parameters behind the front.Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 5, pp. 41–48, September–October, 1971.The authors are grateful to V. P. Korobeinikov for a discussion of the results and to V. P. Kolgan for furnishing the numerical solutions.     

弹体超高速侵彻石灰岩靶体地冲击的数值模拟研究

为探究超高速动能武器的对地破坏效应及其影响因素,采用数值模拟方法对弹体超高速侵彻的地冲击规律进行了研究。首先,基于石灰岩静动态力学性能实验数据对材料模型参数进行了标定,并对已有弹体大范围着速侵彻石灰岩靶体进行了模拟,验证了所采用材料模型和数值模拟方法的合理性。随后,开展了钨合金长杆弹超高速侵彻石灰岩靶体的数值模拟,细致分析了地冲击传播的现象和机理:弹体超高速侵彻靶体时,弹靶交界面处会产生瞬时高压,并以应力波的形式在靶体中传播,对靶体内部造成破坏,且当弹体初速度高于3.0 km/s时,地冲击显著增强。最后,进一步研究了不同弹靶参数对地冲击的影响,发现从相对深度来看,弹体参数（弹体长径比、密度）对地冲击规律影响不大;而靶体特征特别是孔隙率对地冲击传播具有较大影响。     

舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究

为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了3种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。     

An experimental investigation of hypervelocity flow in a conical nozzle

The flow in a conical nozzle is examined experimentally for a range of hypervelocity conditions in a free-piston shock tunnel. The pitot pressure levels compare reasonably well with an inviscid numerical prediction which includes a correction for the growth of the nozzle wall boundary layer. The size of the nozzle wall boundary layer seems to be well predicted by semi-empirical expressions developed for perfect gas flows, as do data from other free-piston shock tunnels.     

The reflected pressure field in the interaction of weak shock waves with a compressible foam

This paper deals with the waves that are reflected from slabs of porous compressible foam attached to a rigid wall when impacted by a weak shock wave. The interest is in establishing possible attenuation of the pressure field after a shock or blast wave has struck the surface. Foam densities from 14 to 38 kg/m³ were tested over a range of shock wave Mach numbers less than 1.4. It is shown that the initial reflected shock wave strength is accurately predicted by the pseudo-gas model of Gelfand et al. (1983), with a pressure ratio of approximately 80% of the value for reflection off a rigid wall. Evidence is presented of gas entering the foam during the early stages of the process. A second wave emerges from the foam at a later stage and is separated from the first by a region of constant velocity and pressure. This second wave is not a shock wave but a compression front of significant thickness, which emerges from the foam earlier than predicted by the pseudo-gas model. Analysis of the origin of this wave points to much more complex flows within the foam than previously assumed, particularly in an apparent decrease in average wave front speed as the foam is compressed. It is shown that the pressure ratio across both these waves taken together is slightly higher than that for reflection off a rigid wall. In some cases this compression wave train is followed by a weak expansion wave.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1990.