爆轰加载下高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性实验研究

金属界面不稳定性是内爆物理压缩过程中关注的重要问题,与传统流体界面不稳定性具有显著区别.由于相关理论和实验诊断技术的限制,目前该问题的研究还明显不足.为加深对金属界面不稳定性扰动增长行为的认识,本文建立了爆轰加载下高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性研究的实验诊断技术和数据处理方法,得到了扰动发展早期不同时刻界面扰动增长的X光图像.实验结果分析表明:在爆轰产物的无冲击加载条件下扰动波长基本保持不变,而初始扰动幅值越大,界面扰动增长的趋势就越明显;同时随着样品前界面扰动的不断发展,在样品的后自由面也出现了与前界面初始相位相反的扰动特征,即样品前界面扰动为波谷的位置所对应的后界面先运动而逐渐演变为波峰,而前界面扰动为波峰的位置所对应的后界面则演变为波谷;在5.26μs时刻,界面扰动幅值增长为初始值的700%左右,应变率达到了约105/s.结合数值模拟研究表明:在此情况下常用的Steinberg-Cochran-Guinan模型在一定程度上低估了高纯铜材料强度的强化特性,无法准确地描述强度对界面扰动增长的制稳作用,从而导致数值模拟结果要大于实验测量结果.     

爆轰加载下弹塑性固体Richtmyer-Meshkov流动的扰动增长规律

研究了冲击波加载弹塑性材料扰动自由面的动力学演化过程,分析了高能炸药爆轰驱动时初始扰动与材料性质对扰动增长的影响.研究结果表明:初始扰动的振幅与波长之比越高,扰动越易增长,强度越高的材料扰动增长幅度越小;扰动增长被抑制时,尖钉的最大振幅与增长速度无量纲数之间存在线性近似关系,进一步理论分析表明尖钉的振幅增长因子与加载压力、初始扰动形态和材料强度有关,该理论关系作为扰动增长规律的线性近似在一定范围内适用于多种金属材料.     

爆轰驱动Cu界面的Richtmyer-Meshkov扰动增长稳定性

研究了爆轰驱动Cu界面的扰动增长过程,分析了不同初始条件下的扰动增长规律和主要失稳机制.研究结果表明:温度相关的熔化失稳和塑性变形相关的拉伸断裂失稳是界面扰动增长过程的主要失稳机制;高能炸药爆轰驱动Cu材料界面时,冲击波加载引起的温升和扰动增长阶段塑性功转换引起的温升不足以熔化Cu材料,拉伸断裂是导致扰动增长不稳定的主要机制;扰动增长非线性阶段尖钉的最大累积有效塑性应变与尖钉振幅之间存在定标关系,结合熔化条件和断裂应变判据建立的尖钉振幅失稳条件可用于分析界面扰动增长的稳定性.     

柱面内爆驱动金属界面不稳定性的数值模拟研究

对柱面爆轰驱动内壁刻有正弦扰动的金属钢壳与内部硅橡胶界面产生不稳定性问题进行数值模拟,计算结果与实验结果定性符合.与不考虑金属强度情况对比分析认为,未熔化状态下金属强度对不稳定性具有较强抑制作用,在某些加载条件下会使扰动增长率随扰动模数增加而减小.之后,对强度因素影响下内爆压缩驱动金属不稳定性问题的扰动发展规律进行了总结.在聚心反射波到达壳体之前,造成初始界面反转的RM不稳定性起主导作用,随着扰动模数增加扰动由呈近似线性发展到基本不发展变化,基本不变化后的扰动振幅也随模数增加而减小.聚心反射波作用到壳体内界面后,减速RT不稳定性作用明显增强,与强度等因素共同作用造成扰动呈明显非线性发展.无论是前期RM不稳定性主导阶段还是之后以减速RT不稳定性为主的扰动发展阶段,强度因素均能造成未熔化状态下金属不稳定性截止波长存在.     

强冲击载荷下含杂质的纯铝中微孔洞长大的动力学行为

采用LS-DYNA瞬态动力学有限元程序,对平板撞击加载下含初始杂质的纯铝样品中微孔洞的成核与长大进行了数值模拟。结果表明:微孔洞首先在杂质与基体的边界处成核,随后在局部严重塑性变形驱动下快速线性增长;微孔洞半径的增长速率与冲击加载强度两者之间近似成线性关系;材料屈服强度和初始杂质的大小对微孔洞相对的增长速率有明显的影响;当微孔洞长大阈值取屈服强度的3.5倍时,数值仿真结果与理论分析结果基本一致,这有助于进一步认识孔洞长大的动力学行为。     

钝感炸药爆轰驱动研究

 对两种典型的钝感炸药（IHE）的爆轰驱动模型进行了实验研究。一种是点爆散心波驱动，另一种是滑移爆轰驱动。并在同一条件下做了非钝感炸药（HE）的爆轰驱动实验，以比较IHE和HE驱动规律的异同。对实验模型用二维数值模拟及拟合公式进行了计算，最后给出了在本实验条件下两种炸药驱动规律差异，也对计算偏差范围作了估计。     

钝感炸区爆轰驱动研究

对两种典型的钝感炸药的爆轰驱动模型进行了实验研究。一种是点爆散心波驱动， 种是滑移爆轰驱动。并在同一条件下做了非钝感药的爆轰驱动实验，以此较ＩＨＥ和ＨＥ驱动规律的差异。对实验模型用二维数值模拟及拟合公式进行了计算，最一给出了在本实验条件下两种炸药驱动规律差异，也对计算偏差范围作了估计。     

爆轰波对碰驱动平面组合飞片的数值模拟

采用SG(Steinberg-Guinan)强度模型描述组合飞片(铅和铝)的动力学响应行为,对两侧对称点起爆圆柱炸药、爆轰波对碰驱动组合飞片实验模型进行了数值模拟计算。得到了爆轰波对碰驱动组合飞片的计算图像,并与实验结果进行了对比分析,明确了SG强度模型对描述爆轰波对碰驱动下组合飞片的适用性,为高应变率条件下材料强度模型的适应性研究奠定基础,同时也为更好地理解材料在高应变率条件下的本构关系以及材料在对碰区的动力学行为提供参考。     

金属锡Rayleigh-Taylor不稳定性对模型参数敏感性的数值分析

利用自研的爆轰与冲击动力学欧拉计算程序和Steinberg-Guinan(SG)本构模型,数值模拟分析了样品初始参数(初始振幅、初始波长、样品初始厚度)和SG本构模型初始参数对爆轰驱动锡Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性增长的影响。结果表明金属锡样品的初始参数对其RT不稳定性增长有很大的影响。RT不稳定性增长随着初始振幅的减小而减小,且存在一个截止初始振幅;存在一个最不稳定的模态(波长),当初始波长大于该波长时,RT不稳定性增长随着初始波长的减小而增大,反之,RT不稳定性增长随着初始波长的减小而减小;样品厚度的增大可以抑制RT不稳定性增长,而且存在一个样品截止厚度。金属锡的RT不稳定性增长对其SG本构模型应变硬化系数和应变硬化指数的变化不敏感,而对压力硬化系数和热软化系数比较敏感。从采用扰动增长法预估材料强度的角度来说,修正压力硬化系数以获得锡合理的材料强度是合理的途径。     

爆轰产物驱动飞片运动数值模拟

化爆加载装置是研究材料动态响应特性的重要冲击加载装置之一。如果炸药与飞片直接贴附，将难以获得较低的飞片速度，而且飞片中载荷的上升时间较短。为研究材料在冲击压缩低压状态和准等熵压缩条件下的动态响应特性，对利用爆轰产物经过空气隙驱动飞片运动的加载装置进行了二维数值模拟，获得了一些规律性认识。     

爆炸载荷作用下锥形飞片的平面度研究

 尽管分离式Hopkinson压杆（SHPB）和轻气炮作为较为常用的两种动加载手段已经被广泛应用到多种材料的动态力学特性研究之中,但由于其自身加载试件尺寸较小,难以满足真实的混凝土和钢筋混凝土的实验研究需要。为解决该问题,提出了一套大尺寸简易爆炸加载装置,将飞片设计为锥形,利用炸药直接驱动飞片,实现大尺寸加载。先用数值模拟完成对爆轰加载装置的初步设计和优化,通过模拟炸药驱动飞片的动力过程,给出飞片和药柱的优化尺寸;然后利用自制的同轴探针、脉冲形成网络和两台示波器进行靶场实验测定,研究飞片平面度,提出改进方案,最终为大尺寸混凝土和钢筋混凝土试件的动态加载实验做准备。     

凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象分析

凝聚炸药爆轰在边界高声速材料约束下传播时,爆轰波会在约束材料界面上产生复杂的折射现象.本文针对凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象展开理论和数值模拟分析.首先通过建立在爆轰ZND模型上的改进爆轰波极曲线理论给出爆轰波折射类型,然后发展一种求解爆轰反应流动方程的基于特征理论的二阶单元中心型Lagrange计算方法来数值模拟典型的爆轰波折射过程.从改进爆轰波极曲线理论和二阶Lagrange方法数值模拟给出的结果看出,凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射类型有四种:反射冲击波的正规折射、带束缚前驱波的非正规折射、带双Mach反射的非正规折射、带λ波结构的非正规折射.     

铝的动态屈服强度测量及再加载弹性前驱波的形成机理分析

利用激光干涉测速技术(VISAR)测量LY12铝合金在20—34 GPa冲击压力下经历加载-卸载和加载-再加载过程的样品/窗口界面粒子速度剖面,采用AC方法确定了具有较高精度的动态屈服强度值.实验结果和文献发表的数据具有较好的一致性.通过以平面焊接方式制作组合飞片,克服了组合飞片在气炮发射过程中可能发生分离的技术困难,使铝的动态屈服强度测量压力范围从22 GPa扩展到了34 GPa.同时,根据对不同实验条件下的加载-再加载过程的比较,对再加载弹性前驱波的形成机理进行了讨论,认为位错是形成该现象的主要原因. 关键词： 动态屈服强度 AC方法 弹性前驱波 VISAR     

飞秒激光驱动超高应变率加载下铝材料的层裂特性

层裂损伤是材料动态损伤破坏研究中最重要的问题之一,其损伤特性和机制随加载应变率不同表现出明显的阶段性规律。超高应变率条件下材料层裂损伤特性、规律和机制研究已成为极端条件下材料动态响应研究的重要内容,在工程应用和基础研究领域均有重要意义。采用飞秒激光驱动冲击加载技术开展了超高应变率条件下铝材料的层裂损伤实验研究,利用啁啾频域干涉超快诊断方法对铝材料的层裂损伤过程进行了诊断,分析并获得了在109 s-1应变率条件下铝材料的层裂强度约为7 GPa,结合前人的研究数据,解读了铝材料层裂强度随应变率的变化规律。     

冲击波作用下铝的等效剪切模量

提出了冲击波作用下通过测量沿着准弹性卸载过程纵波波速与体波波速得到等效剪切模量的方法,应用该方法对LY12铝在20—70 GPa冲击压力下的等效剪切模量进行了测量.实验结果表明,等效剪切模量随应力线性减少直至反向屈服时为零,而初始卸载时的等效剪切模量可以由修正的Steinberg-Cochran-Guinan模型进行描述.应用得到的等效剪切模量进行了初步数值模拟,计算结果与实验测量的粒子速度剖面符合很好,重现了准弹性卸载到塑性卸载的光滑过渡. 关键词： 等效剪切模量 波速 准弹性卸载 冲击波 铝     

铝的动态屈服强度测量及再加载弹性前驱波的形成机理分析

利用激光干涉测速技术(VISAR)测量LY12铝合金在20—34 GPa冲击压力下经历加载-卸载和加载-再加载过程的样品/窗口界面粒子速度剖面，采用AC方法确定了具有较高精度的动态屈服强度值.实验结果和文献发表的数据具有较好的一致性.通过以平面焊接方式制作组合飞片，克服了组合飞片在气炮发射过程中可能发生分离的技术困难，使铝的动态屈服强度测量压力范围从22 GPa扩展到了34 GPa.同时，根据对不同实验条件下的加载-再加载过程的比较，对再加载弹性前驱波的形成机理进行了讨论，认为位错是形成该现象的主要原因.     

微观尺度下金属/气体界面RM不稳定性 自相似现象的分子动力学模拟

极端冲击加载条件下的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定性在惯性约束核聚变领域有重要的学术价值和工程意义。宏观动力学方法受限于极端条件下的模型和参数准确性而难以直接应用,微观分子动力学方法则受限于计算量而难以直接模拟宏观尺度现象。为了解RM不稳定性微观与宏观规律之间的联系,采用基于嵌入原子多体势(EAM)的分子动力学方法模拟铜-氦微观尺度界面在极端冲击加载条件下(活塞冲击加载速度6～15 km/s)的RM不稳定性现象,对比文献提供的近似条件下宏观模拟结果发现,演化过程在唯象上完全相似。进一步比较了不同尺度(7.3～145.0 nm)、不同冲击加载速度(11.7～20.6 km/s)、不同初始界面扰动(扰动振幅与波长之比0.20～0.05)条件下振幅发展规律,发现在相同冲击动力条件和边界条件下,RM不稳定性的振幅增长规律在计算尺度范围内完全自相似,主要参数的变化特征符合理论预测。尽管理论模型因简化而存在一定偏差,但是微观模拟获得的振幅增长规律与宏观现象有相似的变化特征。     

神光Ⅱ装置上辐射驱动瑞利-泰勒不稳定性实验

在神光Ⅱ装置上开展了辐射驱动RT不稳定性的一系列实验,获得了不同初始扰动幅度、不同扰动波长、不同材料样品等条件下辐射烧蚀RT不稳定性增长的高时空分辨背光图像,特别是在大初始扰动幅度样品实验中获得了扰动增长的清晰图像,观察到了扰动增长从线性区到非线性区的过渡过程,二次和三次谐波的产生和发展清楚可见。充实了数值模拟程序考核的实验数据库,对间接驱动ICF点火靶设计和研究具有重要作用。     

含铝炸药爆轰产物导电式爆磁压缩发生器

根据爆磁压缩发生器中导电体工作条件,对比了电枢和含铝炸药爆轰产物作为导电体的异同,得出几种高电导率含铝炸药爆轰产物对应的磁雷诺数,分析了含铝炸药爆轰产物代替电枢压缩磁场的可能性。设计了一种含铝炸药爆轰产物导电式螺线型爆磁压缩发生器,分析其运行过程,得出等效电路模型。数值模拟结果表明:相比于电枢作为导电体的传统螺线型爆磁压缩发生器,同体积条件下高电导率含铝炸药爆轰产物导电式爆磁压缩发生器具有更好的输出性能;该设计可以有效地抑制跳匝、电枢与定子线圈短路点接触不良等容易引起磁通损失的问题。     

单晶铜在动态加载下空洞增长的分子动力学研究

冲击载荷下延性材料的损伤是材料中微空洞的产生和长大演化的结果.利用分子动力学模拟 方法对延性金属单晶铜中单个空洞在动态加载下的演化发展进行了研究，得到了空洞增长过 程中的应力分布及空洞增长演化随冲击强度变化的规律.模拟结果表明，动态加载下的前期 压缩过程对后期拉伸应力场作用下的空洞增长演化特征有不可忽视的影响，微空洞增长的阈 值则与单晶实验中层裂强度随拉伸应力作用时间减少而增加的趋势相一致. 关键词： 层裂 分子动力学 动态加载 空洞