聚脲涂覆钢板在爆炸载荷作用下的动态响应

在验证了所用方法有效性的基础上,采用有限元软件LS-DYNA数值模拟了等面密度聚脲涂覆钢板结构及单一钢板在空爆下的动态响应,分析了聚脲涂覆位置对其抗爆性的影响;在此基础上,通过量纲分析的方法讨论了爆心距、炸药质量、涂覆聚脲厚度对钢板变形的影响规律。结果表明,聚脲涂覆在钢板上的位置影响其抗爆性能。其他变量一定的情况下,钢板中心最大位移随爆心距的增加近似呈指数递减趋势;改变炸药质量时,钢板中心最大位移随炸药质量的增加近似呈线性递增趋势;改变涂覆聚脲厚度时,钢板中心最大位移随涂层厚度的增加近似呈线性递减趋势。     

串联战斗部不同介质组合的隔爆能力

为了有效提升串联切割战斗部隔爆结构衰减爆炸冲击波的性能,解决前级聚能装药结构与后级随进弹的匹配及隔爆问题,在前级切割器和后级随进弹之间加装隔爆结构,使用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立模型,进行不同组合结构隔爆性能的数值模拟,比较隔爆能力。模拟结果表明:前级装药起爆后,爆炸冲击波首先向后级随进弹头靠里区域汇聚,而不是向弹头尖端区域汇聚,因此可以适当减薄外层金属隔爆介质头部尖端区域;将外层金属由硬质钢改成铝时,后端壳体应力峰值的变化很小,故确定外层金属介质为铝;铝-聚脲的隔爆能力优于铝-泡沫铝结构,最终确定"软"隔爆介质为聚脲。通过调整铝和聚脲层的厚度,确定了最佳隔爆参数,能够满足实际应用。     

钢板/POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能

为研究钢板/聚异氰氨酸酯噁唑烷（polyisocyanate oxazodone,POZD）聚合物高分子材料复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能,开展了近距空爆试验,通过观察试验模型的损伤以及相关数据统计,分析了钢板/POZD复合结构的变形失效模式。采用LS-DYNA软件进行数值模拟,通过与试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的准确性,并进一步分析了钢板/POZD复合结构跨中位移变化和能量吸收特性。结果表明：在相同钢板厚度下,钢板/POZD复合结构较单一钢板具有更优越的抗爆性能,钢板呈现出3种不同的变形失效模式;在钢板/POZD复合结构中,当钢板和POZD均未出现破口时,钢板的塑性应变能占总能量吸收的大部分;钢板/POZD复合结构中心点最大位移逐渐增大,且变形速度先升高后降低。研究结果可为工程中钢板/POZD复合结构的抗爆防护设计提供参考。     

Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟

结合金属/复合材料层合结构的抗侵彻能力,基于混合蜂窝结构低成本、高韧性以及在低速冲击下吸能的特点,设计了一种Al/CFRP(carbon fiber reinforced plastics)/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构,旨在利用各层结构特点,逐步降低弹体速度,高效吸收弹体动能,以达到防护效果。为探究Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的损伤演化规律及吸能特性,开展了Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的数值分析,探讨了冲击能量对多层结构抗侵彻性能的影响。结果表明：与Al/CFRP复合结构相比,引入混合蜂窝铝后,结构给予弹体的反作用力增大,在能量不变的情况下,弹体作用板的时间变短。在Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻过程中,Al板和CFRP芯层主要抵抗侵彻以降低弹体速度,混合蜂窝铝主要是吸能。在40 J的冲击能量下,结构总吸能为36.79 J,比吸能为0.217 J/g,蜂窝铝芯层吸能占主要部分,吸能比率为30.3%;随着冲击能量的增大,蜂窝铝芯层的吸能比率增至56.2%,即冲击能量较大时蜂窝铝芯层的吸能效果更好。     

抗爆型聚脲涂层的性能及其抗爆机理

通过广角X射线衍射仪、差示扫描量热法实验、扫描电子显微镜以及聚脲喷涂钢筋混凝土板的接触爆炸实验,研究了Qtech T26抗爆型聚脲(T26聚脲)的力学强度、分子结构及热性能,分析了有无涂层钢筋混凝土板的宏观形貌及涂层的微观形貌,考察了T26聚脲喷涂钢筋混凝土板的抗爆能力和防护机理。结果表明:T26聚脲的拉伸强度达到25.4 MPa,断裂伸长率为451.9%;其分子链中软段与硬段之间排列有序,微晶区结晶度为24.11%;软段玻璃化转变温度为-44.9℃,硬段玻璃化转变温度为36.5℃,呈现出一定的微相分离形态。爆炸实验后,无涂层钢筋混凝土板的迎爆面出现较大凹坑,背爆面被震塌,混凝土破碎;而对于有涂层的钢筋混凝土板,其迎爆面出现较小凹坑,迎爆面涂层除了因瞬间高温而导致的聚脲软化外,爆炸反射波的稀疏拉伸作用使聚脲材料发生破坏,聚脲涂层被撕裂,而背爆面则由于聚脲涂层削弱了稀疏拉伸波的作用,从而保护混凝土材料不被破碎,避免爆炸碎片飞溅。     

聚脲涂层复合结构抗侵彻机理实验研究

为研究聚脲涂层复合靶板的抗侵彻性能,利用球形弹丸开展了相近面密度下的钢质靶板与喷涂聚脲涂层复合结构的弹道冲击实验,得到了钢靶与采用不同涂覆方式制备的聚脲涂层复合结构的抗侵彻性能,分析了失效模式和吸能机理。结果表明:冲击过程中,前聚脲涂层能有效缓冲弹体与钢靶之间的撞击载荷,使钢靶产生预变形,降低弹体的相对侵彻速度,延缓钢靶绝热剪切破坏的发生,提高复合结构的弹道极限;后聚脲涂层可与钢靶协调变形,形成冲塞质量块吸能,吸收弹体动能,在弹速较高时有较好的吸能能力。     

港池环境近水面水下爆炸特性及其毁伤效应

为研究港池环境近水面水下爆炸载荷及其对码头结构的损伤特性,设计了一种典型码头结构,并构建港池环境,运用LS-DYNA程序开展水下爆炸数值模拟研究,对爆炸现象、荷载特性、结构动态响应和能量吸收特性4个方面进行了详细研究,分析了边界、比例爆距等参数的影响规律。结果表明:爆炸气泡脉动主要受到码头结构边界和水面的影响,水底和有限港池内的流体运动对其亦有一定影响;冲击波荷载以比例爆深为中心呈垂向对称分布,气泡脉动荷载主要分布于比例爆深以下位置;结构变形和毁伤主要在冲击波传播阶段形成,气泡脉动和射流的二次毁伤效果较弱;混凝土和沉箱内填土是主要能量吸收部分。     

爆炸载荷下舱内泡沫铝夹芯结构的动响应特性

为探索爆炸载荷下舱内夹芯复合结构的动态响应特性与防护效能,采用小尺度舱室结构模型实验,结合有限元数值分析,开展了不同爆炸距离下舱内双层泡沫铝夹芯结构的动响应特性和变形模式研究。分析了不同爆距下舱内爆炸载荷的作用过程和时空分布特性,讨论了在初始冲击波、初始冲击波叠加各壁面二次反射波和舱内爆炸准静态压力3种载荷下泡沫铝夹芯结构的变形模式。爆炸载荷下舱室壁板承受的载荷依次为初始冲击波、各壁面二次反射波和准静态气压。炸药在靠近舱室一端处起爆时,初始冲击波在近端壁的局部效应明显,在远端壁的作用范围更大,与舱室中心爆炸相比,其爆轰产物波动次数更少。泡沫铝夹芯结构的变形过程可分为泡沫芯层压缩、局部凸起变形和整体挠曲变形3个阶段,对应迎爆面板局部凸起叠加整体挠曲大变形、局部凸起叠加整体挠曲大变形和整体挠曲大变形3种变形模式。     

水下爆炸冲击波在含吸收层结构中的传播规律的数值模拟

 利用ANSYS/LS-DYNA软件,对水下爆炸冲击波在含有吸收层的多层结构中的传播规律进行了数值模拟。结果表明：冲击波在吸收层中的衰减是由泡沫材料自身的本构引起的;在含泡沫材料吸收层的结构中峰值压力仅为不含吸收层的14%,冲击波传播波形发生改变;在含有泡沫混凝土的多层结构中应力波峰值的下降幅度比含泡沫铝的大,但冲击波传播波形的变化不是很明显;泡沫混凝土中的总能量大于泡沫铝中的总能量,因此泡沫混凝土作为防护吸收层要优于泡沫铝。     

玻璃微球基乳化炸药及其在爆炸焊接中的应用

爆速是爆炸复合的主要参数之一。采用玻璃微球作为敏化剂和稀释剂,研究玻璃微球尺寸、含量对乳化炸药爆速的影响,然后调配爆速为2.230km/s的低爆速乳化炸药,利用铝蜂窝板配置蜂窝结构炸药,进行铝-钢复合板的爆炸焊接。试验结果表明:炸药密度随着玻璃微球含量的增加而减小;小尺寸玻璃微球含量(质量分数)小于2%或者大于35%时,乳化炸药发生拒爆现象;玻璃微球含量大于7%且小于35%时,炸药爆速随着玻璃微球含量的增大而减小。小尺寸(5~100μm)玻璃微球的敏化效果和调节爆速效果比大尺寸(70~200μm)玻璃微球好,铝蜂窝结构炸药用于铝-钢爆炸焊接可以获得良好的结合质量。     

多层级夹芯结构的变形与能量吸收

采用数值模拟与理论分析相结合的方法研究了多层级波纹板夹芯结构在准静态压缩载荷下的变形规律与能量吸收性能,建立了结构临界失效载荷的计算公式,并与数值模拟结果进行了对比,理论预测与数值模拟结果吻合较好。分析了芯层厚度对二级芯层结构在压缩载荷下的变形模式及能量吸收性能的影响,并与一级结构进行了对比。结果表明:二级芯层结构的能量吸收性能显著优于一级芯层结构;随着结构芯层厚度增加,二级结构的比吸能和载荷效率增大;芯层厚度较小时二级单层结构的比吸能高于二级双层和三层结构,二级双层结构的比吸能略高于二级三层结构。     

双层荧光粉涂覆对COB封装LED出光的影响

为了提高LED出光量，基于传统的荧光粉涂覆设计了一种双层荧光粉涂覆结构。通过对上下涂覆层浓度及上层涂覆量的研究，探究双层涂覆结构对COB封装LED出光的影响。结果表明在通电电流为440 mA时，可在实验中实现15 W的COB封装结构的白光LED:涂覆单一黄色荧光粉，上下层胶粉比为14.2～28且上层涂覆体积为下层的0.8倍时，COB封装LED的光通量为2 179 lm，光效可达145.3 lm/W，显指为63，出光量最大提升为7.82%；荧光粉调整为黄绿粉和红粉的配合使用后，最终实现色温、光效及显指分别为4 854 K、129.7 lm/W和81.2。因此，双层荧光粉涂覆结构可以提高COB封装LED的光学性能，对实际生产有一定的应用价值。     

不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能实验研究

 通过对铝Whipple防护结构进行扩展变形,设计出不锈钢网/铝板组合多冲击防护屏,并利用二级轻气炮对其进行高速撞击实验,撞击速度为3.93~4.25 km/s,弹丸直径为6.35 mm。分析了不同规格不锈钢网、不同间距组合以及网格间结膜对不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的影响。结果表明：不锈钢网位于防护屏的最后层有利于碎片云的扩散;不锈钢网位于防护屏最前层不利于撞击粒子的初次破碎;丝网几何参数、防护层间距组合是提高不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的重要参数;网格间结膜有助于弹丸撞击动能的吸收。     

破片式战斗部破片与冲击波相遇位置研究

为研究破片式战斗部爆炸后破片和冲击波两种毁伤元的相遇位置,先通过ANSYS/LS-DYNA对破片式战斗部的爆炸过程进行数值计算,再通过试验的方法测量破片和冲击波相遇位置,验证了数值计算方法的合理性。在此基础上,分析了装填系数、破片质量、爆速和爆热对相遇位置的影响。结果表明:随着装填系数、破片质量、爆速和爆热的增加,相遇位置减小;装填系数增加31%,相遇位置距爆炸中心的距离减小11.5%;单枚破片质量增加1倍,相遇位置距爆炸中心的距离减小2.4%。     

聚黑铝炸药的能量输出特性及评估方法

为了研究RDX基聚黑铝炸药（JHL-X）的能量输出特性及其评估方法,通过绝热式量热仪、水下爆炸系统、空爆系统分别测试了JHL-X的爆热、水下爆炸能量、地面超压。结果表明:JHL-X在真空中的爆热值与在N₂中的爆热值基本一致,约为1.75倍TNT当量;在空气中的爆热值为8 045.724 J/g,为1.93倍TNT当量,比真空和N₂中高10%。JHL-X水下爆炸中的冲击波能、气泡能分别为0.935、4.614 kJ/g,总能量为1.83倍TNT当量。空爆时,根据通过地面超压得出的TNT和JHL-X超压公式,得到1.5、 2.0、 2.5m处的JHL-X的TNT当量分别为2.14、1.70、1.75,均值为1.86。采用水下爆炸和真空爆热法时,因外界环境不供氧,致使两种实验方法评估出的JHL-X炸药能量一致;而采用空爆和空气爆热法时,因外部环境供氧,致使含铝炸药中Al的反应增加,总能量提高,两种方法得到的实验结果相近。因此,在评估炸药能量水平时,需考虑炸药配方设计和实际用途,进而选择合适的评估方法。     

爆炸载荷下X70钢管道的局部破坏效应

对大直径X70钢油气管道在接触爆炸下的破坏效应进行了野外化爆实验,获得了不同装药量及不同壁厚条件下钢管道的接触爆炸破坏特征。实验结果表明:接触爆炸载荷作用下管壁迎爆面局部破坏明显,且呈花瓣形破口,同时产生具有较大质量和动能的爆炸破片,破片与对面管壁碰撞后形成凹坑,甚至发生贯穿现象。基于动力有限元程序LS-DYNA及Lagrangian-Eulerian耦合方法,对钢管在外接触爆炸载荷作用下的非线性动态响应过程进行三维数值模拟,得到管壁迎爆面的变形破坏及对面管壁在爆炸破片碰撞下的后效作用过程,计算结果与实验结果符合良好。研究结果为在役油气管道的抗爆能力分析及安全性评估提供了参考依据。     

缺陷对金属蜂窝材料面内冲击性能的影响

 利用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA,数值研究了缺陷（胞元缺失）的分布位置及其尺寸对金属蜂窝材料面内冲击性能的影响。考虑到理想六边形蜂窝材料在不同冲击速度下的变形特征,将试件划分成9个子区域,讨论了缺陷集中位置、缺陷尺寸和冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形模式和能量吸收性能的影响。研究发现,蜂窝材料的面内冲击性能依赖于缺陷的分布位置和缺陷尺寸,且在中低速时表现出较高的敏感性,但冲击速度的增加将弱化缺陷分布不均匀性的影响。由于缺陷的存在,蜂窝材料的能量吸收能力明显降低,但与缺陷分布位置相比,蜂窝材料单位体积所吸收的能量更敏感于缺陷尺寸。研究结果将为多胞材料的安全性评估及能量吸收设计提供理论指导和依据。     

HL-1M装置第一壁锂-硅复合涂层及其效果

在HL-1M装置上新开发出一种第一壁原位锂-硅复合涂覆技术。装置涂覆后，真空室内的真空度上升，杂质气体的分压强下降，低于单一的硅化或锂涂覆。在相同放电参数下，具有锂-硅涂层的放电与原位硅化放电相比；等离子体中的氧杂质浓度下降了30%，尤其是随着等离子体密度上升碳杂质下降得更显著；等离子体能量辐射损失降低了25%；等离子体边缘温度和密度有所降低，这表明等离子体内部约束得到改善，有原位锂-硅复合涂覆的放电结果略好于或同于单一原位锂涂覆放电的结果，但这种复合涂层能维持100余次托卡马克放电，较单一原位锂涂层维持的放电次数高一个数量级，这证明了锂-硅复合涂覆技术的优异性能。     

爆炸冲击波在仿桥梁结构内传播的数值模拟

桥梁作为交通枢纽中的重要关卡,受到强冲击载荷作用后的毁伤效果一直是国内外关注的热点问题。炸药爆炸是对其进行毁伤的最为有效的手段之一,研究爆炸冲击波在桥梁结构中的传播规律对桥梁结构抗爆设计和爆炸事故救援具有至关重要的作用。为此,搭建了桥梁的局部结构并进行爆炸毁伤实验,为数值模拟研究提供数据参考。采用自主开发的三维爆炸与冲击问题仿真软件EXPLOSION-3D对仿桥梁结构的爆炸冲击波传播问题进行了数值模拟研究。将数值模拟结果与实验结果进行对比,验证了数值算法的有效性;进一步通过对比不同位置处的压力时程曲线来分析爆炸冲击波在仿桥梁结构中的传播规律,并分析了炸药在不同位置处爆炸和不同当量炸药爆炸对桥梁结构毁伤的影响规律。基于数值仿真结果,得到了给定工况下炸药对仿桥梁结构内的人体和车辆的毁伤程度。最后,通过对比分析不同工况的数值模拟结果,从仿真的角度给出了安全预防建议。     

氦等离子体处理对纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维拉伸性能的影响

氦等离子体处理纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维能构造出特定空间结构形态的纳米涂覆层.扫描电子显微镜照片显示,经氦等离子体处理后纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维的纳米涂覆层在纤维表面分布均匀,起到填补纤维表面微观缺陷的功能.X射线光电子能谱及傅里叶变换红外光谱显示,纤维表面被引入了活性官能团,纳米二氧化硅涂覆层与碳纤维间有表面激活反应.形成纳米界面结构的T300碳纤维表面与纳米二氧化硅涂覆层间的相互作用符合艾琳方程,利用热激活体积可以对其相互作用进行定量分析.拉伸试验表明,屈服塑性变形导致纳米界面结构热激活,纳米微粒阻碍碳纤维表面大分子链形貌变化的热激活体积是纳米界面结构性能的重要表征. 关键词： 激活体积 溶胶涂覆 氦等离子体 纳米界面结构