光滑粒子模拟方法在超高速碰撞现象中的应用

简要介绍了基于黎曼解的光滑粒子法,并将改进的SPH方法应用于超高速碰撞,对二维轴对称条件下的弹丸超高速碰撞薄板问题进行了数值模拟,研究了靶板厚度、弹丸速度、弹丸形状等因素对形成碎片云的影响。通过与实验数据比较,该算法模拟的碎片云的形状及特征与实验相吻合,验证了光滑粒子法对冲击动力学问题数值模拟的有效性。     

INVESTIGATION OF PLASMA DAMAGE PROPERTIES GENERATED BY HYPERVELOCITY IMPACT

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.     

超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.      

超高速撞击厚靶过程的能量分配研究

超高速撞击过程的能量分配研究,对于解决动能撞击、发展导弹拦截技术、判定空间飞行器被撞事件及评估碰撞破坏程度具有重要的理论意义。本文在总结前人关于超高速撞击过程能量分配的基础上,将超高速撞击厚靶过程中弹丸的动能分配归纳为靶板的变形能、弹丸与靶板作用过程应力波传播使靶板内能的增加、撞击产生碎片的崩溅能和产生电磁辐射的辐射能,并结合理论推导、实验和数值模拟对撞击速度为2.61km/s且正碰撞2A12铝靶的能量分配进行了定量计算。研究结果表明：无论在弹坑的形貌、尺寸还是辐射温度等方面,实验测量结果、理论推导结果与数值模拟的结果均基本吻合。该研究成果在解决行驶中的车辆碰撞问题以及航空飞行器遭遇鸟撞等领域亦有重要的参考价值。     

靶板厚度对卵形弹丸垂直贯穿中等厚度混凝土靶的影响

为研究卵形弹丸贯穿中等厚度混凝土靶体的贯穿规律,开展直径60 mm尖卵形弹丸贯穿不同厚度混凝土靶体的侵彻实验,获得了不同撞击速度的弹丸贯穿不同厚度混凝土靶体的剩余速度规律。结合无网格SPH方法、RHT混凝土本构以及状态方程,对贯穿实验进行数值模拟,对不同工况下的弹丸过载规律以及靶体的损伤过程的分析发现:弹丸贯穿中等厚度混凝土靶体的贯穿过程分为开坑阶段、隧道稳定侵彻阶段以及靶背影响出靶阶段,在相同初始撞击速度下的靶背影响区的厚度随着靶体厚度的增加而增大。实验结果与数值模拟结果对比,表明模型能够有效模拟弹丸贯穿混凝介质问题,研究结果可为贯穿机理的研究提供参考。     

微流星体撞击航天器防护结构的模拟实验

采用火山岩模拟低密度脆性微流星体材料,对航天器典型Whipple防护结构进行高速撞击试验.试验表明,火山岩弹丸在后板的损伤中,主要体现在其能量的集中性上,后板的损伤随着弹丸速度增加而增加,前板的碎片也是后板损伤的重要因素,其形成的坑比火山岩碎片云的大和深.     

飞机加强蒙皮在12.7 mm弹丸撞击下的变形与破坏

为了研究飞机蒙皮在12.7 mm标准机枪弹丸射击下的损伤,对3 mm厚LY-12 CZ材料的单蒙皮及其加筋板进行了模拟弹击试验。通过试验研究,建立了一个由高速气炮、弹体与弹托分离机构、连续位移激光测速装置和弹丸回收装置组成的系统并被有效地用于弹丸正撞击试验。通过对四边固支的3 mm厚蒙皮用12.7 mm直径弹丸进行速度约60~300 m/s的正撞击试验,结果表明,靶板从微小损伤到完全击穿;弹击造成的变形区有效直径随弹丸速度的增大呈幂指数趋势下降;弹击引起的变形深度随弹丸撞击速度的增加呈直线下降;靶板上的应变随弹丸速度的增加逐渐降低。弹丸剩余速度随弹丸撞击速度的增加呈直线上升。最后利用DYNA3D程序对单蒙皮及其加筋板进行了弹击数值模拟,模拟结果与弹击试验结果较吻合。     

反舰弹斜穿甲和爆炸成型自锻弹丸形成过程的数值分析

采用流体动力学有限元方法,对亚音速钢质柱形反舰弹贯穿20mm厚钢质靶板的过程和爆炸成型自锻弹丸形成过程进行了数值模拟。在给定的破坏准则条件下,给出了弹体斜穿甲过程的三维图形分析结果,同时对斜穿甲后弹体剩余速度与近似方法计算的弹体剩余速度进行了比较。给出了爆炸成型自锻弹丸形过程的数值结果,以及弹丸形成后的速度和长径比等。     

低密度脆性微流星体撞击航天器防护结构损伤效应研究

采用硅酸盐质弹丸模拟低密度脆性微流星体,开展了航天器典型Whipple 防护结构撞击实验研究,获得了低密度微流星体弹丸损伤模式和损伤规律,实验表明,当弹丸撞击速度在1.1~1.4 km/s,前板损伤模式从花瓣式开裂转变为穿孔,当速度为1.4 km/s 时后板鼓包头上出现裂纹;随着弹丸速度的进一步增加,后板出现剥落现象,并形成花瓣撕裂,当弹丸撞击速度达到1.95 km/s 时后板被击穿,导致防护结构受到破坏.     

碎片云的毁伤潜力

提出了超高速碰撞研究的工程算法模型,并采用该模型来模拟弹丸超高速撞击薄板形成的碎片云对后靶的破坏毁伤情况,与超高速碰撞实验相比较,数值模拟结果与实验结果较为一致。采用的工程算法模型很好地描述了超高速碰撞现象,定性地给出了碎片云的毁伤潜力。     

Heat transfer during the melting of ice around a horizontal,isothermal cylinder

An experimental investigation of the melting of ice around a horizontal, isothermal cylinder is performed. Emphasis is placed on interpreting the heat transfer mechanisms which control solid-liquid interface position. Flow visualization and interferometric techniques are employed to study the transient flow patterns and corresponding temperature distributions in the melted region. It has been determined that density inversion plays an important role in the melting of water. The location of the maximum density surface in the liquid has a significant effect on natural convection, and hence on the shape and size of the melted region. Local Nusselt numbers at the surface of the cylinder and at the solid-liquid interface are determined and found to be complicated functions of time and imposed thermal conditions. Average Nusselt numbers at the solid-liquid interface and at the surface of the cylinder decrease with time and quasi-steady conditions are not reached.     

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系

为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。     

铝颗粒在激波后气流作用下的点火

对铝颗粒在激波后气流作用下的点火进行了理论分析 ,用三个不同的判据得到铝颗粒点火的延时曲线并与实验进行了比较。理论分析结果表明 ,铝颗粒可以在远低于Al2 O3 的熔点被点火 ,甚至只要在铝的熔点时就被点火。提出的铝颗粒在温度达到铝的熔点且铝完全熔化时被点火这个判据在一些条件下与实验符合很好。如果铝颗粒表面的氧化层较厚 ,则点火温度为氧化铝的熔点。     

升温速率与流变特性对B炸药慢烤响应的影响

In order to investigate the difference of internal temperature distribution and the location of response in slow cook off of Comp B with consideration about the rheology and its size-effect when under different heating rates, 2 types of cooking off bombs with diameters of 76 mm and 130 mm were designed. The temperature curves of the internal monitoring points in the bombs at the heating rates of 1 ℃/min and 3.3 ℃/h were obtained by the slow cook off test, and the characteristics of temperature field under various conditions were further analyzed in simulation. The results show that: at the heating rate of 1 ℃/min, the internal explosives of the 2 sizes of bombs have already responded before they have completely melted, affected by the convection, the explosive of the top melted significantly quicker than that of the bottom, size effect on the rheology was not obvious; When the heating rate is 3.3 ℃/h, after the phase changing is completely done, the intensity of internal flow field is low, and the temperature field of the smaller bomb changed very slowly. However, the internal temperature field in the larger bomb changed quickly to a typical liquid temperature field because of an intenser flow, size effect on the rheology was more palpable. Moreover, in any conditions, the highest temperature location, self-heating and response areas are all near the top of the explosive.     

相变材料接触熔化的研究

对有关相变材料接触熔化的研究成果进行了全面的综述, 内容包括:封闭空间的接 触熔化、围绕热源的接触熔化、滑动接触熔化、滚动接触熔化、冰的压力熔化、接 触熔化的量级分析与修正、由液体边界层内的热扩散引起的熔化、不连续接触点上 熔化与润滑、固体内部传热的影响、玻璃的软化与接触熔化.     

一种基于能量法则的爆炸成形弹丸速度的工程计算方法

为了准确预报爆炸成形弹丸的速度,提出了以药型罩中所有内部微元都变处于流动状态的时刻作为爆炸成形弹丸成形结束的标志,并因此得出药型罩自身变形时所消耗的变形能应与使整个药型罩都处于流动状态的熔化能相等。在此基础上利用能量守恒原理,建立了爆炸成形弹丸速度的计算公式,并通过试验和数值模拟验证。实验和计算结果表明,本文中所建立的爆炸成形弹丸速度的计算公式具有较好的工程实用价值。     

基于细观建模的电子束预控弹体破裂机理数值研究

为研究电子束预控弹体的破裂机理。提出了基于电子束预控弹体细观几何特性的参数化建模方法,建立了含基体、熔融区、过渡区和空腔区弹体的三维有限元模型,采用LS-DYNA软件对典型弹体的爆炸驱动和破裂过程进行了数值模拟分析。结果表明:电子束预控弹体破裂过程可分为:弹体膨胀后的空腔区在环向拉应力作用下产生拉伸断裂、过渡区产生裂纹扩展和拉伸断裂以及空腔区底部基体在两侧拉应力和底部压应力作用下产生与弹体内壁法线呈45°的剪切破坏3个阶段。数值模拟结果与回收的破片截面形状和破坏模式吻合较好。研究结果对电子束预控弹体破片成型控制具有参考价值。     

Boundaries of the initial melted area of a semiconductor film formed by floating-zone melting

Stationary hydrodynamic and temperature fields near the upper triple point of the floating-zone melting process are analyzed. Regularities determining the angular position and shape of the initial melted area as functions of thermal conditions on solid and liquid surfaces in the immediate vicinity of the triple point are established in the form of four analytical relations. Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk 630090. Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 41, No, 3, pp. 139–148, May–June, 2000     

T10钢金属模具中裂纹电磁热止裂的实验研究

自主设计了改进型ZL-2超强脉冲电流发生装置，采用它对T10金属模具钢中裂纹进行脉冲放电止裂。放电时裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区，使裂纹尖端钝化，达到了止裂的目的。由于脉冲放电超快速加热和冷却，在裂纹尖端处实现了冲击淬火，得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织，同时围绕裂纹尖端形成了白亮层组织，提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性，实验结果验证了理论研究和数值模拟的结果，为将电磁热裂纹止裂技术应用到金属模具裂纹止裂中，进行了基础实验工艺的研究工作。     

Laser consecutive pulse heating in relation to melting: influence of duty cycle on melting

Laser consecutive pulse heating of steel and titanium is considered and the influence of consecutive pulse duty cycle on the melting process is examined. A model study is introduced to accommodate the phase change process while an experiment is carried out to measure the size of the melting region along the irradiated surface. The simulations are repeated for three duty cycles. It is found that the sizes of melt and mushy zones are influenced by the duty cycle; in which case, radial distribution of temperature is modified significantly for low duty cycle as compared to for high duty cycle.