爆炸冲击震动模拟平台的研制

为了模拟核爆、化爆冲击震动环境,根据能量守恒和弹性碰撞原理,研制了悬挂式爆炸冲击震动模拟平台。该平台能够完成水平向和垂直向冲击试验,通过对锤重、锤高和垫层厚度等参数的合理选择,性能指标可达到:水平向冲击加速度峰值5~1 500 m/s2,作用时间50~4 ms;垂直向冲击加速度峰值10~1 000 m/s2,作用时间60~4 ms。性能试验表明,该平台能够为防护工程结构抗震及其他有关冲击振动问题的研究提供安全、方便、经济、可靠的试验手段。     

仪器车减震台的设计优化

本文介绍一种以塑性变形减震概念设计的用于地下爆炸地表层裂区内的仪器车减震台。文中叙述了设计的原理和计算方法。通过同普通的由弹簧和阻尼器构成的减震台的计算对比,说明这种以塑性变形减震概念设计的减震台具有许多优点。对减震台做了吊高达1.5m的落地冲击实验,其结果同计算一致。     

基于Kalman滤波的GPS载波相位信息融合技术

主要针对载体运动加速度的确定，研究了以卡尔曼滤波为基础，融合GPS载波相位信息中相位速率和加速率的方法。采用载体运动的“当前”统计模型建立系统状态方程，系统观测方程中组合双差载波相位速率和加速率作为观测向量。针对一组静态数据和一组航空实测数据所作的处理分析表明，这种方法相对于单独利用载波相位加速率进行加速度估计，精度有明显提高。在10Hz GPS数据采样频率上，静态数据载体运动加速度估计精度约为1．4mm／s^2，动态数据加速度估计精度约为0．40m／s^2。     

建筑物-设备互动体系的减震机理研究

将结构及结构中某些设备分别视为主、子结构组成互动体系，通过对这种结构的频域分析，得到了在外部激励荷载作用下结构反应的概率特性，主、子结构的相互作用情况，以及由于主、子结构的相互作用对主结构产生减震效果的减震机理，并分析了互动减震体系中对减震效果有影响的因素．研究表明，互动减震体系的减震机理是子结构向主结构施加一个惯性力，其大小与激励外力相等，方向相反，使主结构的振动消失。     

地面和埋置爆炸土中地冲击作用分区数值模拟及试验研究

为研究爆炸条件下土中应力波的时空分布,基于黄土中接触爆炸和半埋爆炸试验,验证了ANSYS/AUTODYN软件建立的计算模型,并在此基础上开展了土中爆炸地冲击效应研究。结果表明:随着土介质深度的增加,感生地冲击峰值减小,而直接地冲击峰值增大,最终,压力和竖向应力时程曲线中的2个峰值减少为1个峰值,据此特征可将土中应力波场分为3个区域,即地表区、近地表区和中心区;当装药比例埋深为?0.05～0.075 m/kg1/3时,随着装药比例埋深的增大,中心区迅速扩大,地表区迅速缩小,近地表区逐渐扩大;当装药比例埋深为0.1～0.4 m/kg1/3时,地冲击作用区的分布趋于稳定;爆炸耦合进入空气和土介质中的动能受炸药类型影响,但在一定范围内,地冲击作用区角度与地面空气冲击波超压冲量和直接地冲击应力冲量之比呈线性相关关系。     

射孔管柱振动参数实测及其ALE数值仿真分析

射孔爆轰产生的强冲击波作用于射孔段管柱,常发生管柱塑性弯曲、震弯、震断等事故。为了得到射孔管柱振动的关键参数,阐明射孔爆轰冲击下管柱的动力响应规律,以油田常用7″×12.65mm P110套管和2 7/8″×7.82mm P110油管管柱组合为例,应用ANSYS软件的AUTODYN模块,建立了长度为11m的有限元瞬态模型。用EULER模型描述作为固壁边界的套管和射孔段管柱,用EULER-MULTIMATERIAL描述大变形射孔液和发生固液相变的射孔弹,模拟射孔液的剧烈运动以及射孔液与套管、管柱的流固耦合作用,从有限元分析结果中提取射孔液压力脉动和管柱振动的关键数据;自主研发射孔压力和管柱震动测试器,实测环空射孔液压力脉动、射孔管柱震动速度和加速度;将数值分析结果与实测结果进行对比,分析射孔段管柱的震动规律。研究表明,近封隔器管柱处应力值更大,验证了射孔管柱常在近封隔器处震弯、震断的原因推断。射孔液峰值压力实测结果和数值分析结果分别为174.8MPa和191.4MPa,二者相差9.5%。实测和数值分析轴向加速度沿上下两个方向的最大值分别为178.4m/s~2、169.5m/s~2和189.1m/s~2、155.2m/s~2,实测与有限元分析结果对应相差分别为6.0%和8.4%,说明应用Euler和EULER-MULTIMATERIAL耦合算法模拟射孔爆轰的计算满足精度要求,方法可行。本文数值方法的分析结果可以指导现场施工。     

粘滞阻尼器减震结构非线性随机振动的时域显式降维迭代随机模拟法

粘滞阻尼器在大型复杂结构减震设计中应用广泛。由于粘滞阻尼器的非线性阻尼力特性,粘滞阻尼器减震结构非平稳随机地震反应分析是一个典型的局部非线性随机振动问题。利用减震结构动力响应时域显式表达式的降维列式优势,仅针对与粘滞阻尼器相关的局部自由度进行非线性迭代计算,提出了局部非线性随机振动问题的时域显式降维迭代随机模拟法,为设置粘滞阻尼器的大型复杂减震结构非线性地震反应分析提供一种高效的随机振动方法。以安装了四个纵桥向粘滞阻尼器的某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展E2水准地震激励下的非线性随机振动分析。计算结果显示,设置阻尼器后,主梁的纵桥向位移得到明显控制,降幅达到80%,大桥的关键截面内力也有5%左右的降幅。     

快速热点火熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验研究

以熔铸型含铝混合炸药熔奥梯铝为对象，研究铸装含铝混合炸药快速热点火后的燃烧转爆轰特性。建立了快速热点火燃烧转爆轰实验平台，由实验装置（加热装置、约束钢管、炸药）、压力测试系统、光纤测速系统组成；加热装置加热15 mm厚45钢钢板，峰值温度大于1 100 ℃，温升速率为85～95 ℃/s。开展了快速热点火带壳熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验，由加热装置加热约束钢管内熔奥梯铝炸药，炸药化学反应阵面压力和传播速度分别由压电性高压压力传感器和光纤探针测定；实测阵面压力约1 GPa，传播速度最大约2 600 m/s。由光纤数据获得炸药化学反应阵面传播轨迹，通过特征线方法获得冲击形成点，半定量给出冲击形成距离大于850 mm；并比较了管体破片质量实测值与炸药完全爆轰时破片平均质量计算值，实测值远小于计算值。综合实测化学反应阵面传播速度和压力、冲击形成距离分析、破片质量比较，可确定熔奥梯铝炸药没有发生完全爆轰，其化学反应状态为爆燃。另外，采用Adams和Pack模型、CJ燃烧模型，都能够半定量的预估冲击形成距离和燃烧波后压力，为实验设计提供依据，但CJ燃烧模型的计算结果更接近于实测值。     

3D打印点阵夹芯结构冲击损伤的近场动力学模拟

为了有效模拟3D打印点阵材料夹芯结构在弹丸冲击下的损伤破坏行为,在近场动力学微极模型中引入塑性键,构建了适用于点阵材料夹芯结构的模型和建模方法,在验证模型准确性的基础上,模拟分析了低速和高速弹丸冲击下点阵材料夹芯结构的损伤模式与破坏机理。结果表明：低速冲击下3D打印点阵夹芯结构的破坏模式以局部塑性变形为主;高速冲击下,破坏模式表现为溃裂、孔洞贯穿和碎片喷射,并伴随着大范围的塑性变形。低速冲击下塑性变形范围随冲击速度升高而增大,而高速冲击下则相反。高速冲击下,点阵夹芯结构的贯穿过程分为面板接触、局部屈服、芯材压溃、穿透4个阶段,弹丸经历了急-缓-急3段减速过程,并对应2个加速度高峰,第2个加速度峰值低于第1个加速度峰值的50%;低速冲击过程中,弹丸仅有1次减速过程,加速度峰值随冲击速度的升高而增大,最终弹丸反弹。     

任意荷载作用下液体粘滞阻尼器在桥梁工程中减震作用探讨

在桥梁工程中，当需要限制梁端的碰撞或过大的相对位移，经常会在梁端设置液体粘滞阻尼器。由于技术原因，液体粘滞阻尼器在桥梁设计中的参数选取基本上是通过全桥模型的地震非线性时程分析得到的。而在寿命期内，桥梁需要承受各种随机荷载，在具有不同力学特性荷载的激励作用下引起梁端纵向大的响应时，液体粘滞阻尼器是否始终起有利的减震作用，一直困扰着其在桥梁工程中的实践。在液体粘滞阻尼器力学特性研究的基础上，通过矩阵变换得到关于阻尼器的局部动力方程，从变形和受力两个方向对此问题进行探讨，得到液体粘滞阻尼器对于梁端的相对位移、相对速度、相对加速度均有减震作用。但不会得出始终对所有构件的受力有利的结论，并进行了验证。     

水下爆炸冲击波壁压理论及数值计算方法改进研究

水下爆炸冲击波是舰船抗冲击评估中重要的载荷成分,也是水中结构物毁伤程度快速预报的关键和依据。通过小当量实验发现,由于传统 Taylor 平板理论公式忽略了冲击波波速的非线性变化 ,导致其在预报近距离水下爆炸冲击波壁压脉宽时出现偏差。为此,给出了比例爆距R/W1/3为0.11～5.30 m/kg1/3 (R为爆距,W为炸药质量)下的冲击波速度拟合公式,对传统Taylor理论公式进行修正。修正后,在R/W1/3=0.11 m/kg1/3下,壁压脉宽及冲量偏差大幅减小;在R/W1/3≥0.21 m/kg1/3下,两者偏差均小于12%。此外,在处理水下近场和中远场爆炸问题时,发现数值耗散会导致壁压峰值被明显削弱,于是提出了一种可行的数值策略消除计算中数值耗散导致的削弱效应,结果与修正的Taylor平板理论公式吻合良好,峰值偏差均小于9%。改进后的冲击波壁压理论公式及数值计算方法可为舰船抗爆抗冲击领域提供理论和技术支撑。     

Shock wave driven microparticles for pharmaceutical applications

Ablation created by a Q-switched Nd:Yttrium Aluminum Garnet (Nd:YAG) laser beam focusing on a thin aluminum foil surface spontaneously generates a shock wave that propagates through the foil and deforms it at a high speed. This high-speed foil deformation can project dry micro- particles deposited on the anterior surface of the foil at high speeds such that the particles have sufficient momentum to penetrate soft targets. We used this method of particle acceleration to develop a drug delivery device to deliver DNA/drug coated microparticles into soft human-body targets for pharmaceutical applications. The device physics has been studied by observing the process of particle acceleration using a high-speed video camera in a shadowgraph system. Though the initial rate of foil deformation is over 5 km/s, the observed particle velocities are in the range of 900–400 m/s over a distance of 1.5–10 mm from the launch pad. The device has been tested by delivering microparticles into liver tissues of experimental rats and artificial soft human-body targets, modeled using gelatin. The penetration depths observed in the experimental targets are quite encouraging to develop a future clinical therapeutic device for treatments such as gene therapy, treatment of cancer and tumor cells, epidermal and mucosal immunizations etc.      

钙质砂介质中爆炸波传播规律的试验研究

开展了一系列钙质砂和石英砂的地面爆炸试验，主要对比分析了两种砂土介质中爆炸波的传播规律，包括峰值压力、弹塑性波速及升压时间、爆坑尺寸等。试验结果表明，爆炸波在钙质砂中的传播与在石英砂中存在较大差异：地面爆炸作用下钙质砂爆坑较石英砂爆坑的直径和深度更小，且成坑形状为两阶同心圆；钙质砂中弹性波速为236～300 m/s，石英砂中弹性波速为218～337 m/s，弹性波速和塑性波速均随炸药质量增加而增大；爆炸波在钙质砂中的升压时间随比例距离的增加而增加，而在石英砂中升压时间随比例距离变化不明显，且较钙质砂中升压更迅速；在地面爆炸作用下，低含水率钙质砂的衰减系数为2.86，石英砂为2.79。     

侵彻弹体快速烤燃安全特性实验研究

为了考核大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性，利用自行研制的快速烤燃装置开展了实验。将质量为290 kg的侵彻弹体平吊在距航空燃油液面0.4 m的高度进行快速加热，实时采集弹体表面温度并拍摄实验过程，同时测量距弹体质心水平7 m处的反射冲击波超压，最后从加热时间、弹体表面温度、实验后现场破坏情况、反射冲击波超压峰值、反应机理及响应类型等方面对大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性进行了详细分析。实验结果表明:侵彻弹体在537 ℃高温中加热16 min 4 s后开始发生剧烈反应，且弹体内腔下方炸药最先响应形成热点，逐渐积聚的高温高压气体将壳体撕裂后快速泄压，在7 m处测量得到的反射冲击波超压峰值为33.622 kPa，远小于该弹体在空气中完全爆轰产生的冲击波超压峰值。综合判断该侵彻弹体的快速烤燃响应类型为爆燃，其安全特性满足要求。     

爆炸波在非饱和钙质砂中的传播规律

以球形TNT药包作为爆源，在密实的非饱和钙质砂中进行了一系列大尺寸爆炸模型试验。主要研究在不同药包质量、埋深及砂土试样含水率条件下，密实钙质砂中爆炸波的主要基本参数随传播距离增加而变化的规律。试验结果表明爆炸波主要以弹塑性波的形式在密实钙质砂中传播，在干燥和潮湿试样中塑性纵波波速随试样初始密度的增大或含水率的降低而增大，且范围分别为250～282 m/s和302～339 m/s。集团装药情况下，非饱和钙质砂中封闭爆炸的临界比例埋深约为2.25 m/kg1/3。在试验范围内，密实钙质砂中爆炸波的法向应力峰值及法向比冲量的衰减均服从爆炸相似律。封闭爆炸时，干燥钙质砂中爆炸波的应力衰减指数在测点比例爆心距大于或小于0.75 m/kg1/3处分别为2.94或1.37；潮湿钙质砂中爆炸波的应力衰减指数随含水率升高而增大，其范围为1.39～1.79。法向比冲量衰减指数随试样含水率升高而减小，其范围为0.97～1.18。     

近距离爆炸比例爆距的界定标准及荷载模型

如何准确界定“近距离爆炸（close-in explosion）”一直是防护工程研究领域的热点。本文中基于已被充分验证的精细化有限元模型,研究了TNT球形装药自由场爆炸冲击波传播与爆轰产物高速膨胀共同作用的特点和规律,发现在比例爆距小于0.80 m/kg1/3的范围内,爆轰产物对刚性壁面的爆炸荷载影响显著,提出球形装药近距离爆炸的比例爆距界定标准为0.30～0.80 m/kg1/3。研究发现,在近距离爆炸下,爆炸波在入射角为0°～5°范围内的刚性壁面反射荷载峰值会出现急剧下降的现象,这是由爆轰产物喷射的不均匀性和随机性导致的;近距离爆炸下,刚性壁面反射超压出现了两个峰值的现象,这是由冲击波和爆轰产物分别与刚性壁面相互作用导致的。提出了近距离爆炸情况下两个荷载峰值的计算公式,以及适合工程结构响应计算的简化荷载模型;揭示了近距离爆炸下刚性壁面反射超压的分布规律。     

非断裂式膨胀管分离装置设计与分析

对一种新型非断裂式膨胀管分离装置进行了静力承载及分离冲击动响应分析。根据静力承载分析，获得了其啮合齿倾角与承压能力间的关系，结果显示，当接触面摩擦因数恒定时，非断裂式膨胀管分离装置的承压能力与啮合齿倾角大小呈反比，且可靠承压的临界啮合角为啮合齿自锁角。同时，根据动力响应分析，获得了非断裂式膨胀管分离装置在不同啮合齿倾角情况下的分离冲击响应，并与常规膨胀管分离装置的分离冲击响应进行了对比，结果显示，所分析的两种具有不同啮合齿倾角的非断裂式膨胀管分离装置具有比常规膨胀管分离装置更小的可靠分离内压，并且5.7°啮合齿倾角构型在相同测点处的三向加速度时程曲线峰值均低于常规膨胀管分离装置。     

一种低附带弹药金属颗粒定向加载技术

为了实现低附带弹药金属颗粒定向可控加载,研制了采用爆轰方式驱动低附带弹药金属颗粒的发射装置,并进行了不同尺寸钨球颗粒与不同装药比的发射实验。运用高速摄影与高速红外摄影捕捉爆轰驱动过程中颗粒抛撒分布和速度,并采用CT断层扫描和三维图像重建再现了颗粒在肥皂靶中的三维空间分布。实验结果揭示了爆轰驱动下颗粒加速、减速和散落3个阶段的特征。钨球颗粒速度均值范围为689.84~889.14 m/s,最大侵彻深度为65.23~167.35 mm,颗粒加载上靶率在30%以上。发射装置中金属颗粒/装药质量比可调,能重复使用。采用肥皂靶、高速摄影、高速红外相结合的测试方法有效可行,CT图像重建用于终点弹道参数判读能提高结果分析精度。以上结果可为研究低附带弹药对生物目标的毁伤效应、致伤机理和生物损伤判定与救治提供有效可行的技术与方法。