多元混合PBX炸药冲击起爆的多元Duan-Zhang-Kim反应速率模型研究

提出了多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型新的处理方法，构建了新的细观反应速率模型，系列数值模拟结果与实验结果均一致，表明该细观反应速率模型可较好地描述和预测炸药组分配比及颗粒度对多元混合PBX炸药冲击起爆过程的影响。PBX炸药冲击起爆过程主要受热点点火过程和燃烧反应过程共同作用:HMX占主导成分的PBXC03炸药，起爆压力低，冲击起爆过程受热点点火影响较明显，热点点火后的燃烧反应速度较快，表现为加速反应特性；TATB占主导成分的钝感PBXC10炸药，起爆压力高，冲击起爆过程主要受点火后的燃烧反应过程控制，且点火后燃烧反应速度较慢，表现为稳定反应特性。     

三维显式有限元程序及炸药冲击起爆应用

冲击和爆炸数值模拟在军事工程和民用领域都应用广泛。基于显式有限元理论,本文介绍了自主研发的三维冲击和起爆流体动力学程序。该程序的功能包含了材料本构、状态方程、炸药反应速率方程和接触碰撞算法,能够模拟复杂条件下结构冲击和炸药起爆问题。由于采用面向对象的编程方法,程序结构相对简单并且容易修改。首先,进行了Taylor杆碰撞数值模拟,并将计算结果与实验结果以及DYNA2D结果进行了比较;接着,基于Lee-Tarver点火增长模型,模拟了冲击加载下裸炸药和带壳炸药的冲击起爆问题。计算结果表明,三维程序计算结果与实验值和商业软件结果都非常吻合,该程序能够较准确地模拟三维结构的冲击和炸药起爆问题。同时,基于面向对象开发的三维计算程序实现了模块化功能,易于后续开发,为冲击和爆炸计算程序的开发提供了参考。     

基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟研究中的应用

对格子Boltzmann方法的本质及Shan-Chen模型的核心机制进行了全面阐述, 并从应用实例角度对基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的有效性、适应性进行了详细分析. 结果表明, Shan-Chen模型易于耦合微观条件下占主导作用的微观力, 拓宽了格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的应用. 同时, Shan-Chen模型在润湿性边界条件表征方面的优势, 使得这种方法在微结构表面的滑移效应模拟方面具有很好的应用前景.     

高压水射流冲击HTPB推进剂的安全性分析

以高压水射流冲击HTPB推进剂的动态加载过程和准静态加载过程在作用压力和持续时间上的巨大差异为基础, 在水锤压力和滞止压力计算的基础上分别进行了点火模式预判, 然后以模型类比和实验方法分析了动态和准静态加载过程的安全性。结果表明, 使用出口压力在300 MPa以内的高压水射流冲击HTPB推进剂装药在动态加载过程中不会有点火起爆危险性, 但使用100M Pa以上的高压水射流冲击HTPB推进剂装药在准静态加载过程中其内部可能会发生温度突跃情况, 这可能会引起热点火、甚至热起爆。     

用于爆轰驱动的射流起爆实验研究

爆轰驱动激波风洞的自由来流模拟范围与驱动气体的爆轰极限密切相关，爆轰极限越宽则模拟范围越大。驱动气体一般是通过点火管进行起爆的，提高点火管的起爆能力可以拓宽爆轰极限。为了提高点火管起爆能力，就点火管口径、点火气体爆轰敏感性和单/双点火管3种因素的影响进行了实验研究。在不同的点火管初始条件下，对驱动段波速进行了测量。结论如下:（1）提高点火管口径可以显著提升起爆能力；（2）点火气体爆轰敏感性对起爆能力有影响，点火管为缩径内型面时，低敏感性气体起爆能力更强，点火管为等径内型面时则低敏感性气体和高敏感性气体的起爆能力大体持平；（3）在保证射流同步的前提下，双点火管能够提高起爆能力，为保证射流同步性需使用化学恰当比的氢氧混气等爆轰敏感性强的点火气体。     

装药弹体侵彻混凝土厚靶中的炸药摩擦起爆模型

基于炸药的热爆炸理论,采用炸药的热点温度（也称为临界起爆温度）作为起爆判据,分析了装药弹体在侵彻混凝土厚靶过程中的炸药安全性问题,建立了炸药摩擦起爆的热传导模型。对模型进行了量纲一化分析,得出量纲一热流率幅值Qm与炸药和弹壳界面量纲一温度峰值Tmax的关系,以及可在实际工程中应用的临界量纲一控制参数Qmc,同时得到了反映摩擦产生的热量在炸药与弹壳间分配比例关系的量纲一参数Ⅰ。结果表明,炸药装药和弹壳接触面间的强摩擦是形成热点、从而导致炸药早炸的一个重要因素。     

PBX-9404炸药冲击起爆的一维数值模拟

对Tang模型的阈值函数进行修改,给出了新的能量传递过程特征时间。将修改后的Tang模型加入到二维有限元动力分析程序DYNA2D中,计算PBX-9404炸药的冲击起爆过程,并与Forest-Fire模型和点火-燃烧-快反应模型的计算结果进行比较,结果表明:新模型的适用范围更广,而且p(t)曲线的波形、VN点和cj点的压力幅值都较理想。     

碳氢燃料点火燃烧的简化化学反应动力学模型

基于``准稳态'方法建立了一套复杂化学反应动力学模型简化方法和相应的软件SPARCK. 并以3种典型的碳氢燃料------甲烷、乙烯和庚烷为研究对象，从甲烷点火燃烧的GRI2.11详 细基元反应动力学模型出发简化得出了包含14个组分10步总包反应形式的简化化学反应动 力学模型，从乙烯燃烧的51组分365详细基元反应模型出发简化得出了包含20个组分16 步总包反应形式的简化化学反应动力学模型，从庚烷点火燃烧的160组分1540详细基元反 应模型出发简化得出了包含26个组分22步总包反应形式的简化化学反应动力学模型. 通过 对典型激波管试验的结果对比可以看出：得到的简化反应动力学模型能较为有效地再现 详细基元反应模型的反应机理，具有较高的计算精度. 在工程计算中有较好的应用前景.     

基于Visco-SCRAM模型的侵彻装药点火研究

针对弹体侵彻过程中装药的安全性,基于黏弹性统计裂纹力学(visco-statistical crack mechanics, Visco-SCRAM)模型计算装药整体温升、装药裂纹摩擦生热以及弹体装药与壳体摩擦生热,考察这3种机制对装药温升的贡献以及侵彻装药的点火机制,得到了装药点火对应的弹体侵彻临界初始速度。结果表明:(1)装药与弹体内壁摩擦生热对装药温升有一定贡献,随着弹体初始撞击速度的提高,摩擦生热对温升的贡献逐渐增大;(2)黏性、损伤和绝热体积变化导致的装药整体温升对装药点火的作用有限; (3)裂纹摩擦形成热点是侵彻装药点火的物理机制;(4)采用Visco-SCRAM模型可预测低强度、长脉冲载荷作用下的装药点火响应。     

纳米TATB微结构与复合物冲击起爆阈值间的关系

采用电爆炸箔驱动飞片加载方式,测试了纳米TATB与某敏感炸药复合体系的50%冲击起爆电 压阈值,讨论了TATB微观结构参数与复合物冲击起爆阈值之间关系的几种观点。采用造型粉数学建模-表 面形貌表征-冲击起爆阈值实验验证的方法,探讨了复合体系的起爆机制。结果表明:复合体系中各组分的分 布方式与纳米网格TATB聚集体尺寸大小密切相关,决定了复合物中敏感炸药所受短脉冲作用的压力大小 和时间长短,这可能是导致50%起爆阈值变化的关键因素。     

A unified energy approach to a class of micromechanics models for composite materials

Several micromechanics models for the determination of composite moduli are investigated in this paper, including the dilute solution, self-consistent method, generalized self-consistent method, and Mori-Tanaka's method. These micromechanical models have been developed by following quite different approaches and physical interpretations. It is shown that all the micromechanics models share a common ground, the generalized Budiansky's energy-equivalence framework. The difference among the various models is shown to be the way in which the average strain of the inclusion phase is evaluated. As a bonus of this theoretical development, the asymmetry suffered in Mori-Tanaka's method can be circumvented and the applicability of the generalized self-consistent method can be extended to materials containing microcracks, multiphase inclusions, non-spherical inclusions, or non-cylindrical inclusions. The relevance to the differential method, double-inclusion model, and Hashin-Shtrikman bounds is also discussed. The application of these micromechanics models to particulate-reinforced composites and microcracked solids is reviewed and some new results are presented.     

Micromechanical modeling of packing and size effects in particulate composites

This paper is devoted to the introduction of packing and size effects in micromechanical predictions of the overall elastic moduli of particulate composite materials. Whereas micromechanical models derived from the classical ‘point approach’ are known to be unable to model such effects, it is shown that the so-called ‘morphologically representative pattern-based approach’ (MRP-based approach) offers new means of taking some geometrical parameters into account such as the mean distance between nearest-neighbor particles or their size, so as to predict the dependence of the overall moduli on these parameters, at least in a relative way. Moreover, when internal lengths, such as the thickness of interphase shells of coated particles, are introduced, absolute size effects can be predicted as well. Illustrative applications are reported in view of comparisons between such new treatments and the predictions of some classical models which are shown to coincide with the ones derived from MRP-based models in definite limiting cases only.     

功能梯度材料结构热力耦合概率分析方法

基于自洽平均微观力学W-T(Wakashima-Tsukamoto)模型和拉丁超立方抽样,建立一种功能梯度平板热力耦合概率分析方法.以材料物理属性和空间分布的不确定性随机参数作为概率分析的输入,以热应力作为输出,基于本征正交分解POD(Proper Orthogonal Decomposition)对热应力的随机时间历...     

基于自洽法的电化学沉积修复饱和混凝土细观描述

针对当前电化学沉积修复混凝土缺乏细观层次上的理论描述,首先,以饱和混凝土的细观结构和电化学沉积修复的主要机理为基础, 提出了含电化学沉积产物、水和混凝土基体在内的三相复合材料细观力学模型. 其次,为了从细观层次定量描述电化学沉积修复对混凝土宏观性能的影响,基于自洽法对上述细观力学模型进行多层次均匀化处理,获取电化学沉积修复饱和混凝土的有效性能,其中,第一层均匀化是采用广义自洽模型获取等效夹杂的有效性能,第二层均匀化是采用自洽方法和沃伊特(Voigt) 上限相结合的方式获取修复混凝土的有效性能. 最后,为了验证该文所提出模型和方法的有效性,对比了该文的预测结果、试验数据和已有模型,结果表明了该文模型和方法是合理的.      

优化方法用于模型校核

在工程实际中，常常会遇到需要选择本构模型和校准参数的模型校核问题。文中采用优化方法实现了复杂模型校核的自动化。文中，首先将各种本构模型映射为整数编号，并根据这些编号来激活相应的本构模型和本构模型参数，解决了本构模型的参数化问题；另外，根据模型校核问题的特点选择了试验结果和计算结果相对误差的平方和作为目标函数。通过这些步骤，用实现了优化方法模型校核自动化。     

泡沫铝本构行为研究进展

作为泡沫金属的典型代表, 泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料, 随着生产工艺的提高及国民经济的发展, 泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛. 工程中复杂的载荷工况, 对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求. 国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作, 随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等, 人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高. 本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展, 然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状. 最后, 针对目前存在的问题, 讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势. 完善本构模型表征所需的特征参量, 将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系, 明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重, 建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则, 将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.      

聚碳酸酯类非晶聚合物力学性能及其本构关系

聚碳酸酯是一类玻璃态非晶聚合物材料，由于其出色的耐热和抗冲击能力，被广泛地应用于国防军事和工业领域。针对主要应用于聚碳酸酯材料类非晶聚合物，首先回顾了其力学性能实验研究现状，从唯象的角度分析实验结果，揭示这类材料力学性能。其次介绍了这类材料的各种本构模型的发展历程、物理机制、力学特性、适用范围等。最后，概述了各类本构模型在聚碳酸酯类聚合物材料中的应用，从工程应用的角度进一步讨论了本构模型对材料力学行为的表征，同时给出了聚碳酸酯类材料在实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望。     

A concurrent micromechanical model for predicting nonlinear viscoelastic responses of composites reinforced with solid spherical particles

A concurrent micromechanical model for predicting nonlinear viscoelastic responses of particle reinforced polymers is developed. Particles are in the form of solid spheres having micro-scale diameters. The composite microstructures are idealized by periodically distributed cubic particles in a matrix medium. Each particle is assumed to be fully surrounded by polymeric matrix such that contact between particles can be avoided. A representative volume element (RVE) is then defined by a single particle embedded in the cubic matrix. A spatial periodicity boundary condition is imposed to the RVE. One eighth unit-cell model with four particle and polymer subcells is generated due to the three-plane symmetry of the RVE. The solid spherical particle is modeled as a linear elastic material. The polymeric matrix follows nonlinear viscoelastic behaviors of thermorheologically simple materials. The homogenized micromechanical relation is developed in terms of the average strains and stresses in the subcells and traction continuity and displacement compatibility at the subcells’ interfaces are imposed. A stress–strain correction scheme is also formulated to satisfy the linearized micromechanical and the nonlinear constitutive relations. The micromechanical model provides three-dimensional (3D) effective properties of homogeneous composite responses, while recognizing microstructural geometries and in situ material properties of the heterogeneous medium. The micromechanical formulation is designed to be compatible with general displacement based finite element (FE) analyses. Experimental data and analytical micromechanical models available in the literature are used to verify the capability of the above micromechanical model for predicting the overall composite behaviors. The proposed micromodel is also examined in terms of computational efficiency and accuracy.     

Mechanical behaviors and constitutive models of polycarbonate amorphous polymers

聚碳酸酯是一类玻璃态非晶聚合物材料,由于其出色的耐热和抗冲击能力,被广泛地应用于国防军事和工业领域.针对主要应用于聚碳酸酯材料类非晶聚合物,首先回顾了其力学性能实验研究现状,从唯象的角度分析实验结果,揭示这类材料力学性能.其次介绍了这类材料的各种本构模型的发展历程、物理机制、力学特性、适用范围等.最后,概述了各类本构模型在聚碳酸酯类聚合物材料中的应用,从工程应用的角度进一步讨论了本构模型对材料力学行为的表征,同时给出了聚碳酸酯类材料在实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望.     

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力?应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力?应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力?应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力?应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.