装置研制中爆炸力学的发展

介绍爆炸力学结合其他学科知识, 开展工程应用的理论和实验工作,进行爆炸装置的研究和设计.包括细观结构对材料力学性能的影响、金属自由面微喷以及多尺度数值模拟的应用.描述了作为应用基础学科的爆炸力学,在某些现代爆炸装置研制中多学科融合的爆炸力学将发挥重要作用.      

方方面面话爆炸

爆炸力学是力学的一个分支,是研究爆炸规律以及爆炸的力学效应利用和防护的学科,是力学、化学、电学等多学科的边缘交叉学科.本书从爆炸的相关基础开始,由军事、民用、到自然界中的广义爆炸和天体爆炸等共分为二十个专题进行讲述,书中尽量避免艰深的公式,用通俗易懂的文字描述复杂的爆炸现象和理论,并配有插图以便于理解;内容广博约略,几     

爆炸与冲击中的实际物质状态方程

本文综述了爆炸力学计算中涉及的实际介质的状态方程,这些物质结构复杂,其描述方法与金属的状态方程有些不同.用物理力学观点及半经验、半理论方法进行描述.①用普遍的热力学方法导出介质的状态方程表达式,并用实测数据计算了有关的参量;②Grneisen系数值的计算以及它与体积和温度的关系;③多孔介质的优态方程;④从理论上系统地导出了波后卸载方程;⑤探讨了原予统计模型的边界势.      

郑哲敏先生逝世周年纪念专刊序

2022 年 8 月 25 日是我刊原主编郑哲敏先生逝世一周年. 郑哲敏先生 (图 1) 是我国著名力学家, 中国科学院院士、中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士, 2012 年度国家最高科学技术奖获得者. 他创立了爆炸力学学科及相关的研究领域; 领导了材料力学、非线性力学、海洋工程力学等学科的研究; 倡导了计算力学、流固耦合、非常规能源、人工智能等领域的研究, 为我国现代力学的发展做出了重大贡献. 为继承和发扬郑哲敏先生的学术思想和科学精神, 缅怀其治学风范, 追忆其科学贡献, 《力学学报》组织纪念活动并策划出版《郑哲敏先生逝世周年纪念专刊》. 该特刊包括研究综述、研究论文和研究方法探讨等不同体裁, 涵盖了爆炸力学、非线性力学、材料力学性能、海洋工程力学、非常规能源、流固耦合及人工智能等不同领域, 共计 19 篇文章. 希望以此推动相关领域的学术交流和进步.      

水下爆炸气泡运动的理论研究

在适当深度的无黏、无旋的流体中对水下爆炸气泡运动特性进行理论研究。综合运用势流理论、能量方程以及拉格朗日方程建立气泡在不可压缩流体中的运动方程。并以此为基础,考虑重力、浮力以及阻力等多种因素对气泡运动特性的影响,通过引入新的边界积分方程,结合分析力学中完整非保守系统的Hamilton原理建立气泡在可压缩流体中的运动微分方程,并对微分方程进行求解。将方程的数值解与MSC.DYTRAN非线性有限元软件的计算结果以及经验公式进行对比,方程数值解与二者都具有较好的一致性。结果表明,基于非保守系统可压缩流体建立的气泡运动方程正确、可行,相关的理论研究和计算具有一定参考价值。     

基于ALE算法的V形楔形体入水的水动力特性分析

结构入水问题是一种复杂的流固耦合过程,涉及到固体力学、流体力学、冲击动力学和计算力学等相关力学分支的交叉与融合.论文基于非线性显式动力分析方法,采用任意拉格朗日-欧拉算法(水域采用欧拉描述,固体结构采用拉格朗日描述),并用罚函数方法控制结构与流体之间的耦合作用,对二维V形楔形体垂直入水的初期过程进行了数值仿真.通过数值仿真,分析了楔形体底部压力分布情况,讨论了网格密度、接触刚度以及阻尼系数对数值计算结果的影响,并将数值结果与Wagner理论解进行了对比分析,验证了ALE方法的可靠性.     

土中爆炸冲击混凝土道面的数值模拟

炸药在多相介质中的爆炸是气态爆轰产物和固态介质之间的耦合作用问题，对其进行数值模拟一般不考虑炸药而直接将爆轰压力加在介质上，而耦合方法对炸药和其周围的介质进行离散，炸药和介质采用统一的控制方程，通过界面条件实现相互作用。任意拉格朗日欧拉（Arbitary Lagrangian and Eularian）法，是最近兴起的适用于计算固体大变形问题的数值计算方法。将其引入爆炸力学计算，可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和计算困难。同时混凝土的损伤模型，更加符合混凝土在高应变率加载条件下的力学特性和破坏机理。将这三种方法引入数值模拟，计算结果与相关试验结果有较好的吻合。     

爆炸焊接驻点近区应变率分布规律计算

为了认识爆炸焊接驻点近区材料的力学和热学行为 ,分析波状界面和绝热剪切带生成 ,采用理想流体对称碰撞模型沿流线研究了驻点近区的应变率分布规律 ,并推导出了驻点应变率的理论计算公式。通过数值与理论计算对爆炸焊接碰撞角、界面距离等因素对应变率的影响进行了讨论。计算结果表明 ,爆炸焊接中强烈变形集中在驻点附近区域 ,其应变率高达 10 6～ 10 7s-1,拉压应变率的绝对值在驻点处达到最大 ;而剪应变在焊接界面上为零 ,其最大值出现在驻点的前方 ,为拉压应变率的约二倍。     

爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。     

穿甲/侵彻问题的若干工程研究进展

作为爆炸力学的一个分支,穿甲/侵彻力学是研究高速/超高速弹体撞击靶体后,钻入或穿透靶体的力学, 又称终点弹道学.综述作者及其合作者最近几年在穿甲及侵彻力学领域的若干工程研究工作,包括混凝土靶的侵彻和穿甲、控制刚性弹侵彻动力学的无量纲数、金属靶穿甲的理论模型、钻地弹的相关力学问题、穿甲弹体的破坏与失效等.同时也给出该领域的国外最新研究工作进展.      

土体爆炸压密的原理及试验研究

针对目前土体爆炸压密理论研究不够深入、施工中主要依靠工程经验确定爆炸参数的现状,建立了基于塑性力学和爆炸力学的土体爆炸压密模型,推得压密效果(压密范围、压密程度)与爆炸参数之间的关系式,并通过室外试验进行验证.在孔径为48 mm的炮孔中进行了不耦合系数分别为2.000、1.714、1.500、1.333、1.200、1...     

三峡工程中的若干力学问题

简要介绍了三峡水利枢纽工程概况，工程建设中主要技术难点，以及几个主要工程力学问题，包括流体力学、固体力学、二相流及爆破力学等问题．结合三峡工程侧重叙述岩石（体）力学应考虑的新问题．大型岩土工程是庞大的复杂系统，岩石力学涉及众多学科．建议应用系统工程的理论和方法研究岩石（体）力学，使其在国民经济中发挥更大作用，在岩石（体）力学研究中还需针对不同的目标、任务考虑各种非线性问题．因此，岩石（体）力学应与工程问题更紧密地结合．     

Dynamic expansion of a spherical cavity within a rate-dependent compressible porous material

The problem of shock expansion of cavities in geological or geologically derived media is of fundamental interest because it is closely related to the blast problem (propagation of waves from an explosion source) as well as to crater formation by hypervelocity projectile impact. Since rock and cementitious materials exhibit very strong high-rate and high-confinement sensitivities, those effects cannot be neglected in a realistic analysis of penetration events. In this paper a new model for the shock expansion of a spherical cavity in an infinite medium that displays very strong high-rate and high-confinement sensitivities is proposed. Waves are generated by an instantaneous rise of the pressure at the surface of the cavity.     

工程科学前沿的拓荒者——郑哲敏

郑哲敏先生是著名力学家, 我国爆炸力学的奠基人和开拓者, 2012年度国家最高科学技术奖获得者. 本文回顾了郑哲敏先生在过去60多年中非常丰富的科研活动, 特别是他在爆炸加工、地下核爆、爆炸排淤、穿破甲、煤与瓦斯突出、水合物开采、水弹性动力学、材料力学行为等方面的杰出学术贡献. 这些工作闪耀着鲜明的工程科学特点, 即着眼国家重大需求, 从错综复杂的问题中概括提炼关键物理因素, 创新理论, 进而指导实践. 郑哲敏先生的科学贡献和学术思想, 对于力学学科发展, 有着重要的现实意义和参考价值.     

亚麻尘在1米~3试验装置内的爆炸泄压研究

本文报导了在1米爆炸泄压试验装置内完成的亚麻尘-空气混合物的一百多次试验结果,试验中研究了亚麻尘浓度,泄压面积（比例泄放比）、点火源位置及能量、泄压口封盖物等因素对泄放爆炸压力的影响。在比例泄放比A/V2/3=0.264,亚麻尘浓度0.080kg/m3情况下,爆炸压力测得为15kPa,而亚麻尘浓度为0.700kg/m3情况下,爆炸压力高达33.3kPa,甚至亚麻尘浓度低到0.050kg/m3时,仍能产生火焰传播。这表明如果厂房不采取合适的措施,亚麻尘爆炸可导致厂房倒塌的破坏。     

聚能药包在岩石定向断裂爆破中的应用研究

以爆炸动力学、岩石断裂力学理论为原理,对聚能药包用于岩石定向断裂爆破时导向裂缝的形成,裂纹的起裂、扩展和贯通进行了初步研究,同时对该方法的爆破参数进行了设计,并通过现场进行试验验证其正确性。结果表明由聚能射流形成的切缝有明显的定向作用,使爆生气体的能量沿预定方向集中,裂纹的定向断裂控制效果良好,表明该方法是一种比较理想的断裂控制爆破技术。最后指出了该方法目前需要进一步研究的方面。研究成果对相关理论研究和现场应用均有一定的指导意义。     

强爆炸早期火球光辐射能谱的数值计算

基于强爆炸火球光辐射的多群辐射流体力学方法, 采用算子分裂方法将方程组分裂为对流项和刚性源项, 其中源项部分根据方程形式, 进一步分裂为各群内的单独求解。数值计算表明:该方法克服了直接求解过程中辐射与流体耦合所带来的强不稳定性, 时间步长大幅提高, 给出的火球光辐射能谱特征与已有规律一致。可为定量分析光辐射能谱特征提供有效手段。     

聚能爆破在岩石控制爆破技术中的应用研究

聚能爆破技术是岩石控制爆破技术中有待开发的领域.根据爆炸力学、岩石断裂力学理论,从当前控制爆破面临的问题入手,对线性聚能药包(Linear shaped charge)在岩石定向断裂爆破中裂纹的产生及扩展进行了研究,并利用自制线性聚能药包在巷道掘进中进行了工程试验.试验结果表明由聚能药包岩石定向断裂爆破有明显的定向作用,裂纹的定向断裂控制效果理想,经济和社会效益明显.     

煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验研究

在岩石爆破理论的基础上分析了煤体中爆炸应力波的作用机理,借助损伤力学理论探讨了煤体在 爆炸应力波作用下的损伤断裂准则。煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验结果表明:煤体中爆炸应力 波一般包含2段波形,第1段由压缩相和拉伸相组成简单波形,第2段是由多种作用形成的复杂波形;爆炸应 力波作用下,煤体首先承受压应力,而后承受拉应力,且压缩相的作用时间较拉伸相作用时间短;煤体中爆炸 应力波的衰减速度较一般岩体中的快,实验条件下应力波衰减因数符合=3-/(1-),爆炸应力波的主要 作用是在煤体中形成少量新裂隙、激活煤体中原生裂隙并打破煤体中瓦斯气体的平衡状态。