基于“钉床型”飞片的斜波加载技术及应用

为了实现斜波加载,设计了一种“钉床型”广义波阻抗梯度飞片,即在基座上密排叠加许多小圆锥,简称“钉床型”飞片。该飞片采用激光选区熔化金属增材制造技术进行制备。利用一级轻气炮加载装置和全光纤激光位移干涉测试系统,开展不同工况下“钉床型”飞片高速击靶压缩实验和层裂实验,重点讨论小圆锥高度和撞击速度对斜波压缩加载波形的影响规律,以及斜波加载对不锈钢靶板层裂特性的影响。实验结果显示:（1）“钉床型”飞片对靶板产生的压缩是逐步的,从自由面速度剖面上观察到压缩波上升前沿时间被显著延长,形成了斜波波阵面,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面;（2）在飞片击靶速度近似恒定条件下,斜波波阵面的上升沿时间、平台速度峰值都明显依赖于“钉床型”飞片上的小圆锥高度,随着小圆锥高度增大,上升沿时间呈线性增大,而平台速度峰值呈线性减小;（3）在“钉床型”飞片的几何尺寸保持不变的条件下,斜波波阵面的上升沿时间随着飞片击靶速度的增大而线性减小,平台速度峰值则线性增大;（4）与冲击加载相比,“钉床型”飞片产生的斜波加载不会对材料的层裂强度产生明显影响,但对材料内部损伤演化速率有一定的影响。     

实现应变率为105~106 s-1的阻抗梯度飞片复杂加载波形计算分析

为了在气炮上实现应变率为105~106 s-1的复杂加载技术研究,采用自行研制的拉格朗日程序MLEP(multi-material Lagrangian elastic-plastic)对Al-Cu-W材料体系的阻抗梯度飞片复杂加载不锈钢靶板进行数值模拟,计算设计并分析了阻抗梯度飞片的厚度和密度分布指数对靶板压力、速度和应变率峰值等波形的影响。结果表明:密度指数分布越大,加载时间越短,加载后期的压力、速度和应变率峰值曲线更陡峭;同时, 为了避免靶板/LiF窗口界面反射的稀疏波早于阻抗梯度飞片后界面反射的稀疏波达到碰撞面位置,计算设计中还考虑了飞片厚度的影响。此外,对基于理论设计的阻抗梯度飞片进行了动态考核实验,实验结果基本反映了预期的设计,为材料强度的测量奠定了基础。     

点起爆炸药驱动圆板击靶波形的数值模拟研究

用自行研制的二维流体动力学程序TDY2D对点起爆驱动圆板运动的3个模型进行数值模拟计算,得到的飞片击靶波形与实验波形均符合较好,具有较高的计算精度,验证了该程序的准确性和有效性。通过对爆轰驱动飞片运动过程数值模拟结果的分析,得到了装置参数对飞片击靶波形影响规律的初步认识。     

网络爆轰驱动飞片的设计技术

提出使用炸药网络爆轰技术,设计了一种新型的低速飞片击靶加载装置,结合数值模拟和实验测 量,对驱动飞片的速度、平面性及装置结构参数进行了系统分析。实验结果表明,无氧铜飞片可以使直径 100mm、厚度3mm 的飞片在飞行距离2mm 内达到稳定的飞行状态,击靶速度在200~350m/s范围内连 续可调,飞片击靶平面范围大、速度均匀、平面性好,为实现低冲击应力的一维应变加载提供了参考。     

Mg-W体系密度梯度飞片复杂加载实验的计算分析

采用弹塑性流体动力学计算方法对Mg-W体系密度梯度飞片复杂加载实验进行计算设计,考虑到飞片材料制备中单层厚度值和Mg-W最大阻抗混合质量百分数的致密条件限制, 提供12层Mg-W体系飞片的制备参数. 采用研制的梯度飞片在气炮上进行冲击加载-准等熵加载实验, 给出了飞片和LiF窗口界面处速度剖面的VISAR或DISAR实验测试结果, 并通过数值计算对实验数据进行对比, 对出现的异常现象进行了分析和实验验证, 提出以Mg-Cu为飞片材料体系的建议, 为后续深入开展可控加卸载路经和可控加卸载速率的实验研究奠定了基础.      

密度梯度飞片实现复杂加／卸载过程的数值模拟

采用流体动力学计算方法,通过数值计算给出了满足复杂加／卸载过程要求的几种密度梯度飞片结构特征。从计算给出的速度波剖面可见,密度梯度飞片波阻抗分布对加／卸载过程和加／卸载强度非常敏感。通过精心设计准连续型变阻抗的密度梯度飞片,可以进行不同复杂加／卸载过程的物理模型设计和实验研究,这样的梯度飞片具有产生可控制的加／卸载路径的能力。     

预应力对LY12铝弹性前驱波的影响

通过过盈配合的热装配方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应力,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对弹性前驱波的影响。结果表明:当飞片均以500 m/s的速度撞击样品时,压缩预应变为0(无预应变)、964.5×10-6和1 886.0×10-6时,弹性前驱波幅值分别为87.56、95.24、121.03 m/s,压缩预应力(变)提高了LY12铝弹性前驱波幅值。结合实验的特点,探讨了对样品施加静态径向预应力的数值模拟方法,结果表明,上升沿(100 μs)较为缓慢的加载可以达到与准静态加载应力分布一样的结果。采用该数值模拟方法给出和验证了弹性前驱波随压缩预应力增加而上升的计算结果,与实验结果较为吻合。     

可控爆轰平面加载样品回收装置

介绍了一种可控爆轰平面加载样品回收装置，该装置包括一个近似平面波发生器和一个“动量陷阱”式样品腔体。工作原理是由近似平面波发生器加速一块飞片，经适当长空腔飞行后与样品腔体碰撞，产生高压冲击波对样品实现冲击波压缩，并由“动量陷阱”式腔体回收样品，飞片材料为４５钢。此装置可在１．５￣３．５ｋｍ／ｓ范围内实现飞片击靶速度的连续调节，并且具有较理想的飞片击靶平面性，经测定在直径３０ｍｍ的范围内飞片弯曲的时     

爆轰产物驱动飞片运动数值模拟研究

利用数值模拟方法,研究了主装药与飞片之间的空气隙厚度变化对飞片中载荷幅度和载荷上升时间、飞片速度和飞片变形量的影响。数值模拟与验证实验结果吻合得较好。结果表明,带空气隙的化爆加载装置可以在飞片中获得较小的载荷幅度和较长的载荷上升时间,并且可以降低飞片击靶速度,从而实现较低的冲击压力,但飞片变形量随着空气隙厚度增大而增大。     

RDX(210)单晶准等熵压缩实验的数值分析

基于准等熵压缩实验,建立了考虑线弹塑性效应的反积分数学模型,并针对Sandia的含能材料RDX(210)的无反应准等熵压缩实验数据,进行了数值模拟和分析.结果表明,本文模型可以恰当地描述该含能材料的准等熵压缩实验过程,可以得到与文献结果吻合较好的样品加载速度历史;计算得到了样品内部任意位置直至加载面上的信息、应力应变和...     

Generation of ramp waves using variable areal density flyers

Ramp loading using graded density impactors as flyers in gas-gun-driven plate impact experiments can yield new and useful information about the equation of state and the strength properties of the loaded material. Selective Laser Melting, an additive manufacturing technique, was used to manufacture a graded density flyer, termed the “bed-of-nails” (BON). A 2.5-mm-thick \(\times \) 99.4-mm-diameter solid disc of stainless steel formed a base for an array of tapered spikes of length 5.5 mm and spaced 1 mm apart. The two experiments to test the concept were performed at impact velocities of 900 and 1100 m/s using the 100-mm gas gun at the Institute of Shock Physics at Imperial College London. In each experiment, a BON flyer was impacted onto a copper buffer plate which helped to smooth out perturbations in the wave profile. The ramp delivered to the copper buffer was in turn transmitted to three tantalum targets of thicknesses 3, 5 and 7 mm, which were mounted in contact with the back face of the copper. Heterodyne velocimetry (Het-V) was used to measure the velocity–time history, at the back faces of the tantalum discs. The wave profiles display a smooth increase in velocity over a period of \(\sim \!\!2.5 \, {\upmu } \hbox {s}\), with no indication of a shock jump. The measured profiles have been analysed to generate a stress vs. volume curve for tantalum. The results have been compared with the predictions of the Sandia National Laboratories hydrocode, CTH.     

超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

基于PDV的JOB-9003炸药爆轰反应区测量

炸药的反应区数据对爆轰过程的精密建模具有重要意义，为了得到JOB-9003炸药的反应区信息，采用光子多普勒测速仪（PDV）对JOB-9003炸药的爆轰反应区进行了实验研究。实验中利用火炮发射高速蓝宝石飞片冲击起爆被测炸药，在炸药后表面安装镀膜氟化锂（LiF）窗口测量炸药一维稳态爆轰时的界面粒子速度，测试过程的时间分辨率小于1 ns，测速相对不确定度小于2%。通过读取界面粒子速度时程曲线的拐点来确定CJ点，根据阻抗匹配公式计算炸药的CJ压力。研究结果表明，JOB-9003炸药界面粒子速度时程曲线上存在较为明显的拐点，JOB-9003炸药的化学反应时间为（11±2）ns，对应的化学反应区宽度为（0.075±0.014）mm，JOB-9003炸药的CJ爆压为（35.6±0.9）GPa，冯诺依曼（Von Neumann）峰处的压力为（47.9±1.2）GPa。     

一维平面磁驱动等熵加载发射飞片技术

探索了一维平面磁驱动发射飞片的实验技术,实现了在一个样品上同时发射两个不同厚度的飞片,并利用VISAR测试技术同时获得了两个飞片自由面完整的速度历史。其中在回路放电峰值电流密度为823 kA/cm的情况下,在上升前沿2 s内将厚度为0.38 mm、直径为4 mm的铝飞片发射到1.5 km/s,作用在飞片上的最大磁压力为4.25 GPa。显微分析发现,在飞片速度较高的情况下,飞片与镗孔底部剪切破坏的断口上,由于凝固过程中过冷度大有非晶等现象出现。进一步促进了磁驱动等熵加载、发射飞片实验技术、物态方程研究的开展。     

压剪复合冲击下氧化铝陶瓷的剪切响应实验研究

通过对92.93%氧化铝陶瓷进行倾斜板碰撞实验,研究了多晶陶瓷材料在压剪复合冲击下的非弹性变形响应和剪切波传播规律。压剪复合冲击实验由57 mm开槽气体炮驱动铜飞片对陶瓷靶板加载,通过试件内埋植的电磁速度计来测量内部质点速度历程。将纵向粒子速度从感应电动势曲线中分离后得到横向粒子速度历程,发现在压剪复合冲击下由于材料剪切刚度的降低而引起的剪切波衰减。冲击软回收试件的扫描电子显微镜（SEM）观察表明,冲击载荷低于屈服强度时,多晶氧化铝陶瓷中存在沿晶界、气孔的微裂纹成核与扩展,在高于屈服强度的冲击加载下进一步产生了穿晶微裂纹,微裂纹系统导致了材料在卸载后的显著的体积膨胀。     

冲击作用下快响应光纤探针研究

为满足在特殊的环境条件下对冲击波速度、飞片速度等冲击波物理参数的精密测量要求 ,开发了一种快响应光纤探针技术。该光纤探针由一根一端镀膜的梯度石英光纤和一根金属套管构成。在测量爆轰波、飞片和冲击波到达时间的实验中 ,可达到纳秒甚至亚纳秒的时间响应。实验证明该技术是一种可靠的、高时间分辨率的测试手段。     

On the energy conservation and critical velocities for the propagation of a ＂steady-shock＂ wave in a bar made of cellular material

The propagation of shock waves in a cellular bar is systematically studied in the framework of continuum solids by adopting two idealized material models, viz. the dynamic rigid, perfectly plastic, locking （D-R-PP-L） model and the dynamic rigid, linear hardening plastic, locking （D-R-LHP-L） model, both considering the effects of strain-rate on the material properties. The shock wave speed relevant to these two models is derived. Consider the case of a bar made of one of such material with initial length L 0 and initial velocity v i impinging onto a rigid target. The variations of the stress, strain, particle velocity, specific internal energy across the shock wave and the cease distance of shock wave are all determined analytically. In particular the ＂energy conservation condition＂ and the ＂kinematic existence condition＂ as proposed by Tan et al. （2005） is re-examined, showing that the ＂energy conservation condition＂ and the consequent ＂critical velocity＂, i.e. the shock can only be generated and sustained in R-PP-L bars when the impact velocity is above this critical velocity, is incorrect. Instead, with elastic deformation, strain-hardening and strain-rate sensitivity of the cellular materials being considered, it is appropriate to redefine a first and a second critical impact velocity for the existence and propagation of shock waves in cellular solids. Starting from the basic relations for shock wave propagating in D-R-LHP-L cellular materials, a new method for inversely determining the dynamic stress-strain curve for cellular materials is proposed. By using e.g. a combination of Taylor bar and Hopkinson pressure bar impact experimental technique, the dynamic stress-strain curve of aluminum foam could bedetermined. Finally, it is demonstrated that this new formulation of shock theory in this one-dimensional stress state can be generalized to shocks in a one-dimensional strain state, i.e. for the case of plate impact on cellular materials, by simply making proper replacements of the elastic and plastic constants.