三种壳体在脉冲电子束辐射下动力学响应的实验研究

在闪光二号电子束装置上 ,对材料或形状有异的两端固支的三种壳体进行了辐射结构响应的实验研究。实验采用在壳体内表面粘贴一个特制长引线应变片并组成直流桥路的测量原理。结果表明 :当壳体受辐射方位角为 0～ 180时 ,应变峰值随方位角的增大而减小 ;编织材料壳体中的应变峰值和热激波应力峰值都比硬铝壳体中的小 ;当电子束能注量为 15 0～ 2 10J/cm2 、壳体半径厚度比为 13～ 18 5时 ,壳体变形处于弹塑性或全塑性状态。     

基于Z箍缩X射线源的热-力学效应实验

材料或结构对强脉冲X射线的响应如热激波的传播和喷射冲量等,统称为X射线热-力学效应,在抗辐射加固研究、天体物理、行星科学等领域具有重要应用。利用驱动电流近10 MA脉冲功率装置上的丝阵Z箍缩X射线源开展了初步的热-力学效应实验。采用20 mm直径的双层铝丝阵产生了约230 kJ的X射线总辐射能,其中铝的K壳层产额约为30 kJ,距离源中心5 cm处的样品上的X射线能注量为732 J/cm2。受辐照样品为厚度2 mm、直径10 mm的铝制圆盘,其背面设置有铝衬套,样品与衬套的总质量为585 mg。采用全光纤光子多普勒测速（PDV）系统来测量受辐照样品后表面的运动过程。PDV测量的样品后表面速度历程显示,当热激波到达后表面时的自由面速度为2.12 km/s,样品最终的整体运动速度为180 m/s。根据冲击波关系式以及动量守恒原理,推导出X射线在样品中产生的热激波应力为19.2 GPa,单位面积上的喷射冲量为1341 Pa·s,进而由喷射冲量和X射线能注量测量结果可以推出冲量耦合系数为1.83 Pa·s·cm2/J。同时,对实验测量结果的可靠性和不确定度进行了讨论和分析。这些实验结果初步验证了将PDV技术应用于热-力学效应研究的可行性。     

粘弹性树脂基三维编织复合材料的热膨胀性能研究

首先利用均匀化理论并结合有限元法研究了三维编织复合材料的粘弹性效应,根据松弛模量的计算结果研究了材料热膨胀系数随时间的变化关系,在此基础上,给出了编织结构和工艺参数(编织角、纤维体积比)对材料初始热膨胀系数的影响规律,计算结果与实验值吻合较好。本文工作为深入研究三维编织复合材料的热粘弹性能提供了基础。     

正交各向异性材料热弹性问题的三维无网格法计算模型及应用

建立了正交各向异性材料热弹性问题的三维无网格伽辽金(Element Free Galerkin, EFG)法计算模型。利用该计算模型对三维复合材料汽轮机叶轮和轴承座进行了热弹性分析,对比了材料方向角及热导率因子、热膨胀系数因子和拉压弹性模量因子不同组合情况下轴承座的最大热变形总位移和当量应力值,讨论了材料方向角及上述正交各向异性因子对热变形和当量应力的影响规律,并与各向同性材料进行了对比。结果表明:三维EFG模型的热变形总位移和当量应力相对误差范数分别比有限元法小0.1215%和0.1359%;材料方向角同时影响热变形的大小和方向,但对当量应力方向影响不大;正交各向异性材料因子主要影响热变形和当量应力的大小。在考虑热-机械载荷作用下的三维复合材料零件结构设计中,当以刚度或强度为主要需求时,材料方向角、热导率因子、热膨胀系数因子、拉压弹性模量因子分别在(45°~60°,8:1:4~10:1:5,(1/6):(1/5):1~(1/5):(1/4):1,(7/5):1:(9/5)~(3/2):1:2)或(0°~10°,(1/10):1:(1/5)~(1/8):1:(1/4),(1/5):1:(1/6)~(1/4):1:(1/5),1:(1/5):(1/10)~1:(1/4):(1/8))范围内取值能有效降低轴承座等结构的热变形和当量应力。     

PAN炭纤维预制体对C/C复合材料滑动摩擦磨损行为的影响

以二维平纹编织叠层炭纤维坯体(2D)、二维无纬布/炭毡混合叠层针刺毡坯体(2DN)、三维正交编织炭纤维坯体(3D)为预制体,采用化学气相渗透结合树脂浸渍炭化技术进行增密,制备了4种C/C复合材料.在室温干态条件下测试4种C/C复合材料与表面镀Cr的40Cr钢配副时的滑动摩擦行为.结果表明:在试验载荷下,采用2D坯体增强的C/C复合材料摩擦系数最高;随载荷增加,其摩擦系数和磨损体积的波动幅度最大,分别为0.17和1.22mm3;采用2DN坯体的2种C/C复合材料摩擦系数较低,在0.13～0.17之间,且随时间延长呈下降趋势;其余2种坯体的C/C复合材料摩擦系数则上升.4种材料摩擦系数的波动幅度均逐渐降低.SEM观察表明:采用2D坯体C/C复合材料在低载荷下的摩擦表面粗糙,充满磨屑,高载荷下能形成了较松散的摩擦膜.而采用2DN、3D坯体的C/C复合材料摩擦表面部分形成了较完整、致密的摩擦膜,部分呈现显著的纤维磨损和摩擦膜大块剥落形貌.     

Al-TiO2-B2O3反应体系中B2O3/TiO2摩尔比对热扩散反应合成铝基复合材料磨损性能的影响

利用Al-TiO2-B2O3体系热扩散反应合成(XD)法制备了铝基复合材料;采用销-盘摩擦磨损试验机考察了所制备的铝基复合材料在干摩擦条件下同GCr15钢配副时的磨损性能;采用扫描电子显微镜和光学金相显微镜观察分析了复合材料微观组织结构及其磨损表面和剖面形貌,探讨了其磨损机理.结果表明:所制备的铝基复合材料的磨损性能随Al-TiO2-B2O3反应体系中B2O3/TiO2摩尔比的增加而提高;复合材料的磨损质量损失随着滑动速度的增加而增加,当滑动速度为0.9 m/s左右时最大,随后开始减小;磨损质量损失与滑动距离基本呈线性关系.当B2O3/TiO2摩尔比为0.0时,增强相由Al2O3和Al3Ti组成,相应的复合材料的抗磨性能较差,其磨损主要表现为Al3Ti的犁沟切削、亚表层剥落、塑性基体流失导致Al2O3颗粒裸露脱落以及Al3Ti棒断裂导致的磨粒磨损;加入B2O3后,棒状Al3Ti的数量减少,有利于基体晶粒细化,提高复合材料强度和塑性,故抗磨性能提高.当B2O3/TiO2摩尔比为1.0时,复合材料中的Al3Ti基本消失,抗磨性能显著改善,主要磨损机制为粘着磨损和轻微磨粒磨损.     

高能破碎岩石

目前流行的钻眼爆破破岩方法,是一种古老的低能量的方法.比之于近代的电子束、等离子、激光等高能破岩技术,是十分落后的.普通的钻爆方法,工作面所接受的平均破碎功率密度 ρ=1-3千瓦/米~2,而电子束是10~(10)千瓦/米~2,等离子是11~(11)千瓦/米~2,激光是10~(12)千瓦/米~2.虽然高能技术的功率密度是钻爆法的十几个数量级,然而它的掘进速度并不是钻爆法的十几个数量级, ...     

反射激波作用下三维凹气柱界面演化的数值研究

激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例. 单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注, 但是反射激波再次冲击气柱 (尤其是三维气柱) 的研究较少, 相关演化规律和机理尚不清楚. 反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量, 影响涡量的输运和分布, 从而影响界面的演化. 本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods) 程序, 研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例.单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注,但是反射激波再次冲击气柱(尤其是三维气柱)的研究较少,相关演化规律和机理尚不清楚.反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量,影响涡量的输运和分布,从而影响界面的演化.本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods)程序,研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N_2气柱(气柱外为SF_6)的演化过程,并考察了反射激波对二维和三维凹气柱界面演化的影响规律.在数值模拟中,选取了不同的反射距离(定义为气柱和反射边界的距离),得到了二维和三维凹气柱在反射激波冲击前后的完整演化图像,提取了气柱上特征点位置随时间变化的定量数据,重点分析了不同演化阶段气柱几何特征及斜压涡量分布的变化趋势.研究表明,反射距离决定着反射激波作用气柱时的激波形状和气柱形态,从而影响斜压涡量的生成和分布,进而改变气柱的不稳定性演化过程.对于三维气柱,不同高度截面上的斜压涡量分布不同,从而诱导出复杂的三维演化结构.     

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法. 首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材 料的热弹性相关参数. 然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补 充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准. 本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研 究,验证所提出方法的有效性和准确性. 对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够 准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.      

三维网络SiC/Cu复合材料在15W油中的摩擦性能

在转速为1 500～7 000 r/min、比压为1.1～3.9 MPa条件下,以65Mn钢为对摩副,以15 W油为冷却介质,研究了三维网络SiC/Cu复合材料在油流量为8 mL/(min·cm2)时的摩擦性能.结果表明,三维网络SiC/Cu复合材料摩擦片的摩擦系数较粉末冶金摩擦片的摩擦系数有大幅度提高;粉末冶金片与三维网络SiC/Cu复合材料片具有不同的失效机制:粉末冶金片的失效机制是表面裂纹和"过铜"(对偶中铜的转移),三维网络SiC/Cu复合材料片的失效机制以"过铁"(对偶中铁的转移)导致的SiC骨架被覆盖而失去作用为主;2种摩擦片与65Mn钢对摩的过程中都伴随着不同程度的氧化磨损.但粉末冶金片的主要磨损机理为磨粒磨损,而三维网络SiC/Cu复合材料片的磨损机理主要表现为"材料转移"导致的黏着磨损.     

Modelling of turbulent energy flux in canonical shock-turbulence interaction

High-speed turbulent flows often encounter high heat loads due to the presence of shock waves. The turbulent energy flux correlation in the mean energy conservation equation is a key unclosed term that determines the heat transfer rate. In this work, we employ existing turbulence models to predict the turbulent energy flux in canonical shock-turbulence interaction. The shortcomings of these models are highlighted, and a new heat-flux limiter model is proposed with the aid of linear theory results. We also write the transport equation for the turbulent energy flux across a shock wave and use it to develop a physics-based model for the same. It is found to predict the peak energy flux at the shock wave and its variation in the acoustic-adjustment region behind the shock. Numerical error incurred while solving the model equations at a shock wave are analyzed and a numerically robust model is obtained by eliminating the nonconservative source terms. The model predictions are compared with available direct numerical simulation data and a good match is obtained for a range of Mach numbers.     

Response of ocean bottom dwellers exposed to underwater shock waves

The paper reports results of experiments to estimate the mortality of ocean bottom dwellers, ostracoda, against underwater shock wave exposures. This study is motivated to verify the possible survival of ocean bottom dwellers, foraminifera, from the devastating underwater shock waves induced mass extinction of marine creatures which took place at giant asteroid impact events. Ocean bottom dwellers under study were ostracoda, the replacement of foraminifera, we readily sampled from ocean bottoms. An analogue experiment was performed on a laboratory scale to estimate the domain and boundary of over-pressures at which marine creatures’ mortality occurs. Ostracods were exposed to underwater shock waves generated by the explosion of 100mg PETN pellets in a chamber at shock over-pressures ranging up to 44MPa. Pressure histories were measured simultaneously on 113 samples. We found that bottom dwellers were distinctively killed against overpressures of 12MPa and this value is much higher than the usual shock over-pressure threshold value for marine-creatures having lungs and balloons.     

飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析

为提升针对高马赫数发动机的模拟能力,对计算方法进行了可压缩性修正,并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟,分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征.研究结果表明:(1)修正后的方法计算所得激波位置及强度与试验值吻合,在激波串模拟、高马赫数发动机模拟上均展现了更优的能力.(2)发动机内形成激波与反...     

基于红外热成像的编织复合材料低速冲击和冲击后压缩试验研究

针对二维三轴编织复合材料（two-dimensional triaxially braided composite, 2DTBC）在低速冲击和冲击后压缩（compression after impact, CAI）载荷下的损伤失效机理,开展了2DTBC试样的不同能量低速冲击试验以及相应的CAI试验,并采用红外热像仪监测在低速冲击和CAI试验过程中的温升现象。通过C扫描表征了不同能量低速冲击后试样的分层损伤情况,讨论了试样背面温度场分布特性及其随冲击能量的演化规律;对比分析了2DTBC冲击后剩余压缩强度与冲击能量的对应关系,基于数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术监测了CAI试验中的全局应变场,结合热成像、变形场和光学图像数据,阐明了不同能量冲击后2DTBC的压缩失效特性,讨论了基于红外热成像技术表征编织复合材料损伤失效行为的有效性。试验结果显示:编织复合材料低速冲击和CAI试验中的温度场分布图与编织几何构型有明显关联度;低速冲击试验的温升幅值随冲击能量的增加而快速上升,CAI试验的温升现象随着冲击能量的增加而减弱;分层面积随冲击能量的增大而增大,冲击后剩余压缩强度随冲击能量的增大而降低。研究结果表明:红外热成像技术能够很好地捕捉试样破坏瞬间释放断裂能所产生的温升现象,温度场图像相较于全局应变场能更好地捕捉破坏的起始位置和失效特征。     

高压短脉冲激波的传播及衰减

本文给出一个简单的分析模型,以此研究高压短脉冲激波的传播和衰减,并给出了一个激光加载下激波传播的算例。计算结果和实验结果误差在10％左右,这一方法对于短脉冲激波传播的近似分析,试验前的预估,以及实验的设计等将是十分有用的。文中还对平板撞击和高能量束在脉冲加载过程中的异同作了讨论。     

核爆X光辐照铝靶产生的脉冲应力波的简化解析估算

高空核爆炸大约有７０％的能量以Ｘ射线形式向外辐射，高能通量密度的Ｘ射线辐照在空间结构物上，在其表面的能量沉积将产生脉冲应力波（通常又称为热击波），这样的脉冲应力波可造成壳体材料的动力学破坏。对于试验研究人员来说希望采用简化解析模型对于其参数作出直观、快速的预测。并以简化模型估算了核爆Ｘ射线谱的特征、Ｘ光辐照铝靶产生的脉冲应力波的初始参数及其沿铝靶厚度的衰减特性。     

Propagation of Thermo-Elastic Waves at Several Typical Interfaces Based on the Theory of Dipolar Gradient Elasticity

The reflection and transmission properties of thermo-elastic waves at five possible interfaces between two different strain gradient thermo-elastic solids are investigated based on the generalized thermo-elastic theory without energy dissipation(the GN theory). First, the function of free energy density is postulated and the constitutive relations are defined. Then,the temperature field and the displacement field are obtained from the motion equation in the form of displacement and the thermal transport equation without energy dissipation in the strain gradient thermo-elastic solid. Finally, the five types of thermo-elastic interfacial conditions are used to calculate the amplitude ratios of the reflection and transmission waves with respect to the incident wave. Further, the reflection and transmission coefficients in terms of energy flux ratio are calculated and the numerical results are validated by the energy conservation along the normal direction. It is found that there are five types of dispersive waves, namely the coupled longitudinal wave(the CP wave), the coupled thermal wave(the CT wave), the shear wave, and two evanescent waves(the coupled SP wave and SS wave), that become the surface waves at an interface. The mechanical interfacial conditions mainly influence the coupled CP waves, SV waves, and surface waves, while the thermal interfacial conditions mainly influence the coupled CT waves.     

泡沫材料对冲击波的衰减特性

对冲击波与开式、闭式泡沫作用及其在空气中的传播特性开展实验研究,探讨不同结构的泡沫材料对冲击波衰减的力学特征。通过定量分析泡沫材料对冲击波的超压峰值、正冲量的损失,分析冲击波入射、反射、透射的正冲量。实验结果表明, 泡沫材料对冲击波的衰减体现在对冲击波的反射衰减等方面,其中开式泡沫对冲击波的衰减效果比闭式泡沫稍好,且它们衰减冲击波的具体力学过程也不尽相同。     

Multi-dimensional hydrodynamic code SOVA for interfacial flows: Application to the thermal layer effect

Eulerian, three-dimensional, numerical code, which conserves mass, momentum and energy simultaneously both in the Lagrangian and remap steps, is developed. The use of special form of linear viscosity provides a weaker time step restriction as compared with the Courant condition. The code is designed to investigate the multi-material problems, including dusty flows. The performance of the code is illustrated by the modeling of shock wave interaction with a dusty thermal layer. Received 15 June 1998/ Accepted 6 January 1999