高速冲击压缩梯恩梯的分子动力学模拟

采用反应力场分子动力学方法模拟了梯恩梯(2,4,6-trinitrotoluene,TNT) 冲击压缩过程. 冲击压缩完全时,体积压缩至原体积40%,梯恩梯分子分解完毕,体系压力达到峰值. 随后稀疏波反向拉伸致大量原子或分子基团飞溅至下游,同时压力开始卸载. 密度及粒子速度剖面显示压缩波后方密度较大,粒子基本处于静止状态,且压缩波内存在较大的粒子速度梯度. 早期化学反应特征是梯恩梯分子在冲击压缩作用下脱落H,O 原子后残基快速聚合形成较大的分子团簇,此阶段和平动—振动弛豫过程相关,并且分子由平动—振动模态转换的时间尺度为0.5 ps. 产物识别分析显示梯恩梯在高速冲击压缩下致C—H,O＝N 键断裂,脱落的原子部分形成OH,H₂,H₂O,N₂,部分H,O 原子游离在体系中. 含碳团簇分析显示,冲击压缩作用致体系中含碳团簇的摩尔质量逐渐累积. 体系内含碳团簇中O/C,H/C,N/C 原子数量比值逐渐趋于平衡(O/C=0.680,H/C=0.410,N/C=0.284),且均小于初始结构中的比值.      

高速侵彻弹体层合木靶脱壳

利用实验和数值模拟方法研究一种利用层合松木靶作为脱壳装置的机械式脱壳方法。首先讨论了一种正交各向异性材料模型用于高速侵彻木材的可行性及其参数变化规律,结合美军的高速侵彻实验数据对数值模拟方案进行了验证与确认。在此基础上,讨论了不同弹靶作用下含弹托弹体对松木靶的侵彻/贯穿规律。数值模拟与实验研究结果表明:在垂直入射条件下,通过合理的层合木靶设计可对次口径发射弹体有效脱壳,高速侵彻弹体可垂直入射靶板,弹体速度衰减可控;在初始攻角入射条件下,层合靶将使高速侵彻弹体攻角放大。随入射速度增加,弹体贯穿层合木靶消耗动能增加,体现了木材具有明显的应变率增强效应。     

Experiments and modeling of ballistic penetration using an energy failure criterion

One of the most intricate problems in terminal ballistics is the physics underlying penetration and perforation. Several penetration modes are well identified, such as petalling, plugging, spall failure and fragmentation (Sedgwick, 1968). In most cases, the final target failure will combine those modes. Some of the failure modes can be due to brittle material behavior, but penetration of ductile targets by blunt projectiles, involving plugging in particular, is caused by excessive localized plasticity, with emphasis on adiabatic shear banding (ASB).Among the theories regarding the onset of ASB, new evidence was recently brought by Rittel et al. (2006), according to whom shear bands initiate as a result of dynamic recrystallization (DRX), a local softening mechanism driven by the stored energy of cold work. As such, ASB formation results from microstructural transformations, rather than from thermal softening. In our previous work (Dolinski et al., 2010), a failure criterion based on plastic strain energy density was presented and applied to model four different classical examples of dynamic failure involving ASB formation. According to this criterion, a material point starts to fail when the total plastic strain energy density reaches a critical value. Thereafter, the strength of the element decreases gradually to zero to mimic the actual material mechanical behavior.The goal of this paper is to present a new combined experimental–numerical study of ballistic penetration and perforation, using the above-mentioned failure criterion. Careful experiments are carried out using a single combination of AISI 4340 FSP projectiles and 25[mm] thick RHA steel plates, while the impact velocity, and hence the imparted damage, are systematically varied. We show that our failure model, which includes only one adjustable parameter in this present work, can faithfully reproduce each of the experiments without any further adjustment.Moreover, it is shown that the most common failure criterion based on a critical strain is simply inadequate to reproduce the results, due to the linear nature of the damage evolution. The advantages of the energy-based failure criterion are discussed in detail.     

CL20/DNB共晶的热感度分子动力学研究

共晶技术大幅提高了六硝基六氮杂异伍兹烷（CL20）的热稳定性而且保留了CL20高爆速、高爆压等特性.为了研究CL20/1,3-硝基甲苯（DNB）共晶的热感度降低的原因,采用ReaxFF/lg反应力场模拟CL20/DNB共晶、CL20/TNT共晶、CL20单晶以及DNB单晶系统的热分解过程.研究发现： CL20/DNB共晶的热感度低于CL20/TNT共晶和CL20单晶的热感度,但高于DNB单晶的热感度.通过分析CL20单晶和CL20/DNB共晶的初始反应路径,揭示了共晶有效降低CL20热感度的机理.CL20/DNB共晶和CL20热分解具有相似的主要产物,NO₂、NO₃、N₂、N₂O₂、HNO、H₂O、CO₂和HONO等,通过反应动力学分析得到CL20/DNB共晶和CL20的活化能.     

刻槽弹侵彻混凝土受力模型研究

利用混凝土材料的动态球形空腔膨胀理论,建立了针对刻槽弹体的低速花瓣形受力模型和高速圆孔形受力模型,并采用这两种模型计算了刻槽弹体侵彻混凝土的侵深。结果表明:当初速低于1 000 m/s时,运用低速花瓣形受力模型计算得出的侵深和实验值的误差小于11%;当初速高于1 000 m/s时,运用高速圆孔形受力模型计算出的侵深和实验值的误差约为20%。综合实验过程和实验误差分析可知,建立的刻槽弹侵彻混凝土受力模型可用于刻槽弹对混凝土的侵彻能力分析。     

环形方管道中爆轰胞格的三维研究

通过实验和三维数值模拟研究了爆轰波在环形管道内的传播。实验采用烟迹板记录了爆轰波的胞格结构。数值模拟基于带化学反应的三维Euler方程,采用五阶精度的WENO格式捕捉激波,采用具有TVD性质的三阶Runge-Kutta法处理时间项,并结合并行技术,对爆轰波的传播进行了数值研究。结果表明,环形管道外壁为收敛壁面,由于其对流场的压缩效应,外壁面及附近的胞格较小,且较均匀。而内壁为发散壁面,其对流场起稀疏效应,内壁面及附近的胞格较大,且呈周期性变化。同时, 不同壁面的胞格结构均出现了拍波(slapping wave),其形状呈弯曲的折线。     

SHPB加载下PTFE/Al冲击反应的临界条件

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）加载方法和高速摄影技术,对混合压制烧结法制备的铝颗粒增强聚四氟乙烯复合材料（polytetrafluoroethylene/Al,PTFE/Al）的冲击反应临界条件进行研究。实验中采用钢杆、铝杆和不同尺寸的试样,进行不同加载条件下的测试,实验结果表明:PTFE/Al复合材料的冲击反应过程主要可分为变形、碎裂、反应阶段,其冲击反应临界同时关联于应力和应变率。并基于实验获得了PTFE/Al复合材料的冲击反应临界渐进线应力和应变率,通过对实验数据的归纳和分析,初步提出实验条件下关联应力和应变率的PTFE/Al临界反应关系式,获得冲击反应阈值预测曲线。     

球形爆炸容器内炸药爆炸形成的准静态气体压力

准静态压力是爆炸容器设计的重要参考数据。在球形爆炸容器内开展了爆炸加载实验,压力传感器采用齐平和导孔两种安装方式,均获得了准静态压力数据,且两组数据一致。理论推导了准静态压力的表达式,并通过拟合实测数据得到经验公式。研究结果表明:（1）爆炸冲击波在容器内部往返3次后,容器内气体压力进入准静态;（2）准静态压力与当量容积比近似呈正比例关系,比例系数为1.10 MPa·m3/kg TNT。     

飞机模型高速撞击钢筋混凝土载荷特性实验研究

为得到大型商用飞机撞击的冲击载荷特性及其计算方法,基于火箭橇加载试验平台,搭建了飞机模型撞击钢筋混凝土运动靶体测试系统,开展了两种不同尺寸飞机模型的撞击试验,利用高速摄影技术获得了飞机模型撞靶前的姿态、着速及飞机模型撞靶的破坏过程。采用加速度测试系统和激光干涉测速系统,分别得到撞击过程中运动靶体的加速度和速度历史,据此得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,二者吻合,验证了测试系统的可靠性。通过飞机模型上安装的机载存储过载测试系统,获得了撞击过程中飞机模型的负加速度-时间曲线,由此确定了修正的Riera理论模型中的静载荷项,并进一步计算得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,与通过测试靶体的加速度或速度得到的结果一致,验证了使用修正的Riera理论模型计算飞机模型冲击载荷的合理性及计算方法的正确性,同时确定了适合于本试验中飞机模型的修正系数α。