加速器电水锤数值模拟与实验研究

强流加速器水介质形成线放电或击穿形成的冲击波对陶瓷真空界面具有破坏作用。为获得该冲击载荷的信息,应用通用软件ANSYS/LS-DYNA建立了一种水下爆炸有限元模型,将电弧放电等效为爆炸源,模拟得到了冲击波传播时序、压力历史曲线及陶瓷板的加速度响应;为验证模型的有效性,应用"针-板"电极水开关在输出电脉冲40～50 ns、幅值100～300 kV可调的10级陡化前沿Marx发生器上开展了电水锤缩比实验研究。实测了不同击穿电压下冲击波峰压、波速和主脉冲宽度,并依据经验公式计算了放电沉积能量和冲击波能量,平均约17%的间隙放电能量转换为冲击波机械能。对冲击波能量与峰压关系进行了拟合,并与数值模拟结果进行了比较,二者变化趋势基本一致,量级上吻合较好。     

低Z流体的单次冲击波压缩极限

低Z流体的单次冲击波压缩极限是判断各种研究高压物态方程理论和实验正确与否的重要参数。维里定律和Hugoniot方程表明,单次冲击波压缩率是由各种因素的相对重要度决定的,包括平均势能、平均动能、内部自由度的激发度和逆幂函数型势能曲线的幂指数。如果幂指数大于2,相互作用势能使流体变得比理想气体更难压缩,否则流体就比理想气体更容易压缩。内部自由度的激发总是让流体变得更容易压缩。在各种不同因素起主导作用的压强段,低Z流体的单次冲击波压缩极限不同。用一个简单的单次冲击波压缩极限的表达式解释了低Z流体在离解区域和电离区域的行为。     

石英光纤探针在非金属材料冲击实验中的应用

使用石英光纤探针成功测量了Teflon样品中的冲击波速度和电炮加载的厚度为75 m的Mylar膜飞片的平均速度和到达时间一致性。实验证明,石英光纤探针技术为非金属材料的冲击实验提供了一种直接的、不受电磁干扰的、精确的测量手段。     

冲击波作用下乳化炸药压力减敏的表征方法

引入一个新的物理量压力减敏程度,来更合理地表征乳化炸药发生压力减敏的难易程度,为研究其作用机理提供量化的分析工具。分别利用乳化炸药发生压力减敏前后的爆炸冲击波峰压及其对数、冲击波能量和总能量计算压力减敏程度,比较并分析计算结果的优劣。结果表明,几个参数计算的结果都能达到相近的效果,用冲击波峰压计算起来简单方便,冲击波能量计算效果较好。用冲击波参数计算的压力减敏程度能够反映乳化炸药压力减敏的本质,建议采用冲击波峰压计算压力减敏程度,在数值差别不明显时采用冲击波能量来计算。     

Effects of density profile and multi-species target on laser-heated thermal-pressure-driven shock wave acceleration

The shock wave acceleration of ions driven by laser-heated thermal pressure is studied through one-dimensional particle-in-cell simulation and analysis. The generation of high-energy mono-energetic protons in recent experiments （D. Haberberger et al., 2012 Nat. Phys. 8 95） is attributed to the use of exponentially decaying density profile of the plasma target. It does not only keep the shock velocity stable but also suppresses the normal target normal sheath acceleration. The effects of target composition are also examined, where a similar collective velocity of all ion species is demonstrated. The results also give some reference to future experiments of producing energetic heavy ions.     

冲击条件下含纳米空洞的单晶铜的塌缩

利用分子动力学方法研究了单晶铜中不同大小的球形空洞在冲击波下的演化过程.模拟结果表明不同大小空洞的塌缩过程不同.模拟中冲击波由空洞左边扫向空洞右边.在较大尺寸的空洞塌缩过程中会产生系列的位错环.当空洞半径较小时,先在空洞的右侧形成位错环,当空洞半径增大到某一临界大小时,在空洞左右两侧同时产生位错环,当空洞半径较大时,先在空洞左侧形成位错环.当空洞左右两侧的位错环均形成以后,其右侧位错环前端的生长速度大于其左侧的.空洞半径增大,相应的位错环前端的生长速度变化不大.当空洞半径增大时,空洞中心指向位错源的矢量方 关键词： 纳米空洞 位错环 冲击波 塑性变形     

激光靶心冲击波观测镜折反式光学系统设计

设计了一种激光靶心冲击波观测镜的光学系统.用反射式光学系统代替折射式光学系统,解决了普通玻璃在200 nm端透过率较低的问题.反射镜不引入色差,有利于系统在200~800 nm谱段消色差.为消系统轴外像差,反射系统选型为对称式.反射镜全部采用球面镜,为消反射镜以及平板玻璃窗带入的球差,引入校正镜(材料JGS1),在满足要求的条件下,控制折射镜的厚度,使系统色差满足瑞利判据的色差允差,得到了良好的成像质量.     

大断面隧道钻爆冲击波的衰减规律

隧道开挖爆破产生的空气冲击波的破坏效应，将会对人员、机具设备与周围环境造成危害。隧道钻孔爆破冲击波的影响因素比裸露药包爆炸更多、更复杂，研究其衰减规律对采取合适的防护措施意义重大。本文中开展了时速350 km双线铁路大断面隧道钻孔爆破空气冲击波的现场测试，分析了不同工况下冲击波传播规律及影响因素。结果表明:钻爆冲击波超压时程曲线存在多个不同幅值的超压波峰，波峰之间具有明显微差延时的短间隔性，传播至远场未形成稳定的单一平面波，与单一药包爆炸冲击波的传播规律存在差异；钻爆冲击波超压信号由多段与微差延时相对应的子信号叠加而成，子信号数量与毫秒延期雷管段数相同，呈现出典型的时域特征；相同爆破条件下，大断面隧道钻爆时的乳化炸药冲击波转化因数小于小断面巷道工况下的；相较于总药量及最大段药量，按掏槽药量计算的超压峰值与实测超压峰值之间的相关性最强，钻爆冲击波最大超压峰值宜按掏槽段炸药TNT当量确定；隧道内大型机械设备等障碍物改变了钻爆冲击波流场的传播规律，呈现较明显的叠加放大效应。     

柱状装药预制破片缩比战斗部爆炸冲击波和破片的作用时序

针对柱状装药的周向预制破片战斗部,结合无量纲分析方法和爆炸驱动理论,确定了影响破片和冲击波相遇位置的关键参数,给出了由缩比战斗部推广预测原型战斗部爆炸产生的破片冲击波作用时序的方法。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟,对比验证了理论分析和数值试验结果,分析了战斗部缩比比例对冲击波和破片作用时序的影响。结果表明:缩比模型与原型战斗部爆炸产生的破片和冲击波的相遇位置之比和相遇时间之比主要取决于两模型的质量比,在不考虑破片速度衰减时,两模型中载荷相遇位置之比和相遇时间之比等于其质量比的0.33次方。受破片速度衰减影响,该方法仅适用于质量缩比不小于0.2的模型。     

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量，引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感，不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应，较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料，基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法，以维持冲击物受载恒定为目标，运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型，并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明，反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的，所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。