一种超高速发射实验装置的改进及其数值模拟

 以流体比容方法和三阶PPM方法为基础,给出了适用于三级气炮超高速发射过程数值模拟的多流计算方法和计算代码MFPPM。利用Sandia实验室一系列的实验装置及其结果对计算代码进行了验证和确认,获得了较好的数值模拟结果（其中最大相对误差为1.07%）,同时对冲击波物理与爆轰物理实验室设计的实验装置进行了数值模拟,计算结果与实验结果相差1.04%。为了更好地满足超高压下材料状态方程的测量,提出了一种带汇聚型的改进装置设计,并给出了相应的数值模拟结果。     

汇聚型超高速发射装置的发射腔计算设计北大核心CSCD

使用多介质流体高精度计算程序(MFPPM,Multi-Fluid Piecewise Parabolic Method)对汇聚型超高速发射装置的发射腔进行了计算设计。根据发射腔角度的不同,提出了3种改进的发射腔结构,计算研究了发射腔角度和TPX厚度对二级飞片速度、速度差异和击靶位置平面性的影响。计算结果表明:在3种TPX厚度以及击靶位置下,使用第2种发射腔结构发射出的二级飞片的平面性最好、速度最高、汇聚效果最强,但平面性范围最小,且二级飞片自由面速度差异变大,其平面性难以得到维持。     

阻抗梯度飞片加载下的超高速发射二维数值模拟方法

阻抗梯度飞片准等熵加载和超高速发射的二维数值模拟,在计算方法上集中体现了多介质、多界面、大变形、高密度比等特点.采用多介质流体高精度PPM计算方法,以VOF为基础研制MFPPM2二维计算程序,数值模拟Sandia实验室的超高速发射实验模型,获得了与Sandia实验室数值计算一致的结果.     

超高速发射中缓冲层材料对钽飞片速度影响的数值分析

 在超高速发射技术研究中,缓冲层材料起着十分重要的作用。通过数值计算,分析了TPX缓冲层材料的厚度对高阻抗钽飞片超高速发射速度的影响,给出了最优的缓冲层材料厚度,对于0.3和0.5 mm厚的钽飞片,选取不同厚度的TPX缓冲层材料,钽飞片中心速度的相对误差达到5%～6%;为了比较不同缓冲层材料对钽飞片速度的影响,还给出了相同厚度的TPX和Lexan材料作缓冲层时,钽飞片的中心速度和压力历史的二维计算结果。     

超高速发射装置的数值模拟

 应用二维Lagrangian有限元程序EPFT101对超高速发射装置作数值模拟设计。对速度超过10 km/s的发射飞片作了系统研究。为防止飞片的破碎和熔化,采用密度梯度结构装置冲击固定飞片,为使固定飞片达到最大的可能发射速度,采用了筒的延伸技术,并通过数值模拟,优化了超高速发射条件。计算结果表明,当密度梯度结构装置的初始冲击速度为5.8 km/s（或6.0 km/s）时,1.063 g钛合金飞片的速度可达到10 km/s以上。飞片的纵横比为0.3。     

渐变阻抗飞片超高速发射数值模拟

 为在轻气炮上实现二级飞片的超高速发射,设计了波阻抗连续变化的渐变阻抗飞片。变阻抗飞片撞击面为镁,底面为钨,中间为镁、铜和钨的掺合材料。建立了变阻抗飞片超高速发射的计算模型,采用分成单元层描述阻抗变化。对变阻抗飞片超高速发射二级飞片过程进行了数值模拟计算,分析了阻抗分布、二级飞片直径和缓冲层厚度对二级飞片速度的影响。结果表明：在优化阻抗分布、二级飞片直径和缓冲层厚度的条件下,二级飞片的最大速度能够达到16 km/s以上。     

高压作用下不同形状气腔压缩过程的二维数值计算

 采用三阶精度的Parabolic Piecewise Method（PPM）方法和Volume of Fluid（VOF）方法相结合,运用Lagrange-Remapping算法,对高压作用下不同形状气腔压缩过程进行了二维高精度数值计算,给出了复杂形状的多流体流场之间的相互作用。此方法可以用来处理界面两边高压力比、高密度比流动以及强剪切滑移运动等问题。     

激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

介绍了影响激光驱动超高速发射技术的各种因素。分析了激光能量、激光光束空间分布对飞片发射速度及完整性的影响和飞片靶镀膜工艺对飞片速度及完整性的影响。结果表明：空间分布为“平顶型”的激光束有利于发射出完整的飞片。在膜与基底之间增加过渡层Cr可以大大提高膜与基底之间的附着力,从而提高飞片的发射速度。实验上利用波长1 064 nm、脉宽10 ns、能量835 mJ的激光使厚度5 μm、直径1 mm的铝飞片的发射速度达到10.4 km/s。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。     

内爆驱动式超高速发射技术的初步研究

为获得10 km/s左右的超高速发射能力,以内爆发射器为研究对象,利用AUTODYN 2D软件对口径为8 mm的内爆发射器进行有限元仿真分析,获得了典型状态下的弹丸发射速度。研制了口径为8 mm的内爆发射器,并在压缩管中填充5 MPa氦气进行实验,分别获得了0.55 g铝合金弹丸7.95 km/s和0.37 g镁合金弹丸10.28 km/s的发射速度,与有限元仿真计算结果的速度偏差分别为15.3%和3.7%。结果表明,设计的内爆发射器具备10 km/s发射能力,满足空间碎片撞击和防护研究的超高速发射需求。     

三级炮超高速发射技术研究进展

在二级轻气炮上利用阻抗梯度飞片的准等熵压缩特性开展了超高速发射实验研究。通过非汇聚型超高速发射装置将25mm直径的铝合金飞片加速至11km/s以上,汇聚型超高速发射装置能够将10mm直径的钛合金飞片加速至15km/s以上,三级炮超高速发射技术为开展空间碎片防护研究提供了有力的技术支撑。     

FAE装置参数对燃料抛撒与爆炸威力影响的实验研究

 采用高速运动分析系统对FAE实验装置爆炸抛撒过程进行观测,描述了燃料抛撒过程的不同阶段,实验研究了比药量、长径比、壳体材质等装置参数对燃料抛撒与爆炸威力的影响。结果表明,燃料抛撒过程可分为射流形成与扩散运动阶段、燃料两向膨胀运动阶段和气液融合运动阶段。不同阶段对应不同的流体动力学特征,对云团形成的贡献不同。在实验装置总体优化条件下,适当增大比药量可提高云团覆盖面积与体积;在实验范围内长径比不是影响云团状态的显著因素,但长径比较大时可使燃料抛撒均匀性更好;采用钢质壳体时云雾抛撒状态明显优于铝质壳体。实验证明,采用碳钢壳体、比药量3%左右、长径比为3~5且装置参数良好匹配时,可获得理想的云团状态和高威力爆炸波毁伤效应。     

低真空条件下炸药强爆轰驱动超高速飞片实验研究

 采用X光照相和电探针技术进行低真空条件下炸药强爆轰驱动超高速飞片实验研究,得到了在不同时刻超高速飞片撞击静止靶的图像。实验结果表明,在低真空条件下,通过多级爆轰驱动方法得到次级飞片速度较高,而且具有相当好的平面性。     

高速碰撞数值计算中的光滑粒子法

扼要讨论了改进的光滑粒子法的离散思想,给出了二维轴对称问题中连续介质力学守恒方程的离散过程及离散格式,提出了轴对称坐标下确定影响域内粒子数的方法.最后通过高速碰撞的系列算例说明,光滑粒子法不但适宜于计算大变形冲击力学问题,而且有着其它网格法所无法替代的优势.     

高速碰撞数值计算中的SPH分区算法

针对高速碰撞问题大变形局部化的特点,提出一种分区计算的光滑粒子法.将整个计算域划分为若干子域,在可能发生大变形的子域布置较多的粒子,其它子域布置较少的粒子.分析子域交界面上产生计算不稳定的原因并提出解决方案.采用该方法对长杆弹侵彻厚靶板问题进行数值模拟,并与传统方法进行对比.结果表明,分区算法在保证计算精度的前提下,能显著提高光滑粒子法的计算效率.     

炸药颗粒压制成型数值模拟

 分析炸药压药过程中细观的力学行为,能够为改进压药工艺和提高炸药元件质量提供理论依据。建立了模压条件下炸药颗粒压制成型的计算模型。模型中炸药颗粒被认为是直径相同的球形颗粒,并按一定规律排列。利用非线性有限元计算方法,对炸药颗粒压制成型过程进行了数值模拟计算,分析了压制过程中炸药颗粒变形、受力和温度变化情况。结果表明：药粒在压缩中存在运动和变形两个阶段。在药粒运动阶段,应力集中主要出现在颗粒与约束面的接触部分;药粒进入了塑性变形后,药粒内部压力迅速升高且压力趋于一致。压缩过程中药粒温度升高,药床接近密实状态时,药床中心处药粒温度最高。