波纹结构迎爆面泡沫金属对甲烷-空气混合气体爆炸能量的吸收特性

为进一步探究气体爆炸荷载下异构迎爆面泡沫金属的吸能特性,在前期开展锯齿结构迎爆面材料吸能特性实验的基础上,以3种波纹结构迎爆面（凸面型、凹面型和凹凸连续型）泡沫金属材料为研究对象,利用自主搭建的气体爆炸管网实验平台,开展了该泡沫金属材料在甲烷-空气混合气体爆炸荷载下的吸能特性测定实验。采用不同波纹结构迎爆面阻隔爆材料,测定了管道内爆炸冲击波超压、火焰传播速度和火焰温度等随时间和空间的变化,分析了不同波纹结构迎爆面阻隔爆材料的吸能效果。结果表明：(1)迎爆面为波纹结构的泡沫金属材料对爆炸超压的衰减效果优于迎爆面为锯齿结构的泡沫金属材料和迎爆面为平面结构的泡沫金属材料,且迎爆面为凸面型波纹结构和凹凸连续型波纹结构的泡沫金属材料对超压衰减的速率高于迎爆面为锯齿结构和凹面型波纹结构的泡沫金属材料;迎爆面为锯齿结构的泡沫金属材料对火焰传播速度的衰减略强于迎爆面为波纹结构和平面结构的泡沫金属材料;迎爆面为波纹结构的泡沫金属材料对火焰温度的衰减效果优于迎爆面为锯齿结构及平面结构的泡沫金属材料。(2)在本文实验条件下,3种波纹结构（凸面型、凹面型和凹凸连续型）迎爆面泡沫金属材料的熄爆参数分别为5.338、4.340和6.090 MPa·℃,低于锯齿结构迎爆面材料的熄爆参数17.680 MPa·℃,且远低于熄爆参数安全值390 MPa·℃,波纹结构迎爆面材料具有良好的防护效果。(3)这3种迎爆面为波纹结构的泡沫金属材料均具有良好的吸能特性,均优于迎爆面为锯齿形结构的泡沫金属材料,且明显优于迎爆面为平面结构的泡沫金属材料。

     

受三维静载压缩岩石对冲击能的吸收效应

为了研究深部地下资源开发过程中矿岩破裂的能耗效应,通过利用自行研制的岩石动静组合加载试验机,对细砂岩进行了2个系列的三维动静组合加载试验,即固定围压改变轴向静压和固定轴向静压改变围压的冲击试验。试验结果表明:在固定围压条件下,随着轴向静压增加,砂岩试件破坏所消耗的动载荷能量密度逐渐降低;当轴向静压在对应的常规三轴抗压强度的70%以上,消耗的动载荷能量密度变为负值（岩石试件释放能量）;轴向静压再进一步加大,负值逐渐接近0,但始终在0以下。在轴向静压不变且较小的条件下,随着围压增大,岩石试件破坏所消耗的动载荷能量密度值一直在增大;但当轴向静压较大且在对应的常规三轴抗压强度的70%以上时,岩石试件在受到动力扰动后失去原平衡,能够自行破坏,并释放多余的能量。     

高速冲击下薄壁组合结构吸能特性研究

研究了高速冲击下组合薄壁结构的吸能特性。采用显式动力有限元方法模拟薄壁结构在轴向冲击下的动态屈曲并分析其吸能特性,通过在结构上增加诱导缺陷和提出新型组合截面来提高其抗冲击吸能性能。同时对多种模型对比分析,研究了不同诱导缺陷、截面形式对吸能特性的影响,以得到最优化的结构。     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMax^TM PLA为试样材料,利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验,运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算,探讨了其变形模式和能量吸收特性,分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段：初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值,减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下,对于单胞模型,仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管;对于多胞管件阵列模型,方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下,阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时,折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时,仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。

     

预折纹管在低速冲击载荷作用下的能量吸收

为了降低结构的初始载荷、增加有效塑性变形面积,进而提高其吸能效率,研究一种以新型的预折纹管,在普通管的管壁上引入特别设计的折角。基于有限元软件ABAQUS/EXPLICIT的数值分析验证了预折纹在低速冲击载荷作用下可以引导预期的大变形模式,预折纹管的这种大变形模式相较于普通方管的对称变形模式有更低峰值载荷和更高的平均载荷。通过低速落锤实验获得了与有限元模拟结果相似的载荷-位移曲线和变形模式,验证了数值结果的可信性和预折纹方管的高效吸能特点。

     

开孔泡沫铝填充圆管的准静态压缩行为

采用开孔结构泡沫铝填充到薄壁圆形铝管中,制备出开孔泡沫铝夹芯铝管,并进行压缩实验,研究了这种结构材料的压缩力学行为和变形特征以及材料的结构特征参数对压缩力学性能和能量吸收特性的影响。在压缩过程中,泡沫铝夹芯铝管的载荷-位移曲线呈现出弹性段、波动的屈服平台段和压实段3个阶段特征;铝管的径厚比及泡沫铝本身的参数和强度对填充管的屈服强度、平均压溃力和吸能特性均有着非常显著的影响。填充泡沫铝后铝管的压缩变形方式发生改变,管壁只发生向外翻折变形,产生的环状褶皱减少。     

含泡沫吸能层防护结构爆炸能量分布的数值模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA软件对复合结构各层中的爆破能量的分布进行了系统的数值模拟研究;由计算得到的复合防护结构中能量的分布规律显示,泡沫混凝土的反射、吸能作用非常明显,改变了防护结构内的能量分布状态,各层的能量分布发生了很大的改变,能量的分布向上转移,其最下层能量仅为无吸能层结构的14％。     

抛投式机器人高过载弹射泡沫塑料的共振吸能特性

针对抛投式机器人弹射过程中存在的高过载问题,使用缓冲材料对机器人进行减过载处理。讨论了缓冲材料在高过载情况下的吸能特性,根据抛投式机器人缓冲保护壳的结构和缓冲材料的性质,建立了单自由度支座激励系统数学模型,并对其系统固有频率和放大系数进行了分析。利用弹射器内弹道加速度测量系统测量了弹射器的激励曲线和机器人在缓冲材料作用下的响应。实验结果表明,当缓冲系统的固有频率与弹射器的激励频率接近时,系统产生共振,机器人所受过载增加。通过调整缓冲系统的参数,改变其固有频率,使系统放大系数小于1,避免产生共振。

     

空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性

利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）系统对空心微珠体积分数为0.4的空心微珠/1199Al复合泡沫在1 700~2 900s^-1应变率范围内的动态压缩力学性能、吸能性能进行了研究,还利用SEM扫描电镜对压缩试件断口进行微观组织分析,与准静态条件下材料的压缩力学性能及压缩变形机制进行了对比。结果表明,空心微珠/1199Al复合泡沫是一种应变率敏感材料,与准静态结果相比,在高应变率下复合材料的流动应力和塑性应变有明显的增大,应变率硬化效应对复合材料的流动应力的影响明显大于应变硬化的影响。复合材料的准静态和动态压缩变形机制存在一定差异,动态载荷作用下,空心微珠/1199Al复合泡沫内部空心微珠的压缩和基体材料的充填同时发生,组分之间具有良好的协调变形能力。

     

导弹目标在破片式战斗部作用下的易损性评估

对导弹目标的功能、结构、毁伤机理进行了分析和研究，给出了导弹目标的毁伤级别、毁伤树以及各舱段的毁伤准则，在此基础上建立了导弹目标在破片式战斗部作用下的易损性评估模型，根据该模型对某导弹目标的易损性进行了计算，得到了该导弹的易损性与舱段易损特性、炸点相对目标的方位及距离的关系。     

半穿甲弹丸对加筋靶板侵彻的终点弹道的实验和理论研究

以舰船典型筋板结构为目标,设计了带加强筋的结构靶,并用模拟实验弹体,对单层带加强筋的结构靶进行了斜侵彻实验,通过天幕靶和高速运动分析系统的测量,得到了两种倾斜着靶条件下不同着靶位置的靶前、靶后弹道参数;通过对靶板破坏结果的分析,得到实验弹靶条件下加强筋结构靶的破坏模式。在现有弹丸侵彻均质靶板理论的基础上和一定假设条件下,得到弹丸对加筋结构靶侵彻的终点弹道理论计算模型,弹丸过靶后剩余速度的理论计算结果与实验结果基本一致。     

破片聚焦战斗部的动态杀伤威力设计

破片聚焦战斗部威力设计通常针对静爆条件,但在实战条件下,由于弹目相对速度和战斗部沿轴线方向破片初速梯度的影响,破片动态飞散角将重新合成,导致聚焦破片散开,破片在靶面的分布密度大为降低(可降低到静态条件的1/2)。采用射击迹线法对破片聚焦战斗部在静爆和动态条件下的破片飞散过程和破片在靶面的分布密度进行了仿真研究,提出了破片聚焦战斗部的动态杀伤威力设计概念,以破片平行聚焦战斗部为例给出了动态杀伤威力的实现方法。     

串联随进战斗部侵彻混凝土靶实验研究

设计了一种小尺寸串联随进战斗部,利用100 mm滑膛炮进行了不同弹速和不同着角下该战斗部侵彻混凝土靶实验。实验结果表明,前级聚能装药战斗部为二级随进战斗部的随进侵彻开辟了有利通道,串联战斗部的侵彻效果理想;尤其在小着角情况下侵彻,串联随进战斗部的侵彻效率大大提高。     

FAE战斗部毁伤威力评价的试验研究

利用基于靶板毁伤效应和超压-冲量准则的FAE战斗部毁伤威力评价方法,分别对三种不同起爆方式和燃料配方的FAE战斗部进行了毁伤威力评价的试验,并计算得到了相应的TNT威力当量值。结果表明,1#云爆弹在炸距3.8 m之后靶板的变形挠度大于同药量的RDX/TNT装药,在炸距3.8～4.2 m之间的TNT当量约为2.0;在炸距13～18 m之间,采用新型固液混合燃料的2#云爆弹的靶板变形挠度约为传统环氧丙烷燃料的3#云爆弹的1.4倍,TNT当量分别为3.75和2.96。     

爆轰驱动变截面异形杆静态抛撒实验研究

为提高防空战斗部的毁伤后效,设计一种新型离散杆战斗部—中心起爆式变截面异形杆战斗部,并首次开展了爆轰驱动异形杆静态抛撒实验研究,获得了杆条的初速度,分析了杆条的抛撒特性、飞行姿态及其对目标钢板的侵彻效应。实验结果表明,异形杆在爆轰驱动过程中飞行姿态发生改变,达到了预期设计效果,提高了对目标的侵彻能力。     

Energy absorption of an egg-box material

Conical frustra made from leaded gun-metal have been compressed axially. Collapse is either by a travelling plastic hinge or by tearing. An analytical model is developed for the travelling plastic hinge in a rigid, ideally plastic solid; its predictions are compared with the observed response, and with those of an axisymmetric finite element analysis. The travelling hinge mechanism is also observed in the compressive collapse of an egg-box material comprising a square array of conical frustra. Collapse mechanism maps are constructed for the egg-box material, and they show the regimes of dominance of elastic buckling, material tearing and the travelling plastic hinge. The maps are useful for selecting egg-box geometries that maximise the energy absorption per unit mass at any prescribed value of collapse stress. The optimisation indicates that the egg-box material has a similar energy absorption capacity to that of hexagonal honeycombs and is superior to that of metal foams.     

轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能

在方管的基础上引入折纹结构, 利用几何关系建立折纹管的折角公式。采用LS-DYNA软件研究了6种折纹管在轴向冲击下的屈曲模态与能量吸收性能, 并与方管进行对比分析。结果表明, 折纹管在冲击载荷作用下屈曲变形过程可分为3个阶段, 初始峰值阶段、稳定渐进屈曲阶段和密实化阶段。折角是影响初始峰值载荷和平均载荷的重要因素之一, 折纹结构的引入有效的降低了初始峰值载荷, 减小了冲击力的波动幅度; 折纹管的比吸能低于方管, 但是在特定折角下, 折纹管的压缩力效率和比总体效率高于方管。