泄爆面积对甲烷-空气预混泄爆容器结构响应影响的实验研究

利用自主搭建的泄爆容器结构响应测试系统,开展了不同泄爆面积条件下甲烷-空气预混气体泄爆实验,结合振动加速度、内部超压、火焰演化和信号频率-时间分布等探究了泄爆面积对容器结构响应的影响特征及机制。研究发现:（1）容器振动加速度曲线和内部超压曲线具有相似的变化趋势,两者均存在双峰现象,且两者一一对应,但加速度峰值出现略迟;随着无量纲泄爆系数增大,第1个内部超压和加速度峰值主体为增大趋势,而第2个内部超压和加速度峰值的变化趋势为先减小后增大再减小;（2）火焰未到达泄爆口之前,上部的火焰平均速度随着无量纲泄爆系数增大而减小,无量纲泄爆系数较小时火焰较早从泄爆口喷出;（3）在当前实验条件下,当无量纲泄爆系数为25.00时,热声耦合现象最剧烈,表现为最大幅值的振动响应和最大能量的高频振荡,而随着无量纲泄爆系数进一步增大或者减小,热声耦合现象逐渐衰减。     

连通容器泄爆过程的影响因素

以甲烷/空气混合物为研究对象,开展了连通容器气体泄爆影响因素的实验研究。结果表明:连通容器泄爆片泄爆时,随着破膜压力和量纲一泄压比的减小,大、小球容器的最大泄爆压力均增大;在等量纲一泄压比条件下,随着连接管道长度的增加,传爆容器的最大泄爆压力增大。连通容器无膜泄爆时,大球点火条件下,无论管长如何,起爆容器和传爆容器均比单个容器最大泄爆压力大。小球点火条件下,当管道长度为0.45 m时,起爆容器和传爆容器的最大泄爆压力均小于单个容器。连通容器无膜泄爆且量纲一泄压比相同时,当管道长度为0.45 m时,大、小容器内的最大泄爆压力基本相等;当管道长度为2.45 m时,大容器点火时,传爆容器最大爆炸压力大于起爆容器,但小容器点火时,起爆容器最大泄爆压力大于传爆容器;当管道长度为4.45和6.45 m时,传爆容器最大泄爆压力均大于起爆容器。     

点火位置对泄爆空间甲烷-空气爆炸荷载的影响

在12 m3密闭空间内开展了甲烷-空气预混气体（甲烷体积分数为9.5%）的爆炸试验研究,改变点火位置,分析有泄爆口时点火位置对甲烷-空气爆炸超压和火焰形态的影响。结果表明:点火位置对Δp₁的升压速度基本没有影响,Δp₂的峰值随着点火位置远离泄爆口而增大,Δp₄的峰值与点火位置的关系为:中心点火最大,尾部点火次之,前端点火最小。在所有位置,Δp₁随着泄爆阈值的增大而增大,且增量相同;Δp₂在前端点火和中心点火时随泄爆阈值的增加而消失,仅在尾部点火时出现;Δp₄只有在中心点火时随泄爆阈值的增加而增加。外部火焰发展过程可以分为火球阶段和火焰喷射阶段,尾部点火和中心点火的火球大小及火焰喷射长度远大于前端点火。     

摩擦系数对钛合金等通道转角挤压影响的有限元分析

以Ti-6Al-4V钛合金高温变形行为研究为基础,建立了等通道转角挤压（ECAE）的三维模型,运用DEFORM-3D有限元分析软件模拟了600 ℃等温条件下不同摩擦系数对Ti-6Al-4V合金ECAE过程中的温度场,等效应力,等效应变以及等效应变率的影响。结果表明：核心高温区以及核心应力区主要集中于转角处;随着摩擦系数增大,核心高温区面积增大,转角入口区的应力也有所增加;点迹跟踪结果表明各点应变均在经过转角处达到最大值,内角点及外角点处的变形较不稳定。     

球形容器内气体的泄爆过程

为了得到球形容器内可燃气体的泄爆强度产生机理以及燃烧火焰与压力传播的基本规律,从流体力学和化学反应动力学守恒出发,采用-湍流模型和EBU-Arrhenius燃烧模型,利用SIMPLE算法对带泄爆导管的球形容器二维空间内甲烷-空气预混气体的泄爆过程内外场进行了数值计算,获得了气体燃烧过程中火焰和压力传播特性以及气体流动特性,能够比较清晰地反映泄爆的整个过程。研究表明,燃烧火焰在泄爆过程中发生湍流,传播得到了极大的加速,泄爆导管对于容器内的高压气体泄放有很大的约束作用。     

点火位置对氢气-空气预混气体泄爆过程的影响

利用高速纹影和压力测试系统对不同点火位置及不同破膜压力条件下氢气-空气预混气的泄爆特性进行研究。研究结果表明:在所有情况下,中心点火时火焰传播速率和面积最大,产生了最大的内部压力峰值,尾端点火时火焰传播速率和面积次之,产生的内部压力峰值也次之;前端点火时火焰传播速率和面积均最小,产生了最小的内部压力峰值。前端点火时,容器内部压力出现了3个明显的压力峰值,中心和尾端点火时,只能观察到第1个和第3个压力峰值。并且,随着破膜压力的增加,中心和尾端点火时,火焰面积均增大,产生的内部压力峰值均增大。在前端点火的条件下出现了声学振荡的现象,对内部压力产生了显著的影响。     

网纹型表面微结构对Ti-6Al-4V水润滑摩擦学特性的影响

研究了Ti-6Al-4V合金表面网纹型微结构与Si3N4小球对摩时的水润滑摩擦学性能.利用电火花加工技术在Ti-6Al-4V合金表面加工出不同尺寸的网纹结构,运用正交试验设计方法分析了网纹宽度、深度、间宽比和网纹角度对Ti-6Al-4V合金水润滑摩擦学性能的影响.结果表明:具有合适几何参数的网纹结构能够降低摩擦副在水润滑条件下的摩擦系数和磨损量.当网纹角度在45°时,摩擦副的摩擦系数和磨损量能同时降低.网纹宽度对稳态摩擦系数的影响最大,而网纹深度和夹角对摩擦副材料的磨损影响最大.     

基于支持向量机的导管泄爆容器压力峰值预测

为了预测导管泄爆容器压力峰值,根据文献提取出影响导管泄爆容器压力峰值的因素,将这些因素作为输入变量,采用支持向量机算法对压力峰值与各因素的内在关系进行了研究,建立导管泄爆容器压力峰值预测模型,对模型的有效性及预测能力进行了验证。将预测模型与现有经验公式进行比较,表明支持向量机模型具有较好的预测能力,且预测能力优于经验公式。     

Ti-6Al-4V弹体破坏模式对冲击反应的影响研究

Ti-6Al-4V材料是武器结构轻量化时的重要替代材料,其冲击反应将可能增加战斗部毁伤威力,但目前缺乏对其冲击反应条件及反应机理的研究。本文将采用试验与理论分析方法,研究结构破坏模式对Ti-6Al-4V材料冲击反应的影响,获得其冲击反应条件及反应机理。设计并开展了钛合金弹（头部与壳体均为钛合金）与复合弹（头部碳/碳复合材料、壳体空心钛合金圆柱）正侵彻混凝土试验,撞击速度在222~1008 m/s之间。钛合金弹激发了剧烈的氧化冲击反应,但复合弹未产生冲击反应。破坏模式宏细观分析显示,钛合金弹侵彻后宏观结构基本完整,仅表面发生摩擦磨损,以细观组织剪切变形为主要失效模式,形成尺寸在微米量级至百微米量级的颗粒碎片,碎片个数可高达3×10⁶。复合弹的钛合金空心圆柱被撕裂成块,撕裂面沿剪切带方向发展,碎块尺寸在毫米或以上量级,个数至多百余个。碎片供氧和供热的效率均与碎片尺寸成反比,而特定供氧与供热条件下,碎片尺寸足够小是Ti-6Al-4V材料发生冲击反应的必要条件,这是钛合金弹发生冲击反应而钛合金空心圆柱无法激发冲击反应的本质原因。在具备冲击反应必要条件的前提下,碎片个数越多,冲击反应烈度越高。

     

爆炸荷载下网壳结构的动力响应及泄爆措施

以有限元软件ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了40m 跨度K8型单层球面网壳在中心TNT 爆炸荷载作用下的精细化有限元数值分析模型。在网壳结构各组成部分的单元选取、钢材本构关系与参数确定、网格尺寸选择与划分方式、结构对称性应用等方面进行了探索,保证了有限元动力分析的精度与可行性。通过比较网壳结构的塑性应变及其发展程度、杆件应变与位移等结果获得了不同网壳矢跨比、炸点距离以及屋面板厚度下的结构爆炸响应规律;以屋面板作为网壳结构的泄爆方式,研究了屋面板开洞率、开洞数量及洞口分布、洞口位置对结构响应的影响。总结了中心爆炸荷载作用下大跨度单层网壳结构的动力响应结果、最佳的屋面板泄爆布置方案,为网壳结构的合理抗爆及防御设计提供了理论依据。     

碳酸氢钠粉体对导管泄爆过程的影响

为了研究惰性粉体对导管泄爆过程的影响,采用质量浓度C为0、40、80、120、160、200 、240 g/m3的碳酸氢钠（NaHCO₃）粉体,分别抑制连接不同长度（250 mm、500 mm、750 mm）泄爆导管的5 L容器内甲烷/空气预混气爆炸。对火焰传播特性分析结果表明:容器内添加NaHCO₃粉体可以极大地削弱导管内二次爆炸,且合适质量浓度的NaHCO₃粉体可以消除二次爆炸。随着NaHCO₃粉体质量浓度增加,容器内火焰结构逐渐不规则化,火焰到达容器末端时间延长,导管内火焰经历弱化到熄灭过程,不同质量浓度NaHCO₃粉体导致3种火焰速度发展模式。对压力特性分析得知,导管内爆炸超压上升机理依赖于NaHCO₃粉体质量浓度,粉体质量浓度较低时,容器中最大爆炸超压取决于二次爆炸产生的第二压力峰值,反之取决于火焰在容器触壁时产生的第一压力峰值。随着NaHCO₃粉体质量浓度增加,超压峰值下降率先增加然后趋于稳定,表明质量浓度效应逐渐减弱。最后定量分析了导管-容器配置中火焰传播速度与爆炸超压的关系。     

泄爆和氮气惰化耦合作用对氢-空气爆炸影响的实验研究

为了解受限空间内不同氮气体积分数φ对氢-空气泄爆的影响,在高1 m的顶部开口容器中进行了实验。结果表明：当φ≤40%时,容器内部的最大压力峰值由外部爆炸造成;而当φ>40%时,内部最大压力峰值则由泄爆膜破裂引起;在所有实验中,都观察到内部压力的亥姆霍兹振荡,其振荡频率随φ的增加而降低;声学振荡仅出现在φ=25%, 30%时;容器内3个不同压力监测点（靠近泄爆口、容器中心和接近容器底端）的最大爆炸超压p_max都随着φ的增加而降低,且整体上最大的p_max始终在爆炸容器底部附近出现。但当φ>40%时,3个监测点间p_max的差异可忽略不计;外部最大爆炸超压也随φ的增加而减小,且不论其大小如何,均对内部压力曲线有显著影响。

     

大尺度泄爆构件对室内爆燃压力影响的实验研究

通过在尺寸为2 m×1.2 m×0.6 m的腔体一端安装泄爆板研究不同乙烯浓度下大尺度泄爆构件对腔体内压力变化的影响。选用开启静压不同的2种泄爆板,在乙烯体积分数为4%~11%条件下进行实验,得到3种典型压力时程曲线。实验发现：泄爆结构的实际击穿压力大于静载作用下的击穿压力,且存在使实际击穿压力最大的最佳乙烯体积分数;泄爆构件的开启时间会对腔体内压力变化产生重要影响,低浓度条件下开启时间可达数十毫秒,化学当量比条件下开启时间仅为数毫秒,此时李克山模型针对长方体容器大尺度泄爆仍具有较好适用性,乙烯浓度较高时大尺度泄爆构件会因泄压面积过大造成外部空气大量进入腔体并与未燃气体再次反应发生二次爆炸,高浓度条件下增大泄压面积反而会因二次爆炸对结构造成破坏。

     

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系

为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。

     

破膜压力对氢气-甲烷-空气泄爆的影响

选取了300 mm×300 mm×1000 mm、顶部设有250 mm×250 mm泄爆口的管道,用不同厚度的铝箔密封泄爆口,注入氢气-甲烷-空气混合气体,进行泄爆实验,研究了0~44 kPa的爆破压力($ {p}_{\mathrm{v}} $)对火焰演化和管道内外压力变化的影响。结果表明,$ {p}_{\mathrm{v}} $会显著影响管道中火传焰播过程以及压力-时间变化曲线;所有实验中均观察到了内部压力的亥姆霍兹振荡,振荡频率随着${p}_{{\rm{v}}}$的增加而增大;当$ {p}_{\mathrm{v}} $≥12 kPa时会出现频率约为1200 Hz的声学振荡。对于某一确定的$ {p}_{\mathrm{v}} $,管道内最大内部超压随至泄爆口距离增加而增大;靠近泄爆口处和管道中心的最大内部超压几乎随着$ {p}_{\mathrm{v}} $呈线性增加,但是靠近底部处的最大压力与$ {p}_{\mathrm{v}} $呈非线性递增关系,外部爆炸所产生的压力峰值随$ {p}_{\mathrm{v}} $的增加而增大。     

TiSiN/Ag纳米多层涂层的抗菌及摩擦学性能研究

采用多弧离子镀技术,在Ti-6Al-4V合金表面沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层和TiSiN涂层,研究沉积涂层的结构、抗菌及摩擦学性能.利用X射线衍射仪(XRD),X射线光电子能谱仪(XPS)和透射电子显微镜(TEM)表征涂层的成分和结构,用纳米压痕仪测试涂层的硬度.采用Rtec往复式摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦学性能进行研究,评价了涂层对大肠埃希氏菌和枯草芽孢杆菌的抗菌性能.结果表明:与TiSiN涂层相比,TiSiN/Ag多层涂层表现出较低的摩擦系数;两种涂层在海水中磨损率远小于Ti-6Al-4V基底,其中,TiSiN/Ag多层涂层比TiSiN涂层在海水环境中表现出较低的磨损率;对TiSiN/Ag多层涂层进行24 h抗菌试验后,该涂层对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抑菌率分别达到99.98%和100%.     

热氧化温度对TC4钛合金在生理盐水中腐蚀磨损性能的影响

本文中考察了在大气环境下经热氧化处理后TC4钛合金在生理盐水中的腐蚀磨损性能,重点研究了热氧化温度(500~900 ℃)对TC4钛合金的表面氧化物薄膜的结构及腐蚀磨损性能的影响. 结果表明:经热氧化处理后TC4钛合金表面的氧化膜的结构主要由三部分组成:TiO₂与α-Al₂O₃混合组成的表层,以TiO₂为主的亚表层以及氧扩散层内层,热氧化温度对氧化膜的物相结构、表面硬度、膜基结合性能和腐蚀磨损性能有显著影响,其中,在700 ℃下热氧化处理获得的氧化层膜基结合性能最好,表面硬度最高,耐腐蚀磨损性能最好.      

平面撞击对Ti6Al4V合金结构的影响

采用一级轻气炮对Ti6Al4V合金进行对称与非对称正碰撞冲击,回收冲击样品,并进行电镜扫描和X射线衍射分析。结果表明:随着冲击速度的增加,样品发生不同程度的变形,材料内部产生微裂纹并导致材料发生损伤,而损伤进一步促进了微裂纹的产生、扩展;由X射线分析结果可知,冲击使材料的晶面发育更加完整,并在材料冷却过程中出现一种亚稳态结构,在一定程度上可提高冲击韧性。 更多还原