密度梯度飞片实现复杂加／卸载过程的数值模拟

采用流体动力学计算方法,通过数值计算给出了满足复杂加／卸载过程要求的几种密度梯度飞片结构特征。从计算给出的速度波剖面可见,密度梯度飞片波阻抗分布对加／卸载过程和加／卸载强度非常敏感。通过精心设计准连续型变阻抗的密度梯度飞片,可以进行不同复杂加／卸载过程的物理模型设计和实验研究,这样的梯度飞片具有产生可控制的加／卸载路径的能力。     

FeMnNi合金冲击加卸载历程研究

采用激光速度干涉仪(VISAR),应用逆向加载实验装置FeMnNi飞片/蓝宝石窗口和FeMnNi飞片/LiF缓冲层/LiF窗口,分别对低相变阈值金属FeMnNi合金含相变的低压和高压冲击加卸载历程进行实验研究。参阅文献[3,4]分析了实验结果。在低压加载下,FeMnNi合金样品存在α→ε相变,卸载时存在逆相变ε→α及逆相变引发的卸载稀疏冲击波;在高压加载下,FeMnNi合金样品存在α→ε相变,卸载时可能存在逆相变ε→γ和γ→ε行为及逆相变引发的卸载稀疏冲击波。     

实现应变率为105~106 s-1的阻抗梯度飞片复杂加载波形计算分析

为了在气炮上实现应变率为105~106 s-1的复杂加载技术研究,采用自行研制的拉格朗日程序MLEP(multi-material Lagrangian elastic-plastic)对Al-Cu-W材料体系的阻抗梯度飞片复杂加载不锈钢靶板进行数值模拟,计算设计并分析了阻抗梯度飞片的厚度和密度分布指数对靶板压力、速度和应变率峰值等波形的影响。结果表明:密度指数分布越大,加载时间越短,加载后期的压力、速度和应变率峰值曲线更陡峭;同时, 为了避免靶板/LiF窗口界面反射的稀疏波早于阻抗梯度飞片后界面反射的稀疏波达到碰撞面位置,计算设计中还考虑了飞片厚度的影响。此外,对基于理论设计的阻抗梯度飞片进行了动态考核实验,实验结果基本反映了预期的设计,为材料强度的测量奠定了基础。     

复杂加载下材料动态响应的数据反演技术

对梯度飞片撞击复杂路径加载实验中,具有冲击加载-斜波加载-斜波卸载的金属铝材料的波剖面信息进行了数据分析和处理,不同加载路径用不同力学响应关系式进行描述,以铝材料\氟化锂窗口界面处的速度剖面作为初始条件,用反积分方法向铝材料内部直至加载面进行了反向计算,所得计算结果与正向计算结果比较吻合较好。计算得到了材料内能、温度、声速及应变率在复杂路径加载中变化规律,并给出了材料的P-V参考线,所得结果可与正向积分计算结果相互校核。     

磁驱动单侧飞片实验的数值模拟

磁驱动单侧飞片实验的数值模拟通常可不考虑厚的阴极的运动状态和厚度方向上烧蚀宽度的影响,采用单侧计算模型进行模拟。为了理解磁驱动单侧飞片实验可采用单侧计算模型的原因,为磁驱动单侧飞片实验的单侧计算建模提供理论依据,建立了磁驱动单侧飞片实验的双侧计算模型,并对PTS-061、PTS-064磁驱动单侧飞片实验进行了模拟分析。在PTS-061、PTS-064实验中,飞片的电流加载面的位移随着时间的增加持续增大;厚的阴极的电流加载面的位移不随时间的增加持续增大,在磁驱动实验中后期基本保持不变。PTS-061实验结束时,飞片的电流加载面的位移为4.9 mm,阴极电流加载面的位移仅为1.7 mm。PTS-064实验结束时,飞片的电流加载面的位移为4.1 mm,阴极电流加载面的位移仅为0.9 mm。磁驱动单侧飞片实验能采用单侧计算模型模拟的原因,不是阴极板面保持位置不动,而是阴极电流加载面的位移不随时间持续增加;在磁驱动实验后期,飞片电流加载面位移对边界磁场的影响远大于阴极电流加载面的位移对边界磁场的影响。     

基于“钉床型”飞片的斜波加载技术及应用

为了实现斜波加载,设计了一种“钉床型”广义波阻抗梯度飞片,即在基座上密排叠加许多小圆锥,简称“钉床型”飞片。该飞片采用激光选区熔化金属增材制造技术进行制备。利用一级轻气炮加载装置和全光纤激光位移干涉测试系统,开展不同工况下“钉床型”飞片高速击靶压缩实验和层裂实验,重点讨论小圆锥高度和撞击速度对斜波压缩加载波形的影响规律,以及斜波加载对不锈钢靶板层裂特性的影响。实验结果显示:（1）“钉床型”飞片对靶板产生的压缩是逐步的,从自由面速度剖面上观察到压缩波上升前沿时间被显著延长,形成了斜波波阵面,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面;（2）在飞片击靶速度近似恒定条件下,斜波波阵面的上升沿时间、平台速度峰值都明显依赖于“钉床型”飞片上的小圆锥高度,随着小圆锥高度增大,上升沿时间呈线性增大,而平台速度峰值呈线性减小;（3）在“钉床型”飞片的几何尺寸保持不变的条件下,斜波波阵面的上升沿时间随着飞片击靶速度的增大而线性减小,平台速度峰值则线性增大;（4）与冲击加载相比,“钉床型”飞片产生的斜波加载不会对材料的层裂强度产生明显影响,但对材料内部损伤演化速率有一定的影响。     

基于广义波阻抗梯度飞片的准等熵压缩技术

基于变截面杆的波传播特性,设计了一种"针床型"广义波阻抗梯度飞片,即在圆薄片基座上密排叠加许多犹如针尖的小正四棱锥。采用LS-DYNA软件中SPH算法对广义波阻抗梯度飞片高速击靶过程进行了数值计算,结果显示:在飞片击靶过程中,每一个小正四棱锥台可以看作"点"式加载脉冲源,产生一系列具有缓慢上升前沿的近似球面波,球面波相互叠加得到具有缓慢上升前沿的平面加载波形,从而实现对靶板准等熵压缩加载。在数值计算中详细讨论了飞片击靶速度、飞片几何特征参数对准等熵压缩加载特性的影响规律,为广义波阻抗梯度飞片的设计与应用提供指导。基于数值计算结果,采用激光选区烧结金属增材制造技术,制备了一种广义阻抗梯度飞片样品,在一级气炮上进行击靶实验,实测了靶板自由面速度时程曲线,波形呈现了准等熵压缩加载特性,并与计算结果进行了对比,两者基本一致,从而验证了广义波阻抗梯度飞片结构设计的可行性以及数值计算结果的可靠性。     

卸载后加载对扭杆刚度下降门槛值的影响

基于损伤力学原理,推导了扭力矩门槛值表达式. 并采用多次卸载后加载的方法 进行定扭角刚度下降实验,得到卸载后加载的剩余扭力矩,进而计算每次加载后的剪 应变门槛值. 实验表明多次卸载后加载的方法可在一定程度上提高剪应变门槛值. 此结论可以用于同类材料在工程应用中需要提高门槛值的构件.     

FeMnNi合金高压相变波形测量和层裂机理分析

采用激光速度干涉仪（VISAR）测试技术,利用逆向加载装置FeMnNi飞片／LiF缓冲层／LiF窗口,对低相变阈值金属FeMnNi合金高压加卸栽历程进行实验研究,结果发现FeMnNi合金在高压加载下发生α→ε相变,在高压卸载下发生ε→γ和γ→α逆相变,并有相应的稀疏冲击波Rs1和Rs2形成。应用该结果分析FeMnNi合金等厚对称在高压加载下的“反常”层裂行为发现,逆相变γ→α引发的稀疏冲击波Rs2与中心稀疏波R的相互作用是导致该“反常”层裂的主要因素。     

适用于自洽强度方法的冲击加载-再加载实验技术

针对自洽强度方法存在的冲击加载-再加载的难题,提出了一种采用较高硬度材料为支撑制作组合飞片的简便方法。利用该方法获得了铝、锡和锆基金属玻璃较理想的冲击加载-再加载粒子速度剖面,验证了该方法的有效性。由本文获得的冲击加载-再加载粒子速度剖面,并根据自洽方法,计算得到了铝、锡和锆基金属玻璃再加载过程剪应力变化数据。进一步分析表明,在本文涉及的压力范围内,仅由冲击加载-卸载实验得到的铝、锡和锆基金属玻璃屈服强度将比实际结果降低20%~50%。因此,在采用自洽方法计算高压强度时,冲击加载-再加载数据不可或缺。     

7 km/s以上超高速发射技术研究进展

介绍了毫克至克量级弹丸7 km/s以上超高速发射技术的国内外研究进展,并对各发射装置的工作原理和技术要素进行了简要阐述.基于电磁驱动准等熵加载,美国ZR装置驱动25 mm×13mm×1.0mm铝飞片至46km/s速度,国内CQ系列磁驱动加载装置实现了 10mmx6mmx0.33mm铝飞片18 km/s的发射.借助于金属箔电爆炸产生高压气体驱动,美国利弗莫尔实验室100kV电炮装置驱动9.5mm×9.5 mm×0.3 mm的Kapton膜至18 km/s,国内流体物理研究所98 kJ和200 kJ电炮装置分别驱动?10 mmx0.2 mm Mylar飞片和?21 mm×0.5 mm Mylar飞片到10 km/s.基于阻抗梯度飞片技术,采用汇聚型和非汇聚型结构三级轻气炮,实现了厘米量级铝飞片和TC4钛飞片12～15 km/s速度发射.这些超高速驱动技术的发展,为空间碎片防护研究提供了坚实的技术支持.     

带空腔爆轰加载装置对驱动飞片的影响

结合实验和数值模拟技术 ,研究了在炸药透镜和飞片之间引入空腔对爆轰躯体的定量影响。计算和实验结果基本一致 ,表明引入空腔的爆轰加载装置可以推动厚度 6mm以上的厚飞片 ,并可以避免飞片中出现层裂现象 ,从而可以实现较低的冲击压力和较长的压力脉宽 ,在推动厚飞片和较严格地控制作用时间方面也有明显的优点。     

A Novel Fluid Structure Interaction Experiment to Investigate Deformation of Structural Elements Subjected to Impulsive Loading

This paper presents a novel experimental methodology for the study of dynamic deformation of structures under underwater impulsive loading. The experimental setup simulates fluid–structure interactions (FSI) encountered in various applications of interest. To generate impulsive loading similar to blast, a specially designed flyer plate impact experiment was designed and implemented. The design is based on scaling analysis to achieve a laboratory scale apparatus that can capture essential features in the deformation and failure of large scale naval structures. In the FSI setup, a water chamber made of a steel tube is incorporated into a gas gun apparatus. A scaled structure is fixed at one end of the steel tube and a water piston seals the other end. A flyer plate impacts the water piston and produces an exponentially decaying pressure history in lieu of explosive detonation. The pressure induced by the flyer plate propagates and imposes an impulse to the structure (panel specimen), which response elicits bubble formation and water cavitations. Calibration experiments and numerical simulations proved the experimental setup to be functional. A 304 stainless steel monolithic plate was tested and analyzed to assess its dynamic deformation behavior under impulsive loading. The experimental diagnostic included measurements of flyer impact velocity, pressure wave history in the water, and full deformation fields by means of shadow moiré and high speed photography.     

Attitude control of a rigid spacecraft with one variable-speed control moment gyro

Nonlinear controllability and attitude stabilization are studied for the underactuated nonholonomic dynamics of a rigid spacecraft with one variable-speed control moment gyro(VSCMG), which supplies only two internal torques.Nonlinear controllability theory is used to show that the dynamics are locally controllable from the equilibrium point and thus can be asymptotically stabilized to the equilibrium point via time-invariant piecewise continuous feedback laws or time-periodic continuous feedback laws. Specifically,when the total angular momentum of the spacecraft-VSCMG system is zero, any orientation can be a controllable equilibrium attitude. In this case, the attitude stabilization problem is addressed by designing a kinematic stabilizing law, which is implemented through a nonlinear proportional and derivative controller, using the generalized dynamic inverse(GDI)method. The steady-state instability inherent in the GDI controller is elegantly avoided by appropriately choosing control gains. In order to obtain the command gimbal rate and wheel acceleration from control torques, a simple steering logic is constructed to accommodate the requirements of attitude stabilization and singularity avoidance of the VSCMG. Illustrative numerical examples verify the efcacy of the proposed control strategy.     

预应力对LY12铝弹性前驱波的影响

通过过盈配合的热装配方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应力,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对弹性前驱波的影响。结果表明:当飞片均以500 m/s的速度撞击样品时,压缩预应变为0(无预应变)、964.5×10-6和1 886.0×10-6时,弹性前驱波幅值分别为87.56、95.24、121.03 m/s,压缩预应力(变)提高了LY12铝弹性前驱波幅值。结合实验的特点,探讨了对样品施加静态径向预应力的数值模拟方法,结果表明,上升沿(100 μs)较为缓慢的加载可以达到与准静态加载应力分布一样的结果。采用该数值模拟方法给出和验证了弹性前驱波随压缩预应力增加而上升的计算结果,与实验结果较为吻合。     

一种研究炸药反应阈值的新方法

应用火药炮发射飞片产生低冲击压力的加载方法,采用组合式电磁粒子速度计测量不同加载压力情况下的炸药内部粒子速度,发展了一种用粒子速度与加载压力关系分析炸药反应阈值的新方法,获得了低冲击作用下JOB-9003炸药的反应阈值。研究表明,JOB-9003炸药的化学反应阈值和点火阈值分别为1.33GPa和1.87GPa,炸药的反应阈值与厚度无关。该研究方法为炸药安全性的研究提供了一些新的思路,研究结果可以为炸药安全性评估提供有益的参考。     

爆轰产物驱动飞片运动数值模拟研究

利用数值模拟方法,研究了主装药与飞片之间的空气隙厚度变化对飞片中载荷幅度和载荷上升时间、飞片速度和飞片变形量的影响。数值模拟与验证实验结果吻合得较好。结果表明,带空气隙的化爆加载装置可以在飞片中获得较小的载荷幅度和较长的载荷上升时间,并且可以降低飞片击靶速度,从而实现较低的冲击压力,但飞片变形量随着空气隙厚度增大而增大。