Progress in improving thermodynamics and kinetics of new hydrogen storage materials

Hydrogen storage material has been much developed recently because of its potential for proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications. A successful solid-state reversible storage material should meet the requirements of high storage capacity, suitable thermodynamic properties, and fast adsorption and desorption kinetics. Complex hydrides, including boron hydride and alanate, ammonia borane, metal organic frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs) and zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs), are remarkable hydrogen storage materials because of their advantages of high energy density and safety. This feature article focuses mainly on the thermodynamics and kinetics of these hydrogen storage materials in the past few years.     

混合物冲击压缩后平衡态的研究

 将混合物组元颗粒在三维网格内按组元比例随机分布,采用热动力学有限元数值方法,对其冲击压缩过程进行数值模拟。研究了混合物在冲击压缩下趋于热动力平衡过程、热平衡特征时间、压力平衡特征时间和平衡后的热力学状态,得出热平衡特征时间与颗粒度的平方近似成正比,而力平衡特征时间与颗粒度近似成正比。数值模拟了多种合金的冲击压缩特性,其结果与混合物物态方程的体积相加模型、一次冲击绝热线的叠加原理和实验等不同方法获得的结果作了比较,除冲击温度外,各方法得到的结果一致;体积相加模型和叠加原理不能给出合理的混合物冲击温度,但数值模拟能给出合理的混合物冲击温度。     

破片撞击装药点火实验和数值模拟

实验中采用升 降法得到了破片撞击装药点火的临界速度范围,数值模拟中采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程描述了炸药的破坏行为和点火反应。实验结果与数值模拟结果吻合较好。研究结果表明,采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程可以有效地描述装药在破片撞击作用下的破坏行为和点火反应。     

基于Visco-SCRAM模型的侵彻装药点火研究

针对弹体侵彻过程中装药的安全性,基于黏弹性统计裂纹力学(visco-statistical crack mechanics, Visco-SCRAM)模型计算装药整体温升、装药裂纹摩擦生热以及弹体装药与壳体摩擦生热,考察这3种机制对装药温升的贡献以及侵彻装药的点火机制,得到了装药点火对应的弹体侵彻临界初始速度。结果表明：(1)装药与弹体内壁摩擦生热对装药温升有一定贡献,随着弹体初始撞击速度的提高,摩擦生热对温升的贡献逐渐增大;(2)黏性、损伤和绝热体积变化导致的装药整体温升对装药点火的作用有限; (3)裂纹摩擦形成热点是侵彻装药点火的物理机制;(4)采用Visco-SCRAM模型可预测低强度、长脉冲载荷作用下的装药点火响应。

     

侵彻环境下两种钨合金的细观响应特性

本文实验发现具有较大密度和较高速度的93W钨合金长杆模拟弹的穿靶深度反而比密度较小，速度较低的90W钨合金长杆弹的穿靶深度小．针对这一现象，本文从两种材料在侵彻环境下的细观响应特性的差异上给出了有实验根据的合理分析，结论是90W在侵彻环境下较易于形成绝热剪切带，从而在弹头部发生“自锐化”效应所致．     

热动力学问题的数值计算

 对含热传导的流体动力学方程组，用有限元方法进行数值求解。采用傅里叶热传导计算热流、用热流连续条件计算单元间接触面的温度、用三角形传热法计算体单元表面的热流，考虑各向同性弹塑性流体材料模型、三项式物态方程和导热系数与状态的相关性，给出了傅里叶热传导、接触传热、热应力应变效应、以及混合物冲击压缩特性等算例。对混合物冲击温度的数值模拟表明，小颗粒混合物在冲击压缩过程中，颗粒间的温度有差别、稍有波动，并随时间趋向于一致，以至热平衡。     

长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶实验研究及开坑分析

随着超高速动能武器的发展,长杆弹超高速侵彻混凝土靶机理成为当前的研究热点。为了探究长杆弹超高速侵彻混凝土靶的侵彻机理和开坑规律,本文中开展了TU1铜、Q235钢两类长杆弹以初速度1.8～2.4 km/s正侵彻强度26.5、42.1 MPa混凝土靶的超高速实验。结合文献和本文中的实验数据,对开坑直径和开坑体积进行量纲分析,基于开坑截面的弓形形貌几何关系,得到了开坑深度预测公式。结果表明：靶面开坑尺寸明显大于中低速侵彻时的靶面开坑尺寸,在分析侵彻机理的过程中不能忽略开坑阶段;弹体发生严重的长度缩短,直至最后完全侵蚀,弹洞半径明显大于弹体半径,说明长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶属于半流体侵彻机制。另外,在超高速侵彻条件下：弹体长度是影响侵彻深度的最主要参数;侵彻深度随弹体长度和密度的增大而增大,受弹体强度影响不大。

     

大长细比弹体斜侵彻混凝土靶的动力学响应

基于刚塑性自由梁在横向冲击载荷下的动力学响应研究方法,结合空腔膨胀理论给出的弹体载荷分析,给出了弹体作为自由梁在塑性铰出现之前的响应行为,得到了梁内任一截面在横向载荷下剪力和弯矩分布规律以及轴向载荷下的轴力分布规律。计算结果表明,大长细比结构弹体的危险截面在承受较大轴向惯性压力载荷后,对由非正侵彻导致的横向载荷极为敏感。最后基于压弯联合作用载荷分析,给出了动能弹设计的抗弯极限壁厚要求。     

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能,在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。     

NORMAL EXPANSION THEORY FOR PENETRATION OF PROJECTILE AGAINST CONCRETE TARGET

Based on the equations which describe the dynamic behavior of material under high-velocity and high-pressure shock, corresponding equations at shock front whose surface is general space curve surface were established. For concrete material, a normal expansion theory was proposed by which some deceleration about time history of the projectile can be analytically given. This normal expansion theory is not only suitable for spherical and cylindrical-nose projectile, but also suitable for other general nose projectile, for example conical nose or ogive-nose. And it is not only suitable for perpendicular shock but also for oblique shock.