爆炸地震波以其波长长、振幅强、传播速度快等特征,成为诱发建筑物坍塌和基础设施损毁等爆炸次生灾害的主要因素。基于2种典型防爆装备开展不同TNT药量的静爆试验,研究空爆(Free-Air Blast,FAB)、钢质防爆(Steel Explosion-Proof,SEP)和柔性防爆(Flexible Explosion-Proof,FEP)3种不同防护条件下爆炸地震波的传播衰减规律,分析SEP和FEP 2种典型防爆装备的振速时域响应与主振频率特性。构建SEP和FEP防护下的三轴峰值振速矢量和衰减模型,并据此划分建筑物破坏等级,细分为安全、轻微破坏、严重破坏三级判据准则。研究发现:三轴峰值振速矢量和随着TNT药量的增加而增大,随着爆距的增大而减小;三轴主频对于爆距或TNT药量的增大并无明显变化规律,相较于FAB,SEP和FEP均展现出对爆炸地震波三轴峰值振速的大幅度防护性能。所得研究结果可为相关防爆装备结构设计和爆炸地震波防护效能评价提供参考。

为开发既具有防/除冰功能又可以满足承载性能要求的电热复合材料,基于定制纤维铺放工艺设计制备3种镍铬合金丝并联间距(6.67mm、4.00mm和2.86mm)的电加热织物及其增强复合材料,在25W功率下,3min内复合材料表面温度最低可达87.2℃。采用落锤冲击试验机、红外热像仪和万能强力试验机测试,并分析复合材料试样在7J下的低速冲击性能、冲击后电热性能和冲击后压缩性能。研究结果表明:引入镍铬合金丝电热层后复合材料冲击吸能至少增加23.6%;电热复合材料在未发生穿孔的情况下,冲击后损伤区域的表面温度仍然可以达到72.4℃以上,冲击后压缩模量和压缩强度保留率分别可达到88.73%和94.97%以上;与玻纤/环氧复合材料相比,随着镍铬合金丝并联间距减小,电热复合材料在冲击后压缩载荷下电热层处分层现象更为显著,这一结果为飞行器防/除冰用电热复合材料兼顾力学性能的设计提供实践意义的指导。

为了研究PTFE/Al/W氟聚物基活性材料冲击加载下的力-化学响应行为,开展氟聚物基活性材料落重冲击试验,提出弱耦合跨尺度数值计算方法,基于此方法建立宏观-细观氟聚物基活性材料落重冲击加载反应过程的跨尺度数值仿真模型。结合跨尺度数值仿真对落重冲击试验的宏观、细观结构力化响应行为及冲击激活机理进行讨论分析。分析结果表明:W含量对氟聚物基活性材料冲击激活反应影响显著,随着W含量增加,材料体系冲击激活阈值降低;弱耦合跨尺度数值仿真分析模型有效模拟了氟聚物基活性材料的力-化学响应过程;X型剪切带是氟聚物基活性材料破碎、激活引发反应的主要机制,其形成、演化和分布受W含量影响较大。

为探究典型椭圆截面柱形炸药在空间中爆炸冲击波特性,开展变截面柱形炸药自由场静止爆炸实验,并建立相应的数值模拟模型,通过与实验结果进行对比验证数值模拟的可靠性;开展不同截面形状的柱形炸药在自由场爆炸的数值模拟计算,以探究截面形状对爆炸冲击波威力特性的影响。研究结果表明:椭圆截面柱形炸药产生的爆炸冲击波产生与圆截面柱形相似的波系结构,但不同方位角的冲击波传播特性存在差异,短轴方向的超压峰值、最大冲量与冲击波速度均大于长轴方向;不同长短轴比的椭圆截面炸药,长短轴比越大,这种差异性越明显。通过引入等效半径拟合得到含有长短轴比作为变量的超压峰值及超压峰值形状因子计算公式,且公式计算结果与数值模拟的结果偏差小于10%。

城市建筑的交错布局提高了爆炸冲击波传播路径的复杂性,从而增加了对毁伤效应进行全面准确评估的难度。基于计算流体动力学的数值模拟方法虽然能够精确模拟爆炸产生的冲击载荷,但所需的计算量大且计算时间长。为实现在密集城市建筑群场景下爆炸冲击波载荷的快速预测,提出基于神经网络的快速预测方法。分析训练样本数量对模型预测精度的影响,研究区域划分对模型预测性能的作用。为满足神经网络模型训练的数据需求,使用爆炸模拟软件在一个典型密集城市建筑群场景下进行网格敏感性分析,在兼顾模拟速度和精度情况下产生了80组爆炸情况的数据;为确定合适的模型结构,构建不同层数的全连接神经网络进行对比实验与分析;通过对比实验,分析训练样本数量、区域划分以及构建双模型对模型预测精度的影响。实验结果表明:新方法在训练数据以外未见过的16组测试数据上预测误差达到10%以内,推理时间只需2s,为实现城市建筑群爆炸载荷快速预测提供了一种新的途径和视角。

为清晰阐明钝性弹道冲击下人体头部的受损机理,基于THUMS(Total Human Model for Safety)模型,通过材料参数优化、比例缩放及流固耦合方法,构建符合中国50百分位成年男性头部特征的有限元模型。以LS-DYNA(Livermore Software Technology Corporation's Dynamic Analyzer)软件为仿真平台,采用任意拉格朗日-欧拉算法定义脑脊液流体特性,优化颅骨与脑组织的弹塑性材料参数,并通过网格变形技术实现头部尺寸与解剖结构的本土化适配。选取前额、顶壁、枕部及后窝等典型易损区,对比Nahum尸体实验及THUMS模型数据,验证模型的生物力学响应。研究结果表明:改进模型在易损区域的颅内压峰值分别为150kPa、75kPa、53kPa及69kPa,与实验数据误差为4%~10%,且动态响应曲线形态一致;脑组织最大von Mises应力(29.5kPa)与颅骨主应力(18.7kPa)均接近Marjoux和Yoganandan仿真实验阈值,证实模型可有效预测颅脑损伤风险。结合北约AEP-103标准评估表明,典型冲击下前额颅内压峰值达511.1kPa,远超颅骨骨折阈值(150kPa),凸显现有防护装备的优化需求。该模型应用性强,可为钝性弹道冲击下的头部损伤评估与安全防护提供方法参照和理论支撑。

沉底雷是一种布设在水底、常采用原地爆炸方式毁伤水面舰船和潜艇等水中目标的水雷。壳体是影响装药水下爆炸冲击波载荷的关键因素。采用耦合欧拉-拉格朗日方法建立近海底带壳装药数值模型,开展带壳装药水下爆炸冲击波载荷特性研究,揭示装药形状、起爆方式、壳体设置、外壳厚度比、壳药质量比等因素对沉底装药水下爆炸冲击波载荷特性的影响规律,提出一种适用于近海底条件下的新型变壁厚装药壳体,该设计在近海底条件下对冲击波载荷具有显著的增强效应。研究结果表明:壳体的约束特性会导致沉底装药水下爆炸冲击波随距离衰减放缓;变壁厚壳体对装药水下爆炸冲击波载荷具有增强效应,800mm处冲击波峰值压力随δ的增大增长最多,增长率可达9.74%;所得研究成果可为水下兵器设计提供参考。

履带车辆行星式综合传动系统换挡过程产生的动态冲击,严重影响传动系统的服役性能和可靠性。针对某行星式综合传动系统,建立齿轮传动部件、离合器和制动器等扭转动力学模型,构建传动系统换挡过程动力学模型。开展综合传动系统换挡过程仿真与台架试验,仿真与试验结果的变化趋势基本一致,验证了动力学模型的正确性。研究换挡过程典型构件的冲击载荷,揭示油门开度和冲放油特性曲线等对操纵件动态转矩的影响规律。研究结果表明:随着放油延时的增加,分离操纵件的反向动态转矩逐渐增大,结合操纵件的最大冲击转矩逐渐增大;随着放油时间的延长,分离操纵件的反向动态转矩逐渐增大,结合操纵件的最大冲击转矩先减小后增加;第4个升压阶段冲油越快,结合操纵件的最大冲击转矩越大,最大值较最小值增加了11%;随着油门开度的增大,操纵件最大动态转矩逐渐增加,最大值较最小值增加了73.8%。

超高分子量聚乙烯因其轻质和超强的机械性能而广泛应用于防护领域,可以有效抵御弹丸冲击,然而其细观抗侵彻机理及弹道冲击破坏模式还有待进一步研究。主要以二维机织和单向超高分子量聚乙烯复合材料为研究对象,建立了考虑纤维复合材料细观结构特征的弹道冲击有限元分析模型,针对不同厚度、不同纤维铺层数的复合材料板开展了正/斜侵彻数值模拟,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值模拟结果的可靠性。在此基础上,研究了复合材料板在不同冲击条件下的破坏模式与能量吸收特性。结果表明,不同速度下复合材料板的破坏模式大致相同,速度越低靶板的变形区域越大,靶板吸收的能量越少,这反映了材料在低速冲击下更趋向于发生大范围塑性变形而非局部脆性断裂;随着侵彻角度的减小,弹丸与目标材料的相互作用时间显著增加,促进了能量的传递与吸收。研究不仅深入探讨了超高分子量聚乙烯复合材料的弹道冲击力学响应,还明确了不同冲击条件下材料的破坏模式与能量吸收机制,为设计具有高效抗侵彻性能的复合材料靶板提供了坚实的理论基础。

含有裂纹缺陷的固体推进剂在服役周期内受到冲击波载荷影响易引发裂纹扩展,严重影响固体推进剂的结构完整性。为探究端羟基聚丁二烯推进剂在不同冲击波强度下的动态力学响应和缺陷损伤演化行为,采用激波管装置,结合纹影成像和3D-DIC技术,在0.3~0.9MPa的压力范围内,对无裂纹缺陷推进剂试样及含十字裂纹缺陷推进剂试样进行了冲击波加载实验,捕捉了推进剂的动态变形及损伤演化过程。结果表明,无裂纹缺陷试样变形呈抛物线形状,试样变形随冲击压力增大而增大。不同裂纹缺陷深度试样在0.9MPa冲击压力下,呈现出不同程度的裂纹扩展,多重冲击会叠加损伤,临界失效裂纹深度比例为50%~75%。残样分析显示基体裂纹、颗粒脱粘和颗粒断裂是惰性推进剂主要的失效机制。该结果对评估点火冲击条件下固体火箭发动机的结构完整性具有一定的参考价值。

为研究聚脲涂层对抗爆结构防护性能影响,提出了一种聚脲增强多层复合抗爆结构,分析了抗爆结构在冲击波与破片联合载荷作用下的防护特性。计算并获取了炸药的超压拟合公式,采用激光三维扫描仪测量了抗爆结构在联合载荷作用下的离面位移,超压与位移的实验结果与模拟结果吻合较好。研究结果表明,聚脲涂层所在的位置极大地影响抗爆结构的防护效果。涂层位于夹芯钢板迎爆面时的防护效果比涂层位于面板以及夹芯钢板的背爆面更好,可以有效减少破片的穿透率与着靶数,削弱联合载荷最终作用于背板的能量,降低背板中心的振动幅度与振动加速度。这项研究可以为多层抗爆结构的设计提供参考。

珊瑚砂因其在远洋岛礁中获取的便利性及对爆炸冲击的良好防御作用,被广泛应用于岛礁军事防护工程,而研究珊瑚砂的高压冲击状态方程需获得其冲击Hugoniot数据。为此,基于压导式连续电阻探针设计多介质冲击波测试系统,通过化爆试验以获得炸药、标准材料和待测材料的爆轰波和冲击波时程曲线,结合阻抗匹配原理可最终反演待测材料的冲击Hugoniot线;以水作为待测材料开展可行性试验,验证了方法的可靠性;采用该法测定了珊瑚砂冲击波压力与粒子速度的冲击Hugoniot曲线,并与石英砂数据进行对比。试验结果表明:基于多介质冲击波连续测试系统和阻抗匹配原理可方便可靠地测定待测材料的冲击Hugoniot曲线。为大尺度非均质材料冲击状态方程的研究提供了方法补充。

为探究不同机油柴油配比对现场混装乳化炸药爆炸性能的影响,使用数字黏度计、激光粒度分析仪、光学显微镜测试了不同机油柴油配比的乳胶基质的黏度和粒径分布,观察了炸药试样内相结构; 使用PVC管模拟孔内装药方式测量了基质及炸药试样的密度; 使用爆速仪和铅柱压缩法,分别测试了炸药的爆速和猛度。结果表明,当炸药配方中机油柴油质量比由0:5.5增加至5.5:0时,基质黏度由1.5×10⁵mPa·s增至3.7×10⁵mPa·s; 炸药敏化气泡浓度增加,气泡尺寸减小,均一性更佳; 分散相液滴粒径分布宽度从86.19μm缩小至6.33μm,平均粒径由13.85μm减小至2.78μm,分散指数由6.23减小至2.27,内相液滴分布更趋向集中均匀; 敏化剂质量分数为0.3%时,炸药密度由0.95g/cm³增大至1.10g/cm³,炸药密度呈增大趋势; 炸药的爆速、猛度也随之增大。炸药的爆速由3155m/s增至3915m/s,增幅为24.08%; 猛度由9.05mm增至12.17mm,增幅为34.48%,爆速的变化趋势与B-W法计算得出的理论值变化趋势一致; 随着敏化剂质量分数增加(0.3%、0.5%、0.7%),炸药试样显微观察下气泡数量增加,密度减小; 当机油柴油配比≤3:2.5时,炸药爆速和猛度呈先增大后减小趋势,机油柴油配比≥4:1.5时,炸药爆速和猛度呈减小趋势。

高超声速战斗部飞行时表面通常承受严重的气动加热,并经过结构传热影响内部装药的热安全性。为此,整体采用有限体积法,流固边界上采用双向耦合,模拟高超声速战斗部气动加热和结构传热问题。结合炸药化学反应动力学模型,开展了不同速度和攻角下的高超声速战斗部气动加热温度场分布规律和装药热-点火响应分析。研究结果表明:高超声速气动加热和结构传热下战斗部飞行时弹体和装药温度最高处主要集中在头部,并向后、向内递减,不同攻角下温度呈现不对称分布,迎风面温度随攻角的增大而升高,背风面温度随攻角的增大而降低;引入化学反应动力学模型,马赫数6高超声速战斗部装药约35.4s在装药顶部发生点火,温度为574K,战斗部飞行速度越快,所受气动加热越严重,其装药点火时间越短;设计了一种典型热防护结构,使得战斗部在以高超声速飞行100s的过程中,外壳和装药温度平均降低79.12%和71.45%,并保证内部装药不点火;研究结果可为高超声速战斗部热安全性评估提供技术支撑。

为了解决现有拼接式陶瓷防弹插板陶瓷片之间缺乏结构协同、对冲击能量耗散差等问题,设计一种基于铁定甲虫骨质结构的仿生拓扑互锁构型陶瓷拼接方案,开展其在枪弹冲击下对人体的防护性能数值模拟研究。基于生物材料的微观结构和工程结构中的拓扑互锁原理,设计仿铁定甲虫骨质结构的异型防弹插板陶瓷面板。基于3D-DIC试验验证仿真模型的准确性,开展DBP 10式5.8mm步枪弹侵彻正方形、六边形和仿生拓扑互锁构型陶瓷拼接防弹插板的数值模拟,发现仿生拓扑互锁构型陶瓷块能有效地让周围陶瓷参与到对冲击能量的耗散中,仿生拓扑互锁构型陶瓷防弹插板受到侵彻后的背面鼓包高度比六边形陶瓷防弹插板减少约8%。设计基于仿生拓扑互锁陶瓷构型的新型单兵防护插板,开展M80枪弹对穿新型单兵防护人体躯干的钝击效应数值模拟,结果表明:钝击能量主要被肌肉和胸肋骨承担,胸肋骨的应力峰值达到30.7MPa,可能会出现骨裂;心脏最大应力为930.2kPa,肺部最大应力为777.5kPa,可能会造成心肌损伤和肺部软组织挫伤。

针对活性材料的动态破碎特性及其对冲击释能行为的影响,以Al/Ti与Al/Ti/W两种活性材料为研究对象,开展活性材料的动态破碎软回收试验,获得不同撞击速度下材料的碎片尺寸分布特征,同时开展活性材料的冲击引发释能测试。对两种材料的冲击释能压力特征与反应过程进行分析,结合以上研究工作,提出一种基于材料破碎特性和反应尺寸阈值的冲击释能压力计算方法。研究结果表明:活性材料的破碎特性是影响其冲击释能行为的关键,Al/Ti与Al/Ti/W两种材料在冲击破碎后形成的细小碎片尺寸累积分布可用Logistic分布函数描述,材料在反应室内的冲击反应过程可分为一次反应与二次反应阶段;所提出的释能压力计算方法在计算一次反应阶段释能压力峰时,计算误差小于15%。

针对泡沫铝夹芯板在水下冲击载荷下的动态响应和能量耗散机制进行深入分析,旨在为舰船和海洋工程结构的防护设计提供科学依据。通过水下爆炸等效冲击试验和流固耦合仿真,验证试验与仿真结果的一致性,量化结构参数不同芯层质量比、面板厚度和泡沫铝密度与冲击载荷对夹芯板抗冲击性能的影响。利用神经网络和遗传算法,对夹芯板结构进行多目标优化。研究结果表明:受到水下冲击载荷后,泡沫铝夹层板出现局部压溃和边界剪切等变形模式;夹芯板质量一定时,存在最佳的芯层质量比和最佳湿面板厚度,且随着无量纲冲量的增大而增大;随着湿面板厚度和芯层密度的降低,芯层压缩变形吸能效率增加;优化后的夹芯板变形和质量均显著减小。

爆炸箔起爆技术具有高安全性和高可靠性,且便于微型化、集成化,契合精密微起爆系统需求。为深入认识爆炸箔起爆系统小尺寸装药引发与爆轰输出特性,搭建电爆炸驱动飞片特性同步观测系统,以及飞片冲击起爆小尺寸装药爆轰的炸药与窗口界面粒子速度测试系统,研究飞片速度、形态特性及其冲击作用下超细六硝基茋(Ultrafine Hexanitrostilbene, HNS-IV)小尺寸装药的起爆与爆轰反应行为。研究结果表明:起爆电压与飞片出膛速度呈正相关,起爆电压900~1500V时,飞片出膛速度为2000~4200m/s;高强度冲击下HNS-IV基炸药爆轰成长距离短,在3455m/s飞片作用下,2.14mm内可成长为稳定爆轰,爆轰波结构分析表明其反应速率快,爆轰反应时间小于27ns,反应区宽度仅0.13mm;3mm直径小尺寸装药条件并未显著影响HNS-IV炸药的主要爆轰反应,但反应后期出现能量快速衰减现象。基于试验标定炸药爆轰反应速率方程,进一步仿真研究了装药尺寸对能量输出的影响,结果显示与增加装药直径相比,增大药柱厚度更能有效提升装药端面的能量输出。

为了获得带壳装药水下爆炸下双层壳体结构的毁伤特性,基于小型爆炸水箱装置进行了双层壳体结构在水下爆炸下的毁伤试验,分析了双层壳体内板背空介质、内外板间填充介质、爆炸位置及距离等因素对双层壳体毁伤的影响,得到了带壳装药水下爆炸作用下双层壳体结构的毁伤模式。结果表明,在水下带壳装药载荷接触爆炸下,双层壳体出现整体塑性变形,内外板出现“口”、“田”、“十”字形撕裂破口,内外板及肋板出现局部弯曲或断裂变形3种毁伤模式; 水下相同接触爆炸条件下,爆炸位置处于双层壳体纵横肋板交叉处对内外板造成的毁伤范围更大,双层壳体间填充水介质大大降低了对内层壳体的冲击效应,提高了双层壳体内板的抗冲击能力。

为了对比分析公斤级炸药在常压及真空环境下的内爆威力,以JO-8炸药为研究对象,在真空爆炸罐内进行了常压和真空条件下的内爆威力试验,分析了炸药在不同条件下的内爆威力。结果表明,真空条件下,正对爆炸产物传播方向所测壁面反射压峰值、准静态压力峰值分别是侧向的1.12倍及1.67倍,且正对爆炸产物传播方向的效应靶变形也远高于侧向效应靶变形,证明爆炸产物在真空环境下的传播具有明显的方向性; 常压下所测壁面反射压峰值、准静态压力峰值分别是真空条件下的1.74倍及5.17倍,且效应靶变形情况相对于真空条件下也更为严重,证明炸药在常压条件下比真空条件下具有更强的毁伤威力,这是由于真空环境下缺少空气介质造成的。

为研究不同装药结构HMX基含铝炸药在密闭空间内的爆炸特性,开展了复合装药结构和均一装药结构样品在密闭空间爆炸的实验研究,建立了具有测温和测压功能的密闭爆炸实验装置,获得了复合装药结构样品密闭空间爆炸压力和温度数据,并与相同化学组成的均一装药结构进行了对比。结果表明,具有复合装药结构样品密闭空间爆炸冲击波峰值压力和准静态压力比相同化学组成的均一装药结构分别提高了12.7%和8.0%,通过外层高爆速炸药、内层高铝氧比炸药的内外层复合装药结构能够提高装药密闭空间的爆炸能量输出; 与均一装药结构密闭空间爆炸峰值温度745℃相比,复合装药结构峰值温度下降124℃,为621℃,但具有内外层复合装药结构样品在密闭空间中能够维持长时间600℃左右的高温环境。

为了研究微纳米自组装和物理混合铝粉材料的点火与爆炸性能,采用1.2L哈特曼管和20L球爆炸测试系统对材料的点火敏感度、火焰传播特性以及爆炸参数进行了研究。结果表明,与Al-T4纯微米铝粉相比,纳米铝粉可以显著降低铝粉材料的点火能量,自组装工艺相较于物理混合工艺的铝粉材料,其点火敏感性进一步升高; 在火焰传播速度上,少量纳米铝粉的高反应速率可以加速微米铝粉的反应,自组装铝粉由于微纳米铝粉整体的协同作用,容易点火的同时对热量的传递也更为高效; 在20L球爆炸测试系统中,质量分数5%纳米的自组装和物理混合铝粉在500g/m³时达到最大爆炸压力以及爆炸指数,分别为0.72、0.75MPa以及43.21、31.49MPa·m/s,添加质量分数10%纳米自组装和物理混合铝粉则在1000g/m³时达到最大爆炸压力,分别为0.84、0.68MPa,质量分数5%的纳米铝粉爆炸压力和爆炸指数随着粉尘浓度先变大后减小,质量分数10%纳米的铝粉爆炸压力和爆炸指数则随着粉尘浓度的升高而增大,复合铝粉的爆炸威力不仅和活性相关,和铝粉本身的热值也存在一定的关联。

为了研究高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波传播特性,利用AUTODYN有限元软件,研究了不同海拔高度及其解耦对应的低温条件和低压条件对运动装药爆炸冲击波超压场的影响规律; 建立了预测低温环境和低压环境下运动装药爆炸冲击波超压的理论计算模型,并通过试验数据和数值模拟进行了对比验证。结果表明,该计算模型可以有效预测不同低温、低压以及低温和低压耦合的高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波超压; 海拔高度从0升至10000m,冲击波超压峰值平均减小35.6%,冲击波作用范围增加62.0%; 随着环境温度降低,冲击波超压峰值平均增加0.43%,冲击波作用范围减小11.9%; 随着环境压力降低,冲击波超压峰值平均减小36.4%,冲击波作用范围增加83.5%; 不同海拔高度下装药运动速度引起的冲击波超压增大系数变化规律与解耦对应的低压条件影响规律基本相似; 高海拔环境对运动装药爆炸冲击波的作用范围及超压的影响主要取决于低压条件,低温条件的影响程度较小。

针对跨介质航行器入水冲击带来的结构损伤问题,提出一种采用负泊松比头罩降载的方法,利用负泊松比结构特殊的拉胀效应,使头罩吸收更多的冲击能量。采用任意朗格朗日-欧拉算法分析了负泊松比头罩对航行器降载特性的影响规律,并通过实验数据对数值方法进行了验证。研究结果表明:与传统降载头罩相比,负泊松比头罩在结构轻量化的基础上可有效降低结构入水冲击载荷,在入水速度分别为20m/s、35m/s、50m/s时,加速度峰值可以降低75%、70%、68%,具有良好的降载缓冲效果;不同胞元夹角、壁厚和边长参数下,负泊松比结构的降载特性有较大差异,在胞元角20°、胞元壁厚0.5mm、1.6倍胞元边长参数下,负泊松比头罩的降载特性达到最优效果。

为了研究N b₁Zr₂Ti₁W₂难熔高熵合金的冲击释能与破碎行为,利用准密闭反应罐提供弹靶相互作用过程中动态能量释放测试的试验方法,并结合高速摄影、SEM和XRD等技术手段,对冲击释能过程、动态破碎规律等进行了分析,建立了碎片累积质量分布模型,研究了N b₁Zr₂Ti₁W₂高熵合金材料的冲击诱发能量释放特性。结果表明,N b₁Zr₂Ti₁W₂在高速冲击载荷作用下产生“类爆轰”的释能效应,主要是Zr元素的氧化反应,释放了大量化学能; 5.07g合金材料在1631m/s速度下可在32.7L准密闭容器内产生0.176MPa超压; 碎片分布遵循幂次律规律,碎片尺寸与释能密切相关。

为了探究MgH₂粉尘爆炸火焰传播过程及其热辐射特性,采用改进后的哈特曼管装置对其进行点火实验,通过高速摄像机、热辐射仪和红外热成像仪同步记录MgH₂粉尘的火焰传播、热辐射通量和温度场变化过程。结果表明,点火后MgH₂火焰持续增长形成连续的燃烧区域,达到最大值后开始衰减并出现离散状火焰; 粉尘质量浓度在150～1000g/m³范围内,火焰前锋阵面的最大传播高度和最大传播速度随着质量浓度的增大呈现出先增大后减小的规律,均在750g/m³时最大,分别达到1138mm和45m/s; 热辐射通量随着粉类质量浓度的增加逐渐增大,在火球正上方的3号热辐射通量最大值达到31.7kW/m²,远高于火球两侧的1号和2号热辐射通量; 火焰中心区域温度最高,向四周逐渐降低,高温区集中在火焰上部。

针对内爆加载下弹体钢壳膨胀断裂机制,采用光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics, SPH)对几种壁厚下40CrMnSiB钢柱壳在内爆载荷下的膨胀断裂过程与裂纹分布规律进行了数值模拟; 利用爆炸水井回收技术开展了对比实验研究; 结合柱壳断裂破片的宏观形貌与微观组织分析了其裂纹的生成机制。结果表明,40CrMnSiB钢柱壳的断裂模式随着壁厚的增加由纯剪切逐渐过渡到拉剪混合; 当柱壳壁厚由4mm增至17mm时,拉伸裂纹所占比例由0逐渐增至4/5,柱壳裂纹周向密度和形成破片总数则分别减小了54.54%和67.06%,并且随着金属柱壳壁厚的增加,最终破片的质量分布逐渐分散; 分析回收破片微观组织发现,柱壳的断裂实际是由壳体内表面产生的剪切裂纹与外表面产生的拉伸裂纹共同作用及相互竞争的结果,裂纹之间存在相互屏蔽的现象。

为深入理解含能材料在极端条件下的冲击起爆、冲击点火、爆轰过程和爆轰产物状态等,利用自洽电荷紧束缚密度泛函理论(SCC-DFTB)结合多尺度冲击模拟技术(MSST)研究了4种晶型(α、β、γ、和ε)CL-20在冲击波加载下的分解反应过程; 考虑到α-CL-20通常以含水加合物的形式存在,同时也计算了水分子对α-CL-20冲击分解过程的影响。结果表明,在同一冲击波速下,4种晶型(α-、β-、γ-、和ε-)CL-20中,γ-CL-20密度最小,具有最大的压缩比。当冲击波速为8km/s时,γ-CL-20完全分解,而其余3种晶型CL-20直到冲击波速达到9km/s时才完全分解,但4种晶型CL-20分解反应平衡后小分子产物组分和含量是一致的。此外,水分子的加入则会显著提高CL-20分子的活性,加速固相α-CL-20的裂解,增加固相α-CL-20的冲击感度。冲击加载下固相CL-20的初始分解路径受晶型影响较小,主要受冲击波速影响,当冲击波速低于8km/s时,分解反应主要源于N—NO₂键的断裂; 当冲击波速超过9km/s时,CL-20分子中N—NO₂键受到高压抑制,C—H键中H可能优先与相邻的NO₂基形成五元环,进一步生成NO和OH。

针对复合固体推进剂爆热测试结果平行性偏差大的现象,采用恒温式量热仪,从明确爆热定义、规范实验条件、改进实验装置3个方面开展复合推进剂爆热精准测试研究。结果表明,推进剂利用自身具有的氧化剂燃烧放热量测试值随推进剂切块粒度的减小和样品质量的增大有明显增大的趋势,故推进剂爆热测试样品单块质量应小于0.14g,推进剂样品质量应大于测得稳定最大放热量的所用的样品质量; 在量热仪的氧弹上加装测压元件,实现了量热过程中氧弹中压强的全程测试记录,点火前压强检测保障了氧弹中空气置换的有效性; 氧弹中的最大压强为剔除不充分燃烧的异常值提供了依据。结合实验中氧弹内的末态压强和氧弹容积,实现了定压爆热的测试。

为了探究储氢合金对燃料空气炸药(FAE)毁伤性能的增强效应,采用20L球形液体爆炸测试系统并结合比色测温技术,研究了不同基体液态燃料和金属添加剂对FAE冲击波和热毁伤性能的影响规律。结果表明,FAE常用的3种液态基体燃料中,环氧丙烷的燃爆性能最佳; 当环氧丙烷中添加氢化钛粉末后,混合燃料的燃爆超压、最大压力上升速率和最大平均温度均随氢化钛粉末含量的增加呈先增大后减小的趋势,并在氢化钛质量分数为35%时达到最大值,分别为1.21MPa、68.73MPa/s和2398K; 相较于钛粉-环氧丙烷混合燃料,氢化钛粉-环氧丙烷混合燃料的燃爆火焰更加连续,相同质量浓度下其燃爆性能更加优异。表明氢化钛作为一种潜在的高能添加剂,可有效应用于燃料空气炸药,以提高其燃爆特性参数,增强FAE的冲击波和热毁伤性能。

为评估不同药量的矩形装药在混凝土墩体表面爆炸对墩体的毁伤效果,通过仿真对墩体的毁伤特性展开深入的探究,采用等毁伤曲线评估毁伤效果,阐明了混凝土墩体在冲击波作用后顶面位置、侧面位置和侧棱位置的毁伤特性,得到装药质量和装药放置位置对墩体毁伤效果的影响。构建易损性体积的函数模型,得到不同位置的毁伤情况,以及墩体剩余体积随装药质量的变化曲线,在此基础上比较了不同药量的矩形装药在混凝土墩体上8个不同位置接触爆炸时墩体的易损性差异,研究了爆炸后产生的大量碎块数量和最大碎块体积。研究结果表明:混凝土墩体顶面与侧面呈现出的毁伤区域形状大体为圆形,且该圆形中心和顶面中心处于重合状态; 侧棱的毁伤区域形态接近椭圆形; 装药在顶面、侧面和侧棱区域接触爆炸时,中心位置的毁伤效果最佳; 当装药质量为1～3 kg时,炸药在混凝土墩体顶面几何中心位置爆炸的毁伤效果最佳; 当装药质量大于3 kg时,在侧面几何中心位置爆炸的毁伤效果最好。

为了研究爆炸载荷冲击下厚度对于泡沫混凝土动态响应及吸能特性的影响,以不同厚度的泡沫混凝土为研究对象,利用有限元软件,开展了0.8 m/kg^1/3比例爆距下,平面尺寸300 mm×300 mm、0～30 mm泡沫混凝土厚度条件下的抗爆数值计算。随后,开展了其中0 mm、10 mm、20 mm和30 mm 4种厚度条件下的泡沫混凝土抗爆试验,验证了数值计算的准确性。通过数值计算,研究了泡沫混凝土在爆炸载荷冲击下的破坏形式及耗能机理,量化分析了泡沫混凝土吸收爆炸波能量的能力,得到了泡沫混凝土的吸能特性及背部铝合金板的变形响应随泡沫混凝土厚度变化的影响规律,推导了相应的工程计算模型。结果表明:随着厚度的增加,泡沫混凝土的破碎区尺寸逐渐减小,当厚度为30mm时,泡沫混凝土的破碎区仅占总体积的2.9%; 泡沫混凝土可以有效地吸收并耗散爆炸波的能量,其吸能能力随着厚度的增加而增加,厚度为5～30 mm的泡沫混凝土分别可以吸收42.8%～91.9%的爆炸波能量; 随着厚度的增大,背部铝合金板的位移响应逐渐减小,当厚度为30 mm时,铝合金背板中心的位移响应下降至23.2 mm,仅为不覆盖泡沫混凝土时的12.6%。

为研究三过氧化三丙酮(TATP)在空中的爆炸冲击波传播规律,使用拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对自制TATP进行了结构检测; 而后利用冲击波测试系统测试了TATP在空中的爆炸冲击波参数,分析了峰值超压、正压作用时间、比冲量及冲击波速度随比例距离的变化规律; 拟合了TATP的峰值超压、正压作用时间、冲量经验公式,计算了TATP的TNT当量。结果表明,TATP的峰值超压、比冲量随比例距离不断降低,衰减幅度也随比例距离减小,二者实测值平均为TNT的0.87倍与0.73倍,使用超压换算TATP的TNT当量为75.39%; 正压作用时间受装药质量与装药距离的双重影响,装药质量与距离越大,正压作用时间越长; TATP与TNT正压作用时间随比例距离的平均上升速率分别为0.066和0.100,在近场TATP正压作用时间大于TNT,而当比例距离大于3.646m/kg^1/3时,其正压作用时间逐渐小于TNT。表明TATP空中爆炸冲击波参数满足爆炸相似律,拟合所得经验公式适用于TATP爆炸威力评估及理论计算。

为研究不同尺度非理想炸药水中爆炸载荷的相似性,采用LS-DYNA软件的S-ALE算法,构建了基于JWL-Miller状态方程描述的非理想炸药水中爆炸载荷数值计算模型; 利用典型试验数据对计算模型参数进行了标定,匹配设置了典型RDX基非理想炸药的JWL-Miller状态方程参数; 通过不同尺度炸药在不同水域环境条件下的爆炸过程模拟,分析了爆炸载荷特征参数的相似性。结果表明,影响非理想炸药水中爆炸冲击波压力峰值相似律的主要因素是其自身的非理想特性; 水域环境因素(如自由面及静水压力梯度等)会对气泡脉动周期与半径的相似律产生较大影响。对于15%允许误差范围的工程仿真而言,0.53～5.30m/kg^1/3比例距离(约10～100倍炸药半径)范围内,非理想炸药自由场水中爆炸载荷参数相似律可近似满足,与理想炸药的相似律特征基本一致,工程可用。基于JWL-Miller状态方程统一参数描述的非理想炸药默认其后燃反应是稳定且完全的。在实际中,由于水下非理想炸药受到复杂的化学反应动力学的控制,几何尺寸效应仍有可能导致非理想成分释能过程的较大差异,因此,精细化数值仿真需要针对不同比例距离或不同尺度模型来匹配不同的Miller模型参数,爆炸载荷相似律也可能在更有限的尺度范围内成立。

内凹蜂窝结构因其独特的变形模式、出色的抗冲击和能量吸收特性以及轻质特点,在汽车工业、航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。基于传统内凹六边形蜂窝结构,引入圆角设计并通过改变圆角的排布方式,提出一种基于圆角增强的变形可控内凹蜂窝结构,采用金属3D打印技术制备变形模式为Z型和Y型的变形可控蜂窝结构。为探究其抗冲击性能,开展准静态压缩和落锤冲击实验以及有限元数值模拟,分析结构的变形模式和吸能特性。研究结果表明:新提出的新型蜂窝结构实现了变形模式的可控,通过定制的Z型和Y型变形模式,显著提高了结构的吸能性能,具有良好的压溃稳定性;在同种结构下,吸能性能随着圆角半径的增大逐渐提高;随着速度的增加,结构变形模式逐渐向I型压溃演变,结构的平台力大致呈现出递增的趋势,吸能效率逐渐降低;Z型结构因其圆角的非对称排布,在多数情况下其抗冲击性能优于Y型结构。研究结果可为动态冲击作用下新型结构的耐撞性设计提供参考。

为了探究爆炸冲击作用对电子雷管发火能量的影响,利用水下爆炸的方法对液态铝电解电容进行7组不同强度的冲击实验,研究电容在冲击载荷下的介电击穿行为和漏电流变化规律。分析电子雷管电容的能量损耗途径,建立电子雷管的冲击-发火模型,得到冲击波超压与电子雷管发火能量之间的函数关系。研究结果表明:在8.5~40.6MPa的冲击波超压作用下,实验电容样品会发生介电击穿,随着冲击波超压的增大,电容发生介电击穿时电压下降幅度呈指数级增长;当冲击波超压超过某一临界值时,电容发生介电击穿后无法完全自愈,漏电流增大到毫安级,均值为1.62mA;随着冲击波强度的增大,电子雷管发火能量逐渐减小,并在漏电流增大时发火能量出现骤降。

金属卤化物钙钛矿具有优异的光电性能和极具潜力的应用价值,成为目前研究热点之一,钙钛矿材料的元素组成及晶体结构对其性能有重要影响。为实现新型钙钛矿制备,开展冲击加载制备铯铅氯(CsPbCl₃)钙钛矿研究。采用爆轰驱动飞片的冲击加载方式,在0.6~0.8的致密度、14.2~27.9GPa的冲击压力条件下实现了CsPbCl₃钙钛矿粉末的冲击合成。X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等多种分析表征结果表明回收产物为CsPbCl₃钙钛矿粉末。实验结果表明,冲击压力与前体粉末致密度是合成CsPbCl₃钙钛矿粉末的2个关键因素。结合实验条件与分析表征结果,对CsPbCl₃的合成进行了机理分析,发现当冲击压力在14~17GPa范围内时,可以合成高纯度的CsPbCl₃粉体,没有非化学计量比产物形成,表明冲击合成法是一种制备难合成钙钛矿的可行方法。

为了获取不同约束方式和强度下HMX基压装含铝炸药慢速烤燃响应特性,以典型超音速钻地/侵爆战斗部为背景,设计了装药长径比为5:1的缩比烤燃弹; 开展了无约束和不同约束强度下HMX基压装含铝炸药慢速烤燃实验; 获取了无约束条件下HMX基压装含铝炸药的反应过程,以及不同壳体壁厚(4、10、16和20mm)与端盖螺纹长度(10、12和14mm)时装药反应烈度的变化规律。结果表明,慢速烤燃条件下该HMX基压装含铝炸药反应包括生成气体、端面燃烧、火焰熄灭3个阶段; 烤燃弹约束强度影响装药烤燃时间和点火温度,进而影响烤燃弹内部反应压力增长,最终导致不同的反应等级; 当螺纹长度(L)为14mm时,壳体厚度(δ)由4mm增加至20mm,反应等级由爆燃发展为爆炸而后降低为燃烧; 当壳体壁厚(δ)为10mm时,螺纹连接长度(L)由10mm增加至14mm,烤燃弹反应等级由燃烧转变为爆炸; 当壳体壁厚(δ)与等效壳体壁厚(δ_e)相当时,烤燃弹约束强度较为均匀,有利于反应压力的不断增长,最终导致烤燃弹发生更为剧烈的爆炸反应。