泄爆面积对连通容器预混气体泄爆影响的实验研究

在大小两个体积不等的球形容器和圆形管道组成的连通容器中,开展连通容器泄爆实验,研究连通容器等泄爆面积条件下的火焰传播和压力变化情况。结果表明：火焰从起爆容器加速传播到传爆容器,但由于容器的开口泄爆,火焰传播速率小于密闭爆炸的火焰传播速率;随泄爆面积的减小,连通容器的泄爆压力和压力上升速率均增加;连通容器爆炸受管道火焰加速和压力累积作用,在相同泄爆面积条件下,容器的最大泄爆压力和最大压力上升速率高于单个容器爆炸时的最大泄爆压力和最大压力上升速率,特别是当小容器为传爆容器时,差别更加明显,不能用单个容器的泄爆设计方法来指导连通容器的泄爆。     

球形容器小口泄爆压力变化特性

以甲烷-空气预混气体为实验介质,研究了22L球形容器在小口有约束和无约束泄爆条件下,不同无量纲泄压比时的泄爆压力变化特性。研究发现：有约束泄爆时,当破膜压力保持不变,随着无量纲泄压比的减小,球形容器的最大泄爆压力和最大泄爆压力上升速率均增加;无量纲泄压比大于一定值时为平衡泄爆,否则为非平衡泄爆;有约束泄爆时,当无量纲泄压比大于0.009而小于0.025时,泄爆有着明显的效果,泄压是完全有效的;当无量纲泄压比大于0.00169而小于0.00900时,最大泄爆压力与密闭爆炸压力接近,泄爆效果较差;当无量纲泄压比小于0.00169时,最大泄爆压力略大于密闭状态下的爆炸压力;无约束泄爆时,不同无量纲泄压比的最大泄爆压力均低于密闭状态下的爆炸压力。实验结果为工业生产中球形容器的泄爆安全设计提供科学依据。     

预应力复合压力容器的设计依据和结构性能

本文讨论预应力纤维/金属复合压力容器的设计依据,并介绍其结构性能数据。昕述的压力容器由强度和韧性高的低温拉伸成形的301不锈钢衬壳组成,衬壳外面用纤维缠绕。金属在压制过程中要增强和预加应力,而纤维在制造复合貯箱过程中,要在液氮温度下以塑性应变进行预拉伸。文中给出了球形这种特殊情况下的诸结果。在以Kevlar-49纤维外缠于直径25吋的低温拉伸成形的301不锈钢球形容器试验中,已证实一种高循环寿命容器的破裂结构效率系数P_bV/W为0.84×10~6吋。应用近来改进的石墨纤维(抗拉极限强度为500千磅/吋~2,杨氏模量为34×10~3千磅/吋~2)可使破裂时的结构效率系数预计可超过1.0×10~6吋,也可使外部缠有这纤维的301不锈钢容器重量大大地减轻。     

评定叶片鸟撞击损伤的参数与方法

探讨了在叶片抗岛撞击损伤研究中叶片损伤能力的评定参数与评定方法。结合发动机设计准则与设计规范的要求,提出了2个用于评定叶片损伤能力的叶片变形损伤参数和塑性应变损伤参数;经对模型叶片在不同撞击位置进行的鸟撞击损伤评定,证明方法可行     

等极孔球形压力容器平面缠绕规律

基于空间解析几何理论及运动学分析方法,建立复合材料球形压力容器平面缠绕落纱点轨迹运动方程,推导出等极孔球形容器表面缠绕纤维落纱点空间位置、速度以及加速度的求解函数;通过对落纱点运动规律的分析,解出空间落纱点各方向运动速度的大小及其各方向夹角余弦值。最后利用Matlab软件对不同的丝嘴运动平面倾斜角的缠绕轨迹进行模拟,通过该计算方法模拟的轨迹结果与实际球形容器缠绕线型相符合,验证了该算法的有效性。     

钢球对肥皂靶的撞击试验

为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3．0mm 的钢球高速（0．96和1．88km/s）及超高速（3．52和4．98km/s）撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明：高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面：一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。     

调压铸造充填工艺参数的研究

采用正交设计和方差分析法，考察了浇注温度、铸型温度、加压速度和充型压力对调压铸造充型能力的影响；比较了重力铸造、差压铸造和调压铸造的充型能力．研究结果表明，在本实验条件下，影响调压铸造充型能力的因素主次按下述顺序排列：充型温度、加压速度、铸型温度和充型压力。调压铸造比重力铸造和差压铸造充型能力好，适合于生产航空机载电子设备中薄壁、复杂铝合金结构件．     

液固撞击的非线性耦合波动模型研究

推导了可用于研究液固撞击问题的非线性耦合波动模型 ,并将其应用于球形液滴与弹性固体平面撞击过程的数值分析。细致地研究了液固接触面及液体内无量纲压力分布 ,固体区域内等效应力的分布 ,固体弹性对撞击过程的影响 ,以及各个计算时层固体区域内最大等效应力所在点的位置。分析结果表明非线性波动模型可以较为准确地描述液固撞击过程 ,给出详细的液固撞击过程的各个物理参量 ;为液滴侵蚀固体表面问题的研究提供了可靠的基础。     

航空发动机风扇叶片的抗鸟撞设计

根据航空发动机结构特征和鸟撞后的风扇叶片损伤特征,提出风扇第一级转子叶片是发动机抗鸟撞关键零件,叶片前缘为抗鸟撞设计关键部位。建立一种风扇叶片鸟撞理论分析方法,研究撞击工况、结构参数与鸟撞过程、损伤模式、损伤程度的关系,提出前缘角度是抗鸟撞能力关键结构参数。当撞击工况确定后,前缘角度决定了撞击形式和叶片损伤模式,影响损伤程度。采用显示动力学仿真分析方法,设计了一种带前缘特征的模型,对前缘角度的影响规律进行了验证,并开展了实际风扇叶片改进设计,改进后的叶片被鸟撞击后变形减小最少33%,抗鸟撞击能力明显提升。     

胸腹部不同部位撞击伤特点及损伤机理

用摆锤式冲击台对１１３只家兔胸、腹不同部位进行了钝性撞击实验。撞击速度６．７～１０．５ｍ／ｓ,相对压缩量０．１８～０．５０。观测到侧胸撞击伤重于正胸撞击,侧胸撞击易引起升主动脉损伤和肋骨骨折,还易引起肝脏损伤。上腹撞击损伤重于侧腹撞击,上腹撞击易引起肝脏损伤。提出胸部撞击要着重于侧胸部防护,腹部撞击要着重于上腹部防护。提出用冲量ＭＩ和冲击功ＷＩ分别估计胸部和上腹部撞击损伤程度及其ＤＥ,５０值。     

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2．5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34．4MPa。研究发现：在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2．5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2．0～2．3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23＆#176;,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

NASA 二级轻气炮设备简介

随着人类航天活动日益频繁,地球轨道上空间碎片总数逐年增长。航天器表面空间碎片防护工作受到各航天大国的高度重视。航天器针对毫米级空间碎片主要采用被动防护方式。超高速撞击实验是防护方案设计工作的基础。NASA 在毫米级弹丸超高速撞击实验中采用的主要发射装置为二级轻气炮。本文对美国 NASA 和相关单位二级轻气炮设备及其未来发展趋势进行简要介绍,同时对我国相关单位超高速撞击实验设备进行分析,并对发展趋势进行讨论。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学(SPH)程序进行了超高速撞击数值模拟,研究了平均孔洞直径和孔隙率对填充泡沫铝结构防护性能的影响。结果表明平均孔洞直径对防护性能影响较大,总体而言平均孔洞直径越小则防护性能越好。孔隙率只在高速时才有较大影响,并且存在最优值。通过不同泡沫铝几何参数下碎片云特性的对比分析表明,使碎片云的法向动量越有效分散,结构的防护能力越强。     

铝球超高速撞击铝板反溅碎片云团辐射特性研究

通过超高速撞击试验,获得了铝球撞击铝板反溅粒子云团在250～340nm波段的辐射特征光谱。在该波段辨认出铝原子的六条特征谱线,并对其伴线进行了解耦。根据所测光谱数据,使用多谱线法测量出不同撞击条件下的超高速撞击反溅粒子云团的温度,发现超高速撞击反溅粒子云团温度随弹丸直径和撞击速度的增加而增加;相较弹丸直径,反溅粒子云团温度对撞击速度更加敏感;最后拟合出反溅粒子云团温度与撞击参数之间的经验公式。对每条谱线波峰和整个波段分别进行了积分,研究发现谱线波峰积分强度、整个波段积分强度均与弹丸动能呈线性关系,并获得了谱线波峰积分强度与撞击动能之间的斜率系数,该系数可以表征在超高速撞击条件下该峰值的辐射效率。最后结合所得超高速撞击反溅粒子云团温度经验公式推导出基态原子数与撞击参数之间的关系,在此基础上探讨了超高速撞击反溅粒子云团原子离化率、气化率与撞击参数的关系。     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度 v=4．6km／s时碎片云的四序列阴影照片。笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍。调试及试验结果表明：（1）该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;（2）该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示。     

双脉冲固体火箭发动机隔舱打开与破片运动过程模拟

相比传统固体火箭发动机,具有能量管理特性的双脉冲固体火箭发动机结构更为复杂,为了提高其工作可靠性,针对核心部件金属隔舱的破片运动过程开展了数值仿真与试验研究。首先基于LS-DYNA软件,分析中引入监测函数、逻辑开关函数和加载驱动函数,模拟燃气流对破片的连续作用力,计算得到了在不同时刻破片的空间分布规律、撞击点位置及发动机内部损伤情况,保证了破片运动过程的高保真还原。其次,为了验证仿真结果的准确性,进行了模拟二脉冲初始工况的热流试验,发现破片撞击位置及损伤程度的仿真结果与试验数据一致性较高,其中撞击位置的预示误差小于9%,试验结果充分验证了有限元模型的准确性。由此,建立了适用于双脉冲固体火箭发动机金属隔舱破片运动过程的分析模型,实现了破片撞击位置及损伤程度的高精度预示。     

航天器密封舱加筋壁板碎片撞击监测技术研究

航天器密封结构在轨长期运行期间会受到空间碎片撞击,使密封结构出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能被及时检测出来并采取相应措施,可能会带来灾难性的后果。对碎片撞击进行监测可以为航天员采用正确修复方案提供依据。本文利用基于超声导波的结构健康监测技术感知空间碎片对航天器密封结构的撞击。首先,在 Abaqus 有限元仿真软件中,用不同速度的钢球冲击模拟真实的冲击形式。具体分析了超声导波在该壁板结构中的传播特性。用小波变换的方法进行信号处理,据此提取了合适的冲击监测所需的信号频率。其次,设计了一种基于信号互相关分析的冲击成像算法确定撞击位置。比较了不同压电传感器网络定位准确度以及监测效率,选择了一种可靠的组网形式进行监测。最后针对航天器壁板,在实验室环境中验证了该算法的有效性。实验结果表明,该监测系统具有良好的准确性与可靠性。     

多序列激光阴影成像技术研究及应用

为获取超高速碰撞过程中弹丸的飞行姿态及碰撞所产生的碎片云特性,开展了多序列激光阴影成像技术研究。利用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大和补偿滤光等技术解决了单色光带来的衍射和干涉噪声以及碰撞瞬间强烈的自发光干扰问题,并先后在碰撞靶上建立了2序列、4序列和8序列激光阴影成像系统。该系统可以获得最小间隔1μs、曝光时间10ns、像素1000万的多个不同时刻的超高速瞬态变化过程图像,并在超高速碰撞靶试验中得到应用,获得了2～7km/s 撞击速度时碎片云的多序列阴影图像,该序列图像清晰地描述了碎片云的轮廓发展变化过程。该技术以低成本的方式实现了超高速摄影机的功能,满足目前碰撞试验粒子的飞行姿态及碎片云显示需要,并可以应用于其它超高速瞬态过程测量及流场结构显示。