兵器科学与技术

兵器科学与技术

线性黏弹性球面波的特征线分析

赖华伟，王占江，杨黎明，等

目的：在地震、物理勘探、工程防护、地下爆炸和工程爆破等实际问题中常常会遇到点爆炸或点冲击载荷，或者在球形腔壁受到爆炸载荷等情况，这时需要处理的是球面波传播问题。球面波的传播特性强烈地依赖于介质的材料本构关系，特别是在爆炸/冲击载荷条件下大多数材料的动态行为表现出显著的应变率效应。因此，除了对弹性波传播进行研究外，更要注重黏弹性波传播的研究，如聚合物、复合材料和高应变率加载下率相关的脆性介质的小断裂应变（如混凝土和岩石）等情形。本文拟用特征线法对线性黏弹性球面波传播问题做研究。方法：基于ZWT黏弹性本构方程建立线性黏弹性球面波的控制方程组，包含5个偏微分方程，给定初始-边界条件解5个未知量：质点速度波、径向应力波、环向应力波、径向应变波和环向应变波。采用特征线法，把5个偏微分方程的求解问题转化为解相应的常微分方程组，包括3个特征方程和5个沿相应特征线的特征方程相容关系。以有机玻璃PMMA为例，以“突加载荷+指数衰减载荷”形式的边界条件解得5个量的波剖面曲线。该形式的边界条件特征线数值模拟得到的质点速度波剖面与王占江等对PMMA中一系列球面波质点速度波形的实验测试结果在外观上十分接近。结果：1）特征线数值计算得到的不同球径处的质点速度波、径向应力波、环向应力波、径向应变波和环向应变波，随着黏弹性球面波的传播距离增加，波剖面的峰值显著地衰减。另一个值得关注的则是：即使在压缩边界条件下，环向应力波在经历短暂的压缩状态后，转变为愈来愈大的拉伸应力；而环向应变波从一开始就进入拉伸状态，并且随时间直线般增大。环向拉伸应力、应变的大小是失效分析的关键，特别是对于脆性材料，一旦最大环向拉伸应力或应变值超过材料的临界拉伸强度，失效将发生。这也是球面波尽管在压缩边界条件下仍然会发生拉伸破坏的主要原因。线性黏弹性与线弹性本构模型比较分析显示：本构黏性对球面波的衰减和弥散效应尤为显著，尽管他对质点速度波、径向应变波和环向应变波影响相对较小。2）给出了新的强间断线性黏弹性球面波衰减特性的解析表达式，式子描述了强间断线性黏弹性球面波的径向应力衰减规律，其中既有第1项几何扩散效应，也有第2项本构黏性效应影响。其衰减是几何扩散和本构黏性两种效应共同作用的结果。结论：1）本文基于ZWT黏弹性本构方程，克服高应变率荷载下的线性粘弹性球面波研究的困难，建立了线性黏弹性球面波的控制方程组。2）采用特征线法，把线性黏弹性球面波控制方程组的5个偏微分方程求解转化为解沿3族特征线的5个常微分方程。3）特征线数值分析显示，线性黏弹性球面波中黏性对衰减和弥散影响不可忽略，其程度强于线弹性球面波。虽然加载边界条件是压缩的情形，球面波扩散引起的环向拉应力和环向拉应变是导致介质拉伸破坏的主因。4）导出了强间断线性黏弹性球面波衰减特性的解析表达式，它是几何扩散效应和本构黏性效应两者共同作用的结果。5）本构黏性特性和边界条件中卸载特性明显影响黏弹性球面波的传播图像，工程应用中应重视。

来源出版物：爆炸与冲击, 2013, 33(1): 42745

入选年份：2014

高反应活性纳米含能材料的研究进展

安亭，赵凤起，肖立柏

摘要：目的：纳米含能材料（nEMs）是指粒径处于1～100 nm的含能材料，既可以是单质含能材料纳米晶体，也可以是纳米级的含能复合物，一般是由金属/金属氧化物和（或）无机/有机含能材料组分的纳米颗粒及基体组成。与普通尺寸的含能材料相比，纳米含能材料具有诸多潜在的性能优势，如改善能量释放、点火、燃烧（能量转化）效率、感度性能和力学性能等。因此，纳米含能材料代表了含能材料研究与发展的新领域。nEMs的研究是一个非常年轻的领域，但目前正处于快速发展的时期。本文是为了让读者对纳米含能材料的物理化学特性及其潜在的性能优势有所了解，详细叙述了纳米含能材料不同的合成方法和表征手段，简要地介绍了纳米含能材料的应用研究。最后，讨论了纳米含能材料潜在的研究方向和研究重点，为未来的研究提出了一些建议。方法：本文通过对这一新兴领域国内外最新发展的调研分析，综述了高反应活性纳米含能材料的最新研究进展，分别介绍了高反应活性单分子纳米含能材料和高反应活性纳米复合含能材料，特别是对超级铝热剂，即亚稳态分子间复合材料（MIC）进行评述。分析了高反应活性纳米含能材料制备、表征以及应用研究中存在的问题，指出了高反应活性纳米含能材料未来的研究方向及重点，并对其潜在的应用领域及优越性进行了展望。结果：高反应活性的纳米含能材料所追求的目标主要是高性能，从而确保武器弹药具有更高的打击精度、更高的毁伤效果和更高的使用安全性。从理论上看，含能材料纳米化或纳米尺度上组装含能材料，在改善其包括感度、安全性、能量释放速率及力学在内的一系列性能方面具有很好的前景。综上所述，过去的10多年中，研究者对nEMs做了大量研究，在制备和表征等方面取得了一定的成果。综观近些年nEMs相关的研究及所存在的问题，笔者认为这一领域今后的研究重点是：1）加强基础理论研究，深入地研究纳米含能材料的结构性质和其生成生长的机理，寻求组分与构效的关系、不断优化基础和感度数据的获得方法；2）开展各类nEMs的制备研究，重点是新型nEMs制备的新工艺研究；3）攻关并突破粒子控制、干燥、防团聚问题及其分散等重点核心技术，加紧纳米含能材料配方的研究，因为这对于提高武器弹药性能以及安全可靠性非常重要；4）加强nEMs的长贮安定性、老化行为、与含能材料各组分间相容性和安定性等综合性能的研究；5）深入研究nEMs能量释放过程的反应机理，揭示其与含能材料组分相互作用的本质，开展其在含能材料中的应用研究。结论：对高反应活性纳米含能材料的研究在国防科技体系中具有重要的战略地位，可以预见其在未来高性能武器装备系统中的应用是国防科技的重要部分。同时，发展纳米含能材料科技是未来高科技战争之必需，只有通过不断地开发新型的纳米含能材料，才能最大限度地推动纳米含能材料科技的进一步发展，而科技的发展反过来又会指导引领纳米含能材料的拓新。

来源出版物：火炸药学报, 2010, 33(3): 55-62，67

入选年份：2014

地磁信号检测系统误差分析与补偿方法研究

黄学功，王炅

摘要：地磁场是一个矢量场，是地球系统的基本物理场，具有全天时、全天候、全地域的特点。高精度、高分辨率地磁信号检测是地磁匹配导航的基础。然而，地磁信号检测系统常受许多因素的影响，主要包括：三轴磁传感器零点漂移引起的误差、标定因数不一致引起的误差、三轴磁传感器相互不正交引起的安装误差、三轴磁传感器周围软磁干扰以及硬磁干扰误差、信号处理电路本身的误差等。传统的干扰磁场抑制和补偿方法受各种条件的限制，有的只能校准硬磁和软磁干扰。很多方法只能在平面内对二维磁传感器进行校准，且校准方法极其复杂。对于载体硬磁材料和软磁材料产生的环境干扰磁场，分别为硬磁干扰和软磁干扰。载体上的硬磁材料产生的磁场是大小和方向恒定不变的矢量，在传感器周围可能会有许多硬磁材料，它们产生的磁场大小和方向各不相同，但由于这些硬磁材料和传感器都是固联在载体上的，所以，不论载体姿态怎样变化，硬磁材料所产生的合成磁场在磁传感器三轴的投影分量是不变的，即硬磁干扰所产生的误差是一个常值误差；软磁材料本身不产生磁场，但它被环境磁场磁化后将影响其周围磁场，影响的大小和方向与环境磁场和软磁材料属性有关。综合考虑磁传感器本身误差以及外部环境干扰磁场产生的误差，地磁场真实值B与磁传感器测量值Fm之间的关系可表示为Fm=CB+O+n，式中C=Cs+Cδ+Cβ，矩阵Cs代表三轴磁传感器标度因数不一致引起的误差，转换矩阵Cδ表示正交磁坐标系与测量坐标系不一致引起的误差以及测量坐标系与载体坐标系不一致引起的误差，矩阵Cβ表示软磁材料引起的误差；矩阵O代表三轴磁传感器的零偏和硬磁偏差；矩阵n表示采样或传感器噪声误差，可以采用软件平均算法滤波，噪声影响可以忽略不计。则B=C-1Fm-C-1O=G（Fm-O），式中G=C-1，即实现磁传感器含误差的不准确的输出转换为真正地磁场的输出。BTB=[G（Fm-O）]T[G（Fm-O）]=（Fm）TГFm-2OTГFm+OTГO，该方程是一个椭球方程，这表明测量值被限制在一个椭球轨迹上。在任意空间转动地磁信号监测系统，得出N组地磁测量数据，应用最小二乘估计法，可以估计出9个三轴磁传感器的误差修正参数。为验证椭球拟合校准方法的有效性，选较空旷地域，首先应用高精度三轴磁通门磁测系统测量某点的磁场强度作为该点真实的磁场强度。固定地磁信号检测系统在小型手动三轴无磁转台上，使磁测系统在三维空间任意旋转，实时记录磁测系统输出。试验时，分别在磁测系统前、后、左、右人为加上干扰磁场。通过实验比较，校准前误差达8%，校准后误差最大0.8%。实验结果表明，该方法能有效抑制与补偿地磁信号检测误差，包括三轴磁传感器零点漂移引起的误差、标度因数不一致引起的误差、三轴磁传感器相互不正交引起的安装误差、三轴磁传感器周围软磁干扰以及硬磁干扰误差等。椭球拟合校准算法在三维空间上对空间磁测数据进行校准，算法适应性强。

来源出版物：兵工学报, 2011, 32(1): 33-36

入选年份：2014

定向战斗部水下爆炸相似性研究

荣吉利，何轩，项大林，等

摘要：考核舰船在水下爆炸冲击波载荷作用下动响应最有效的方法是进行实船爆炸实验，但由于实验费用较高，因此无法对每艘舰船都进行水下爆炸实验以考核其在冲击波载荷作用下结构的动态响应特性，研究水下爆炸相似性问题可以指导并减少水下爆炸实验的工作量。对于定向战斗部，采用8分圆相邻三线起爆是一种切实可行的、也能获得较大的定向能量增益以及较大的定向能量增益区域的相对较优的定向起爆方案，因此本文针对8分圆相邻三线起爆方式来进行建模分析。首先通过量纲分析的方法对圆柱形炸药进行相似性分析，研究并获得了不同缩比模型与原模型之间爆炸威力场的关系。对于采用相同种类的炸药在水中做小模型实验，假设炸药量Q的缩比比例为Qm=Qp=β3，则只要满足缩比后的长径比k不变，铝壳厚度变为hAl,m=βhAl,p，缩比后爆距Rm=βRp、轴向角度αm=αp、径向角度Rm=Rp处的峰值压力与原型中爆距为Rp、轴向角度为αp、径向角度为Rp处的峰值压力一样。之后使用AUTODYN有限元软件进行仿真计算。水介质使用shock状态方程来描述；炸药使用PBXW-115炸药，用JWL-Miller能量释放模型描述。仿真计算过程中，水域采用3DEuler多物质算法，分别建立缩比比例值为1/2、1/3、1/4、1/5的模型来进行分析。取主要的增益方向与轴向方向来进行分析验证量纲分析所得的相似性规律，提取两个方向上的冲击波峰值压力，可知对于不同缩比比例的各缩比模型，其与原型的偏差基本不超过4.5%，属于网格划分等因素造成的误差，表明在对应位置上各缩比模型与原模型的峰值压力基本一致，证明了量纲分析结果的正确性。另外，缩比比例值越小，冲击波峰值压力在单位尺度上的变化率越高，这将对实验测试造成困难，降低实验精度，因此在实验中选用缩比模型时需要综合各方面因素来考虑。结果：表明，AUTODYN仿真结果与量纲分析的结果一致，即当缩比比例值为β时，在β3倍装药量的情况下，在β倍爆距处所产生的峰值压力与原模型一致，因此，可以使用不同缩比比例的模型来代替原型进行实验。由于定向战斗部其他起爆方式的相似性与8分圆相邻三线起爆方式类似，因此该相似理论所揭示的规律同样适用于定向战斗部其他的起爆方式。在实际应用过程中，由于缩比模型与原模型峰值压力的一致性，理论上讲任何缩比比例下都可以模拟原模型的效果，因此缩比比例值越小越节省费用；但实际上，缩比比例值越小，冲击波峰值压力在单位尺度上的变化率越高，这将对实验测试造成困难，降低实验精度，而且如果铝壳厚度太薄，一方面不利于加工制造，另一方面可能会使铝壳的强度等参数发生变化，因此在实际缩比实验中应当合理选择缩比比例。该研究为使用缩比模型进行水下爆炸的实验提供了理论依据。

来源出版物：兵工学报, 2014, 35(9): 1329-1334

入选年份：2014

轻质碳材料及其复合物在固体推进剂中的应用研究进展

裴江峰，赵凤起，宋秀铎，等

摘要：目的：近年来，具有孔隙结构特征的轻质碳材料因其较强的吸附能力、优良的化学稳定性、较高的力学强度等特点，广泛应用于工业、农业、国防、环境保护等领域。在固体火箭推进剂中的应用方面，国内外科研工作者也开展了大量研究。为了使轻质碳材料及其复合物在推进剂中得到更好的应用，本文对其在推进剂中的应用研究进展进行综述。方法：本文从轻质碳材料及其复合物对固体推进剂组分的催化作用、对推进剂燃烧性能的调节作用等方面对碳材料在推进剂中的应用研究进展进行了综述。分析总结不同轻质碳材料对推进剂组分热分解的不同催化效果及对推进剂燃烧性能的调节作用，同时介绍活性炭纤维、石墨等在推进剂制造、废旧推进剂处理等方面应用的研究，指出今后轻质碳材料在固体火箭推进剂中应用的重点研究方向。结果：通过文献总结可以看出，轻质碳材料及其复合物在固体火箭推进剂中的应用主要集中在以下几个方面：1）对推进剂含能组分的催化作用。利用轻质碳材料比表面积大、利于电子转移、促进化学反应的特性，加速含能材料热分解反应发生。尤其是具有多层（管、孔）结构的石墨烯、碳纳米管等碳材料催化效果更加明显，将其加入推进剂中常用的含能材料，如高氯酸铵（AP）、黑索今（RDX）等，可使含能组分的热分解峰温明显提前、放热量增大、活化能降低。2）对固体推进剂燃烧性能调节作用。轻质碳材料本身为可燃物，可直接作为燃烧催化剂调节推进剂的燃烧特性。此外，还可利用其多孔的特性作为载体负载其他纳米金属化合物，形成复合燃烧催化剂用于调节推进剂燃烧性能，尤其是使用碳纳米管或石墨烯负载催化剂后，推进剂燃速显著提高，并且出现平台燃烧的性能。这是由于一方面轻质碳材料本身促进了化学反应进行，另一方面将纳米催化剂负载到碳材料的孔状或层状结构中后，不仅可以防止纳米催化剂粒子互相团聚，解决分散问题，而且在推进剂燃烧时增加催化活性点，提高催化效果。3）在推进剂其他方面的应用。利用石墨烯、碳纳米管等轻质碳材料的空腔结构，将感度较高的含能材料分散于其中，可降低推进剂感度。利用膨胀石墨等材料热稳定性好，导热性优良的特点，制造绝热层用于推进剂燃烧时的热防护。还可利用活性炭、活性碳纤维等强吸附能力，用于推进剂回收、提高寿命等方面。结论：轻质碳材料及其复合物作为燃烧催化剂应用于固体火箭推进剂的燃烧性能调节是目前研究的热点，也是未来发展高性能推进剂的有效途径之一，但仍有问题有待解决，今后的研究重点为：1）开展碳纳米管、石墨烯等碳材料低成本制造技术研究；2）开展复合技术的优化研究或开发新技术，以提高复合物性能稳定性，降低批次差异，且附载物含量可控；3）拓展新的碳材料及其复合物在推进剂中的应用研究。

来源出版物：火炸药学报, 2014, 36(2): 42741

入选年份：2014

点火延迟时间对铝粉爆炸特性参数的影响

谭汝媚，张奇，张博

摘要：粉尘浓度和湍流速度对粉尘爆炸强度以及粉尘爆炸特性参数的测试有很大影响。通常对于给定的扬尘装置，点火延迟时间常被用来定性地表征点火时刻所对应的扬尘湍流残存强度。因此装置点火延迟时间的确定直接关系到实验结果的准确性和实验数据的适用性。而目前在装置点火延迟时间的设置上标准不一，而且也没考虑粉尘浓度的影响。本文在5 L圆柱形爆炸装置中进行系列粉尘爆炸实验，研究装置点火延迟时间对不同浓度粉尘爆炸压力和压力上升速率的影响。选用粉尘爆炸中最为严重的铝粉作为实验介质。点火系统采用高压电极放电，由点火电极和火花发生器组成，点火能量为22.68 J。通过基于PLC的控制系统控制电磁阀的开启、喷粉以及点火延迟时间。吹粉压力0.6 MPa，电磁阀开启时间10 ms。在铝粉的爆炸浓度范围内选取5组进行实验，分别为200、262、310、500、1000 g/m3，通过改变点火延迟时间来测定铝粉爆炸的最大爆炸压力。最大爆炸压力曲线由压力传感器和数据采集系统直接获得，进而根据压力曲线得出相应的最大爆炸压力上升速率。从实验结果来看，可以得出如下规律：1）在铝粉爆炸过程中存在一个最佳点火延迟时间，使得最大爆炸压力达到最大。当铝粉浓度为200 g·m-3、262 g·m-3、310 g·m-3、500 g·m-3、1000 g·m-3时，最佳点火延迟时间分别为20 ms、30 ms、60 ms、60 ms、60 ms。2）在500 g·m-3浓度以下，铝粉在其最佳点火延迟时间下得到的最大爆炸压力和最大压力上升速率明显高于固定点火延迟时间为60 ms时得到的值。3）铝粉爆炸参数的变化规律是：最大爆炸压力Pmax起初随着粉尘浓度的增加有较明显的上升，当粉尘浓度高于500 g·m-3以后，Pmax逐渐趋于最大值，并在一定范围内相对稳定；最大压力上升速率（dp/dt）max则随着粉尘浓度的增加而增加。装置点火延迟时间对粉尘最大爆炸压力和最大压力上升速率有着显著的影响。显然装置内粉尘云的分布状态，不完全由脉冲气流的气相湍流度决定，还与粉尘的浓度有关，浓度决定着粉尘的分散与沉降，是一个气固两相共同作用的过程，不能仅凭气相湍流度或单一的粉尘浓度来设置固定的装置点火延迟时间。如果忽略了这种影响，则必然导致测得的粉尘最大爆炸压力偏小，这不利于粉尘爆炸的风险分析，也不利于防护装置的设计，因此从安全角度考虑，对于不同浓度的粉尘不应采用统一的点火延迟时间，而应找出各自的最佳点。

来源出版物：爆炸与冲击, 2014, 34(1): 17-22

入选年份：2014

聚乙烯在固体燃料冲压发动机中的燃速影响因素研究

陈雄，成红刚，周长省，等

摘要：本文以某大口径冲压增程炮弹用固体燃料冲压发动机研制为背景，采用数值仿真和直连式实验相结合的方法，以聚乙烯（简称PE）为燃料，对固体燃料冲压发动机中聚乙烯的燃速影响因素进行了研究。研究中考虑了空气质量通量和固体燃料内径两个因素对固体燃料燃速的影响，并根据当地燃速的实验和仿真结果分析了无量纲回流区长度与突扩台阶高度之间的关系，研究结果为SFRJ燃烧室的设计提供了理论依据和技术支持。本文数值仿真以Fluent为计算平台，通过UDF编程计算固体燃料燃面退移速率，采用二阶迎风格式对各积分方程进行离散，湍流模型采用RSM模型，并与非平衡壁面函数法配合使用，湍流燃烧模型选用涡耗散模型。对PE燃料固体燃料冲压发动机的燃烧特性进行了30次直连式实验，发动机工作时间为25 s，模拟工况为海平面马赫数为2.0，来流总压为0.78 MPa，总温为540 K。在每次试验结束后利用两坐标测量尺对固体燃料内径沿轴向的变化规律进行逐点测量，并通过数据处理进而得到当地燃面退移速率。数值仿真与实验结果显示：1）在Ti=540 K，3.8＜Ga＜7.6 g·s-1·cm-2工况下，PE燃料平均燃速与空气质量通量呈幂函数递增关系，数值仿真结果为 r˙∝G0a.52，实验结果为r˙∝G0a.50，变化规律一致，实验所得平均燃速大于仿真结果，最大误差为8.5%，并且PE聚乙烯平均燃速随着空气质量通量的增大而增大。原因为，随着空气质量通量的增大，药柱通道内氧气含量增加，燃烧更加充分，燃烧室温度升高，火焰面与固体燃料表面之间的换热作用增强，固体燃料表面温度升高，因而燃面退移速率增大。2）PE燃料平均燃速与固体燃料内径呈幂函数递减关系，数值仿真结果为实验结果为变化规律一致，实验所得燃速均大于仿真结果，最大误差为7.8%。随着固体燃料内径增大，聚乙烯平均燃速逐渐减小。这是因为，一方面，根据前述仿真结果可见，随着燃料内径的增大，突扩台阶高度增大，回流区增长，火焰面与燃料表面之间的距离增大，降低了火焰面对燃料表面的传热；另一方面，在来流空气质量流率一定的情况下，固体燃料内径增大，燃气通道横截面积增大，引起燃气流速和空气质量通量降低，从而导致燃速减小。3）仿真与实验所得当地燃速沿轴向的变化规律一致。在回流区内，当地燃速逐渐增大；再附着点处，当地燃速达到最大值；再附着点之后，当地燃速逐渐减小。4）无量纲回流区长度与突扩台阶高度呈线性递增函数关系，两者的关系数值仿真结果为Lr/dp=0.51+4.29h/dp，实验结果为Lr/dp=0.08+5.75h/dp，研究结果与国外研究者所得规律性一致。

来源出版物：兵工学报, 2014, 35(11): 1783-1789

入选年份：2014

钝感高能含能离子盐的研究进展

梁丽轩，周智明

摘要：目的：随着离子液体的兴起，含能离子盐的概念被引入单质炸药的设计中。不同于传统的含能材料，含能离子盐作为一类独特的高能材料在近十年里得到了广泛的关注。将不同的阴阳离子进行有机结合，能有效地解决含能材料在多方面性能调节的排斥性，包括能量与感度的矛盾性。在过去几年中，美国、德国和俄罗斯的研究者从分子水平设计出了很多含能离子盐，通过阴阳离子组合匹配，得到最佳物理化学和爆轰性能，这些工作为进一步发现钝感高能炸药提供了途径。国内对含能离子盐的研究还较少，需要大力开拓这一研究方向。方法：撞击感度是炸药的一种重要属性，是衡量炸药安全性的重要指标之一，可由落锤法测定。爆速和爆压是衡量炸药爆炸性能的重要示性数，可使用Kamlet公式、氮当量法或EXPLO5（5.05版本）软件包方法计算。通过筛选近年来撞击感度和爆速爆压性能较佳的含能离子盐，综述了四唑类、三唑类、咪唑和吡唑类、嗪类和硝基苯类以及非芳香类钝感高能离子盐的结构与性能（熔点、热分解温度、密度、生成焓、撞击感度、爆压和爆速）。重点讨论了能量与感度优于RDX的钝感高能离子盐的结构与性能。结果：已报道的绝大多数含能离子盐的撞击感度大于40 J，其中6个盐的爆速超过9000 m/s，许多盐的分解点高于200℃。综合性能好的四唑盐：5-硝胺四唑-3,4,5-三氨基-1,2,4-三唑盐4，爆速D=9048 m/s，分解温度Td=231℃，撞击感度IS＞40 J。双四唑盐12a：Td=269℃，D=8936 m/s（ρ=1.66 g/cm3），IS＞40J，密度下降导致这种盐的能量降低。三唑类离子盐18e：Td=222℃，D=9399 m/s（ρ=1.95 g/cm3），IS＞38 J，其较高的爆速得益于密度的贡献。由于咪唑盐焓值低，能量普遍不高，综合性能相对较好的为盐23：Td=328℃，D=8050 m/s（ρ=1.8 g/cm3），△fH=-114.5 kJ/mol。嗪类和硝基苯类盐氧平衡不理想，能量偏低。非芳香族类盐热稳定性普遍不理想，主要原因是阴离子中的负电荷不能得到有效分散。令人惊奇的是，Klapötke报道的离子盐33，爆速D=9698 m/s，撞击感度20 J，分解温度221℃，综合性能优异，极具开发价值。结论：1）已报道的大多数含能离子盐的感度很低，标准生成焓高，但密度一般低于1.80 g/cm3；2）这些离子盐的合成仅在实验室小量制备阶段，爆轰性能均通过计算得到，并未实际测定。虽然有些合成过程简单，但鲜有放大工艺的报道。3）加强结构与性能关系的研究，设计新型阴离子骨架结构，以进一步提高离子盐的密度。4）对综合性能优异的高能钝感离子盐，开发其在火炸药中实际应用的潜力。

来源出版物：火炸药学报, 2014, 37(1): 42746

入选年份：2014

BAMO/AMMO三嵌段共聚物的合成、表征及热分解动力学

张弛，罗运军，李晓萌

摘要：目的：随着航天和导弹武器的发展，要求固体火箭推进剂具有高能、钝感、低特征信号及低污染的性能。叠氮类聚合物由于具有放热量大、分解时无需耗氧、感度低等优势，得到了广泛关注。含能热塑性弹性体（ETPE）由软段和硬段所组成，硬段之间聚集形成物理交联点，与软段存在相分离，具有优异的力学性能；而加工时硬段物理交联作用消失，具有可再回收利用的优势。基于此，本文制备并表征了3,3'-双叠氮甲基环氧丁烷/3-叠氮甲基-3'-甲基环氧丁烷（BAMO/AMMO）三嵌段含能热塑性弹性体。方法：以1,4-丁二醇为起始剂，三氟化硼·乙醚为催化剂，利用阳离子开环聚合反应合成了不同分子量的BAMO/AMMO三嵌段共聚物，并进行了红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（1HNMR）、凝胶渗透色谱（GPC）、差示扫描量热（DSC）、热失重（TG）表征。根据不同升温速率下的TG曲线，采用Vyazovkin无模型法进行了热分解动力学计算，得到了活化能随热分解转化率的关系曲线。结果：1HNMR谱图中没有出现因序列结构的差异所产生的质子峰的裂分，证明所得产物为嵌段共聚物。根据特征氢原子的峰面积积分比计算得到共聚物中结构单元之比为：BAMO∶AMMO=1.005∶1，与单体投料比相一致。GPC结果表明通过阳离子开环聚合得到的三嵌段共聚物分子量可控，分子量分布较窄（PDI＜1.5）。DSC曲线测定的三嵌段共聚物玻璃化转变温度为-38.93℃，BAMO链段的结晶熔融峰位于82℃，表明BAMO链段与AMMO链段存在相分离，具有热塑性弹性体的性质。热分解反应动力学计算表明当热分解转化率小于35%时，活化能基本为150 kJ/mol，为叠氮基团的分解阶段。之后，高分子聚醚主链分解，活化能基本位于250 kJ/mol。在叠氮基团逐渐分解完全至高分子主链开始分解的过程中活化能存在波动，这是由于叠氮基团分解之后，不稳定的氮宾转化成为亚胺。亚胺进一步通过分子内环化与分子间交联的竞争反应形成三维网络。三嵌段共聚物250℃分解残渣的红外谱图表明残渣存在交联结构。结论：1）以1,4-丁二醇为起始剂，三氟化硼·乙醚为催化剂，通过阳离子开环聚合方法合成了BAMO/AMMO三嵌段共聚物：2）合成的三嵌段共聚物分子量可控，分子量分布较窄；3）BAMO/AMMO三嵌段共聚物的玻璃化转变温度为-38.93℃；4）软段与硬段间存在相分离，三嵌段共聚物具有热塑性弹性体的性质；5）叠氮基团的分解活化能约为150 kJ/mol；6）三嵌段共聚物在叠氮基团分解之后具有网络结构。

来源出版物：火炸药学报, 2010, 33(6): 43054

入选年份：2015

自适应反演滑模控制在火箭炮交流伺服系统中的应用

郭亚军，王晓锋，马大为，等

摘要：目的：防空多管火箭炮在不同的带弹量下，其转动惯量及不平衡力矩大范围变化，且发射时负载阻力矩、不同弹种共架发射的负载变化更为突出，使得系统存在严重的非线性。传统的火箭炮位置控制没有考虑模型中的非线性特性和参数不确定性，难以保证控制品质及适应大负载、大转动惯量及强干扰的场合。为了使系统具有更好的控制特性，针对某火箭炮俯仰运动的位置控制问题，提出了一种自适应反演滑模控制方法。方法：位置伺服系统的执行元件由永磁同步伺服电动机（PMSM）构成，系统速度环和位置环控制采用数字控制。其工作原理是：全炮控制台根据火炮位置给定值与当前实际的位置，计算出误差，并以该误差作为自适应反演滑模控制算法的输入，由该算法得出实际控制量，最终通过D/A转换器传送到伺服放大器中，由电路放大后，通过俯仰和方位驱动器控制交流伺服电动机，从而经过减速器及回转机构改变火箭炮的方位与仰角。其中位置控制器利用Lyapunov函数递推反演滑模控制，采用自适应算法预估不确定上限。首先根据基于电流解耦控制的永磁同步电动机线性化数学模型建立建立火箭炮位置伺服系统的状态空间方程。然后先定义位置跟踪误差取并取虚拟控制量α1=c1e1，利用Lyapunov函数求导获得其倒数与位置误差、虚拟控制量及速度误差之间的方程式。再次利用Lyapunov函数倒数与定义的切换函数求得自适应反演滑模控制器，并获得自适应率函数关系式F=γs。一般控制对象的不确定因素的上界值很难预知，为了避免采用F的上界问题，最后采用自适应算法预估F值。结果：理论上通过分析Lyapunov函数得到系统稳定性的条件，并通过取h，c1和k1的值来保证Q为正定矩阵，根据李亚普诺夫稳定性原理，可得系统式（5）的输出渐进跟踪指令θref。最后通过设计的PID控制器和自适应反演滑模控制器进行仿真对比，结果表明，在0.5 s负载突加15 N·m的干扰力矩，经典控制对系统扰动抵抗能力较差，稳定时出现了静态误差，自适应反演滑模控制器响应较快，没有超调和静态误差。当系统转动惯量变化2倍时，经典控制产生了较大超调，响应变慢，超调时间较长。自适应反演滑模控制器响应仍然较快，无明显超调。当给定俯仰正弦跟踪等效正弦输入信号为5 sin（0.7136 t），对比空载跟踪误差曲线时，经典控制跟踪误差较大，自适应反演滑模控制器跟踪特性较好，误差较小。结论：将自适应反演滑模控制应用于火箭炮位置伺服系统俯仰控制，通过建立基于MATLAB/Simulink的数学模型进行了几种工况的仿真分析。仿真结果表明，此控制算法有效的消除了系统静差，对系统参数的摄动及负载干扰具有较强的鲁棒性，并且获得了较好的跟踪效果，稳定性的理论分析及仿真研究都证明了该控制器的有效性。

来源出版物：兵工学报, 2011, 32(4): 493-497

入选年份：2015

高耸筒形结构爆破拆除的数值模拟

谢春明，杨军，薛里

摘要：目的：高耸筒形建筑物一般处于建筑群或人口稠密区，周围环境极其复杂，空间非常有限，控制爆破拆除是拆除此类建筑物的主要手段。双曲线冷却塔作为典型的高耸筒形建筑物，具有形状特殊、结构复杂（如底部坐地面积大、重心低、结构稳定）等特点，采用定向倒塌爆破拆除具有一定难度。本文尝试采用共节点分离式钢筋混凝土模型，对典型的高耸圆筒形结构冷却塔爆破拆除进行数值模拟。方法：模拟采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，在ANSYS环境下建立有限元模型，运用大型显示动力分析软件LS-DYNA进行求解（使用中心差分时间积分）。考虑到结构的对称性，沿塔体底

面直径取一半结构建模并施加对称约束进行计算。模拟采用共节点分离式模型，充分体现钢筋在结构倒塌过程中的拉应力作用。混凝土与钢筋均采用弹塑性材料，混凝土采用SOLID164单元，钢筋采用BEAM161单元。混凝土采用拉应力失效准则，钢筋由应变控制材料失效。通过比较分析塔体缺口中间有切缝与无切缝设计2种方案（方案1有切缝），对典型高耸筒形结构冷却塔爆破拆除过程进行了三维数值模拟。结果：方案1的模拟结果显示，当t=0.3 s时，随着爆破切口的形成，塔体在自重作用下重心开始偏移并开始旋转。当t≈2.7 s时，冷却塔触地，并以触地部位为支点进行偏转，触地部位单元受压失效，塔体后部严重扭曲变形。当t≈4.5 s时，塔身受压变形有裂缝产生，塔口呈椭圆形，当t=9.3 s时，结构完全倒塌。方案2的过程类似，但整体倒塌时间为9.6 s。由此可见，缺口中间进行切缝爆破设计有利于缩短整体倒塌时间。另外共节点分离模型能够真实地反应混凝土和钢筋材料的力学性能，可以对结构进行更精确的分析。切缝的设计促进了塔体结构进一步前倾倒塌，使塔身解体比较完全。且方案1中，结构定点水平位移曲线的斜率在倒塌过程中保持稳定，表明结构倒塌过程中没有产生下坐和后坐现象。最后从爆堆范围来看，方案1的模拟结果与实际结果较为一致，而且方案1爆堆范围比方案2小。结论：当采取切缝设计时，塔体后部扭曲变形严重，能够确保倒塌和较好的破碎效果。缺口中间采用切缝爆破设计有利于整体倒塌时间的减小。切缝的设计促进了塔体结构进一步前倾和倒塌，减小了结构倒塌过程中的下坐与后坐倾向，使得塔身解体比较完全。爆堆范围与实际工程较为接近，采用有切缝设计的模拟的爆堆长度与宽度相对较小。通过对结构倒塌过程的模拟，可以在爆破前对倒塌过程、效果进行预测，从而指导爆破设计、施工和安全防护。数值模拟将成为研究结构爆破拆除力学过程的重要手段并辅助指导结构爆破拆除设计。

来源出版物：爆炸与冲击, 2012, 32(1): 73-78

入选年份：2015

可调复合增压柴油机高原功率恢复方案研究

韩恺，朱振夏，张付军，等

摘要：我国地域辽阔，海拔高度在3000 m以上的高原地区占全国总面积的26%，高原气候具有大气压力低、空气密度小、气温低和昼夜温差大等典型特点。随着海拔升高，空气密度下降，柴油机进气量减少，在平原能正常使用的柴油机到高原地区常出现油耗升高、功率下降、排温过高、增压器超速、等“水土不服”的问题。涡轮增压技术能够在一定程度上解决上述问题，恢复柴油机高原动力性。但是，在高原条件下也存在着低速易喘振、高速易超速等问题。因此，大部分柴油机的高原功率恢复方案都通过研究增压系统来提高柴油机的高原适应性。本文首先讨论了两级增压、相继增压和复合增压等高原增压技术方案，在此基础上提出了可调复合增压方案（CASP）。可调复合增压系统由两级压气机和一级涡轮组成。第一级压气机为可调增压器，其转速可通过电控系统调节；第二级为涡轮增压系统。在柴油机低速工况时，旁通阀关闭，两级压气机串联工作；发动机中高速工况时，旁通阀打开，并控制可调增压器停止运转，只有涡轮增压系统工作。该系统的特点是可调增压器的转速不再受发动机转速约束，能够随海拔和发动机工况变化做出相应调整，实现两级压气机压比的合理分配，拓宽增压系统的工作范围，改善发动机低速扭矩特性和加速响应性。为了进一步研究可调复合增压系统的匹配，本文以某V型8缸增压柴油机为原型建立了性能仿真模型，并对模型精度进行了验证。在此基础上通过匹配合适的增压器建立了可调复合增压系统柴油机仿真模型。并设计了减油和废气放气两种高原策略。策略一：发动机中低速时，减少发动机循环供油量，保证空燃比与平原相当，避免低速时压气机喘振；发动机高速时，通过控制供油量来防止涡轮超速。策略二：保证发动机的循环供油量与平原一致，增压压力过高时，采用废气放气的办法来调节增压压力。然后，在海拔3000 m海拔条件下对比分析了两种高原策略与复合增压方案的柴油机的高原性能。仿真结果表明：可调复合增压方案的高原功率恢复能力明显好于策略一。其标定点功率恢复至平原的89.7%，虽然低于策略二的95.4%，但是复合增压方案的经济性在低速段与平原水平接近，高速段的油耗上升3%左右，而策略二的经济性恶化比较严重，尤其在低速段油耗比平原上升10%～12%。而且，复合增压方案发动机最大扭矩点转速由原机的1800 r/min降低到1600 r/min，最大扭矩相比平原下降3.7%，扭矩适应性系数由1.21提高为1.56。因此，可调复合增压方案不仅能够有效解决柴油机在高原环境下遇到的压气机喘振、超速的问题，还可以明显地改善柴油机低速特性，提升发动机的高原功率恢复能力。

来源出版物：兵工学报, 2013, 34(2): 129-136

入选年份：2015

基于盖帽模型的混凝土动态球型空腔膨胀模型和侵彻阻力分析

刘志林，孙巍巍，王晓鸣，等

摘要：为了获得弹丸高速侵彻混凝土介质的阻力方程，提高弹丸高速侵彻混凝土介质研究中侵彻深度经验公式的计算精度，提出了一种基于混凝土盖帽本构模型的球形动态空腔膨胀理论模型以及其数值计算方法。本文采用一般形式的材料状态方程和屈服准则描述素混凝土介质材料的动态力学特性，利用球形空腔膨胀过程的自相似性，通过采用相似变换方法，获得了通用混凝土球形空腔膨胀理论模型的动态响应表达式。通过引入Capped-Dracker-Prager混凝土屈服模型，在新的球形空腔膨胀模型中考虑混凝土高压下的屈服软化特性，根据混凝土HJC状态方程和Capped-Dracker-Prager屈服准则，将动态空腔膨胀响应区划分为弹性区、开裂区、硬化孔隙压实区、软化孔隙压实区、密实流动区，并提出了空腔膨胀速度与空腔表面径向应力的关系的数值计算方法，通过无量纲化拟合，可以得到阻力方程中的靶材静态强度项、靶材黏性效应项以及流动阻力项的无量纲材料常数。利用此模型计算了空腔膨胀速度与界面速度与各分区的关系，其结果表明随着空腔膨胀速度的增大，开裂区与压实区相继消失，流动阻力项的比重会逐渐增加，而静态强度项的比重逐渐减小，黏性效应项先增加后减小。利用本文提出的通用屈服准则和状态方程推导的空腔膨胀的动态响应表达式，计算了带剪切饱和的Mohr-Coulomb屈服准则下的阻力方程以及Tresca屈服准则下的阻力方程，不同阻力方程的对比结果表明，采用带剪切饱和的Mohr-Coulomb屈服准则与Tresca屈服准则推导出的阻力方程在高速阶段与盖帽屈服模型计算结果差别较大，而在侵彻速度较小时阻力差别较小。为了验证阻力方程的有效性与准确性，本文在105毫米口径火炮发射平台上做了直径60毫米的尖卵形弹丸垂直侵彻C40强度等级的素混凝土靶实验，弹丸侵彻速度在800～1400 m/s范围内，实验后的弹丸侵蚀效应不明显（侵彻速度为1400 m/s的实验后的弹丸质量损失值为4.6%，长度缩短量为5%），侵彻后弹丸观察分析表明本文侵彻实验在刚性弹侵彻假设范围内，实验侵彻深度与取不同阻力方程模型计算结果对比表明，本文考虑混凝土高压屈服软化特性的阻力方程比用剪切饱和的Mohr-Coulomb推导的阻力方程以及Forrestal提出的半径侵彻深度计算公式的计算精度更高，且随着侵彻速度的增加，本文推导出的阻力方程的计算精度较其它模型也在提高。本文研究表明：空腔膨胀速度较低时（无量纲速度小于3，带剪切饱和的Mohr-Coulomb屈服准则和盖帽模型屈服强度准则下，计算的侵彻阻力差别很小，而在速度较高时（无量纲速度大于6，盖帽模型下的计算的侵彻阻力明显小于Tresca屈服准则和考虑带剪切饱和的Mohr-Ccoulomb准则下的侵彻阻力计算值；基于盖帽模型的球形空腔膨胀理论模型因考虑混凝土高压屈服软化特性与侵彻速度800～1400 m/s的实验结果具有更好的一致性。

来源出版物：兵工学报, 2015, 36(12): 2209-2216

入选年份：2015

纳米CoFe2O4与Al/CoFe2O4的制备及对RDX热分解性能的影响

王通，赵宁宁，李嘉辰，等

摘要：目的：为了获得纳米颗粒CoFe2O4和Al/CoFe2O4对RDX的热分解性能的影响，水热法制备出纳米CoFe2O4颗粒，再通过超声混合法制备出Al/CoFe2O4混合物。同RDX混合得到CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX复合物，通过差示扫描量热仪（DSC）研究其对RDX热分解的影响，得出其最可几机理函数。方法：采用水热法制备出纳米CoFe2O4颗粒，再通过超声混合法制备出Al/CoFe2O4混合物，利用SEM-EDS和XRD测试其成分，分析其形貌特征。按CoFe2O4或Al/CoFe2O4与RDX质量比1∶4、通过超声混合法分别制备出CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX复合物。在升温速率为7.5、10.0、12.5、15.0℃/min的条件下，用差示扫描量热仪研究CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX热分解过程。由RDX、CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX不同升温速率下的DSC曲线得到转化率α，根据Ozawa方程计算出分解反应的表观活化能Ea随α变化的Ea-α曲线。根据单一非等温DSC曲线所选机理函数形式而得Ea、lgA与用多重扫描速率法和等转化率法求得的值基本一致的原则，经逻辑选择法选择，得到CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX混合物和RDX分解反应机理函数的动力学参数。由计算的稳定活化能和指前因子得到其最可几机理函数，最终得到其动力学方程。结果：CoFe2O4颗粒粒径为40～60 nm，Al/CoFe2O4中掺杂了球形纳米Al粉，两种样品纯净无杂质。CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX混合物相比RDX，热分解起始温度、峰温、终止温度均向低温方向移动，且分解温度分别降低了4.04℃和3.67℃。转化率为0.20～0.95时，研究CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/ RDX、RDX的反应机理和动力学是可行的。加入CoFe2O4、Al/CoFe2O4后RDX热分解表观活化能均有所降低。CoFe2O4、Al/CoFe2O4折合为RDX分解放热量与纯RDX体系相比有所降低，分解放热峰峰宽δT变窄，整体分解速率加快，但反应深度不足，导致放热量较小。得到CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX混合物和RDX分解反应的机理函数和动力学参数。结论：1）用水热法制备了颗粒状的纳米CoFe2O4，通过超声混合法制备Al/CoFe2O4，并对其物相组成与形貌进行了表征。2）按质量比1：4制备得到的CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX的分解峰温和活化能较RDX有所降低，说明CoFe2O4、Al/CoFe2O4能促进RDX的热分解过程。3）获得了RDX、CoFe2O4/RDX、Al/CoFe2O4/RDX的热分解最可几理函数，加入CoFe2O4、Al/CoFe2O4后不会改变RDX热分解的最可几理函数。

来源出版物：火炸药学报, 2015, 38(5): 24-30

入选年份：2015

爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破坏

李猛深，李杰，李宏，等

摘要：目的：恐怖活动及生产生活中的爆炸事故时有发生，由此导致的建筑物损伤对人身安全构成严重威胁，梁作为钢筋混凝土（RC）结构的基本构件之一，研究其在爆炸冲击条件下的破坏模式和抗爆性能，对于改善RC结构的抗爆性能具有理论意义和工程价值。方法：采用C30混凝土浇筑了配筋率分别为0.7%、1.01%、1.79%三类梁构件，在爆炸压力模拟器中进行了钢筋混凝土简支梁的爆炸冲击实验，量测了RC梁顶面的爆炸荷载以及受拉钢筋和迎爆面混凝土的应变，拍摄了结构的破坏图片。接着利用LS-DYNA软件建立了钢筋混凝土梁的分离式有限元模型，其中混凝土采用C&K模型，钢筋采用J-C模型，荷载采用测试的压力时程数据，研究了混凝土损伤发展过程，并对破坏形态、钢筋和混凝土应变、梁的跨中挠度等与实验结果进行了比较分析。结果：实验破坏现象表明：梁由于支座处的箍筋加密作用，未产生由斜裂纹引起的剪切破坏；混凝土的破坏过程不是连续的，而是具有渐进的动态特征。局部黏结的断裂发生速度很快，钢筋由于与混凝土间的粘结，起着阻碍破坏速度的作用。爆炸冲击下混凝土裂纹可分为一次裂纹和高次裂纹，一次裂纹破坏了钢筋和混凝土间的粘结关系，引起了构件受拉部分内力的再分配，一次裂纹通过的横截面上荷载完全转移到钢筋上；高次裂纹随着应变的增大在低次裂纹间产生，在高次裂纹阶段，钢筋与混凝土间主要是摩擦力和机械咬合力。测得的压力时程曲线表明不同配筋率的RC梁所受冲击波荷载接近，随着配筋率的提高，试件裂缝数量增多，裂缝宽度减小。数值计算的损伤形态与实验照片基本吻合，计算的受拉钢筋和梁上表面受压混凝土的应变时程曲线与实验测试曲线趋势基本吻合，但峰值应变和残余应变有误差。对跨中的残余挠度，数值计算结果与实验值误差在10%左右。用梁的损伤区域发展来判断其裂缝发展过程表明，在均布爆炸荷载作用下，梁底部首先产生向上发展的一次裂纹，随着变形的加剧，在裂纹间产生高次裂纹并最终导致梁跨中出现密集裂纹。结论：配筋率的提高对提高RC梁的抗爆性能作用明显，主要表现为同荷载下主裂缝宽度减小，配箍率的提高对抑制剪切破坏作用效果明显。裂缝的发展过程可分为一次裂缝和一次裂缝间的高次裂缝两个阶段，钢筋在受力的同时对裂缝的发展起阻碍作用。本文数值计算结果与实验结果基本吻合，表明模型选择和参数设置正确，K&C模型能够大致准确的模拟冲击荷载作用下的混凝土性能，但也存在较大误差，有待强动载作用下混凝土本构模型的改进，及准确描述混凝土与钢筋间相互作用关系模型的出现。

来源出版物：爆炸与冲击, 2015, 35(2): 177-183

入选年份：2015

编辑：张宁宁