發(fā)布時(shí)間：2020-05-18 18:04

【摘要】：磁驅(qū)動(dòng)加載可通過不同負(fù)載結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超高速飛片發(fā)射、準(zhǔn)等熵壓縮、柱面套筒內(nèi)爆等加載,是一種可實(shí)現(xiàn)沖擊、準(zhǔn)等熵、沖擊-準(zhǔn)等熵等多熱力學(xué)路徑加載的實(shí)驗(yàn)技術(shù),在極端條件下材料動(dòng)力學(xué)、航天器防護(hù)超高速撞擊地面模擬和高能量密度物理等領(lǐng)域研究中有重要應(yīng)用。論文選題為電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其加載下聚苯乙烯的動(dòng)態(tài)行為研究,從應(yīng)力波理論分析、磁流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面開展了磁驅(qū)動(dòng)一維應(yīng)變沖擊加載精密物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)和磁驅(qū)動(dòng)小尺寸固體套筒內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用建立的磁驅(qū)動(dòng)一維平面沖擊加載精密實(shí)驗(yàn)技術(shù),從實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬方面深入研究了高壓、高應(yīng)變率條件下聚苯乙烯的物理和力學(xué)性質(zhì)。論文取得的主要進(jìn)展和創(chuàng)新性結(jié)果有:1)基于CQ4裝置發(fā)展和建立了磁驅(qū)動(dòng)一維平面沖擊加載精密物理實(shí)驗(yàn)技術(shù),為材料的沖擊加載動(dòng)力學(xué)行為和超高速撞擊現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)和理論研究等提供了一種技術(shù)途徑�；谧孕醒兄频木o湊型脈沖功率裝置CQ4的電參數(shù)特性,利用3D Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)分析軟件和LS-DYNA 980磁流體動(dòng)力學(xué)模擬程序,深入分析了磁驅(qū)動(dòng)平面負(fù)載結(jié)構(gòu)的電磁和力熱分布特性,提出了一種滿足一維平面沖擊加載的優(yōu)化磁驅(qū)動(dòng)負(fù)載電極結(jié)構(gòu),基于CQ4裝置進(jìn)行了磁驅(qū)動(dòng)飛片速度、平面性和有效厚度等特性研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采用優(yōu)化構(gòu)型典型實(shí)驗(yàn)中初始尺寸10mm(寬)×0.7mm(厚)的飛片在7km/s速度時(shí),其直徑6mm內(nèi)撞靶時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差小于11ns、有效厚度大于0.44mm。飛片應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,沖擊Hugoniot粒子速度不確定度不大于2%(k=2)、沖擊波速度不確定度不大于4%(k=2),滿足一維平面沖擊加載精密物理實(shí)驗(yàn)要求。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)載電極結(jié)構(gòu),充分利用裝置能力實(shí)現(xiàn)了將尺寸10×6×0.33mm的鋁飛片發(fā)射至18km/s的超高速度。2)基于CQ7裝置發(fā)展和建立了磁驅(qū)動(dòng)小尺寸套筒內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了套筒壓縮準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)獲得超高脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù),為柱面壓縮匯聚增壓的材料超高壓狀態(tài)方程、新型磁約束聚變動(dòng)力學(xué)過程研究建立了實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)。依據(jù)新研制建立的脈沖功率裝置CQ-7的電參數(shù)特性,利用電磁場(chǎng)模擬和套筒內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算分析結(jié)果,設(shè)計(jì)并建立了基于固體介質(zhì)絕緣的低電感、磁場(chǎng)分布均勻、加載可靠的磁驅(qū)動(dòng)套筒內(nèi)爆負(fù)載電極結(jié)構(gòu);研制了一種直徑1.5mm、單點(diǎn)90°反射PDV測(cè)速探針,用于磁驅(qū)動(dòng)小尺寸套筒內(nèi)爆速度連續(xù)測(cè)量;建立了多點(diǎn)反射測(cè)速和激光陰影高速攝影套筒內(nèi)爆均勻性測(cè)量技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,基于CQ-7裝置開展了磁驅(qū)動(dòng)套筒內(nèi)爆速度和加載均勻性實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,在裝置同時(shí)放電、工作電壓75 kV情況下將初始尺寸Φ7 mm×0.4 mm(外徑×厚度)的鋁套筒驅(qū)動(dòng)至速度10.02 km/s以上。多點(diǎn)反射測(cè)速和激光陰影高速攝影結(jié)果顯示磁驅(qū)動(dòng)尺寸Φ7mm外徑、0.4mm-0.5mm厚套筒內(nèi)爆過程套筒保持良好的圓周性和均勻性,其中測(cè)點(diǎn)偏離圓周極值約0.030mm,套筒內(nèi)表面光滑,邊界清晰。采用磁驅(qū)動(dòng)固體套筒壓縮預(yù)置初始準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)方法實(shí)現(xiàn)了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)壓縮,在峰值8.84T、上升沿1ms的初始預(yù)置磁場(chǎng)下,獲得了 357T的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)。3)利用發(fā)展和建立的磁驅(qū)動(dòng)一維平面加載精密物理實(shí)驗(yàn)技術(shù),從實(shí)驗(yàn)和理論上研究了高壓、高應(yīng)變率條件下聚苯乙烯的完全物態(tài)方程、動(dòng)態(tài)屈服行為、折射率、有效極化率等物理力學(xué)特性,獲得了一些新的科學(xué)認(rèn)識(shí),為其更好工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。a.基于Helmholtz自由能模型,建立了 500GPa壓力范圍內(nèi)聚苯乙烯的三項(xiàng)式完全物態(tài)方程:采用分段處理分別描述聚苯乙烯離解相變前后狀態(tài)的方法,建立了聚苯乙烯基于Helmholtz自由能模型的完全物態(tài)方程。利用磁驅(qū)動(dòng)沖擊和二次沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)獲得的Hugoniot和Re-shock數(shù)據(jù)確定了模型參數(shù),獲得的完全物體方程能很好的描述500GPa內(nèi)聚苯乙烯的高壓響應(yīng)特性。通過比較自由能模型、混合物方法及由熱力學(xué)關(guān)系近似計(jì)算的聚苯乙烯的沖擊溫度,結(jié)果表明獲得的自由能模型能更好的描述聚苯乙烯的熱動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。b.獲得了高應(yīng)變率106/s下聚苯乙烯的動(dòng)態(tài)屈服行為:實(shí)驗(yàn)獲得了聚苯乙烯的Lagrangian聲速和準(zhǔn)等熵壓縮線,聲速在粒子速度200m/s內(nèi)為非線性關(guān)系,粒子速度200m/s以上與粒子速度呈線性關(guān)系。采用彈塑性分析方法獲得聚苯乙烯高壓下的屈服強(qiáng)度,應(yīng)變率約07×106/s時(shí)聚苯乙烯的初始屈服強(qiáng)度值為0.16GPa。在此基礎(chǔ)上確定了聚苯乙烯Steinberg-Guinan強(qiáng)度模型參數(shù),該本構(gòu)模型能很好的描述和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)條件下聚苯乙烯的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。采用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)和分離式Hopkinson桿獲得了聚苯乙烯的準(zhǔn)靜態(tài)和中應(yīng)變率下的力學(xué)性能,得到了聚苯乙烯的屈服應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。聚苯乙烯初始屈服強(qiáng)度有明顯的應(yīng)變率效應(yīng),但是屈服應(yīng)力在高應(yīng)變率范圍未出現(xiàn)隨應(yīng)變率急劇增大現(xiàn)象,該現(xiàn)象可能由實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率范圍內(nèi)聚苯乙烯不存在β力學(xué)損耗峰導(dǎo)致。c.獲得了聚苯乙烯在離解起始?jí)毫Ω浇恼凵渎�。結(jié)合完全物態(tài)方程、Lorentz-Lorenz方程、單振子模型,獲得了聚苯乙烯的有效極化率、禁帶寬度及驅(qū)動(dòng)聚苯乙烯離解相變的主導(dǎo)因素:研究了沖擊加載下聚苯乙烯的折射率和有效極化率,實(shí)驗(yàn)獲得了聚苯乙烯在離解起始?jí)毫Ω浇恼凵渎�。結(jié)合完全物態(tài)方程、Lorentz-Lorenz方程、單振子模型,獲得了聚苯乙烯的有效極化率、禁帶寬度與壓力、溫度、密度的量化關(guān)系。聚苯乙烯的有效極化率從常態(tài)下的1.28×10~(-23)cm~3下降到30GPa壓力時(shí)的0.98×10~(-23)m~3。最低能量間隙則在20GPa以上小于2eV,即小于很多半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。在聚苯乙烯離解后有效極化和最低能量間隙對(duì)溫度上升比和密度或壓力的變化更敏感,認(rèn)為沖擊加載中聚苯乙烯離解從絕緣到半導(dǎo)體這一轉(zhuǎn)變過程主要是由溫度上升引起。
【圖文】：

圖１．２磁驅(qū)動(dòng)飛片沖擊加載碳的狀態(tài)方程研宄（Ｍ．邋Ｄ．邋Ｋｎｕｄｓｏｎ）逡逑

圖１．３國(guó)內(nèi)ＣＱ裝置磁驅(qū)動(dòng)氋速飛片速度結(jié)果比較逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ325.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2670113