引言
爆炸与冲击动力学是力学学科的一个分支学科,它属于一个专业性强的交叉学科,其涉及到物理学、化学、材料学等多个学科. 爆炸与冲击动力学主要研究领域包括爆炸与冲击作用下材料/结构的动态响应与设计、材料/结构中应力波的传播与演化机制等及其在工程中的应用. 随着我国新型交通运输技术、航空航天技术、武器装备技术、工程防护技术等飞速发展,其中材料和结构动态力学行为和损伤断裂形式、特种材料的爆炸加工与焊接、结构耐撞特性与吸能行为、新型防爆抗冲击材料的研发、武器的设计与优化、防护装备的研发与设计、工程爆破技术等等,这些属于爆炸与冲击动力学领域的研究得到广泛的关注和重视;也加速推动了我国爆炸与冲击动力学中爆炸驱动和冲击加载实验技术、爆炸与冲击安全理论与技术、爆炸与冲击多尺度高性能运算、各种高精度高性能新型测量技术的发展. 大量的国家、地方和行业需求让爆炸与冲击动力学在近二十年来得到飞速的提高和发展,反过来,爆炸与冲击动力学的发展成果也为国防建设和国家经济建设提供了大量的技术支撑. 在当前我国国防建设和航空航天技术高速发展的时期,爆炸与冲击动力学将会发挥更大的作用,也会继续被时代所推动而高速发展.
爆炸与冲击动力学及其相关学科的迅速发展,及时了解国内外最新研究进展对青年学者成长非常重要,而发展国际领先的创新方法、解决本领域前沿科学问题,迫切需要在研究队伍方面培育新的增长点. 为了对学科发展的新趋势及面临的挑战进行深层次探讨,为青年工作者提供对爆炸与冲击动力学相关研究领域中共性科学问题进行深入交流、寻求交叉合作的机会,由国家自然科学基金委员会数理科学部和开云棋牌官方 爆炸力学专业委员会联合主办,分别于 2015 年 10 月 30 日—11 月 1 日由北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室承办"首届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会"[1]和 2017 年 10 月 27—29 日由中国科学技术大学近代力学系承办"第二届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会"[2],两次研讨会各邀请了 40 名左右爆炸与冲击动力学领域具有良好发展潜力的青年学者报告各自的最新研究进展,并针对当前共性热点和难点问题进行了交流和讨论. 这两次会议使得与会青年学者深感获益良多,也展示了我国爆炸与冲击动力学领域青年学者的巨大发展潜力,对于培养爆炸与冲击动力学领域青年优秀人才、促进我国爆炸与冲击动力学学科的可持续发展具有重要意义.
2019 年 10 月 18—20 日,由南京理工大学承办的"第三届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会"在南京顺利召开,南京理工大学高光发教授担任本届研讨会主席.
国家自然科学基金委员会数理学部力学处处长雷天刚研究员、发展战略与规划处副处长张攀峰研究员,中科院院士、南京理工大学芮筱亭教授,南京理工大学党委书记张骏教授,开云棋牌官方 副理事长、爆炸力学专业委员会主任委员戴兰宏研究员,爆炸力学专业委员会秘书长王成教授,南京理工大学机械工程学院党委书记吴志林教授、院长陈雄教授,科研院综合计划处梁祎副处长,瞬态物理国家重点实验室常务副主任陈志华研究员,中国工程物理研究院流体物理研究所王桂吉研究员,华南理工大学姚小虎教授,北京理工大学机电学院副院长刘彦教授等特邀嘉宾与会. 来自近 30 所高校和研究所的 80 余位特邀代 表和青年学者参会. 会议开幕式由南京理工大学机械工程学院院长陈雄教授主持.
开幕式上张骏教授致欢迎词,他代表承办方向与会的各位嘉宾表示热烈欢迎,对基金委领导和各位同行的支持表示衷心感谢. 张骏教授简要介绍了南京理工大学的基本情况、优势学科专业以及取得的重大科研成果. 他指出,爆炸与冲击动力学是南京理工大学兵器科学与技术学科的重要组成部分,一大批专家学者长期从事该领域的基础理论研究和关键技术攻关,产出了一批标志性成果,为我国国防装备研制与发展做出积极的贡献. 在国家自然科学基金委的持续稳定支持下,我国青年学者正处于科学研究的黄金时代. 第三届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会,聚焦基础研究,促进学术交流,必将有力推动该领域基础研究的发展和青年人才的培养.
雷天刚研究员表示,期望与会青年学者能够拓展爆炸与冲击动力学,把爆炸与冲击动力学做大做强. 面对爆炸力学发展所面临的问题,他认为需要借鉴固体力学、材料结构功能一体化等方向的研究内容,进行跨学科交叉融合研究,将其他学科的成果和方法运用到爆炸与冲击动力学中. 戴兰宏研究员回顾了青年研讨会学术交流平台的创立和发展历程,并代表爆炸力学专业委员会对基金委领导、特邀嘉宾、承办方南京理工大学的支持表示衷心感谢. 他高度评价了爆炸力学领域获得国家最高科学技术奖的三位老先生以及芮院士团队、南京理工大学对国防军工发展做出的贡献,认为青年人才决定了爆炸力学学科的发展进程,期望与会青年学者能够像老一辈专家在爆炸力学领域为国家做出贡献.
本次研讨会的学术报告分为特邀报告、专题邀请报告和主题邀请报告三种类型. 在特邀报告中,芮筱亭教授、王成教授、姚小虎教授、王桂吉研究员等 4 位特邀学者分别就武器系统安全性动力学、爆炸毁伤的高精度计算方法及其应用、聚合物软材料温度耦合应变率力学性能及其本构理论、电磁驱动实验装置、技术及应用等方面深入介绍了爆炸与冲击动力学相关领域的研究成果和最新进展,并分享了科学研究经验. 王成教授、姚小虎教授分别主持了特邀报告环节.
在专题邀请报告中,19 位 40 岁以下的青年学者结合自己承担的国家自然科学基金项目,探讨了爆炸、冲击或能量突然沉积等强动载荷作用下,介质、材料与结构的力学响应、效应及工程技术应用等系列爆炸与冲击动力学问题,与参会代表交流讨论了他们在研究过程中所遇到的问题和困难. 在主题邀请报告中,17 位 40 岁以下的青年学者围绕爆轰和爆炸动力学、轻质复合材料的动态力学行为、材料动力学和实验测试技术、结构动力学和多尺度高性能计算等 4 个主题依次进行汇报,引起了与会代表的广泛讨论. 下面对与会学者所做的报告内容进行简要介绍,并附上相关的代表性论文作为参考文献供进一步了解.
1 特邀报告
特邀报告分别由北京理工大学王成教授和华南理工大学姚小虎教授主持. 南京理工大学芮筱亭院士、北京理工大学王成教授、华南理工大学姚小虎教授和中国工程物理研究院流体物理研究所王桂吉研究员应邀做了特邀报告.
(1) 芮筱亭院士在题目为《武器系统安全性动力学研究》的报告[3-4]中,对当前国内外武器系统安全性现状及存在的问题进行系统深入地剖析,介绍了发射装药发射安全性研究进展,并系统论述了发射装药发射安全性评定技术框架,指出了评定发射装药发射安全性的判别准则. 其中,芮院士重点介绍了一种多体系统动力学新方法——"芮方法"的理论体系、研究进展与应用现状,该多体系统传递矩阵法由于其无需系统总体动力学方程和快速计算的特点,已被广泛用于各种多管火箭、自行火炮、舰炮等复杂大型机械系统动力学分析与设计,该方法解决了自行火炮、多管火箭武器多体系统动力学的重大工程问题. 最后,芮院士介绍了爆炸力学对当前武器系统安全性研究的重要性,并对其中关键的爆炸力学相关问题进行了说明.
(2) 王成教授在题目为《爆炸毁伤的高精度计算方法及其应用》的报告[5-6]中系统介绍了当前爆炸毁伤与安全防护问题,指出由于涉及气体、固体和液体等多种介质在极端载荷下的强非线性力学行为,由于问题的复杂性,数值计算成为当前研究该类问题的主要手段. 王成教授还介绍了其团队所研发具有自主知识产权的高精度大规模仿真算法与软件,特别是其中爆轰问题的高精度算法理论与格式、爆炸冲击波传播、多物质耦合数值仿真等方面的研究成果. 该软件实现了烤燃、可燃气体火焰加速和燃烧转爆轰、炸药冲击起爆与爆轰、聚能射流形成与侵彻、密实介质中爆炸等典型爆炸毁伤问题的数值模拟,并在我国重特大爆炸事故调查和煤矿安全应用中得到了应用.
2 专题邀请报告
专题邀请报告分别由王桂吉、刘彦、郑志军、郭亚洲和索涛等5位教授先后主持;19 位 40 岁以下青年学者应邀做了专题邀请报告.
(9) 张蕾在《基于高性能计算策略平衡含能材料的爆炸性能和冲击波感度》报告[27]中介绍了一种自主研发的针对分子晶体原子尺度计算的、高精度大规模并行计算软件;基于该软件研究了官能团、分子骨架、晶体堆积方式与产物分布对炸药爆轰性能的影响规律,并分析了炸药晶体热稳定性的影响规律;分析了异常化学反应规律并提出了氮"双芳香性"新概念;最后预测了新型环状全氮物质.
(10) 李鑫在《纤维金属三维复合材料的静动态力学行为研究》报告[28]中介绍了新型三维复合材料在刚性子弹冲击作用下三维复合材料的变形失效模式、能量吸收及弹道极限. 实验结果表明通过将纤维和金属进行三维复合,能有效避免载荷作用下纤维金属界面失效对结构的稳定性影响. 研究同时指出,对于此类三维复合方式,需要保证纤维足够的百分比以及合理的纤维复合方向从而提高材料的静动态力学性能.
(11) 李伟兵在《不同回火温度 40CrMnSiB 钢柱壳膨胀断裂过程与冻结回收研究》报告[29]中介绍了其膨胀断裂过程超高速摄影试验及水井破片回收试验,分析了柱壳断裂形成破片特性及断口金相,并设计了柱壳膨胀断裂中间状态冻结回收装置,回收获得了 3 种回火温度壳体的膨胀断裂中间状态,揭示了不同回火温度处理下 40CrMnSiB 钢壳体内部裂纹演化规律.
(12) 范吉堂在《柔性聚合物材料的冲击动力学响应、结构设计及防护工程应用》报告[30]中介绍了一种柔性聚合物材料的静动态力学本构模型,提出了静动态力学性能的多尺度调控原理,发明了一系列具有变形完全恢复、强度高、变形量大等动态力学特性的超高分子量大变形透明聚合物材料. 在此基础上,研制出了一种具有轻量化程度高、防护力强等优势的透明防护结构.
(13) 罗宁在《多相爆炸反应系统中功能材料制备与性能研究》报告[31]中介绍了一种创新性的气液爆轰技术,并利用瓦斯、煤层气等煤基能源材料混合爆轰产生的瞬时高温、高压可以为碳基纳米结构材料的形成提供有利的生长环境,成功制备了碳纳米洋葱、铁基多壁碳纳米管、碳纳米管、碳包覆铁基纳米颗粒复合材料,并深入探讨了其摩擦学性能、抗电磁波干扰性能及电化学动力学性能等. .
(14) 陈荣在《PBX 炸药非冲击点火燃烧过程数值模拟初探》报告[32]中介绍了利用离散元方法模拟 PBX 炸药受到意外刺激后从温升形成热点到燃烧反应的过程的一种途径. 首先,通过离散元方法模拟了细观尺度下的裂纹演化和热点生成过程;然后,通过引入描述气体产物的微气相元方法,模拟了气体产物驱动炸药内部裂纹扩展并在裂纹内部流动的现象;最后,通过引入WSB燃烧模型模拟了从固相到气相转化的过程.
(18) 李干在《长杆弹侵彻岩石的尺度效应与侵彻机制转变研究》报告[39]中介绍了宽速域动能弹侵彻问题的研究现状,从弹/靶材料动态力学行为的角度对岩石刚性侵彻的尺度效应、侵彻模式转变的尺度效应和物理机制等问题进行了探讨,建立了可描述岩石刚性侵彻阶段尺度效应的侵深计算模型,阐述了侵深逆减现象的尺度效应,探讨了长杆弹宽速域侵彻岩石侵深变化规律的内在机制.
3 主题邀请报告
主题邀请报告由秦庆华、高光发、柳占立和张先锋等 4 位教授先后主持. 17 位 40 岁以下青年学者围绕爆轰和爆炸动力学、结构动力学和多尺度高性能计算、材料动力学和实验测试技术、复合材料结构的动态力学行为、轻质结构的吸能特性和优化设计等主题进行报告. 主题邀请报告每人 10 分钟 (含交流).
(1) 陈艳在《聚脲动态力学行为及本构模型》报告[42]中介绍了聚脲静动态力学行为的温度和应变率依赖规律,结合聚脲微相分离结构,提出了同时考虑剪切、体胀,基于率形式的自由体积演化方程,通过构建宏观内能弹性、熵弹性和黏弹性行为与分子内键长和键角变化、分子链伸长与回复、分子链间相对运动之间的关联,建立了基于自由体积的聚脲非线性黏弹性本构模型.
(2) 张博在《爆轰极限的动力学规律及理论模型》报告[43]中介绍了爆轰极限动力学规律及理论模型方面的研究进展,研究并分析了爆轰波物理结构对爆轰极限的影响机制,报告还提出了几种可靠的爆轰极限预测模型.
(3) 刘家贵在《多孔金属中塑性波传播规律的实验研究》报告[44]中介绍了梯度多孔金属的冲击动力学实验研究进展,研究了梯度泡沫金属在高速冲击作用下力学特征,发现了塑性波和冲击波两种传播模态,并给出了两种模态的临界速度的实验界定方法和通过密度调控冲击动应力的可行性方案.
(4) 彭辉在《爆炸与冲击动力学软件确认方法》报告中介绍了基于高精密物理实验确认研究的基本思路,结合爆轰驱动问题的具体事例,阐述了复杂问题确认研究的物理问题分层、确认实验设计原则、数值模拟与实验的量化确认流程.
(5) 张建勋在《轻质金属多孔结构的动态力学行为》报告[45]中介绍了爆炸冲击载荷作用下双层金属泡沫夹芯板的动态响应理论和数值计算研究,建立了瞬动载荷下四边固支双层金属泡沫夹芯板动态响应的理论模型,并给出了基于内接和外切屈服条件的理论解和膜力解.
(6) 温垚珂在《生物软组织的霍普金森杆试验研究》报告[46]中介绍了一种基于PVDF压电薄膜传感器的动态压缩测试方法和一种采用薄壁空心铝杆作为透射杆的动态拉伸测试方法,获得了猪肌肉、脂肪和内脏器官的动态力学数据.
(7) 李世强在《轻质多孔金属及其梯度夹芯复合结构的塑性动力学行为》报告[47]中针对梯度、层级金属夹芯结构,分析了对其在不同载荷下的变形失效机理、抗冲击性能和能量吸收机制,从力的传递、冲击波衰减角度分析了梯度结构的防护性能.
(8) 熊健在《生物多孔结构冲击力学行为》报告[48]中介绍了理工医交叉课题人体头盖骨多孔结构的冲击力学行为. 系统研究了几个典型结构参数 (包括：冲击物的大小、形状,等效夹芯结构中各层的厚度比,不同头盖骨截面) 对结构冲击行为的影响,揭示了中低速冲击作用下人体头盖骨多孔结构的失效破坏和能量吸收机制.
(9) 许骏在《碳硅复合颗粒在快充条件下的力学/电化学耦合行为研究》报告[49]中介绍了在锂电池冲击载荷下的多物理场安全行为方面研究,通过设计实验表征了电池在短路/未短路状态下的力-电-热耦合行为,建立了在机械滥用工况下的锂电池多物理场数值计算模型,揭示了锂电池在机械滥用工况下的失效行为和机理.
(10) 宋振华在《飞机复合材料结构在冰雹冲击载荷下的动态响应》报告[50]中介绍了冰的动态力学性能及起改进的霍普金森杆测试方法和波形整形器的设计方法,研究了碳纤维复合材料曲面板结构在冰雹冲击载荷下的动态力学响应和特殊的失效特征,并结合数值计算及理论分析揭示了该型板材结构不同失效模式的力学机理.
(11) 李志斌在《材料动态力学性能、武器高效毁伤》报告中介绍了一种人员目标的毁伤效能评估方法研究,分别针对人员目标易损性和武器毁伤效能分析提出了具体的分析方法.
(12) 王中钢在《轻质层级式多胞结构冲击响应机理》报告中[51]介绍了轨道车辆轻质车身结构在局部/端部耐冲击设计中面临的迫切需求与共性难题;以顶点基多胞层级式结构为例,分析了典型层级结构塑性理论吸能模型及冲击响应特征.
(13) 徐豫新在《毁伤与防护评估中的爆炸与冲击动力学问题》报告[52]中围绕毁伤与防护评估中的爆炸与冲击动力学问题,介绍了评估研究中标准弹靶力学等效及试验方法、大场景下爆炸冲击的快速精准仿真方法的研究成果,提出了力学等效、载荷等效的方法,建立了基于结构化网格的大场景毁伤效能评估方法,体系化发展了基于中间件的多算子共架算法.
(14) 李营在《宏微观一体化多功能抗爆超材料设计及应用》的报告[53]中介绍了抗爆隐身多功能一体化超材料力学模型和设计方法,阐明了冲击载荷作用下多尺度超材料的变形机理及失效模式;建立了爆炸冲击多物理场作用下多功能抗爆超材料的性能预测与评价方法.
(15) 向美珍在《金属微层裂: 从分子动力学模拟到宏-细观耦合建模》报告[54]中介绍了所建立的适用于描述多晶冲击熔化过程耦合均匀熔化和非均匀熔化两种机制的混合熔化动力学模型,发展了耦合动态熔化效应、温度效应的韧性损伤累积模型.
(16) 王马法在《内爆发射技术研究进展》报告中介绍了内爆发射技术的研究背景、发展历史、结构类型、国内外现状和开展的研究工作,具体分析了在单级内爆发射技术和辅助压缩内爆发射技术方面开展的试验和仿真工作,提出了采用剃度气体作为驱动气体的方法.
(17) 范志强在《聚氨酯复合泡沫动态力学特性及其空心颗粒破碎行为影响》报告中介绍了一种新型聚合物复合材料动力学特性和填充结构塑性动响应,并基于响应面代理模型和多目标优化技术对不同缓冲工况进行反向结构优化设计.
4 结束语
报告结束后,与会代表还就爆炸与冲击动力学的学科发展、前沿动态以及青年人才的培养和成长规划等话题进行自由讨论,戴兰宏研究员主持了自由讨论环节. 与会代表表示,研讨会为从事爆炸与冲击动力学的青年学者开展学术交流、建立学术友谊、增强学术合作提供了优秀平台,对学科的建设和发展起到了积极作用.
在自由讨论期间,张攀峰研究员对爆炸与冲击动力学学科的发展提出了自己见解,他认为应当借鉴其他学科的理论与方法,引入新思想,使爆炸力学这门学科内容更加丰满. 此外在解决实际工程问题的同时,应当提炼基础科学问题,不能局限于工程项目. 最后还介绍了目前基金委在科研诚信与学风建设方面的工作,基金委在论文作假方面采取零容忍的方式,在职称的晋升、奖励和项目的参与方面有学术不端情况采取一票否决制,期望与会专家能够广泛重视. 戴兰宏研究员就基金申请过程中如何选题、提炼科学问题等问题与大家进行了讨论,他认为爆炸力学学科是一个交叉学科,需要与基础前沿、国家的重大需求紧密结合起来.
自由讨论结束后,雷天刚研究员作总结讲话. 他首先向会议组织者、特邀代表和青年学者表达了感谢,并对本次会议的顺利召开和青年学者的工作成绩予以了肯定. 他认为爆炸力学在借鉴其他学科的思想与方法时需要体现爆炸力学本身的特点,并以动力学控制学科为例,期望青年学者能够借研讨会之机,共商学术议题,共同促进爆炸与冲击动力学学科的蓬勃发展. 同时,他也指出了当前爆炸力学学科存在注重规律性研究、缺乏机理性研究的问题,与固体力学等大学科相比略显不足,建言青年学者开拓思维、解放思想,多关注与力学相关的交叉学科和研究方法,深入面向科学前沿、面向国家重大需求、面向国计民生的大问题,提炼真正具有科学共性、机理性的学术选题并开展深入研究.
最后,经与会青年学者无记名投票决定"第四届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会"由国防科技大学承办.
参考文献
首届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会报告综述
Review of the First National Symposium on Explosion and Shock Dynamics for Young Scholars
第二届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会报告综述
Review of the Second National Symposium on Explosion and Impact Dynamics for Young Scholars
多体系统传递矩阵法研究进展
As a new method of multibody system dynamics, the transfer matrix method of multibody system has the following characteristics: without the global dynamics equation of system, low order of matrix involved, high efficiency. It has been widely used in the dynamic design of many complex mechanical systems, such as multiple launch rocket system, self-propelled artillery system, and warship gun system. In this paper, the advances in transfer matrix method of multibody system, including linear transfer matrix method of multibody system, discrete time transfer matrix method of multibody system, transfer matrix method of two-dimension system, transfer matrix method of controlled multibody system, and the mixed method of transfer matrix method of multibody system and ordinary dynamics methods, are presented. Some engineering applications of this method on self-propelled artillery system and multiple launch rocket system are also given.
Advances in transfer matrix method for multibody system dynamics
As a new method of multibody system dynamics, the transfer matrix method of multibody system has the following characteristics: without the global dynamics equation of system, low order of matrix involved, high efficiency. It has been widely used in the dynamic design of many complex mechanical systems, such as multiple launch rocket system, self-propelled artillery system, and warship gun system. In this paper, the advances in transfer matrix method of multibody system, including linear transfer matrix method of multibody system, discrete time transfer matrix method of multibody system, transfer matrix method of two-dimension system, transfer matrix method of controlled multibody system, and the mixed method of transfer matrix method of multibody system and ordinary dynamics methods, are presented. Some engineering applications of this method on self-propelled artillery system and multiple launch rocket system are also given.
发射装药发射安全性评定技术的研究进展
This paper focuses on the advance in study on launch safety for gun propellant charge. That the charge bed near the base of projectile extensively breaks before lighted is the basic reason causing the breach blow. Based on the clues of the compress and fracture of charge near the base of projectile, the evaluating system of launch safety for gun propellant charge is completely expounded. Launch safety test or experiment for gun propellant charge involves ： simulation test of combustion and dynamic environment in gun chamber, the compress and fracture simulating experiment for charge bed and the vivacity testing experiment of charge. This paper demonstrates that the degree of propellant fracture is the standing ground of launch safety criterion. The physics explanation of initial comparative vivacity ratio is discussed, and the program of evaluating launch safety for gun propellant is introduced.
Advance on launch safety for gun propellant charge
This paper focuses on the advance in study on launch safety for gun propellant charge. That the charge bed near the base of projectile extensively breaks before lighted is the basic reason causing the breach blow. Based on the clues of the compress and fracture of charge near the base of projectile, the evaluating system of launch safety for gun propellant charge is completely expounded. Launch safety test or experiment for gun propellant charge involves ： simulation test of combustion and dynamic environment in gun chamber, the compress and fracture simulating experiment for charge bed and the vivacity testing experiment of charge. This paper demonstrates that the degree of propellant fracture is the standing ground of launch safety criterion. The physics explanation of initial comparative vivacity ratio is discussed, and the program of evaluating launch safety for gun propellant is introduced.
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