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脉冲束流辐射热—力学效应研究

林鹏  
【摘要】: 本文围绕强脉冲X射线和电子束辐射产生的热—力学效应(即材料响应和结构响应),采用实验研究、理论分析和数值计算等方法进行了比较系统全面的研究,主要工作包括以下几个方面: (1)总结了能量沉积的计算方法,给出了电子能量沉积的解析计算公式。脉冲束流在材料中的能量沉积,是产生热—力学效应的基础和前提。首先,按照朗伯定理计算了软、硬X射线在新型碳酚醛和玻璃钢中的能量沉积。计算得出:软X射线的沉积峰值高,沉积深度浅;硬X射线的沉积峰值相对要低得多,但是穿透要更深。其次,根据连续慢化理论和单次大碰撞理论,用蒙特卡罗方法计算了电子在物质中的能量沉积,并给出了电子能量沉积的解析计算公式。最后,对一种多层结构在电子束和X射线辐射下的能量沉积特性进行了计算分析,结果表明该多层结构不仅能有效防护X射线的辐射,而且对低能强流电子束辐射也能提供有效防护。 (2)推导了一种新的辐射自由面格式,采用弹塑性流体动力学模型对X射线和电子束辐射产生的热激波效应和冲量效应进行了数值模拟计算,并给出了一维辐射热激波的峰值衰减解析计算公式。基于Taylor展开,推导出了一种新的高精度的辐射自由面格式,与传统自由面格式相比,在X射线辐射热—力学效应计算中,可以提高计算精度。以冲击Hugoniot方程为基础,根据波传播过程中的不可逆能量损耗,推导出了辐射热激波传播衰减的解析计算公式,利用该公式对材料的热激波衰减行为进行了分析,并与Langley公式进行了计算对比,两者符合较好。对软、硬X射线在材料中的辐射热激波效应进行了计算。软X射线能量沉积较浅,热激波的产生机制主要为表面物质的汽化喷射;硬X射线能量沉积较深,热激波的产生机制主要为热膨胀。对强脉冲X射线辐射Ly-12铝产生的喷射冲量进行了数值计算,并与实验测量结果进行了比较,两者符合较好。 (3)研制了两套热激波测量系统和两套冲量测量系统,并进行了辐射热激波效应和喷射冲量效应的实验研究,得到了一些有价值的数据。大尺寸的石英压电晶体热激波探头,可满足10mm左右厚度的复合材料热激波的测量要求。PVDF热激波探头可测量辐射热激波在传播路径上的衰减。红外通光冲量探头适用于电子束和软X射线的喷射冲量测量。对Ly-12铝的电子束辐射实验表明,对于靶上平均能通量为187~196J/cm~2,厚为2~5mm的Ly-12铝靶,实测热激波平均应力峰值为1.65~0.97GPa。在电子束能通量约为570~970J/cm~2,对厚度为10mm的三维编织复合材料,其热激波应力峰值为0.15~0.39GPa左右,只有相同条件下Ly-12铝的6%左右。 实验得出电子束辐射三维编织复合材料产生冲量的能通量阈值为77J/cm~2。在电子束能通量F为101~297J/cm~2范围内,三维编织复合材料的喷射冲量耦合系数β为0.20~0.62Pa·s/(J/cm~2)。在F为181~312J/cm~2范围内,Ly-12铝的β为1.45~1.69Pa·s/(J/cm~2)。三维编织复合材料的β值只有Ly—12铝的1/3左右,这说明三维编织材料具有良好的抗辐射性能。 软X射线冲量实验得出:在平均能量为0.30keV、平均半高宽为43ns的脉冲软X射线作用下,对白漆A、灰漆B、玻璃钢和Ly-12铝,在平均能通量分别为147J/cm~2、135J/cm~2、123J/cm~2和137J/cm~2时,它们的冲量耦合系数分别为0.42、0.45、0.75和0.54Pa.s/(J.cm~(-2))。 对一种多层结构材料进行了电子束辐射热激波实验测量,结果表明,该多层材料能有效防护100卡/cm~2的电子束辐射。 (4)对柔爆索(MDF)余弦冲量分布加载进行了设计和实验验证,并进行了结构响应实验研究。通过设计柔爆索离圆柱壳表面的距离以及柔爆索之间的间距,可以得到柱壳表面环向呈余弦分布的冲量载荷。通过在圆柱壳环向不同位置的冲量测量,得出冲量余弦分布的最大偏差大约为10%。成功测得了圆柱壳内表面几个位置处的环向应变信号。在设计峰值比冲量为506Pa.·s的余弦载荷作用下,实验圆柱壳在受载面-π/3~π/3范围内,可观察到明显动塑性屈曲现象。 (5)对两端固支、长径比为2的铝合金圆柱壳在余弦冲量分布载荷加载下的结构响应和动塑性屈曲进行了计算模拟。数值模拟表明,辐射脉冲载荷引起的动塑性屈曲发生在受辐射面的—π/3和π/3之间,与实验结果相符。


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