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创建和发展了中国爆炸力学

发布日期:2021年08月30日

19554月,郑哲敏进入中国科学院数学研究所力学研究室工作,任副研究员。他随后参加钱学森创建中国科学院力学研究所的工作。19561月,郑哲敏所在的研究室转入新成立的中国科学院力学研究所(以下简称力学所),他成为该所的首批科技人员之一,并任弹性力学组组长,负责开展抗地震方面的力学问题研究及相关科研人员的培养工作。期间,完成了振动实验室的建设;在19572月的全国第一届力学大会上介绍了工程地震,特别是地震响应谱方法;从事刘家峡水坝抗地震的研究,用反应谱方法估算了刘家峡地震响应的最大应力。相关论文发表在《力学学报》。

1958年起,郑哲敏担任力学所第四研究室副主任。除了抗地震研究之外,他直接参加了大型混流式水轮机叶型流体力学设计的研究,有关论文在《力学学报》上发表。1959年,科学院和力学所决定将工程地震方面的研究转移到中国科学院哈尔滨工程力学研究所,同时调整全室的研究方向。经过讨论,郑哲敏建议以高速高压塑性动力学及其在压力加工方面的应用作为全室的研究方向。此建议得到院、所的批准。第四研究室随即开展了爆炸成形和高压挤压成形的研究。1960年,第四研究室撤销,郑哲敏随同爆炸成形组并入第二研究室并担任该室副主任。1961年郑哲敏牵头承担爆炸成形相似律的合作研究项目。1963年参加了中国力学学会与中国机械工程学会联合召开的爆炸成形学术报告会,系统、全面地介绍了力学所在爆炸成形模型律、成形机理、成形工艺等方面的成果。钱学森在会议总结时提出了工艺力学和爆炸力学的概念。爆炸力学正式成为第二研究室的主要学科方向,郑哲敏的主要任务就是在原有爆破和爆炸成形研究工作的基础上把研究工作引向深入并扩展它的应用,从此开始了从事长达30年的爆炸力学研究。第二研究室也逐步成为中国在爆破、爆炸加工、防护工程、爆炸安全、武器发展领域爆炸力学理论和材料动态力学性质研究等方面有特色、有实力以及在工程应用方面很有影响的部门。


(一)爆炸成形规律及应用

根据爆震波,水中冲击波和理想塑性力学的原理,郑哲敏提出了爆炸成形的几何相似律并得到实验验证。他还注意到,在所待成形的板材充分薄的条件下,如果成形所需的炸药量与板的厚度成正比,则炸药的能量利用效率是常数。因此他又在几何相似律的基础上,提出了更为简便的能量准则。实践证明这两个相似律都很实用,因此很快为使用部门所接受并得到推广。

郑哲敏的研究集体在测量板材变形的实验研究中发现,板材运动有二次加速的现象。郑哲敏对这个现象开展了理论探讨。理论计算表明,水中冲击波的反射导致邻近板材的水中发生空化,而且空化区会不断扩大。另—方面,由水下炸药爆炸的理论给出,冲击波的能量只占炸药总能量的约25% ,另有大约50%尚留在火球之中,后者将驱动周围的水加速冲向四周。当空化区消失时,板材的运动速度小于被火球驱动的水,故而发生碰撞,使板材再次加速。郑哲敏对球壳的爆炸成形进行了全过程的计算,证实了上述认识,从而阐明二次加速的原因和爆炸成形的机理。

在实际中,大型模具的制造往往是一个卡关的问题。根据对成形机理特别是贴模过程的认识,郑哲敏提出了惯性模具的概念,也就是把模具分块制造,拼装成整体,利用模具的惯性而不是它的强度使零件成形。试验表明这样的模具完全可行,因而很快被工程部门所接受。经过共同的努力,这一新方法得到更大的扩展,实现了能一次爆炸完成多种工序。郑哲敏及其领导的研究集体在爆炸成形方面所取得的成果总结在专著《爆炸加工》中。


(二)流体弹塑性模型

1.地下强爆炸问题

强爆炸在岩体中产生很高压力的冲击波向周围扩散并使爆室迅速扩张。爆炸波的强度随传播的距离逐渐衰减成为弹性波。问题是,给定爆源条件,如何预报冲击的传播、衰减和空腔直径变化的规律。问题的特点是在近壁处和产生冲击波的初期,岩石所受的压力远比它的强度大。前人对岩石在高压下力学性质的研究表明,脆性的岩石在高压下可以发生塑性变形。据此,郑哲敏提出了流体弹塑性模型。该本构模型的基本特点是在很高的压力下岩石表现为可压缩流体,压力低时表现为弹塑性或弹性体,在中间压力下则兼有两者的性质。岩石的剪切流动应力随压力的增加也有所增加,但当压力高到一定值时,剪切流动应力便趋于饱和;这时的剪应力远比压力小,可以忽略不计,于是岩石变成了可压缩流体。由郑哲敏和解伯民建议的基本模型为有关部门所采纳。于是郑哲敏等以它为基础,以国外发表的地下核爆炸观测数据为范例进行数值模拟,结果与观测数据基本相符。这些成果连同所建议的克服振动的措施遂为委托部门所认同并采纳。

2.破甲规律研究

1972年,郑哲敏转向穿、破甲规律的研究。破甲弹侵彻装甲板的能力来源于它所产生的高速射流。理想不可压缩流体力学理论不能解释材料的强度对射流和侵彻深度的影响。因此材料强度的作用成为郑哲敏研究的核心。靶场试验观察表明,射流的温度很高,侵彻过程中孔底的温度也很高。

郑哲敏研究了温度和压力对靶板强度的影响,提出了对射流侵彻速度公式的修正。他研究了自由射流断裂的现象,指出高速段和低速段射流拉断的机理不同,前者是空气动力造成的,后者是属于塑性拉伸失稳。郑哲敏分别给出了自由射流高速和低速段发生断裂的时空关系的解析公式。解析结果与实验结果高度一致。在实际的破甲弹侵彻问题中,高速段射流通常早在发生断裂之前便已接触靶板,因而它的断裂可以不考虑。低速段发生得迟,发生时射流正在弹孔中飞行。由于它一经断裂便失去维持其稳定的拉力,因而它的飞行轨道极易受孔壁的干扰。因而低速段射流的断裂是影响破甲弹侵彻能力的十分重要的因素。实验表明,高速段的侵彻速度仅取决于靶板的密度和射流的速度与密度,靶板的强度几乎没有作用。一旦射流发生断裂,它便迅速失去侵彻能力。郑哲敏用靶板高温裂解和裂解产物在弹孔中的横向回弹对断裂射流的干涉,对这个现象做了定量解释。

3.金属板爆炸复合界面波的形成机理

金属板爆炸复合的界面呈波纹状,适度的波纹可以增强界面的结合强度。用爆炸复合工艺参数和材料的强度,估计相应的折合应力可以发现材料的固体性质是不能完全忽略的。因此,这属于流体弹塑性问题。郑哲敏设计了实验,专门对此进行研究,发现折合应力逐渐减少时,相对波长先随着增加,然后又随着减小。他对此提出了一个以表面层失稳为基础的模型,说明相对波长增加的原因。利用统一模型,他还用板材的可压缩性,解释了为什么相对波长又随折合压力下降。


(三)“瓦斯突出”机理等研究

作为工业爆炸安全的一个问题,郑哲敏用量纲分析和量级估算,在对中国煤矿瓦斯突出事件进行定量分析的基础上得出结论,认为瓦斯突出的动力来源于瓦斯中含有的机械能。他提出了预报瓦斯突出的无量纲参数。他和他的研究集体建立了一维瓦斯突出的实验装置。他们的实验和理论计算表明,突出的触发取决于管壁上的摩擦力。瓦斯突出一旦触发,后面的煤体随即破碎,摩擦力大大减少,地压不再起作用,只要煤层中的瓦斯具有足够的量和压力,瓦斯突出便能形成规模。

20世纪80年代中期,郑哲敏和他领导的研究集体发明了应用爆炸方法处理水下海淤软基的新技术,用于构筑堤坝。这项既能节省工时又可降低造价的新技术于1987年通过鉴定,成为交通部的规范,并成功用于连云港大堤等工程的施工。90年代以来在全国沿海一带大范围使用,在沿海的改革开放建设中发挥了重要作用。

1986年在北京举行的国际强动载荷及其效应学术会议上,郑哲敏做了《流体弹塑性动力学若干问题》的大会特邀报告;同时,郑哲敏领导的研究集体在分会上报告了16篇论文,内容覆盖了穿甲与侵彻、爆炸焊接、爆炸成形、高应变率下的材料力学性能等问题,全面展示了他们在爆炸力学方面的研究成果。

郑哲敏为爆炸力学学科的创建和发展做出了一系列开创性的贡献,包括:①薄板在水下爆炸击波作用下的变形理论;②高速射流的准定常侵彻理论、爆炸成形后期的第二次加载理论以及爆破的鼓包运动理论;③反映爆炸和冲击问题中的高速、高压和高温特征以及惯性与强度相互耦合效应的流体弹塑性体模型和多种应用理论;④多种爆炸和冲击的相似律;⑤多种耦合运动的理论,包括两种物体的耦合运动以及同一物体中流体性质和固体性质相互影响的耦合效应的理论;⑥射流拉断、界面波、绝热剪切等理论。

在爆炸力学的理论和应用方面,郑哲敏及其领导的研究集体获得了多项国家和中国科学院的科技奖,包括国家“新产品、新技术、新材料、新工艺”奖一等奖一项(1964),国家自然科学奖二等奖两项(19821993),国家科技进步奖二等奖一项(1990),全国科学大会奖四项(1978),中科院自然科学奖两项(19891992),中科院科技进步奖一等奖一项(1988)。此外,他还获得多项个人荣誉奖,包括1993年度陈嘉庚技术科学奖,1996年度何梁何利科学与技术进步奖。

鉴于其在创建爆炸力学理论及其应用方面的学术成就,19932月,郑哲敏当选为美国工程院外籍院士。当年全世界仅有八名非美科学家获此殊荣。时任中国科学院院长的周光召给郑哲敏的贺信中写到:“您在热弹性力学、水弹性力学、振动及地震工程力学、爆炸力学等方面的研究取得了多方面的成果。您与您的研究集体完成的高能成型工作,开辟了力学与工艺相结合的‘工艺力学’的方向,为爆炸成型工艺在中国的建立和推广做出了贡献;您独立地与国际上同时提出了新的力学模型——流体弹塑性模型,用以统一处理从高压到低压固体的爆炸与高速碰撞问题;您在核爆炸效应方面,比国外更早地提出了描写岩体的‘饱和模型’、‘迟滞模型’,计算了各种因素对核爆效应的影响。您的成就证明您获得这一称号是当之无愧的。” 


——摘选自《20世纪中国知名科学家学术成就概览》,撰写者为郑哲敏先生的学生、中国科学院力学研究所研究员洪友士



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