复杂结构内爆炸冲击波传播的大规模计算方法研究

为研究爆炸冲击波在矿井巷道等复杂地下密闭空间内的传播过程及衰减规律,提出了一种基于数据流的分块续算方法.该方法解决了计算资源的大量浪费问题,实现了大尺寸复杂地下密闭空间内冲击波传播的大规模、高效率、高精度数值模拟.方形坑道内爆过程的数值结果与实验结果基本一致,证明了该计算方法的准确性.标准模型算例全尺寸计算与分块续算数值模拟结果的误差在0.33%以内,且续算方法在给定算例下相比普通全尺寸计算节约了88.68%的计算核时,证明该方法不仅能保证计算过程的准确性,而且还极大地提高了计算效率.同时,对一个包含长方体型工房和圆柱形分叉泄压洞的大尺寸复杂结构内的爆炸问题进行了数值模拟,结果表明:冲击波超压在泄压洞内是以波动衰减的趋势逐渐减小的,且其衰减速度比在自由场的小;T型分流时管道间采用直角交汇或缩小管道直径在一定程度上有利于冲击波超压的衰减.数值模拟结果表明,基于数据流的分块续算方法可用于地下空间等大尺度复杂结构防爆抗爆设计的理论指导.

海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响

为有效表征不同海拔坑道内爆炸冲击波的传播特征,利用非线性显式动力学有限元软件AUTODYN,研究了海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响规律,探讨了高海拔环境对坑道内冲击波传播的影响,基于量纲分析,建立了适用于不同海拔高度典型坑道内冲击波峰值超压的计算模型,并通过数值计算进行了验证。结果表明:随着海拔高度升高,坑道内爆炸冲击波波阵面传播速度与径向的冲击波参数偏差增大,平面波形成距离增加,冲击波峰值超压降低;在0~4000 m范围内,海拔高度每升高1000 m,冲击波冲量降低约0.91%。结合Sachs无量纲修正方法和量纲分析,推导出不同海拔高度冲击波峰值超压的理论分析模型,模型计算结果与数值计算结果的相对偏差不大于10%,能够为高海拔环境下坑道内爆炸冲击波的传播提供理论依据。

近场爆炸下波纹双钢板混凝土组合墙板的损伤破坏及抗爆性能

相对于传统的钢筋混凝土墙板和平面双钢板-混凝土组合墙板(profiled double-skin composite wall,PDSCW),波纹双钢板-混凝土组合墙板(concrete-infilled double steel corrugatedplate wall,CDSCW)具有更高的轴向抗压承载力、更大的侧向抗弯刚度以及良好的抗冲击和抗震性能,在船舶和军事领域有广阔的应用前景。制作2种CDSCW试件,通过近场爆炸试验对比分析了2种试件的损伤模式及动态响应;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了CDSCW和PDSCW的有限元模型,研究了近场爆炸下2种混凝土组合墙板的损伤机理和爆炸响应,并与试验结果进行对比分析;分析了混凝土厚度、钢板厚度、药量对CDSCW抗爆性能的影响。结果表明:近场爆炸作用下,相较于PDSCW,相同混凝土方量和尺寸(长、宽)的CDSCW具有更大的抗弯刚度、更强的抗变形能力以及更优的抗爆性能;增加波纹深度能有效提高CDSCW的抗爆性能,可为抗爆构件设计和相关工程研究提供参考。

基于BP神经网络的水中双爆源爆炸冲击波峰值压力预测模型研究

为了获得水中等质量两爆源同步爆炸时冲击波耦合中心的峰值压力计算模型,利用Autodyn计算得到不同药量和爆距下的峰值压力数据.一方面根据量纲分析确定的函数形式拟合数据从而获得峰值压力的计算公式;另一方面对药量、爆距及峰值压力三类数据进行对数变换和归一化,并将其分为训练集和测试集,然后将训练集代入BP神经网络进行训练,得到结构相对简单、均方误差最小的BP神经网络预测模型.结果表明:公式计算结果和BP神经网络模型计算得到的峰值压力与实际值吻合较好,公式计算值与实际值的平均相对误差为1.08%,BP神经网络预测值与实际值的平均相对误差为0.52%,与公式计算相比,BP神经网络能够以更少的数据样本容量实现更高的精度预测.

长直坑道内爆炸冲击波相似规律研究

通过长直坑道内炸药爆炸后冲击波的超压峰值变化研究坑道内爆炸冲击波的相似规律。使用AUTODYN软件建立长直坑道仿真模型,采用映射方法将3.25 kg当量的球形TNT炸药在空气中的爆炸状态映射到长直坑道中,采用经典试验结果对模型进行验证。根据几何相似原理,通过改变坑道尺寸、坑道截面形状、炸点位置和炸药当量建立多组不同的模型,模拟计算得到坑道内爆炸冲击波的超压峰值,分析超压峰值的相似规律。结果表明,保持坑道截面积不变、改变截面形状及保持爆心距与炸药当量的比值不变、改变炸药当量,各模型计算得到的冲击波超压峰值具有相似规律。采用本文方法可对其他满足几何相似原理的坑道内爆炸冲击波参数进行预测,为地下空间设施的安全设计提供参考。

出口直径对脉冲爆震清灰装置外场压力作用特性的影响研究

脉冲爆震清灰技术是一种利用爆震波解耦产生的冲击波清除积灰的高效清洁技术,在炉内清洁领域具有巨大优势。为探究爆震清灰装置外场压力作用特性及装置出口直径对其压力作用特性的影响,以丙烷-空气为燃料,针对某型脉冲爆震清灰装置开展数值仿真与试验研究。结果表明:随着传播距离的增加,边缘处的弧状冲击波存在转变为平面波的趋势,冲击波的作用压力峰值趋于相近,且作用压力峰值的到达时间也趋于相近。当外场冲击波作用于非对流管束积灰面时,除爆震室轴线正对处发生正反射而产生一道压力峰值外,其余位置主要因发生斜反射而产生2道压力峰值。尾段出口直径与爆震室直径比值(直径比)为1时外场冲击波作用压力峰值最大,出口直径的增加或减小均会不同程度地削弱外场冲击波的压力峰值,直径比小于1的结构对外场冲击波的削弱效果最为显著,直径比大于1的结构削弱效果较次之;在直径比小于1时冲击波作用压力峰值随直径比增大而增大,当直径比大于1时冲击波作用压力峰值随直径比增大而减小。

水下爆炸冲击波和气泡行为自由面效应的实验研究

为研究自由面对水下爆炸冲击波、气泡行为和由气泡与自由面强耦合作用形成水幕的影响,设计了小当量PETN球形装药近水面水下爆炸实验系统,开展了5种典型工况水下爆炸实验,采用高速相机和压力传感器分别获取了气泡和水幕形态演变过程、水中测点压力时间历程。根据冲击波、气泡时序特征分别分析了其自由面效应,冲击波主要变现为截断效应,气泡与自由面相互作用表现为复杂的气泡形态演化和水幕生成及演化,通过高速图像结合压力时间历程分析,进一步从气泡水平半径、中心偏移位移和水幕最大高度定量分析气泡自由面效应。结果表明:随着爆深的减小,水面反射波程差减小,自由面对冲击波的截断效应增强,即冲击波正压作用时间减小,实测截断时间差与计算时间差的最大偏差为6.81%;随着比例爆深减小,自由面效应加剧,气泡和水幕形态趋于复杂化;气泡由球形演变为卵形以及更加复杂的形态,水幕由单一的水冢,逐渐转变为水冢-顶端飞溅水柱、水冢-垂直喷射水柱-水射流等复杂形态;气泡水平半径从第2个脉动周期不再保持脉动特征过渡到第1个脉动周期,甚至到第1次气泡膨胀阶段;气泡水平半径中心偏移位移呈现出两段式变化规律,在前期偏移位移快速增加阶段(偏移位移范围0~20 mm),4种比例爆深偏移位移呈现出近似线性变化规律,线性系数相近。

基于动爆冲击波演化规律的超压计算模型

为建立动爆冲击波超压的工程计算模型,开展了球形装药动爆试验和数值模拟研究,获取了动爆冲击波场演化历程图像,定量分析了装药速度对冲击波波阵面传播速度的影响。结果表明:在装药速度影响下爆轰产物各向膨胀速度不再相同,爆轰产物膨胀速度的变化使得冲击波强度和空间位置分布发生了相应的变化,正向冲击波强度更高,更早与爆轰产物相分离。在静爆冲击波演化模型的基础上,通过引入含有角度和传播时间的修正因子,建立了静动爆关联的球形装药动爆冲击波超压计算模型。采用该模型计算得到的不同速度、不同药量球形装药冲击波压力与试验结果吻合较好,模型具有一定普适性。

近壁面深水爆炸气泡射流演化特性的研究

近壁面气泡载荷是水中战斗部对障碍物毁伤作用的重要载荷之一。以近壁面深水爆炸气泡脉动及射流载荷特征问题为中心,开展了模拟300 m水深环境下的爆炸实验。通过高速摄影仪得到了气泡射流的演化过程;利用Autodyn轴对称模型对气泡射流的演化过程进行了计算,分析了比例距离对气泡脉动周期、射流演化形成时刻及射流强度特征的影响;探讨了壁面近场范围内的压力特征,总结得到射流载荷的演化规律。可为深水环境下水中战斗部对障碍物的毁伤效应研究提供理论参考。

基于两端起爆的近地冲击波超压增益机制研究

两端起爆能够改变装药爆炸能量输出结构,增强装药爆炸近地冲击波超压威力。探明两端起爆对近地冲击波超压的增益机制,对提升装药能量利用效率具有指导作用。研究建立了大场域冲击波威力仿真模型,计算分析装药内部爆轰波叠加前后压力变化,研究两端起爆的近地冲击波威力场特征。在多种长径比工况下,观测冲击波威力场特征演化,解析装药两端起爆对近地超压威力场的增益机制。开展20 kg级不同长径比静爆试验,验证两端起爆对近地超压的增益机制。研究发现:两端起爆装药内两爆轰波相撞,形成了两道轴向反射波和一道径向强冲击波,冲击波威力场在二者影响下形成了双反射波系结构,相较一端起爆,双反射波系对近地冲击波超压有显著增益。仿真计算与试验结果表明,装药长径比3.5时,两端起爆对近地冲击波超压增益达到最优。

不同长径比柱形炸药水下爆炸气泡动力学行为特性

采用实验与数值模拟相结合的方法,研究了不同长径比的柱形装药在固支方板下爆炸气泡动力学行为;对质量2.5g、长径比分别为1∶1和2∶1的TNT炸药进行了水中固支方板下的爆炸实验,利用高速摄影记录爆炸气泡演化图像;使用ABAQUS软件对长径比为5∶1、10∶1、20∶1的柱形装药,在竖直与水平设置条件下的水下爆炸气泡演化过程进行了数值模拟。结果表明,炸药长径比为1∶1和2∶1时,爆炸气泡演化现象无明显差别。当药柱竖直放置时,由于炸药长径比不同导致的爆炸气泡初始形态差异,会在气泡演化过程中迅速消弭;但长径比与起爆位置都对射流速度有不同程度的影响;当药柱水平放置时,起爆点位置会影响气泡的对称性和水射流形态;药柱端部起爆时,气泡膨胀过程的形态略微不对称,水射流向起爆点方向偏移;炸药长径比越大爆炸水射流在气泡内部越宽,并且水射流的载荷越小;药柱中心起爆时,爆炸气泡产生竖直向上的水射流,不发生偏移。

基于CEL法的破损边界附近气泡动力学特性研究

为研究船舶受到水下爆炸冲击波打击后遭受气泡二次冲击,对船体产生破损甚至折断这一类问题,气泡与破损边界的相互作用机理。将破舱壁面简化为具有圆形破口的弹性壁面,基于耦合欧拉-拉格朗日法建立了破损边界附近水下爆炸气泡动力学模型,将数值结果与模型试验结果进行对比,验证了所建立方法的有效性。在此基础上,研究了气泡射流、气泡体积、脉动周期,以及气泡对壁面冲击损伤的影响,探明了不同破口参数下气泡的脉动规律和射流穿透破口、撕裂等特征规律。为高能武器的研发和舰船破损后安全防护提供理论和技术支撑。

CO_(2)-多孔材料协同抑制甲烷爆炸特性

为探究CO_(2)协同多孔材料对甲烷爆炸特性的影响,自主设计了100 mm×100 mm×1 000 mm爆炸管道并搭建实验平台,研究不同多孔材料孔隙度及CO_(2)喷气压力对甲烷爆炸火焰结构、火焰传播速度和爆炸超压的影响。结果表明:多孔材料对火焰波有衰减和促进2种效果,当多孔材料孔隙度为10和20 PPI时,未能成功阻爆,而当孔隙度为40 PPI时,阻爆效果明显;CO_(2)喷气压力有一定的阻爆效果,当多孔材料为10和20 PPI时,随着CO_(2)喷气压力的升高,火焰速度峰值逐渐减小,衰减率最大可达13.64%,且爆炸超压峰值也随之下降,其衰减率最大可达52.83%。综合火焰速度和压力变化分析可知,当多孔材料的孔隙度为40 PPI、CO_(2)喷气压力为0.4 MPa时,阻抑爆效果最显著。

海拔高度对化爆冲击波压力分布规律影响分析

海拔高度会引起空气密度及气压的变化,直接影响冲击波压力在空气介质中的传播分布规律。该项研究采用AUTODYN建立了0、1 000、2 000、3 000、4 500 m等5种海拔高度下爆炸冲击波压力传播规律的有限元数值仿真模型,开展了等效TNT当量为10、30、50 kg工况下的数值仿真分析,并对获取的冲击波压力分布规律进行了分析。分析结果表明:海拔高度对冲击波压力具有显著的影响作用,具体表现为在同一等效TNT当量下,随海拔高度的增加,冲击波超压峰值、比冲量都逐渐减小,峰值到达时刻随测点距离增大逐渐提前;并且随等效TNT当量的增加,爆炸冲击波压力峰值和比冲量都逐渐增大,峰值到达时间逐步提前。数值仿真结果与试验结果具有较高的吻合度,该项研究揭示了海拔高度对爆炸冲击波传播分布规律的影响作用,为实际工程测试提供了理论支撑。

水下爆炸冲击波反射压力计算方法的改进

重力坝是一类常见大型混凝土水工建筑。为探寻适用于其近区水下爆炸冲击波反射压力的计算方法,利用冲击波阵面上的质量、动量和能量3个守恒基本关系式,以及凝聚介质状态方程,严格推导出物理内涵明晰的刚性壁面水下爆炸冲击波反射压力计算方法。通过连续介质中冲击波速与粒子速度之间的关系,给出其中水的状态参数k的确定方法,揭示状态参数k随入射冲击波压力呈双指数衰减规律,发现入射压力在725 MPa以上时,k值的变化对冲击波反射压力计算结果有着重大影响。通过与Cole[12]、Henrych[14]和罗泽立等[15]提出的计算方法及数值仿真进行对比验证分析,结果表明:新提出的计算方法具有适用范围更广、计算精度更高的特点,且首次从理论上揭示水下爆炸冲击波反射压力系数范围为2.00~4.49。

不同底质条件下近海底爆炸冲击波载荷特性研究

近海底爆炸冲击波会对海底光缆、海底管道等设施造成严重的破坏,不同底质条件的冲击阻抗会影响冲击波的时空演化规律,因此,研究不同底质条件下近海底爆炸冲击波载荷具有重要的意义。基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立近海底爆炸模型,探究海底底质对近海底爆炸冲击波载荷的影响,结果显示:测点角度在20°~50°范围内时,海底底质材料会显著影响冲击波峰值压力,近海底反射的影响随爆距比的增加而增强,当测点角度超出该范围时,该现象逐渐消失;海底底质影响范围不随底质的变化而变化,但是在不同底质条件下,受影响区域的反射系数截然不同,当海底底质较软时,海底底质影响区域内的冲击波反射系数在0.81~1.05之间,当海底底质为刚壁时,海底底质影响区域内的冲击波反射系数在0.98~1.33之间;水深不会导致冲击波峰值压力发生显著变化。

H型巷道内采用不同布置方式的双爆源瓦斯爆炸传播特性

为探究复杂巷道内多爆源瓦斯爆炸传播特性及热冲击动力学机制,运用计算流体力学软件Fluent,以H型巷道为模型,在巷道内设置同侧、相对、对角3种双爆源布置方式。研究发现:巷道内的2处爆源同时起爆后,前驱冲击波沿巷道未燃区传播,当两股冲击波相遇时,压力叠加,冲量抵消,在压力叠加区火焰传播受阻,导致火焰传播速度放缓甚至反向;相较于单爆源爆炸,双爆源工况中导致巷道内特定区域如联络巷、岔口中心及其边壁的压力更高;同侧和对角布置工况下的压力极值区出现在巷道封闭端,相对布置工况下的压力极值区出现在分岔口中心处。

水下接触爆炸作用下金属/CFRP复合层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料(carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)具有优异的抗爆性能,逐渐被应用于舰船结构的抗爆抗冲击设计中。为了探究水下接触爆炸作用下金属/CFRP复合层合板的防护性能,基于任意拉格朗日-欧拉方法,建立了水下接触爆炸对金属/CFRP复合层合板毁伤的流固耦合数值模型,分析了层合板在承受水下爆炸载荷后的变形和吸能特点,比较了不同铺层方式对结构抗爆性能的影响,结果显示,钢/CFRP/钢结构的抗爆性能较优。针对钢/CFRP/钢结构,探究了CFRP的厚度对吸能效果的影响,并进行了厚度优化,得到了较优的厚度比,即1.1∶4.0∶1.1。

基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究

采用霍普金森杆测量系统对气泡载荷进行测量。根据应力应变对应关系,对霍普金森杆测量原理进行表述,其为通过测量HPB上应变推算得到杆端部应力;对HPB测量系统组成进行说明,分析HPB材料、尺寸选取方法,给出应变测量信号与壁压信号间换算关系;采用高速摄影、压力传感器测量系统、霍普金森杆测量系统在实验室条件下对气泡载荷进行测量,分析比对测量结果。结果表明,高速摄影与HPB测量系统获取的气泡峰压时间、气泡脉动周期基本一致;无量纲爆距大于0.33时,压力传感器和HPB测量结果获取的物面载荷数据基本相同;近距离实验时,HPB测量系统抗电磁干扰能力更强。通过实验比对分析,验证了霍普金森杆测量系统的有效性及准确性。

低温和低压环境下炸药爆炸冲击波的传播特性

针对高海拔或高空的低温、低压环境对炸药爆炸冲击波传播的影响,利用量纲分析理论和AUTODYN有限元软件,研究了低温、低压及海拔高度对炸药爆炸冲击波参量(峰值超压、比冲量和波阵面运动轨迹)的影响规律,建立了相应的计算公式,并通过数值模拟和实验数据进行了对比验证。结果表明,该计算公式可以有效预测低温和低压环境下炸药爆炸冲击波参量。环境压力降低,爆炸冲击波峰值超压和爆炸远场(比例距离Z>0.2 m/kg^(1/3))比冲量减小,冲击波传播速度增大。环境温度降低,冲击波比冲量增大,传播速度降低,峰值超压影响不大。海拔高度在0~9000 m范围内,每升高1000 m冲击波峰值超压和爆炸远场比冲量分别平均降低约3.9%和3.2%。海拔升高,爆炸近场冲击波传播速度升高,爆炸远场冲击波传播速度则降低。高海拔环境下低压对冲击波峰值超压和比冲量的影响大于低温,爆炸近场冲击波传播速度取决于低压的影响,爆炸远场冲击波传播速度取决于低温的影响。