爆炸载荷作用下高强度混凝土毁伤效应的数值模拟及实验研究

高强度混凝土靶板在爆炸载荷作用下的毁伤效应极其复杂,针对爆炸载荷作用下高强度混凝土靶板的破坏问题设计了相应的实验,并采用自主构建的有虚拟流体欧拉-拉格朗日双向流固耦合算法(GEL)对实验结果进行了验证与分析,深入探讨了不同装药模式、装药量、混凝土靶板强度和炸高等对毁伤结果的影响规律,总结了外爆载荷与内爆载荷作用机理的差异,揭示了高强度混凝土在爆炸载荷作用下的毁伤机理,具有很高的理论研究意义和实际应用价值.结果表明,对于外爆工况,600 g装药3种强度下的爆坑深度比300 g装药下提升了11.85%,8.82%和7.71%,而爆坑直径分别提升了15.71%,8.51%和7.51%,说明随着混凝土强度的提升,爆坑深度和爆坑直径随装药量增大而提升的量逐渐减小,且对于各强度混凝土靶板,爆坑直径随装药量增大而提升的量要大于爆坑深度提升的量.当炸高分别为0,5和10 cm时,爆炸冲击波传播到混凝土靶板中心位置时的压力峰值分别为16.08,1.33和0.30 GPa,表明随着炸高的增大,混凝土靶板爆坑深度和直径都随之减小,越靠近混凝土靶板,爆坑深度和爆坑直径的降低量越小,冲击波随着传播距离的增加呈指数级衰减,这也是导致不同炸高条件下漏斗坑破坏存在差异的主要原因.对于内爆载荷,炸药起爆之后,巨大的爆炸冲击波能量无法及时排解到空气中,冲击波传播受到了严重阻碍,导致在混凝土内壁空气的压力和密度急速升高.以C120高强度混凝土靶板为例,60 g炸药作用下的混凝土靶板爆炸漏斗坑模拟深度和直径分别比30 g炸药下提升了13.38%和77.73%,说明提升装药量对靶板横向破坏影响较大.以30 g炸药内爆工况为例,C120高强度混凝土比C40普通混凝土的爆坑深度减少13.14%,C160高强度混凝土比C120高强度混凝土的爆坑深度减少2.20%,而爆坑直径的减少程度分别为54.43%和21.77%,说明高强度混凝土比普通混凝土具有更强的抗爆能力.与外爆条件的破坏模式略有不同,内爆作用下混凝土靶板的横向破坏模式比较明显.

基于PIV实验研究带破口双层圆柱结构附近气泡的动力学特性

近场水下爆炸冲击波破坏双壳体潜艇外壳结构后,后续的气泡脉动和射流载荷会对潜艇的内壳体继续造成严重毁伤,因此研究破口附近的气泡脉动和气泡载荷特性具有重要意义。基于受冲击波毁伤后的双壳体潜艇结构,制作预制圆形破口的双层圆柱结构模型,将电火花装置作为气泡发生源,开展了不同爆距参数(爆距与气泡的最大直径之比)和不同破口参数(破口直径与气泡的最大直径之比)条件下气泡与带破口双层圆柱结构的相互作用实验。通过高速摄影机捕捉气泡在双层圆柱结构附近的脉动和射流形成过程,采用粒子图像测速技术对爆炸流场速度进行测试,得到气泡溃灭后产生的水射流速度,同时采用压力传感器测量内层圆柱壳壁面处的压力载荷。实验结果表明:爆距参数决定了内板壁面所受压力的载荷形式、气泡溃灭后是否产生有效射流以及产生的射流速度;当爆距参数在一定范围内时,破口参数影响气泡的脉动以及气泡溃灭后产生的水射流方向。

抗爆容器的内部爆炸效应和动态力学行为研究进展

抗爆容器在内部炸药爆炸作用下的研究与应用是涉及含能材料、爆炸与冲击动力学、振动力学的多学科交叉问题。抗爆容器的内部爆炸效应与动态力学行为研究是提升装备抗爆性能的重要基础,其中的应变增长、反直观等行为与机理是具有重要科学价值的研究问题。本研究从抗爆容器的内部爆炸载荷特性与效应、金属抗爆容器的动力学响应机理、抗爆容器的复杂工况、温压炸药和破片战斗部的爆炸效应、复合材料抗爆容器等五个方面综述了相关研究进展和关键科学发现。分析指出只有在建立有效的力学分析模型和充分揭示结构动力学响应机理的基础上,才能有效指导复杂工况下的爆炸毁伤效应评估和防护结构分析设计。针对高能毁伤炸药和高性能防护材料带来的挑战和机遇,提出了爆炸毁伤与安全防护研究的重要方向和发展趋势。

基于慢烤实验的混合炸药热传导系数计算方法

热传导系数作为炸药的重要热力学参数,显著影响炸药装药的点火响应特性。在未开展炸药热传导系数测定实验的情况下,为了快速有效确定一种新型炸药热传导系数,针对典型圆柱段装药结构,建立了轴对称热传导理论模型,获得混合炸药热传导方程的稳态解析解,提出了基于慢烤实验数据的混合炸药热传导系数计算方法。确定了新型不敏感炸药GOL-1(HMX/Al/AP/Binder)的热传导系数,典型烤燃条件下小尺寸装药结构点火响应数值模拟计算结果显示:不同加热速率下装药中心温升曲线计算结果与实验结果均吻合较好,点火时刻装药中心位置温度和点火时间的计算结果与实验偏差最大为2.27%和1.12%,表明GOL-1炸药热传导系数的有效性及数值模拟方法的可行性。建立的热传导计算方法揭示了慢烤装药温度-时间曲线中包含的炸药导热特性及规律,相比体积加权方法和串/并联导热模型方法更适用于计算混合炸药热传导系数,在缺少新型炸药热传导系数测定实验数据的情况下,不失为一种有效的确定方法,为弹药热安全性设计与评估提供了炸药基础参数,推动安全弹药数字化设计与量化评估发展。

爆炸冲击波作用于生物体损伤的数值仿真研究进展

立足于爆炸冲击波作用下生物体损伤高精度数值仿真与准确评价的需求,对爆炸冲击损伤数值仿真算法、力学本构模型与参数确定、以及不同部位损伤表征力学参量3个方面的研究现状进行了综述,结合相关现状,分析了影响现有损伤评价精度的主要因素:①现有适用于描述爆炸冲击生物体损伤的本构模型理论发展尚不完善,需构建考虑塑性、损伤、率相关等非线性效应的力学模型,且同步发展生物体动态试验模型参数确定方法;②现有生物体损伤表征量尚未统一,需关注数值仿真结果分析与实验结果对比研究,确定影响生物体不同器官损伤的主要力学参量,获取精确的损伤阈值;③与自由场爆炸相比,密闭空间爆炸冲击波传播情况更为复杂,需进一步发展密闭空间爆炸生物体损伤高精度仿真方法并揭示相关损伤机制。

基于THUMS模型的人员胸部爆炸冲击波致伤机理

为获得爆炸冲击波下人员胸部损伤机理,借助高保真数字假人模型(Total Human Model for Safety,THUMS),使用Load_Blast_Enhanced方法与任意拉格朗日欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)方法构建了人体-爆炸流场数值模型,对爆炸冲击波下人体胸部的损伤情况开展数值计算,结合爆炸事故验证模型的有效性;基于冲击波峰值超压准则和Axelsson损伤模型判别6个工况下人员伤情等级,发现仅在TNT当量1500 g、爆距4 m时人员有轻伤风险。基于皮肤、骨骼、心肺的动态响应细致分析人员各组织器官的损伤类型,揭示了人员轻伤时的损伤模式及爆炸冲击波的致伤机理,研究结果可为爆炸致伤人员损伤评估的研究及相关防护装备的设计提供参考。

天然气爆炸载荷作用下钢筋混凝土板毁伤试验研究

为研究天然气爆炸压力积聚作用下钢筋混凝土板的毁伤规律,搭建9.8 m^(3)半地下式气体爆炸加载装置,对两种厚度(80 mm、100 mm)、3种强度(C30、C40、C50)的钢筋混凝土板进行当量甲烷爆炸加载下的毁伤试验研究,获得爆炸空间中准静态压力、钢筋混凝土板面外位移、等效应变等分布特征。研究结果表明:封闭空间中,爆炸压力积聚与板体开裂泄压作用下,爆炸准静态压力出现振荡特征;等效应变与裂纹特征一致,呈对称Y型分布,且等效应变具有明显的双峰和三峰特征;两种厚度的钢混板具有显著不同的破坏模式,80 mm厚度时钢筋结构保持完整,混凝土破裂飞散,发生局部混凝土冲切破坏,100 mm时在固接处发生断裂,混凝土板整体抛出,产生大面积钢筋混凝土复合体冲切破坏。

战斗部跌落安全性研究及对水雷战斗部的启示

战斗部的跌落安全性涉及炸药配方、装药工艺、战斗部设计和服役环境等多方面。文中全面、充分地梳理了常规武器弹药战斗部跌落安全相关的文献资料,从典型炸药撞击感度研究、典型炸药动态力学性能研究、战斗部装药跌落撞击非冲击点火理论研究、战斗部跌落试验与仿真研究以及战斗部跌落安全性评估方法与标准等5个方面对战斗部跌落安全性现状进行系统性剖析,并提出了对水雷战斗部跌落安全性研究的若干建议。文中的分析结果可为水雷武器战斗部跌落安全性研究提供借鉴和参考。

固废基应变率材料研发及个体防护领域应用

生产安全事故(如火灾爆炸)偶有发生,传统抗冲击抢险救援防护服采用柔性织物材料,其防护效能较差,变形较大限制其广泛应用。通过对工业固体废弃物进行改性及表面嫁接官能团,制备绿色剪切增稠功能化新型防弹复合材料能够有效增强其防护,本文研究采用普通污水污泥颗粒、高温碱改性污泥颗粒等工业固体废弃物,进行表面惰化改性作为剪切增稠分散相调控绿色剪切增稠液,为更好实现分散相颗粒的接枝负载,将芳纶织物(AF)进行表面接枝改性处理,通过将固废基改性剪切增稠液与改性AF织物结合测试防弹性能。研究结果表明:由于固废基其表面增加惰化官能团,具有更显著的剪切增稠效应;纱线拔出试验表明拉伸力提升了2.8倍,具有更好的摩擦性能;弹道试验表明固废基剪切增稠液浸渍后可将弹道极限速度(V 50)从52 m/s提高到98 m/s。颗粒掺杂增强了纱线之间的摩擦,增加了织物的承载面积。研究结果可为高性能软体防护装备的设计提供参考,有助于固体废物资源化和高值化利用,为解决传统防护服防护效能不足的问题提供新的解决方案。

内爆炸载荷下双向波纹夹芯管的动力响应及抗爆性能预测

受孔雀螳螂虾前鄂抗冲击区结构启发,设计并制备了双向波纹夹芯管结构,采用实验和数值模拟相结合的方法研究了其在内爆炸载荷下的动态响应及能量吸收机制。实验获得了结构的外管中点最大挠度和3种典型变形模式:局部塑性变形、塑性大变形以及撕裂破坏。内外管中点最大挠度和结构最终变形模态的数值模拟结果与实验结果吻合较好。通过数值模拟研究了芯层波纹数、内外管壁厚以及炸药质量对外管中点最大挠度和能量吸收特性的影响,结果表明:随着波纹数增大,结构比吸能先增大后减小;增大内管壁厚和减小外管壁厚能有效地提高结构的抗爆性能,当结构内管壁厚为2.5 mm、外管壁厚为1.5 mm时,相比于内管壁厚为1.5 mm、外管壁厚为2.5 mm时,外管中点最大挠度降低了67.6%,质量降低了6.0%;随着TNT当量的增加,内管吸收的能量占比逐渐下降,而芯层和外管吸收的能量占比增加。建立了BP(back propagation)神经网络模型、PSO-BP(particle swarm optimization-back propagation)神经网络模型以及响应面分析模型,分别对结构的比吸能与外管中点最大挠度进行预测,优化了所提出的结构。

排爆服对冲击波和破片联合毁伤效应的防护性能试验研究

冲击波和破片是炸药爆炸过程中产生的典型致命毁伤元素,对活体生物直接造成损伤危害。在研究已有爆炸冲击波和高速破片评估测试方法的基础上,开展了多种环境下不同TNT药量爆炸毁伤威力评估试验,研究不同当量爆炸物对等比人体模型/活体生物的毁伤效应规律,得到了室内、室外两种环境下爆炸冲击波超压和高速破片飞散情况,评估了典型排爆服对活体生物的防护性能。

不同荷电状态磷酸铁锂电池热失控温度与产气特性分析

新能源产业的飞速发展使磷酸铁锂电池广泛应用于储能领域。磷酸铁锂电池电解液固有的可燃性使其热稳定性和安全性问题不容忽视。为了更好地防控储能电站的爆炸事故,有必要开展储能电池的热失控过程研究,并对产气过程和产气组分的危害性进行深入分析。开展了不同荷电状态(State of Charge, SOC)60 Ah磷酸铁锂电池热失控试验,根据电池温度演变曲线,将电池热失控过程分成三个阶段;依据电池产气曲线,将电池产气过程分为四个阶段;使用FLACS软件建模对预混气体进行了爆炸仿真,探索了SOC对可燃气体燃爆行为的影响规律,混合可燃气体的爆炸上下限和爆炸超压随着SOC的增大而增大。研究成果对储能电站的安全防护具有理论指导意义。

异伍兹烷衍生物高温热分解规律分子动力学模拟

异伍兹烷衍生物是当前最具潜力的笼形含能化合物之一,为了系统研究异伍兹烷衍生物的高温热分解规律,明确其爆轰机理,研究采用ReaxFF-lg反应性力场和分子动力学方法,对3种典型异伍兹烷衍生物ε-六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-CL-20)、4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环十二烷(TEX)和4,10-二叠氮甲基-2,6,8,12-四硝基六氮杂异伍兹烷(BATNIW)进行高温(1500~3500 K)热分解研究。结果表明,脱硝基和开环是3种衍生物的主要初始反应,其中开环反应集中在五元环C—N键或C—O键。不同温度下热分解终产物中CO_(2)和H_(2)含量差异较大,3000 K以上N_(2)含量接近。3种衍生物中,BATNIW热分解生成N_(2)速度最快、产量最高;TEX热分解易生成团簇,生成特征产物乙二醛。3种衍生物热分解活化能排序为TEX>BATNIW>ε-CL-20,说明TEX稳定性最好。研究初步揭示了3种异伍兹烷衍生物分子结构与热分解规律的内在联系。

炸药爆轰环境中铝粉非等温燃烧模型

为研究铝粉在爆轰环境中的燃烧特性,基于爆轰环境中铝粉燃烧模型,综合考虑了爆轰产物气体组分和爆轰环境体系温度对铝粉燃烧释能过程的影响,建立了爆轰环境中铝粉非等温燃烧模型,提出了包括铝粉燃烧过程、爆轰产物气体组分和爆轰环境体系温度在内的爆轰环境铝粉非等温燃烧控制方程,并通过激光诱导击穿光谱实验进行了验证。结果表明,铝粉非等温燃烧模型控制方程的计算值与激光诱导击穿光谱实验值的偏差在12%以内,验证了理论模型计算的准确性,获得了铝粉粒度和铝氧比对炸药中铝粉燃烧特性的影响规律。

B/KNO_(3)点火药装药的烤燃特性研究

为研究B/KNO_(3)点火药的热安全性,建立多点测温烤燃实验装置,对不同升温速率、不同装药密度条件下的B/KNO_(3)点火药装药进行多点测温烤燃实验,以获得点火药装药发生点火的准确时间与烤燃过程中不同监测点的温度历程。建立B/KNO_(3)点火药装药烤燃实验的数值计算模型并进行了数值模拟,计算中考虑了点火药的自热分解反应与相变吸热。通过与实验结果的对比,标定B/KNO_(3)点火药装药的热物性参数和反应动力学参数。研究结果表明:B/KNO_(3)点火药的指前因子为7.763×10^(13)s^(-1),活化能为2.0787×10^(5)J/mol;在点火药装药的烤燃过程中,随着升温速率的减小,点火延期时间逐渐增加,点火区域逐渐向中心移动,点火环境温度逐渐降低;在装药密度变化不太大的情况下,点火药的点火特征差别不大。

飞秒激光作用TATB的大尺寸分子动力学模拟

深入认识炸药在飞秒激光作用下的快速化学反应机制和热力响应特征,是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。采用分子动力学方法,基于ReaxFF/lg反应力场,对不同飞秒激光能量作用于三氨基三硝基苯(TATB)炸药的过程进行亚微米级大尺寸反应分子动力学模拟,考虑炸药对飞秒激光的非线性吸收过程,分析炸药烧蚀去除机制、产物演化和热力响应规律。计算结果表明:不同强度的飞秒激光对TATB的烧蚀去除机制不同,当激光强度为6.79×10^(17) W/m^(2)时,TATB发生等离子体烧蚀,产物以小分子或等离子体为主;当激光强度为3.39×10^(17) W/m^(2)时,TATB发生不完全反应,产物以大分子或团簇为主;当激光强度为1.69×10^(17) W/m^(2)时,TATB发生光机械烧蚀,以完整分子形式被剥离去除;激光强度越高,烧蚀产物的温度和粒子速度越高,对烧蚀区周围的热力响应越严重,有引发点火的风险。

RP-3航空煤油油气燃烧特性试验研究

在20 L球形密闭罐内开展RP-3航空煤油油气燃烧试验,测定初始温度400 K、初始压力40~140 kPa、当量比0.7~1.5下RP-3航空煤油油气的火焰传播特性,分析了初始压力及当量比对火焰传播的影响,同时以点火位置为变量研究了火焰发展形态特征。结果表明:RP-3航空煤油的无拉伸层流火焰传播速度、拉伸层流火焰传播速度及层流燃烧速度随当量比增加呈先上升后降低趋势,在当量比为1.1时均达到最大值;随着初始压力的增大,三个速度相关的特征参数呈负相关变化;热扩散不稳定性及浮力不稳定性加剧了火焰面受到的流体动力学不稳定性影响,导致火焰不稳定性增强,在偏离中心点火位置时火焰面上产生了典型的细胞形状结构。

不同释放方式对全氟己酮抑制B类火焰的影响研究

全氟己酮作为一种高效环保的灭火剂,需要依托良好的释放方式才能有效发挥其灭火性能。为了检验不同释放方式下全氟己酮的灭火效能,使用20 mL正庚烷油盘火作为火焰模型,分别利用1.2 MPa的氮气和2 g富氮产气物质来推动全氟己酮释放。讨论和比较了全氟己酮在两种释放方式下,对B类火焰的灭火效果、降温能力和作用机理。研究结果表明:施放的压力对全氟己酮灭火效果影响显著。相比于充装氮气的驱动方式,全氟己酮在富氮产气物质产生的高压气流作用下,能充分释放并及时扑灭火灾,在灭火时间、降温效果、火焰抑制上均有优异的表现。机理分析表明,在1.2 MPa的氮气充装驱动下,大部分的全氟己酮在释放过程中尚未与火焰接触便发生了挥发。而全氟己酮在仅2 g富氮产气物质产生的高压气流作用下,能够与火焰燃烧面充分接触,吸热分解并发挥化学抑制作用,快速阻断燃烧反应。

露天台阶爆破设计智能化的探索

基于经验的传统露天台阶爆破设计已不能满足爆破精细化和矿山数字化发展要求,根据新提出单孔破碎负担区拟柱体破碎理论构建了适应精确延时逐孔起爆条件的台阶爆破智能设计系统。该系统将人工智能手段与台阶爆破设计原理结合,实现了三维自动布孔、爆破参数智能选取、逐孔校核药量和爆破地震、飞石及爆堆预测等技术目标,解决了数字矿山中精细爆破设计的核心问题。最后,将该系统应用于西安频山石灰石矿的台阶爆破设计中,有效提高了爆破设计的智能化水平,降低了爆破作业成本、改善了爆破效果,显著提升了矿山的经济和社会效益。

隧道内天然气埋地管道泄漏扩散特征数值模拟

天然气输送管道会经过山区,隧道穿越技术被广泛采用,而隧道内天然气埋地管道由于腐蚀等因素有泄漏的风险。运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件FLUENT模拟研究隧道内天然气埋地管道泄漏后的时空演化规律及管道埋深对泄漏扩散的影响。结果表明:隧道中天然气泄漏后扩散形态由圆形变为放射状,向隧道两端均匀扩散,主要分布在隧道顶部;沿隧道轴向截面,危险范围随时间延长而增加,其增长速度随时间延长而减缓;沿隧道径向截面,天然气体积分数出现明显分层现象;随着管道埋深增加,隧道内的天然气扩散范围减小,且扩散范围减小幅度较大;隧道内不同等级的危险范围都减小,且减小幅度越来越大。研究结果对预防事故发生和应急救援有指导意义。