不同点火方式下HMX基PBX炸药反应演化过程的特征分析

在长管强约束条件下对HMX基PBX炸药点火实验进行了数值模拟,分析了点火方式对炸药反应演化规律的影响,获得了弱冲击点火条件下炸药反应演化过程的特征图像。针对黑火药和雷管2种点火方式,分别构建了PBX炸药黑火药点燃和冲击起爆2类实验的唯象模型和数值模拟方法,通过数值模拟获得了钢管内炸药柱反应演化进程的特征图像,柱壳膨胀历程与实验结果符合较好。研究表明,不同点火方式下炸药反应演化进程存在较大差异。如果使用雷管点火,PBX炸药会在几微秒内发生爆轰反应;而使用黑火药点火,PBX炸药会在数毫秒内从缓慢燃烧转化为剧烈爆炸,但随着壳体破裂解体,管内压力骤降,抑制了反应演化向爆轰转变。黑火药点燃条件下整个反应演化过程可以分为4个主要阶段,其中管壁附近炸药柱表面燃烧传播优先于炸药柱中心基体反应,是弱冲击点火反应演化过程的重要特征之一。

空心弹高速入水机理及特性数值模拟研究

为分析空心弹高速入水的机理及其特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程、VOF(volume of fluid)多相流模型、Realizable k-ε湍流模型,引入Schnerr-Sauer空化模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行数值模拟研究,获得了通孔孔径和头部形状对空心弹的空化特性、空泡形态和入水运动特性的影响规律。研究显示数值计算的空泡形态和入水速度、位移曲线与实验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可行性。结果表明:当通孔孔径不同时,通孔孔径越大,空化现象越明显,通孔射流越长,但对空泡半径的影响不大;通孔孔径越小,空泡闭合时间越早,与水面碰撞产生的阻力系数峰值越高,空心弹入水稳定后其阻力系数也越大;无量纲直径在0.575~0.600之间时,空心弹的运动最为稳定。当头部锥角不同时,头部锥角越大,空泡直径越大,空化现象出现得越晚,但空化生成的速度更快;随着头部锥角的增大,阻力系数变大,空心弹的速度衰减变快,相同时间运动的距离较短;头部锥角越大,俯仰角的变化越小,空心弹的运动越稳定。

循环冲击作用下冻融红砂岩动力学特性与损伤机理

为探索循环动力扰动作用下冻融岩体的强度和变形特性及损伤机理,开展了两种冲击气压下冻融红砂岩的循环冲击试验,研究了循环冲击次数和冻融次数对应力波传播、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响规律;基于Lemaitre应变等效原理,提出了能够综合考虑循环冲击和冻融影响的累积损伤因子的计算方法,分析了冻融和循环冲击作用后红砂岩的微观结构特征。结果表明:循环冲击荷载下不同冻融次数处理后的红砂岩试样均呈拉伸破坏模式;红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融次数呈负相关,冻融75次后试样在首次冲击后即达到破坏状态;循环冲击次数主要影响透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅以及反射波的振幅,而冻融循环次数对第一次冲击时透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大;红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力呈现较好的负相关变化规律;冻融和循环冲击复合作用后红砂岩内部裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络。

小当量近场爆炸冲击下CFRP层合板失效机理及吸能特性

为研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在小当量近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性,对CFRP层合板分别开展了自由场爆炸试验和扫描电镜试验。同时,建立采用3D Hashin失效准则的复合材料层合板损伤模型,针对近场爆炸冲击下CFRP层合板的动响应行为进行了数值模拟,结合试验结果分析了CFRP层合板在近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性。结果表明:CFRP层合板迎爆面与背爆面失效模式存在差异,层合板迎爆面受到冲击波直接作用,出现基体开裂、纤维断裂或中心穿孔失效,分层出现在纤维⁃基体界面;背爆面由于反射拉伸波的作用,出现大面积的分层失效与裂片飞出,分层出现在基体内部。在层合板动响应过程中,高应力区域集中在穿孔区域边界,沿纤维方向分布,0°与90°铺层的应力水平高于±45°铺层。与迎爆面相比,背爆面处的层合板吸收转化大部分能量,约占总吸能的52%~56%。

聚脲涂覆大型钢制储罐抗冲击性能数值仿真

为提高大型钢制储罐抗冲击性能,开展聚脲涂覆大型钢制储罐冲击响应的数值模拟和理论分析研究。基于前期工作已验证的数值模型,建立聚脲涂覆钢罐的有限元模型。数值模拟结果表明:将聚脲涂覆于罐体外表面能有效降低冲击载荷作用下局部塑性变形,在冲击体撞击角度为45°时能避免罐体穿孔破坏;聚脲涂层的主要防护机制为降速和垫层作用;提高喷聚脲涂厚度能增加罐体最大吸能值和面密度吸能值;当涂层厚度为15 mm时罐体不产生穿透破坏,满足英国储罐设计规范要求。根据罐体冲击响应特征和聚脲涂层作用机制,建立预测罐体断裂临界冲击速度的理论公式,能较精确预测涂覆罐的最大吸能值,可为聚脲涂覆钢制储罐抗冲击防护设计提供科学参考依据。

循环冲击下大理岩的损伤力学行为及能量耗散特性

为了研究循环冲击荷载作用下大理岩的动态力学行为和能量耗散特性,首先采用分离式霍普金森压杆,通过试冲法确定出5种代表性的入射子弹速度,据此完成了大理岩试样的等幅循环冲击试验,并对试样的应力均匀性进行了检验。接着,从应变率时程曲线、应力-应变关系、冲击次数和能量耗散特性等方面对测试数据进行了系统分析。最后,基于能量演化定义损伤变量,探讨了能量耗散与岩样损伤发展之间的关联机制。结果表明:试样应变率时程曲线在低弹速下会出现变化率恒定的平台段,应力-应变曲线在峰后阶段均产生一定的回弹;随着循环次数的增加,试样峰值应力总体减小,而峰值应变、平均应变率和累积比能量吸收值则变化趋势相反,且在临近破坏或开裂前其变化速率呈现突增现象;峰值应力与平均应变率存在明显的线性关系,弹性模量随平均应变率的变化整体上符合指数衰减规律;试样的耗散比能与平均应变率之间呈线性正相关,基于能量耗散定义的损伤变量可以较好地表征该大理岩试样动载下的损伤破坏过程。

结构刚塑性动力解的弹性补偿

近年来,我国学者以膜力因子法和饱和分析方法相结合为理论工具,对梁、板等结构件在脉冲载荷作用下的塑性大变形行为作了全面深入的研究,为脉冲加载下结构的最终挠度提供了优于历史上各种刚塑性近似解的最佳刚塑性预测公式。然而,由于实际工程应用中金属结构弹塑性动力响应的复杂性和数值模拟的局限性,与考虑材料弹性效应的结果相比,刚塑性解对脉冲加载下结构所预测的最终挠度的误差有多大,是一个亟待解决的关键问题。对这个问题的首阶段研究成果厘清了材料弹性对脉冲加载下结构塑性动态大变形的影响,定量评估了由最佳刚塑性理论解与弹塑性数值模拟得到的最终挠度预测结果之间的差异。在此基础上,提出了补偿弹性效应的策略和方法,即:在已有的最佳刚塑性解预测的挠度基础上添加一个补偿项,将补偿项表达为脉冲载荷强度的效应与结构自身刚度的效应分离的变量函数,并尽量减少待定系数/指数的数量,以求表达式的简洁;根据这些原则在金属结构的主要工程应用领域内选定结构刚度和外载参数的变化范围,对固支梁和固支方板的案例实施拟合与补偿,最后得到了对梁和板增添补偿项后的简单而实用的最终挠度预测公式,其相对误差在3%的范围之内,很适合工程设计应用。文末列表给出了符号与公式的一览,并对梁和方板的结果作了综合和比较。

带剪切销抗爆容器定向泄压特性研究

为优化机载抗爆容器的结构设计并拓展其工程应用,研究了带剪切销抗爆容器的定向泄压特性。利用LS-DYNA软件建立了内爆载荷下带剪切销抗爆容器的数值模型,开展了容器内爆试验,获得了剪切销临界直径,并验证了模型可靠性,阐明了抗爆容器内冲击波的传播与载荷分布规律,分析并讨论了泄压过程中泄压盖的运动规律,建立了不同泄压盖质量下药量与剪切销直径之间的函数关系,探究了剪切销的临界断裂问题。结果表明:100 g TNT内爆试验得到剪切销临界直径为22 mm,TNT爆炸后冲击波在容器内往复式传播,约3.8 ms时泄压盖冲出容器,5.0 ms时容器底部残存压力约为0.5 MPa;容器底部超压峰值约为144 MPa,罐体与泄压盖交汇形成的角隅处超压峰值约为149 MPa,且罐体在角隅处产生应变增长效应,角隅处成为新的危险点。剪切销的变形断裂过程会影响泄压盖的运动规律,导致泄压盖速度曲线中出现下降段,剪切销直径越大,下降段持续时间越长。TNT药量与剪切销临界直径呈正比,二者的线性关系不受泄压盖质量的影响。

水下非接触爆炸下冲击波载荷与速度场等效关系研究

对于平板在水下非接触爆炸下的结构响应问题,学界目前常采用仿真和试验手段开展研究。但目前的仿真手段主要采用任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)方法进行,计算效率低且在中远场计算中难以得到真实的结果,而试验手段成本较高。基于能流密度公式和TAYLOR板理论对平板水下非接触爆炸冲击波载荷与速度场等效关系展开研究,提出了冲击波载荷和等效初速度场的等效换算方法,建立了平板初速度场与水下爆炸参数的等效关系并开展试验验证。结果表明,基于能流密度的冲击波等效初速度场具有更好的计算精度和效率,这一方法可作为研究平板或者简单板架在水下爆炸冲击波作用下结构响应的一个重要的等效计算方法。

长持时爆炸冲击波作用下钢梁动力响应分析

大规模爆炸时引起的长持时平面爆炸波会造成结构的整体破坏,与接触爆炸或近场爆炸的破坏模式有显著差异,但相关研究不多。为研究长持时冲击波作用下钢梁的动力响应,首先基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立了大型数值激波管模型,然后采用该数值激波管得到作用在钢梁上的反射超压时程,最后通过显式动力学方法研究了冲击波入射方向、持时、超压等参数对钢梁破坏模式的影响规律。结果表明:本文提出的数值激波管模型能较好地模拟长持时爆炸波的绕射现象,可得到可靠的反射超压和冲量时程;随着冲击波入射角度的增加,简支钢梁跨中位移增大;冲击波超压峰值相同时,随着持时的增加,简支梁跨中的最大位移有增大的趋势,最大位移的增长速率则会变缓;简支钢梁在长持时爆炸冲击波作用下容易发生受弯破坏,梁跨中翼缘板会出现局部屈曲现象。

水下爆炸冲击载荷下波纹夹芯板动态响应及结构优化设计

研究波纹夹芯板在水下爆炸冲击载荷作用下的动态响应规律和抗冲击性能,对提升舰船结构的水下防护能力有重要意义.利用水下爆炸等效冲击加载装置对波纹夹芯板进行了试验.基于ABAQUS建立流固耦合有限元模型对试验进行模拟.测点峰值压力的仿真值与试验值误差不超过4.55%,后面板中心位移的仿真值与试验值误差仅为0.8%.以后面板中心位移和夹芯板比吸能作为抗冲击性能指标,考虑了影响面板厚度以及芯层形状的6个波纹夹芯板结构参数,基于仿真分析了各个参数对抗冲击性能的影响.基于克里金模型建立了波纹夹芯板抗冲击性能与结构参数的代理模型.利用NSGA-Ⅱ算法对后面板中心位移和夹芯板比吸能进行了多目标优化.优化后的后面板中心位移平均减小了约23.57%,夹芯板比吸能平均提高了约27.91%.

冰孔约束下弹丸倾斜入水空泡演化特性实验研究

为探究冰孔约束对弹丸入水空泡演化的影响规律,基于高速摄像技术开展不同冰孔直径下弹丸倾斜入水实验。通过对比分析无冰工况与冰孔约束下弹丸倾斜入水过程,将弹丸入水空泡演化过程分为空泡扩张、空泡表面闭合与空泡深闭合三个阶段进行研究,总结出冰孔约束对弹丸倾斜入水空泡演化特性的影响规律。研究结果表明:在空泡扩张阶段,空泡扩张受到冰孔约束,自由液面附近空泡左侧呈弯曲状,其原因一方面是因为入水点附近的液体向四周运动撞击冰板,消耗了部分用于空泡扩张的能量,另一方面是因为排开的液体撞击冰孔内壁边缘形成反射流,反射流方向与空泡扩张方向相反,进一步限制空泡的扩张;在冰孔直径较小工况下,受反射流冲击,空泡壁右侧出现褶皱,随着冰孔直径增加,空泡左侧轮廓线的弯曲程度逐渐减弱;在空泡表面闭合阶段,褶皱的空泡壁发生局部冲击溃灭,随着冰孔直径增加,反射流逐渐变细、强度逐渐减弱;在空泡深闭合阶段,在冰孔约束下反射流冲击空泡,使得空泡内外压力差变大,加速了空泡发生深闭合;在冰孔直径较小的工况下,局部冲击溃灭程度较大,与尾部脱落溃灭相融合,随着冰孔直径的增加,局部冲击溃灭、气泡簇及反射流相互独立,逐渐接近无冰工况。

深孔轴向多段间隔装药孔壁冲击压力分布

为确定地下垂直长深孔爆破时合理的空气间隔长度,基于爆轰波理论,分析了多段间隔装药爆破条件下孔壁冲击压力随间隔长度变化的内在分布规律函数;依据Mises准则,得出了不同岩性时合理的间隔长度参考值,并通过数值模拟和现场爆破试验进行了验证。结果表明,空气间隔段孔壁冲击压力沿炮孔轴线从两端向中间骤降,但在中点周围略微增大,压力曲线呈两端大、中间小、中点周围略微凸起的“W”形对称分布。

基于PSO-CNN-XGBoost水下柱形装药峰值超压预测

为探索水下柱形装药结构、爆距等参数与水下柱形装药峰值超压的关系,将装药样本数据视为二维数据,建立粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法、一维卷积神经网络(1D Convolutional Neural Network,1DCNN)和极端梯度提升(Extreme Gradient Boosting,XGBoost)的水下柱形装药峰值超压融合预测算法。采用相关性分析与数据可视化方法,分析装药结构参数、爆距与峰值超压之间的关联关系。设计1DCNN深度网络挖掘不同长径比、爆距等参数与峰值超压之间的纵向时序关系。运用XGBoost算法寻找装药结构参数、爆距与峰值超压之间的横向非线性关系,提升小样本数据的预测精度。使用PSO算法优化1DCNN和XGBoost的超参数,获得最优算法结构。研究结果表明,在包含10种智能算法的对比实验中,PSO-CNN-XGBoost水下柱形装药峰值超压预测算法在精度、稳定性、拟合程度上均高于其他模型。

接触爆炸下聚脲涂层增强钢板的抗爆性能

为满足装甲车等武器装备在接触爆炸下的防护需求,通过实验与数值模拟开展单层钢板及迎/背爆面聚脲增强钢板接触爆炸下的抗爆性能研究,分析不同面密度、不同聚脲涂覆位置下钢板的破坏模式及防护机理,探究在一定面密度下钢板-聚脲厚度比对复合结构抗爆性能的影响。研究结果表明:背爆面涂覆等厚度聚脲能够有效减小钢板背面穿孔及拉伸破坏,降低结构残余位移,迎爆面涂覆等厚度聚脲能够显著增强结构抗爆能力,使接触爆炸下的钢板损伤大大降低;相同面密度下,聚脲吸能性能与聚脲厚度正相关,但是聚脲过厚会导致复合结构变形加大,稳定性降低;综合考虑聚脲增强钢板结构的破坏变形、速度衰减以及能量吸收情况,在研究范围内,钢板迎爆面涂覆厚度比为1∶0.78的聚脲层具有最佳的抗爆性能。

近场近地爆炸下建筑柱爆炸荷载分布规律及简化模型

为了快速评估近场近地爆炸荷载下建筑柱的动力响应和破坏模式,通过数值仿真方法,探究了近场近地爆炸工况下冲击波在建筑柱迎爆面的分布规律,并提供了该工况下的爆炸荷载简化模型。为此,首先利用已有实验数据验证数值模型,并建立典型近地近场爆炸工况的数值模型,然后研究比例爆距和比例爆高对建筑柱冲击波特征参数的影响规律,最后拟合出柱迎爆面反射冲量和正相超压持续时间的计算公式,将柱迎爆面各点爆炸荷载转化为等效三角形荷载模型,为工程实践中建筑柱遭受近场近地爆炸作用下的抗爆设计提供荷载输入。研究结果表明:当比例爆高小于0.3 m/kg1/3、比例爆距在0.4~0.6 m/kg1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可简化为三折线分布;当比例爆距在0.6~1.4 m/kg1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可近似简化为双折线分布;在同一比例爆距和比例爆高工况下,随着炸药当量的增加,柱迎爆面相同比例高度处反射超压峰值保持不变而反射冲量正比于当量的立方根。

特定热层温度下入射角对前驱波特性的影响

空中强爆炸会释放热辐射使地表形成热层,冲击波进入热层后传播速度加快,形成前驱波。冲击波入射角是影响前驱波特性的重要因素,但目前相关工作大多依赖理论推导,实验研究较少。利用爆炸波模拟激波管平台,开展了热层温度为300℃时入射角对前驱波形成影响的研究实验,结合实验构型建立了数值仿真模型,并将实验、数值仿真结果与已有理论结果进行了对比。结果表明:实验获得的前驱波形成临界角范围与理论计算结果一致;入射角越大,前驱波超过马赫杆的距离越大,到时提前越多;前驱波会导致超压峰值减小,且随着入射角的增大,超压峰值减小程度先增大后减小;整体上看,前驱波动压峰值随入射角的增大而增大,当入射角达到一定阈值后,动压峰值增大程度开始在一定范围内波动,这是由气流密度和粒子速度的峰值到时不同所导致的;动压冲量的增大程度随入射角的增大逐渐增大。

初始环境压力对RDX基温压炸药冲击波超压和温度的影响

为分析初始环境压力对温压炸药的冲击波超压峰值和温度的影响,在2.6 m^(3)的爆炸罐内开展不同初始环境下不同质量温压炸药的内爆试验,研究初始环境压力对温压炸药冲击波超压峰值与温度的影响.试验结果显示,初始环境压力对冲击波的影响明显,在海拔5 km处产生的冲击波超压峰值衰减率最大.借助Sachs比定律量纲一参数和Hopkins-Brown公式,构建了一个将平原数据推广至不同海拔高度的冲击波入射超压关联模型.进一步分析表明,在相同初始压力下,爆炸温度峰值与炸药量成正比,且随初始压力降低而下降,大药量炸药温度峰值下降程度大于小药量.这些发现对评估温压炸药在高海拔或低气压地区爆炸威力和温度效应评估有着一定的参考价值.

基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管冲击波衰减历程控制方法

基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管,一般采用驱动段、喉部、膨胀段的结构形式,可产生特征与爆炸波接近的模拟冲击波,是实验室中开展长正压作用时间爆炸毁伤效应研究的理想平台。通过调整激波管的变截面结构和驱动段形状,实现冲击波超压衰减历程的控制,是此类爆炸波模拟激波管设计面临的核心问题之一。基于实验室现有的爆炸波模拟激波管结构,建立了激波管内一维流动数值计算模型;参考统计学理论,提出了基于决定系数的激波管模拟冲击波与标准爆炸波相似度评价方法;进而以变截面激波管的流动特性为基础,研究了驱动段形状对冲击波衰减历程的影响机理。研究结果表明:采用距离喉部越远、截面直径越小的驱动段形状,以决定系数为量化标准、优化驱动段形状,控制稀疏波、压缩波在激波管内的运动过程,可以获得接近于爆炸波指数衰减特征的模拟冲击波。

3种现场混装炸药耦合装药炮孔壁峰值压力计算

炮孔壁峰值压力是产生炮孔周围应力场的源头,是造成孔壁附近岩石破坏的强动载荷。对于耦合装药,炮孔壁峰值压力是由爆轰波碰撞孔壁而生产的,通常这种碰撞是斜碰撞,并不是正碰撞。基于这样的物理事实,通过对现有耦合装药孔壁压力计算方法行了评述,并提出斜碰撞的炮孔壁峰值压力计算方法。结果表明,爆轰冲击理论计算结果接近实测值和数值模拟值;引入斜入射系数可计算爆轰波斜入射时孔壁压力,爆轰波碰撞在炸药与孔壁的分界面上,在不同的入射角度下,作用在孔壁的压力是不同的。孔壁压力与炸药特性、岩体特性、爆轰波曲率半径、爆轰波入射角等有关。