Damage of a large-scale reinforced concrete wall caused by an explosively formed projectile(EFP)

To quickly break through a reinforced concrete wall and meet the damage range requirements of rescuers entering the building,the combined damage characteristics of the reinforced concrete wall caused by EFP penetration and explosion shock wave were studied.Based on LS-DYNA finite element software and RHT model with modified parameters,a 3D large-scale numerical model was established for simulation analysis,and the rationality of the material model parameters and numerical simulation algorithm were verified.On this basis,the combined damage effect of EFP penetration and explosion shock wave on reinforced concrete wall was studied,the effect of steel bars on the penetration of EFP was highlighted,and the effect of impact positions on the damage of the reinforced concrete wall was also examined.The results reveal that the designed shaped charge can form a crater with a large diameter and high depth on the reinforced concrete wall.The average crater diameter is greater than 67 cm(5.58 times of charge diameter),and crater depth is greater than 22 cm(1.83 times of charge diameter).The failure of the reinforced concrete wall is mainly caused by EFP penetration.When only EFP penetration is considered,the average diameter and depth of the crater are 54.0 cm(4.50 times of charge diameter)and 23.7 cm(1.98 times of charge diameter),respectively.The effect of explosion shock wave on crater depth is not significant,resulting in a slight increase in crater depth.The average crater depth is 24.5 cm(2.04 times of charge diameter)when the explosion shock wave is considered.The effect of explosion shock wave on the crater diameter is obvious,which can aggravate the damage range of the crater,and the effect gradually decreases with the increase of standoff distance.Compared with the results for a plain concrete wall,the crater diameter and crater depth of the reinforced concrete wall are reduced by 5.94%and 9.96%,respectively.Compared to the case in which the steel bar is not hit,when the EFP hit one steel bar and the intersection of two steel bars,the crater diameter decreases by 1.36%and 5.45%respectively,the crater depth decreases by 4.92%and 14.02%respectively.The EFP will be split by steel bar during the penetration process,resulting in an irregular trajectory.

我国爆炸加工的应用与技术进展

我国的爆炸加工发展与世界几乎同步,由对国际上爆炸成形、焊接等技术的跟踪,逐渐形成了具有自己特色的爆炸加工理论与生产技术。爆炸成形由最初对重型压力装备的替代,已发展成为更精细爆炸技术;爆炸硬化、爆炸消除焊接残余应力已经在电力、铁道等领域成为独特的加工手段;爆炸合成的金刚石等材料也已经生产应用;爆炸焊接的加工产能已超过世界一半,所生产加工的各种金属复合材料已完全取代进口,在军事与民用工业的众多领域取得广泛应用。作为改善爆炸加工安全、环保与生产条件的装备设施,各种水池、水井、大型爆炸容器、爆炸洞也已开始应用。通过对我国爆炸加工的这些工业生产技术发展进行总结与展望,以期促进行业的发展与进步。

偏心药型罩在D型装药中的设计及成型性能研究

为改进整体式多爆炸成型弹丸(Multiple Explosively Formed Projectile,MEFP)战斗部中位于边缘位置处的药型罩口部闭合较差的问题,设计一种沿周向壁厚不同的偏心药型罩。将该药型罩应用于D型装药结构战斗部中,通过理论分析以及数值仿真方法,针对药型罩较厚一侧朝向和偏心距大小对药型罩成型的影响规律进行研究,开展爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)软回收试验。研究结果表明:偏心药型罩较厚侧朝向及偏心距大小对EFP各方向速度基本无影响,对EFP成型效果影响较大;药型罩较厚侧朝向战斗部中心时成型效果最佳;偏心距的大小能够调整药型罩周围微元向中心压合的速度差,改善药型罩口部包合情况;试验中回收到的EFP成型结果与仿真结果吻合度较高;偏心药型罩通过调整药型罩壁厚与爆轰波强度的匹配关系能够改善非对称爆轰下EFP的成型,有效解决D型装药结构MEFP战斗部位于边缘位置处药型罩成型较差的问题,为整体式MEFP战斗部边缘位置处药型罩结构设计提供参考。

铜/钢爆炸焊接复合界面的显微组织及晶粒结构演化机理

采用光滑粒子仿真、先进表征和理论分析相结合的方法,对铜/钢复合材料爆炸焊接过程中的界面瞬态行为进行深入研究,并详细阐述其显微组织演化机制。根据仿真数据重构波形完整的演化过程,并揭示各种界面特征的形成机制。多尺度EBSD分析表明,界面附近区域呈多样性的晶粒结构,其演化机制主要受塑性流动、动态再结晶和凝固形核三个过程的控制。最后,通过纳米压痕实验建立晶粒结构与力学性能之间的关系。

形成串联爆炸成型弹丸的组合药型罩结构参数研究

为了提高聚能战斗部对水中目标的毁伤威力,提出形成串联爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)的组合药型罩战斗部结构。利用平板抛掷和圆筒压垮公式建立组合药型罩EFP速度分析模型,并使用AUTODYN-2D软件对EFP成型和入水毁伤过程进行数值模拟,研究组合药型罩结构参数对串联EFP成型的影响,证明其在水中高效的侵彻性能。研究结果表明:理论与数值模拟计算得到的EFP速度基本吻合,最大误差不超过10%;组合药型罩分离形成串联EFP是由于内外罩不同的材料和结构组合使罩微元从接触面处开始形成较大的速度差所引起的;随着内罩直径的增大,内外罩形成的EFP速度同时减小,长径比分别增大与减小;单独增大内外罩外曲率半径与罩顶壁厚,对应罩成型的EFP性能变化规律和单一药型罩相同,但另一罩成型EFP的长径比均减小或分别减小与增大,速度变化幅度较小;组合药型罩串联EFP侵彻4倍装药直径的水后,动能衰减率较双层药型罩降低21.55%,剩余速度提高5.77%,且随着侵彻距离的增加该差距进一步扩大。

单尾裙式EFP超音速气动特性及飞行稳定性研究

飞行稳定性对爆炸成型弹丸(EFP)的存速能力和着靶姿态有直接显著的影响,进而影响EFP远距离飞行后的侵彻威力。为了获得低阻且飞行稳定的EFP构型,针对超音速(马赫数为4~7)飞行的单尾裙式EFP,数值研究了结构参数(尾裙角为0°~25°、尾裙长与总长之比为0.2~0.7、长径比为3~7、实心长与总长之比为0.2~1)对EFP的升力系数、阻力系数、静稳定储备量等气动参数的影响规律。结果表明:升力系数、阻力系数与尾裙角、尾裙长和长径比均呈正相关。静稳定储备量与尾裙角和长径比均呈正相关,随尾裙长的增大,其先增大后减小。实心长对EFP的升力系数、阻力系数和压心位置几乎无影响,但实心长通过改变EFP质心位置进而影响静稳定储备量。当尾裙角为20°、尾裙长与总长比为0.265、实心长与总长比为0.755及长径比为5时,单尾裙EFP结构兼具较低的阻力和良好的飞行稳定性。探究了马赫数和攻角对该型EFP的升阻力系数和静稳定储备量的影响规律,结果表明:马赫数越大,阻力系数越小;攻角越大,阻力系数和静稳定储备量越大。研究结果从空气动力学角度为具有高侵彻性能EFP战斗部的设计提供参考。

杆式EFP侵彻特性及其影响因素研究

针对杆式爆炸成型侵彻体(Explosively formed penetrator, EFP)的侵彻能力问题,利用数值仿真手段开展杆式EFP侵彻特性研究,分析杆式EFP成型形态、着靶速度及材料特性对其侵彻能力的影响,得到杆式EFP成型特征参数在侵彻过程中的影响规律。研究结果表明:杆式EFP在侵彻过程中,除初始阶段(碰撞后)和最后阶段(杆侵蚀后)外,弹体保持恒定速度运动,满足恒速杆假设;稳定侵彻时,随着密实部长度的逐渐减小,中空尾裙部材料不断流入密实部补充其侵蚀损失。增加弹体长度可以在一定程度上提高EFP的侵彻能力,但归一化侵彻深度下降;提高着靶速度和密实部长度可以显著提升杆式EFP侵彻性能。杆式EFP的强度对侵彻的影响有限,但靶体强度不可忽略,弹靶材料密度是影响侵彻体侵彻的主要因素。

丙烯酸酯型端羟基聚醚双固化黏合剂的合成及打印成型固化机理

以聚四氢呋喃醚二醇(PTHF)和3-甲基-3-丙烯酰氧甲基氧杂环丁烷(MMO)为原料,通过阳离子开环聚合反应机理,设计、合成了丙烯酸酯型端羟基聚醚黏合剂(MAPTHF),再与六亚甲基二异氰酸酯缩二脲固化剂(N-100)、2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦(TPO)和1,4-丁二醇(BDO)组成光-热双固化黏合体系,通过光固化、热固化双步骤获得了光-热双固化弹性体。采用FTIR、NMR和GPC表征了MAPTHF的结构组成和物性参数,探究了光-热双固化黏合体系最佳的固化工艺参数和较优的物料配比,考察了光-热双固化弹性体的力学性能和热稳定性。结果表明,MAPTHF光-热双固化黏合体系可在紫外光照(5 W,395 nm)下5 s快速固化,在加热(65℃)3.0 h内实现完全固化,具有快速固化成形和短时间内完全固化特征;光-热双固化弹性体的拉伸强度为3.15 MPa,断裂伸长率为350%。该光-热双固化黏合体系用于3D打印复合推进剂,得到了较优异的打印成型效果。

爆炸成型弹丸侵彻不同材料靶板后效破片特性试验研究

为研究靶板材料性能对爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)侵彻靶后破片特性的影响,开展EFP侵彻不同材料靶板(Q235钢、45号钢、装甲钢、2A12铝)后效破片特性试验,采用X光摄影方法观测靶后破片云形态及膨胀尺寸,通过布置多层纤维板获得破片散布特性,并对靶后破片进行回收。研究结果表明:在靶板密度一定的情况下,靶板强度主要影响破片云轴向膨胀能力,对径向膨胀能力影响很小;靶后破片环形毁伤区的飞散角位于20°~25°范围内差别不大,但是靶板背面出口崩落会造成靶后破片飞散角出现极大值,随着钢靶强度的增大,靶后破片径向散布增强,破片总数减小,但是大质量段钢破片数量增多;不同强度钢靶产生的钢破片平均尺寸满足Kipp等提出的基于材料流动应力的碎片尺寸模型。

水下爆炸作用下悬浮隧道管体形状对结构响应的影响规律

为研究水下爆炸条件下断面形式对悬浮隧道结构响应和抗冲击性能的影响,采用LS-DYNA有限元软件建立圆形、椭圆形和长方形3种断面悬浮隧道的数值计算模型,进行动力响应数值模拟分析。对比分析3种断面悬浮隧道在爆炸作用下管体位移、压力及有效应力的响应特性。结果表明:1)圆形断面悬浮隧道受爆炸影响的范围最小,位移、压力和有效应力峰值最低,安全系数最高,抗冲击波性能最优;2)椭圆形和长方形断面管体更易发生局部应力集中,尤其长方形断面的压力和有效应力峰值都高于圆形和椭圆形断面,抗冲击性能较差;3)椭圆形断面悬浮隧道的竖向位移要大于长方形断面,但长方形断面位移变形存在明显畸变。综合分析表明,圆形断面悬浮隧道的抗爆性能优于椭圆形和长方形断面。

多弹丸协同冲击下柱壳装药响应特性数值模拟及试验

为探究多弹目交汇条件下多爆炸成形弹丸(Multiple Explosively Formed Projectiles, MEFP)协同冲击柱壳装药响应特性,在冲击起爆试验基础上,采用理论计算和数值仿真相结合的方式,开展不同密集度MEFP群束协同冲击柱壳装药的响应特性分析研究。实验结果表明:MEFP群束密集度λ及柱壳壁厚h均会对响应特性产生影响;当λ相同时起爆用时t随h增大而同步增加,3种壁厚起爆用时分别增大2.00、2.50、1.88倍,当λ为8和5.33时,起爆用时t随h呈线性增长规律;当h相同时起爆用时t随λ减小同步增加,4种密集度MEFP群束起爆用时分别增大2.66、3.60、3.25、2.50倍,且当柱壳壁厚h为13 mm时起爆用时t随λ同样呈线性变化规律。MEFP群束对柱壳装药的协同增强作用在h为13 mm时发生分化,当λ为16和8时,MEFP群束对目标的冲击起爆用时均早于任意单EFP作用,最多分别提前约41.22%、8.61%,协同增强作用明显;当λ为4时,MEFP群束对柱壳装药起爆能力逐渐与单EFP趋同,协同增强作用减弱。

柱形装药土介质爆炸成坑效应的数值模拟研究

本文指出在爆炸案件中,为便于携带、掩人耳目,犯罪分子采用的炸药包装物常为瓶、罐等柱形物体;土体是爆炸现场的常见介质,土介质爆炸成坑效应的研究对爆炸案的现场重建等技术工作具有重要意义。为了研究柱形装药土介质爆炸成坑效应,通过量纲分析得出了一定条件下炸坑比例直径、炸坑比例深度是柱体比例半径和比例埋深的二元函数,并通过LS-DYNA模拟了不同柱体比例半径、比例埋深的爆炸成坑过程,根据模拟实验数据拟合出了该函数关系,最终得到了爆炸抛掷作用直径、炸坑真实深度与装药半径、炸药埋深之间的关系。

基于弹性构件的防爆安全轮胎设计与成型工艺的研究进展

分析现有防爆安全轮胎结构的优缺点,并从结构设计、材料选择和成型工艺方面介绍基于弹性构件的防爆安全轮胎设计与成型工艺的研究进展。现有防爆安全轮胎存在质量大、负载小、易颠簸、舒适度差、易塌陷变形、易断裂、易脱圈、成型工艺复杂等问题,而通过结构设计、材料选择与成型工艺相结合的系统优化方案解决了现有防爆安全轮胎存在的问题,设计出的针对不同应用场景下的基于弹性构件的防爆安全轮胎负载能力、舒适性和安全性提升,使用寿命延长。

柔性障碍物对管道内甲烷爆炸特性的影响研究

为了探究柔性障碍物对管道内甲烷爆炸特性的影响,在自行搭建的半封闭水平管道内放置柔性阻火布,试验研究阻火布在不同位置时的甲烷爆炸火焰演化形态、火焰传播速度、爆炸超压。结果表明:火焰传播至柔性障碍物前的传播速度小于无柔性障碍物工况;火焰通过柔性障碍物后,火焰形态褶皱明显,加速传播;柔性障碍物距离点火源越远对爆炸火焰传播减速效果越好;柔性障碍物的存在推迟了爆炸压力峰值到达的时间。

聚能装药水下爆炸冲击波和侵彻体载荷作用时序研究

聚能装药水下爆炸过程中会产生高速聚能侵彻体和强间断冲击波等多种毁伤元。由于聚能侵彻体和冲击波的作用时间接近,且聚能装药水下爆炸作用时序的理论并不完善,因而认识两者的作用时序对聚能型战斗部作用下舰船结构的毁伤研究具有重要意义。首先,基于接触爆炸理论和牛顿第二定律,推导药型罩压垮后加速度和速度公式的基本形式。随后,基于欧拉控制方程,建立聚能装药空中和水下爆炸数值模型,得到装药和药型罩交界面处压力时程曲线,定量地确定药型罩压垮的加速度和速度公式,通过理论公式可解决不同炸高下聚能侵彻体和直达冲击波先后到达目标的问题。为了验证理论公式的可靠性,讨论了空气域长度为5倍装药半径时的复杂工况,数值模拟结果和理论推导结果基本一致:当空气域长度为5倍装药半径时,炸高在3倍装药半径之外,冲击波先于侵彻体。提出了药型罩压垮的加速度和速度理论公式的形式和求解聚能侵彻体和冲击波作用时序问题的思路,为分析聚能装药水下爆炸聚能侵彻体和冲击波的作用时序提供了理论依据。

活性/金属串联爆炸成型弹丸侵爆耦合毁伤行为

为提升爆炸成型弹丸(EFP)对目标的综合毁伤效应,提出一种活性/金属复合球缺药型罩聚能装药结构,其复合药型罩包括内层紫铜药型罩和外层活性药型罩,外层活性药型罩由质量配比73.5%/26.5%的聚四氟乙烯(PTFE)/Al含能粉体经冷压、烧结制备而成。采用静爆实验研究活性/金属串联EFP对间隔靶的侵爆耦合毁伤行为。研究结果表明:活性/金属串联EFP对间隔靶既产生了有效的侵彻作用,也能在靶间发生类爆轰反应,提高对间隔靶的毁伤效应;活性/金属串联EFP对间隔靶的侵彻层数和开孔直径显著受厚度影响,随间隔靶前两层厚度从10 mm增加至20 mm,贯穿总层数从6层降至3层,开孔直径也明显减小;采用SPH算法,仿真发现活性/金属复合药型罩在聚能作用下形成了紫铜EFP在前,活性EFP部分嵌入前驱紫铜EFP内的复合侵彻体;通过反应延迟时间引入和材料模型转换,数值模拟进一步揭示了尾随活性EFP类爆轰反应引发前驱紫铜EFP膨胀,导致开孔直径扩大而侵彻能力下降的作用机理。

两种结构药型罩对MLEFP成型及毁伤效能的影响研究

为提高爆炸成型弹丸(EFP)的毁伤效能与拦截概率,衍生了一种新型破甲战斗部—线性周向爆炸成型弹丸(MLEFP),为提高药型罩的毁伤效能,对药型罩进行结构优化,设计出变壁厚球缺形药型罩与变壁厚大锥角形药型罩。利用Autodyn软件对两种结构的药型罩的成型过程进行数值模拟,并通过试验验证变壁厚大锥角形药型罩的毁伤能力。结果表明,在爆炸载荷的作用下,周向MLEFP装药结构可以形成具有一定速度和长度的闭合的线性爆炸成型弹丸,可以实现近距离拦截和引爆来袭导弹、毁伤轻型装甲的目的;当药型罩采用大锥角形结构时,其头部速度明显高于球缺形结构,毁伤效能更好。

EFP构型对其气动特性和侵彻性能影响分析

为综合分析爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)的构型对其气动特性和侵彻性能的影响,实现兼具良好气动特性和侵彻性能的EFP设计。开展了EFP的成型和飞行试验,在试验验证数值有效性的基础上,基于任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)算法分析了后翻型EFP的三种典型构型(实心杆状、小空腔状、大空腔状)的成型过程及气动特性,并进一步开展了三种构型EFP侵彻半无限厚45#钢的数值模拟。结果表明:EFP小空腔结构提高了其飞行稳定性;空腔的增大降低了EFP的存速能力,实心、小空腔、大空腔三种构型的EFP炸高在1000倍弹径(30 m)时平均速度降分别为158 m/s,172 m/s,210 m/s;随着EFP空腔的增大,靶板开坑形貌由漏斗状逐渐转为等直径状。从工程实践角度设计EFP构型时:对于近距离目标应选取实心型;对于远距离目标应选取小空腔型。

球缺型EFP毁伤混凝土墙试验与数值仿真研究

为深入研究混凝土类目标在聚能装药作用下的侵彻效应和毁伤机理,设计一种大口径Φ120 mm球缺型EFP聚能装药,开展不同炸高下毁伤大尺寸混凝土墙试验。基于修正参数的RHT模型进行数值仿真,仿真结果与试验数据的最大相对误差为9.8%,表明RHT模型的修正效果较好,数值模型可靠。在此基础上,分析炸高对毁伤效果的影响,并对EFP侵彻体与爆炸冲击波的联合毁伤元特性进行研究。结果表明:所设计的EFP聚能装药毁伤混凝土墙时,能够形成具有较大直径和深度的漏斗坑;炸高为20~60 cm时,随着炸高的增大,漏斗坑直径逐渐减小,漏斗坑深度呈先减小再增大再减小,并逐渐稳定的趋势;炸高为20 cm(1.67倍装药直径)时,能够获得直径和深度都较大的漏斗坑,此时漏斗坑直径为6.83倍装药直径,漏斗坑深度为2.30倍装药直径;EFP侵彻对漏斗坑的形成起主导作用,在一定炸高范围内,爆炸冲击波对漏斗坑直径有增大作用,其与EFP侵彻体的耦合能够在一定程度上提高漏斗坑深度。