激波管模拟产生近场爆炸冲击波

激波管可以在实验室环境下模拟爆炸产生冲击波,具有参数易于控制和测量手段准确多样等优势,在爆炸冲击效应的研究中被广泛应用。但与真实爆炸相比,尤其是近场爆炸,激波管产生的冲击波存在正压作用时间难以缩短、超压峰值难以提升的困难。通过对激波管运行理论和数值模拟分析发现:缩短正压作用时间的关键是让反射稀疏波尽快追上入射激波;提升超压峰值的关键是提高驱动气体的驱动能力。为此,设计了一种驱动段为锥形截面的激波管,使得反射稀疏波更快地追上入射激波,从而有效减小激波管设备长度并缩短正压作用时间;同时,采用正向爆轰驱动技术,利用化学能代替高压空气驱动提高驱动气体声速,在低爆轰初始压力下可以获得高的超压峰值。数值计算结果表明,在入射激波马赫数(MS=2.0)相同条件下,相对于等截面驱动方式,采用锥形截面驱动方式时,激波管长度可以减少近2/3,正压作用时间可以缩短近1/2。激波管实验结果表明,锥形截面驱动激波管产生的超压曲线满足近场爆炸冲击波形要求,并获得了超压峰值为64.7~813.4 kPa、正压作用时间为1.7~4.8 ms的爆炸冲击波波形。该研究可为近场爆炸冲击波致伤及装备防护效应评价实验提供参考。

平板玻璃在爆炸载荷下的损伤数值模拟

平板钠钙玻璃为常见建筑材料,研究其在爆炸冲击波下的裂纹扩展规律和损坏具有重要的科学意义。本文通过建立数值模型,考虑材料的本构关系、边界条件、载荷作用方式等,模拟爆炸载荷的传播过程,将得到的载荷信息作为输入数据,结合近场动力学方法(PD),模拟玻璃结构在爆炸载荷下的响应过程。结果表明:用近场动力学法(PD)进行数值模拟时,明显形成了环状裂纹和径向裂纹,且边框处有大量玻璃碎片飞溅,表明PD算法可有效模拟玻璃破碎过程;冲击波负压阶段对结果影响很小,在数值模拟时可忽略不计;在相同的爆心距下,随TNT质量的增加,玻璃碎片的抛撒速度越大;当冲击波超压峰值相同时,随爆心距的增加,冲击波的正压作用时间和比冲量都增加;玻璃碎片的最高速度与爆心距接近线性关系,平板玻璃的毁伤阈值为0.052MPa。

不同装药形状TNT水中爆炸近场冲击波传播的实验研究

为了研究TNT装药形状对其水中爆炸近场冲击波的影响,以SR35mm球形及Φ60mm×66mm和Φ25mm×50mm柱形TNT炸药为研究对象,利用自行研制的同时分幅扫描超高速光电摄影系统,在同一发实验中同时获得TNT炸药水中爆炸近场冲击波传播过程的分幅扫描图像和轴向扫描图像。分幅扫描结果表明,装药形状对近场冲击波的演化过程有较大影响,长径比越大,初始冲击波越细长。近场冲击波在传播过程中逐渐球形化,球形化的中心位于炸药的质心,说明远场冲击波的传播与装药形状及起爆方式无关。轴向扫描结果表明,柱形装药端面起爆时,沿起爆轴线方向2倍装药范围内,近场冲击波压力具有明显的定向增益,长径比越大,轴向峰值压力衰减越快。

RDX基含铝炸药水中爆炸近场冲击波特性

通过水中爆炸试验，得到了RDX基含铝炸药在不同比例距离（R^-）处的水中冲击波峰值压力、冲量和冲击波能。结果表明，在测试范围内．R^-〈1．5m／kg^1/3,Al的质量分数为10％～20％时，冲击波峰值压力基本不变；R^-≥1．5m／k^1/3时，Al的质量分数为0～30%时，冲击波峰值压力基本不变。测试范围内，Al的质量分数为20%～30％时，冲量基本不变；Al的质量分数小于20%，冲量随Al含量的增加不断增大。R^-〈1．0m／kg^1/3时，冲击波能随比例距离的增加而不断衰减；R≥1．0m／kg^1/3时。冲击波能随比例距离的增加基本保持不变。R^1=0．79m／kg^1/3（药柱18倍半径处）时．冲击波能量利用率只有25%左右．初始冲击波能损失了近1／2～3／5。

球形装药水下爆炸近场测量的连续探针法研究

为了在水下爆炸的单次试验中连续获得炸药爆轰波和近场冲击波的时程曲线,研制了一种压导式连续电阻丝探针,并基于此设计了球形装药水下爆炸测试系统。采用粉状黑索今(RDX)炸药进行120 mm直径的球形装药水下爆炸试验,测量获得了多组爆轰波-冲击波时程曲线。通过对爆轰波段数据进行拟合得到了待测RDX炸药的爆速,利用冲击波段数据计算得到了炸药爆压、绝热指数以及水中冲击波的衰减规律,并与康姆莱特半经验公式和数值模拟结果进行了对比。结果表明:运用新型电阻丝探针测得的RDX炸药参数与理论值相比,爆速、爆压和绝热指数的相对误差分别小于3%、5%和2%;模拟得到的近场冲击波峰压和速度曲线与试验结果基本吻合,最大误差不超过10%.

水下爆炸非均熵二维定常流的三族特征线解法

针对二维定常可压缩超声速非等熵柱状流,提出一种特征线差分解法,通过在沿马赫线的相容方程中添加沿流线的熵变项以描述非等熵效应,得到等熵流和非等熵流均适用的三族特征线方程组。根据水下爆炸近场特点,建立无限长柱状装药的定常模型,将三族特征线方程组用有限差分法离散求解,通过构造合适的网格保证计算格式可以数值上收敛,由此编制程序并计算几种柱状炸药的水下爆炸近场冲击波。对比有限元模拟结果和实验结果发现,特征线差分法可以比较准确地捕捉冲击波形状并计算冲击波后流场,从而验证了所提出的三族特征线差分法的准确性。

柱状炸药水下冲击波连续测量研究

通过自制的压导探针,对柱状装药水下爆炸过程进行连续测量,获得了柱状炸药的爆轰波和水下近场冲击波头的时间历程演化曲线。由此计算出柱状炸药的爆速、水的冲击波速度随时间的变化曲线;进一步由水的冲击雨果尼奥关系式和界面压力、速度连续方程,计算得到了炸药爆压、水下近场冲击波超压变化曲线。结果表明,水下爆炸近场的冲击波速度近似以指数形式衰减,最初阶段衰减很快,随时间推移,衰减越来越慢,最终水中冲击波速度趋于声速。近场冲击波超压的衰减形式与冲击波速度的衰减形式相似。

运动炸药近地爆炸冲击波场特性研究

为研究运动炸药近地爆炸冲击波场分布特性,运用AUTODYN软件对不同运动速度炸药近地爆炸过程进行数值仿真,地面超压峰值仿真结果与等效经验公式计算值符合程度较好。通过对扰动压力场、爆炸初始压力场以及地面特征位置峰值超压的对比分析,得到炸药运动速度对近地爆炸冲击波场分布的影响规律。研究结果表明:炸药运动速度对地面冲击波峰值超压有增益作用,随着炸药运动速度的增加该增益作用增强;炸药运动速度对地面峰值超压的增益作用随比例距离的增加逐渐减弱,3倍比例距离外可认为无明显差异。

近场水下爆炸载荷及舰船结构动态响应研究综述

以往水下爆炸研究主要集中在中远场,国内外专家学者在中远场水下爆炸方面做了大量研究。近年来,随着精确制导武器的快速发展,舰船遭受近场水下爆炸的几率大大提升。然而,近场水下爆炸过程涉及强间断、结构撕裂等强非线性问题,诸多机理尚不明确,如冲击波在多层介质中的传播规律、气泡的非球状脉动以及边界诱导射流等。近场水下爆炸实验具有成本高、可重复性差以及危险性高等缺陷,理论解析局限于简单结构及单一边界条件。随着数值技术的发展,越来越多的学者将数值方法结合实验、理论来研究近场水下爆炸。本文在现有文献的基础上,总结近场水下爆炸在实验、理论及数值模拟方面的典型成果,指出目前仍存在的具体问题,并对未来近场水下爆炸发展方向进行展望。

含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。

水下近场爆炸双层防护结构抗爆能力的数值模拟分析

同步考虑水下近场爆炸冲击波载荷与气泡射流载荷的作用,综合分析双层防护结构型式及尺度对其抗爆能力的影响,可为双层防护结构的抗爆设计提供直接技术支持。采用基于欧拉法的气泡动力学程序模拟气泡的近壁脉动过程,基于能量等效原则,将射流水柱对结构的冲击简化为等效的射流载荷,通过编制MSC.Dytran软件子程序,在冲击波数值模拟阶段后自动添加等效射流载荷,实现更接近实际情况的双层防护结构遭受水下近场爆炸过程的数值模拟。以内壳单位板厚变形能表征双层防护结构的抗爆能力强弱,通过改变结构型式与尺寸参数,对不同支撑结构板厚、内壳板厚和内外壳间距下结构的抗爆能力进行批量计算,以结构总重和抗爆能力为双重目标,借鉴多目标优化思想,得到双层结构抗爆能力的最优解集。计算结果表明:当内外壳厚度及其间距一定时,存在最佳支撑结构板厚;在同等结构重量情况下,Y型双层结构能提供更强的抗爆能力。

近场水下爆炸载荷对舰船结构的局部毁伤特性

主要采用任意的拉格朗日-欧拉(ALE)方法的LS-DYNA软件,对舱段结构在水下近场爆炸与水下接触爆炸情况下的毁伤特性进行研究.为验证该方法的有效性,首先运用该方法对TNT炸药在水下爆炸产生的冲击波峰值进行模拟,将模拟得到的仿真值与经验公式的计算值进行对比,从而验证该方法的有效性.运用该方法对平板水下接触爆炸实验进行验证,将模拟结果与试验结果进行对比,进一步验证ALE方法的有效性.最后,采用ALE方法分别对不同结构型式的舱段在水下近场爆炸与水下接触爆炸进行数值模拟,研究不同结构型式舱段结构在不同工况下的毁伤特性,定量分析破口大小与结构毁伤模式.

近场爆炸冲击波对屏蔽压装TNT的冲击引爆试验和仿真

为研究近场强冲击波对屏蔽装药的冲击引爆效应,通过试验和LS-DYNA3D非线性有限元计算程序对屏蔽压装TNT的冲击引爆进行研究,得到了接触爆炸时压装TNT被引爆的临界屏蔽板厚度和非接触爆炸时屏蔽压装TNT的殉爆距离,分析了非接触爆炸时屏蔽板厚度对殉爆距离的影响,并通过非线性最小二乘法拟合得到屏蔽板厚度与殉爆距离的函数关系。结果表明:数值计算结果与试验结果基本一致;接触爆炸时临界起爆的屏蔽板厚度在20～23 mm之间;屏蔽板采用3 mm厚的45钢时,非接触爆炸作用下压装TNT的殉爆距离在12～15 mm之间;非接触爆炸时殉爆距离随着屏蔽板厚度的增加而减小,当无屏蔽板时,压装TNT的殉爆距离为79 mm,当屏蔽板厚度从1 mm加大到9 mm时,殉爆距离从51 mm减为1.5 mm,被发装药的屏蔽板对冲击波有显著的防护作用。

水下近场爆炸冲击波与射流载荷联合作用分析方法

针对舰船水下近场爆炸,提出综合考虑冲击波载荷与射流载荷的分析方法。对水下近场爆炸气泡脉动过程进行数值模拟,建立射流冲击计算模型,进而简化射流载荷,在冲击波阶段流固耦合模拟结束后自动添加射流载荷,形成完整水下近场爆炸过程的计算流程。建立舷侧板架结构有限元模型,采用MSC.Dytran软件进行流固耦合数值模拟验证方法的可行性。该方法综合考虑冲击波与射流载荷对结构作用,能较真实模拟水下近场爆炸过程,具有一定工程意义及参考价值。

两端点起爆对炸药近地场冲击波威力增强效应研究

通过试验和仿真分析研究了两端点起爆对炸药爆炸近地冲击波场分布的影响.研究结果表明,两端点起爆爆轰波在炸药中心形成汇聚叠加,初始冲击波场在汇聚中心形成耦合增强,并在中心汇聚位置向周向水平传播,显著增强了冲击波在近地场的传播距离和超压威力.对比上端点起爆、下端点起爆和两端点起爆方式,炸药在比例距离1.5 m·kg^(-1/3)<Z<4.5 m·kg^(-1/3)范围内地面冲击波超压,两端点起爆相比一端点起爆炸药近地场冲击波威力明显提升,比例距离范围内冲击波超压平均提高43%,在比例距离2.5 m·kg^(-1/3)<Z<3 m·kg^(-1/3)范围内提升最为明显.

水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为试验研究

为加深水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为认识,设计典型圆柱壳结构模型,开展了水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应光电联合测试,获得了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用高速光学物理图像、动态应变、超压载荷、毁伤模式等试验数据。通过高速光学物理图像和三维激光扫描毁伤形态的分析,给出了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用物理过程及最终毁伤模式;通过动态应变的分析,给出了圆柱壳结构迎爆面和背爆面在加载过程中应变拉伸压缩转变和响应阶段的划分;通过超压载荷的分析,明确了装药爆轰完全性以及接触爆炸加载下结构吸能对超压的影响。研究表明:爆距的变化会显著影响圆柱壳结构的毁伤形态,近距加载下圆柱壳结构主要呈现塑性大变形,接触加载下圆柱壳结构主要呈现撕裂破坏;近距加载下圆柱壳结构迎爆面空化区的形成及溃灭形成的二次加载毁伤效应不容忽视,值得深入研究;研究成果可为水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构毁伤评估提供参考和依据。

水下近场爆炸载荷数值预报研究

围绕水下近场爆炸冲击波-气泡载荷特征,尤其是极近场爆距(2~5倍药包半径)条件下的载荷预报,在模型实验研究的基础上,结合数值计算方法对水下近场爆炸过程介质运动、冲击波-气泡载荷规律进行了模拟研究。先针对冲击波载荷特征研究,首先对距离爆炸中心点6~11倍药包半径范围内的冲击波载荷用有限元方法进行了求证,且拟合出距药包2~5倍半径范围内的冲击波载荷峰值的计算公式。再针对水下近场爆炸气泡载荷特征研究,结合模型试验和数值模拟结果,对冲击波的载荷特征进行了分析求证,结果表明本研究所提出的预报方法具有较好的可信性。

水下爆炸近壁面流场局部空化形成机理

为深入认识水下爆炸近壁面流场局部空化的形成机理,采用自行研制的转镜式分幅相机,获得了炸药水下爆炸近壁面流场局部空化效应的光学图像,结合数值模拟和Taylor平面波理论、空泡动力学理论,分析了近壁面空化效应的形成过程。结果表明:界面反射的稀疏波作用和水中空化核的膨胀发展是水下爆炸近壁面流场空化效应形成的原因;外界流场压力对空泡初期膨胀运动影响较小,对空泡后期运动行为影响较大;低压环境下不同尺度空泡的运动行为存在较大差异,小尺度空泡(半径小于10μm)在低压环境下处于快速膨胀、溃灭状态,对流场空化影响较小;大尺度空泡(半径大于10μm)可失去稳定性,半径持续增大,对流场空化区的形成影响较大;水中不同尺寸空泡空间分布的随机性可导致空化区成长过程中呈现非规则形状。

典型低音爆构型的近场音爆计算研究

音爆的预测是超声速民用飞机设计的关键技术。采用多块结构化网格有限体积法求解Euler/N-S控制方程,对SeebALR旋成体和三角翼两个典型低音爆构型国际标准算例的近场音爆进行了计算,与风洞试验数据进行了对比分析。结果表明,对于上述标准算例的简单绕流场进行近场音爆计算时,流场黏性效应不是必须考虑的因素;随着方位角的变化,三角翼尾部激波从单个激波演变为多激波;来流攻角的变化不影响头部激波强度,机翼前缘激波强度随攻角的增加而逐渐增强。

液体运载火箭爆炸冲击波近场危害性定量评估方法研究

嫦娥四号探测器首次采用了我国自主研制的同位素热源装置,为有效评估运载火箭发生爆炸后,爆炸冲击波对同位素热源装置的危害性,解决同位素热源装置安全设计指标确定难题,开展了液体运载火箭爆炸冲击波近场危害性的评估方法研究,提出了适用于液体运载火箭爆炸冲击波近场危害性评估的爆炸当量、爆炸冲击波峰值超压及作用时间的定量评估模型。