爆炸冲击能和膨胀能破岩作用机理研究

为研究岩石破碎过程中爆炸应力波与爆生气体膨胀的作用，进行了耦合装药爆破实验。结果表明，耦合装药爆破时爆炸冲击能（Ｅｓ）和部分膨胀能（Ｅｂ）进行冲击加载，在介质中依次激起原生和次生爆炸应力波。不同Ｅｓ／Ｅｂ比值条件下，介质爆破致裂效果与破碎质量出现明显差异的主要原因，是这两个应力波加载水平发生了变化，进而影响到介质的爆破破裂行为。由此认为，Ｅｓ和部分Ｅｂ在破岩过程中所起的主要作用，是通过应力波与缺陷相互作用使岩石产生破裂的方式进行的；以（准）静态形式存在的部分Ｅｂ的主要作用，是促使爆破块度与岩体分离。

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。

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。

高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波特性

为了研究高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波传播特性,利用AUTODYN有限元软件,研究了不同海拔高度及其解耦对应的低温条件和低压条件对运动装药爆炸冲击波超压场的影响规律;建立了预测低温环境和低压环境下运动装药爆炸冲击波超压的理论计算模型,并通过试验数据和数值模拟进行了对比验证。结果表明,该计算模型可以有效预测不同低温、低压以及低温和低压耦合的高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波超压;海拔高度从0升至10000 m,冲击波超压峰值平均减小35.6%,冲击波作用范围增加62.0%;随着环境温度降低,冲击波超压峰值平均增加0.43%,冲击波作用范围减小11.9%;随着环境压力降低,冲击波超压峰值平均减小36.4%,冲击波作用范围增加83.5%;不同海拔高度下装药运动速度引起的冲击波超压增大系数变化规律与解耦对应的低压条件影响规律基本相似;高海拔环境对运动装药爆炸冲击波的作用范围及超压的影响主要取决于低压条件,低温条件的影响程度较小。

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。

水下爆炸冲击下箱型隧道结构破坏试验及数值模拟

针对水下爆炸荷载作用下混凝土隧道结构的动态响应、损伤演化及其破坏问题,本文采取室内模型试验与数值计算相结合的方法,根据东湖水下隧道设计了比尺为40∶1的试件,开展了水下箱型混凝土隧道缩比模型的爆炸试验,通过监测应变信号,比较了不同乳化炸药当量下混凝土隧道试件的动态响应规律,通过测量破坏范围的大小、裂缝扩展的长度,调查了箱型隧道缩比模型试件在水下爆破荷载作用下的破坏形式;采用ANSYS/LSDYNA中S-ALE算法对试验进行了1∶1建模仿真分析,对照试验数据及破坏形态,发现模拟结果与试验结果基本一致,同时对仿真结果进一步分析得到了水下爆炸冲击波的传播完整过程和试件结构的变形规律,通过对测点应变、位移数据的统计分析,揭示了箱型隧道试件在爆炸荷载下的动态响应机理。结果表明:箱型混凝土隧道结构在横向上的应变远大于纵向上应变;隧道破坏位置主要集中在爆源附近区域以及结构转角位置,验证了S-ALE算法能够较为准确的模拟出水下爆炸下结构的动态响应及损伤演化。

爆炸冲击波作用后变形机翼模态数值模拟

为研究典型机翼在爆炸冲击波作用下的毁伤效应及其损伤后的结构动力学特性,基于有限元方法,研究了爆炸当量、爆炸方位及爆炸距离等对典型机翼损伤程度的影响,并分析了机翼结构变形程度与模态的关系。研究结果表明:冲击波强度和作用位置的变化对机翼结构的损伤及模态频率会产生不同程度的影响;随着冲击波强度的增加,机翼结构越早产生变形,对应的各阶模态频率下降越大,其中,二阶频率最大减少了15.02%;爆炸点位于机翼中心正上方时,机翼的变形最大;与无损伤机翼模态固有频率相比,爆炸冲击波作用在机翼中心位置时,各阶模态频率减小幅度最大,减少幅度为8.29%~15.02%。

远场爆炸冲击波作用下高层建筑上部结构动态响应试验研究

为研究高层建筑上部结构在远场爆炸冲击波整体加载作用下的动态响应规律,设计并制作1:30缩比的整体高层建筑模型,完成野外化爆试验,获取建筑模型迎爆面冲击波压力曲线和不同高度位置处的位移曲线,结合数值模拟的方法判断试验加载状态,并对建筑模型的破坏形态和实测数据进行分析。研究结果表明:在远场爆炸冲击波作用下,高层建筑框架柱破坏模式以受剪破坏为主,框架梁构件以弯曲破坏为主,同时不同构件间的相互作用对破坏模式也有重要的影响;爆心与建筑物夹角θ≤25°时,迎爆面各处冲击波压力参数相同;当建筑结构整体仍处于弹性变形阶段时,各高度位置前期水平位移变化曲线近似重合,运动周期保持一致,后期由于高度不同,位移峰值有一定差别,与高度近似呈线性增长的关系;建筑模型的变形与破坏主要取决于比冲量的大小,冲击波峰值影响较小。

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。

爆炸冲击波和爆生气体的动态作用演化机制的实验与数值分析

在岩石爆破过程中,爆炸冲击波和爆生气体的波动机理尚不清楚。通过高速纹影系统和超压测试系统并结合AUTODYN数值模拟分析,对爆炸冲击波和爆生气体的波动机理开展研究。设计了不同炸药类型和装药结构下的5种药包,通过纹影照片直观地显示爆生产物的动态作用演化过程。对比分析5种情况下爆炸冲击波和爆生气体在流场中的波动变化,将数值模拟结果与纹影实验结果进行对比并反演了炸药内部爆轰波动过程。结果表明:爆炸冲击波与爆生气体一开始伴随扩展,并以起爆点为中心向外以球形传播。在传播过程中,爆炸冲击波与爆生气体逐渐分离,爆炸冲击波传播速度大于爆生气体的传播速度。在不同的装药结构情况下,爆炸冲击波和爆生气体的分离特征不同,分离的时间随药包外壳约束作用的增强而缩短。在不同的炸药类型情况下,爆炸冲击波和爆生气体的波动形态基本相同,但因炸药材料本身物理力学参数不同,所以爆炸冲击波和爆生气体传播过程中的速度和压力变化会有差异。当存在切口时,爆炸冲击波和爆生气体会优先从切口处向外传播,然后向其他方向进行绕流,切口方向的压力和速度都会变大,切口方向能量集中且管壁优先破坏,达到定向破坏的效果。数值模拟中爆炸冲击波和爆生气体的波动变化形态与纹影实验结果在形态上较为吻合。

爆炸冲击载荷下猪肺部的损伤特性

为了深入研究爆炸冲击波作用下生物体肺部的力学响应和损伤特性,首先建立了猪胸部有限元模型,借助新研制的PVDF(polyvinylidene fluoride)柔性冲击波压力传感器测试了激波管试验中动物的体表压力,验证了有限元模型的准确性。然后,使用已验证的模型开展了不同比例距离下猪肺部损伤特性研究,分析了在不同强度冲击波作用下肺部的损伤程度和损伤区域,并建立了胸肺部表皮压力峰值与肺损伤的关系。最后,通过开展爆炸试验,获得了不同比例距离下猪的肺部损伤情况和胸部表皮压力曲线,验证了所建立的胸肺部表皮压力峰值与肺损伤关系的正确性。

爆炸冲击波作用下假人头部加速度响应测试与损伤分析

为了研究爆炸冲击波作用下人体头部的加速度响应、建立加速度与爆炸冲击波超压的内在联系、评价基于加速度参数的头部损伤评估指标,利用标准人体参数的假人模型开展了多种TNT当量的空中静爆试验,获得了不同比例距离下模型头部的加速度时程曲线以及同距离处的自由场超压曲线。基于峰值线性加速度、头部损伤标准(head injury criterion,HIC)和头部撞击功率(head impact power,HIP)定量分析了头部损伤的风险等级,评价3种损伤评估指标在爆炸场景下的适用性和有效性。结果显示,距爆心4.2 m处的假人头部加速度随TNT当量的增加而迅速增大,TNT质量在1~4 kg范围内,正对爆心方向峰值加速度由16.29g增大至70.11g;在本次试验工况下,3种评估指标预测轻度脑损伤(mild traumatic brain injury,mTBI)风险最大依次为25%、10%和5%,其中HIP指标评估的头部轻度损伤风险偏低;当3种评估指标达到头部严重损伤阈值时,对应的峰值超压依次为0.322、0.300和0.332 MPa,其中HIC指标对应的峰值超压最低,表明其预测头部严重损伤的敏感性最强。

爆炸冲击波集合分解排列熵时变峰值降噪算法

针对实测的爆炸冲击波信号中含有大量的噪声信号,严重影响冲击波超压峰值与正压时间的判读以及比冲量的计算等问题,提出了基于完全集合经验模式分解(CEEMDAN)与排列熵(MPE)的时变窗长时频峰值滤波的爆炸冲击波降噪算法,通过构造不同比例距离下的含噪冲击波信号模型和实测数据来进行研究与验证。原始爆炸冲击波数据经CEEMDAN分解为若干个本征模态分量(IMFs);并以IMFs的MPE值作为分类指标,将IMFs分量划分为需滤波和存留两个类别,对含噪模型与实测数据进行降噪处理实验,将降噪处理后的IMFs分量和剩余的IMFs重构。试验结果表明,与贝塞尔低通数字滤波器、CEEMDAN降噪算法相比,该方法能够去除信号中含有的高频噪声,获得较好的降噪指标;同时尽可能地保留了信号中的尖峰与突变信息,是比较理想的爆炸冲击波信号降噪算法。

典型壁板结构爆炸冲击实验与仿真研究

空空导弹战斗部爆炸产生的爆炸冲击波毁伤源对飞机蒙皮结构的损伤效果受多种因素影响,作用机理较为复杂,因此冲击波对飞机蒙皮结构的毁伤评估需要大量的实验和计算样本支撑。本文设计并进行铝合金加筋平板静爆实验,分析固支加筋平板在冲击波加载下的动态响应和变形规律;采用有限元分析软件LS-DYNA对爆炸冲击下的结构响应进行仿真分析,通过对比仿真结果与实验结果对数值仿真模型的准确性进行验证。结果表明:孔洞面积占该形式加筋平板面积大于1‰时,靶板更容易发生以固支边界撕裂为主要形式的拉伸失效,增大孔径或增加孔的数量都有提高孔间贯穿损伤的风险;同爆距下爆炸物与目标迎爆面的夹角越大,靶板的变形程度越严重,夹角从30°增大至60°时目标挠度可增加30%以上。

基于混合架构的船舶冲击爆炸试验数据管理系统研究

针对船舶冲击爆炸试验数据存储分散、管理困难以及利用率低的现状,研究设计了船舶冲击爆炸试验数据管理系统,采用B/S架构和C/S架构混合架构模式,基于VUE、Ext、Java、Python等技术框架和编程语言进行开发;该系统可提供试验任务管理、试验数据管理、试验数据分析、试验资源管理、试验知识管理和系统管理等功能,具有管理数据丰富、分析算法动态可扩展等特点;测试结果表明,该系统实现了船舶冲击爆炸试验数据的规范管理,解决了试验过程中数据存储与管理分散等问题,提高了船舶冲击爆炸试验数据管理能力与数据利用效率。

水下爆炸冲击波与复合材料层合板的相互作用

复合材料具有重量轻、强度高等特点,在舰船结构安全与轻量化领域具有广泛潜在应用价值。本文采用声-固耦合方法建立了水下爆炸冲击波与碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板相互作用数值分析模型,研究了冲击波与复合材料结构相互作用过程,阐明了水下爆炸冲击能量耗散分配机制,验证了声-固耦合渐进损伤分析方法的可靠性。在此基础上,研究了层合板厚度及结构材质对相互作用关系的影响。研究结果表明,爆炸冲击波作用在复合材料层合板上,约31%的冲击波能量以靶板面内损伤和振动的方式耗散掉,约69%的能量在靶板弹性作用下反射回水域中;随着复合材料层合板厚度增加,反射能量的占比逐渐增加,吸收能量占比减小,靶板内部损伤与变形减小;相同水下爆炸冲击载荷作用下,复合材料层合板相对于等质量5A06铝板和Q235钢板具有更优良的抗冲击性能。

供风量与气泡帷幕层数协同下水中爆炸冲击波的削波效果

气泡帷幕能有效地削弱水中冲击波对周围环境的影响。为了研究气泡帷幕供风量和层数对水中冲击波的协同作用,在供风量为30、60、90 L/min的条件下分别设计了含1、2、3层气泡帷幕的水下爆炸试验。结果表明,气泡帷幕的衰减率随供风量和层数增加而增大。当供风量较小(如30、60 L/min)时,随着气泡帷幕层数的增加,相邻层数之间峰值压力的衰减效率越来越低;当供风量较大(如90 L/min)时,随着气泡帷幕层数的增加,相邻层数之间峰值压力的衰减效率越来越高。结合实际工程的经济效益和水下复杂环境问题对削波效果进行分析,确定在供风量为30 L/min时开启2层气泡帷幕是最优的削波方案,为相关的实际工程问题提供参考和新思路。

爆炸冲击波作用下聚脲材料对肺冲击伤防护作用的数值模拟研究

肺冲击伤是爆炸后第一级冲击伤最常见的死因,进行有效防护是减轻伤情、提升救治效能的最优举措。聚脲材料作为躯体防具的研究尚在起步阶段,本研究通过有限元数值模拟探讨了冲击波作用下聚脲材料对肺脏的防护效应及其对冲击波的衰减特性。首先利用LS-DYNA软件模拟冲击波对穿戴防护材料的山羊胸部的直接损伤过程,然后通过实爆测压数据及肺大体伤情进行有效性验证,最后利用该冲击波防护后效应有限元计算模型完成聚脲材料对人员肺冲击伤防护效应的评估。结果表明:右肺朝向爆心时,冲击波肺损伤应力主要集中在右肺下叶,防护模型肺脏整体应力较小,肺所受负压所致肺过牵效应减弱;聚脲材料能够有效衰减到达皮肤和肺脏表面的超压峰值约58.8%,降低胸骨最大线速度约22.4%,且随冲击波压强的增大,衰减能力增强,从而有效降低肺冲击伤的发生率和严重程度。建立的人员防护效应计算机仿真评估模型为新型防护材料用于人员肺冲击伤的防护效能评估、防护后损伤程度预测提供了方法,具有重要的军事和社会意义。

爆炸冲击波在变截面通道中传播规律数值研究

为研究在变截面通道内爆炸冲击波的传播规律,利用LS-DYNA软件对变截面通道内部TNT爆炸进行数值模拟,在LS-DYNA中分析了不同截面变化中冲击波传播云图以及不同测点处超压时程曲线,研究了截面大小变化率和截面长度变化率对爆炸冲击波在变截面通道内传播的影响。结果表明:截面由小变大时,随着截面面积增大,消波率先迅速减小后略微增大再减小,整体上截面面积越大,消波效果越好;截面由大变小时,爆炸冲击波在刚进入截面缩小段,一部分直接以平面波的形式进入缩小段,一部分与截面变化处壁面发生碰撞反射,反射使得该部分爆炸冲击波超压变大并向反方向传播,当小截面缩小至原来一半时,出口处测得爆炸冲击波相当于原来2倍药量在直通道中爆炸的冲击波;同时得到了冲击波超压峰值在不同工况下沿变截面直通道内传播的拟合方程,可为研究新型消波系统提供理论依据。