含铝炸药深水爆炸能量输出特性高精度数值模拟研究

在深水条件下含铝炸药爆炸不同于理想炸药,高静水压力会影响铝粉参与二次燃烧反应的速率,进而影响能量的释放过程.采用3阶MUSCL有限体积方法结合含铝炸药Miller能量释放模型,研究CL-20基含铝炸药在100~3 000 m水深梯度范围下随水深变化的爆炸能量输出特性.结果表明:爆炸冲击波能会随着水深的增加而不断减小;当水深超过200 m后,CL-20基含铝炸药中铝粉二次反应时间超过气泡周期,在第一个脉动周期内铝粉反应释放能量不充分导致根据气泡周期公式得到的气泡能偏小,气泡能也随着水深增加而减小,爆炸总能量不为定值.

计算网格与人工粘性系数对炸药水中爆炸数值模拟计算的影响分析

在炸药水中爆炸的计算中,网格尺寸和人工粘性系数对计算精度有较大影响。确定合理的网格尺寸和人工粘性系数的取值方法,对提高炸药水中爆炸数值模拟计算精度和减小计算量很重要。本文进行了TNT药柱水中爆炸实验,采用基于爆炸相似率的水中爆炸经验公式法,计算了水中冲击波压力峰值和气泡脉动周期,根据实验测量结果验证了经验公式法的计算精度。在此基础上建立了柱形和球形炸药水中爆炸数值计算模型,采用不同网格尺寸和人工粘性系数,对炸药水中爆炸过程进行了数值模拟计算。通过将数值模拟计算与经验公式法计算结果对比,分析了网格尺寸和人工粘性系数,对水中冲击波压力峰值、气泡最大半径和脉动周期的影响。结果显示:冲击波压力峰值与一次项人工粘性系数和网格尺寸存在指数关系,网格密度与一次项人工粘性系数比值大于400时,炸药水中爆炸数值模拟计算可得到较高精度。

电纺丝技术制备纳米/亚微米级取向纤维

静电纺丝是一种制备直径在纳米级到微米级超细纤维的新技术。普通的静电纺丝装置制备出的是无纺布状超细纤维,但有些场合需要使用取向纤维,因此文中介绍了制备取向纤维的方法,并成功地采用自制装置制备出取向的纳米/亚微米纤维,研究了电纺丝参数,如纺丝电压、溶液浓度、接收距离等对纤维取向的影响,最后对取向原理进行了简单分析。

起爆方式对内爆炸圆管战斗部破片初速的影响

战斗部的起爆方式直接影响着爆轰波与壳体的作用方式,致使战斗部破碎后形成的自然破片特征参数发生变化,文中应用爆轰波传播理论对不同起爆方式起爆内爆炸圆管战斗部后形成的自然破片初速进行理论预测,并通过仿真软件对爆轰波传播及自然破片形成过程进行仿真。结果表明,轴线起爆方式可提升破片杀伤威力。

调制气动声源声辐射特性实验研究

为提高调制气动声源在低频处的发声强度,将含声波的气流通过直管和双曲喇叭两种谐振管产生共振。通过实验研究在上述两种谐振管作用下,调制气流声源辐射强度与工作频率以及气室压力之间的关系。实验结果表明,当直管长度为调制声源1/4波长的奇数倍时,其辐射效果最好;双曲喇叭辐射强度与调制声源频率分段成比例。将谐振系统由直管改为双曲喇叭后其发声强度提高30 dB,而发声强度分段与气室压力成正比。

建筑物内非均匀预混天然气泄漏爆炸过程数值模拟

为了应对建筑物内天然气泄漏爆炸给城市公共安全带来的严重威胁,以某天然气爆炸事故为例,借助Flacs软件,研究了天然气的泄漏规律和非均匀预混天然气的爆炸规律。结果表明,在天然气累计泄漏量相同的条件下,当泄漏速率由0.001 kg/s增长至0.09 kg/s时,厨房顶灯处的天然气体积分数由21%升高至39%,增加了18个百分点,而主卧、次卧顶灯处的天然气体积分数分别由18%、16%降至12%、7%,分别降低了6个百分点、9个百分点。在非均匀预混条件下,门窗泄爆压力从30 kPa降至0时,室内超压峰值下降了66%,而在均匀预混条件下,室内超压峰值的下降率为12%。研究结果对于预防类似事故发生和助力爆炸事故调查均具有指导意义。

双层爆炸容器的振动响应特性分析

从实验测量和有限元仿真模拟两个方面,对双层结构的爆炸容器的动态响应和振动特性进行分析。通过三维数字图像相关方法(以下简称"DIC"方法),结合应变片测量法,通过获取的双层爆炸容器在不同装药强度工作状态下的三维变形场信息,对容器不同部位的位移-时间曲线进行快速傅里叶变换后。通过分析容器的主要响应频率,确定了爆炸容器的振动频谱分布情况。使用有限元软件(ANSYS)模态分析模块建立容器的有限元模型,获取容器的各阶振动模态的固有频率,确定爆炸容器工作状态下的主要振型和模态分布。实验证明了DIC方法在研究爆炸容器振动领域的可行性和可靠性;并为探索爆炸压力容器的振动特性与爆炸容器安全水平提供了新思路和重要依据。

串联爆炸成型弹丸飞行气动特性的数值模拟研究

为了研究前后级爆炸成型弹丸(EFP)的姿态或位置相对变化对弹丸气动特性的影响,采用LS-DYNA数值模拟软件获得串联EFP,通过Pro/E软件实现串联EFP外形数据的传递。用计算流体力学软件CFD-FASTRAN对串联EFP进行了数值模拟,得到了前后级EFP分别存在不同攻角或相对偏移距离时的升力系数、阻力系数、静稳定储备量等气动参数。结果表明,当前级EFP存在攻角时,后级EFP流场分布呈不对称性;当后级EFP存在攻角时,对串联EFP气动特性影响较小;当前后级EFP存在偏移距离时,随着偏移距离的增大,后级EFP的阻力系数增大。

柔性防护结构对爆炸冲击波衰减作用数值模拟

为了应对小当量的爆炸物,减小爆炸冲击波对人员的伤害和财物的损害,研究了一种柔性防护结构。根据爆炸相似理论,对爆炸物TNT当量为3 kg的典型目标选择1∶50缩比模型,建立二维仿真简化模型。采用欧拉算法数值模拟圆柱形柔性防护结构对爆炸冲击波的衰减作用,对不同厚度柔性防护结构的防护效果进行对比研究。仿真结果表明,柔性防护结构能有效的减小冲击波超压峰值,增加正压作用时间;得到的柔性防护结构水介质防护层厚度优化值,能很好的满足防护效果与轻量便携的应用背景,对柔性防护结构设计具有参考作用。

不同Al粒径的PTFE/Al活性射流作用双层间隔靶的实验研究

为了获得采用不同铝(Al)粒径制备而成的聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)活性药型罩作用双层间隔靶的毁伤威力特性,采用模压烧结成型法制备了5种不同Al粒径(10,30,70,200μm,50/70μm)的PTFE/Al活性药型罩,并开展了相应的静爆威力实验。研究结果表明:随着Al粒径从10μm增加到200μm时,活性射流对钢靶和铝靶的破孔面积、等效破裂孔直径、破孔隆起高度以及形成的破坏区域体积均呈现减小趋势,当Al粒径为10μm时破坏钢靶的毁伤参量为S_(Steel)=0.4 CD(装药直径)、hAl=0.48 CD、V_(Steel)=420 cm3,破坏铝靶的毁伤参量为SAl=3.8 CD、hAl=1.72 CD、VAl=2280 cm^(3)。采用50 nm/70μm级配Al粒径的PTFE/Al活性射流对钢靶的穿孔效果显著提高,等效破裂孔直径d_(Steel)=0.59 CD。结合实验相关数据拟合得到了活性射流对后效铝靶的爆裂毁伤效应分析模型。

非等径爆炸抛洒装置燃料抛撒特性影响规律研究

研究非等径异形抛撒装置的燃料抛洒特性,利用LS-DYNA软件模拟锥柱状扇形抛洒装置中心药起爆至壳体破裂过程,得到燃料抛洒速度在壳体表面的分布和抛撒速率随时间的变化规律,将其结果和实验进行对比验证。同时通过改变中心药柱点火位置,壳体厚度和壳体材料,研究这些因素变化对燃料抛撒初速度的影响规律。分析结果得出如下结论:①点火位置在壳体粗端,即中心抛撒药从粗端起爆时,能弥补非等经结构内燃料装药不均匀带来的抛撒不均匀问题,同时能使燃料抛撒初速度比细端起爆条件下高出7%。②壳体厚度对燃料抛洒出速度分布规律无明显影响,壳体厚度增大一倍,燃料抛撒初速度减小约12.5%。③壳体材料对燃料抛撒初速度和分布规律均有影响,韧性材料对燃料抛洒初速度分布规律影响不大,但是对初速率大小有影响,陶瓷等脆性材料导致初速度分布得更均匀。

石墨烯气凝胶的压缩力学性能研究

为探究石墨烯气凝胶在防护领域的潜在应用,采用冷冻干燥法并控制冷冻温度变量制备不同的石墨烯气凝胶试样,进行单轴面内压缩力学实验;结合3D数字图像相关技术和扫描电子显微镜,分析变形模式与破坏机理。研究结果表明:冷冻干燥法制备的石墨烯气凝胶试样具有3D多孔网络结构、低密度(<33.93 mg/cm^(3))、高孔隙率(>98.5%)等特征,并具有受冷冻温度影响的特征微观结构;石墨烯气凝胶的压缩应力-应变曲线展现出多孔材料典型的三阶段特征,并且力学性能受冷冻温度的影响,-80℃所得石墨烯气凝胶的杨氏模量相较于-19℃提高160%,单位体积吸能提高67%;石墨烯气凝胶多次循环加载-卸载中随着内部致密区域的扩展,以塑性能为主的吸收总能趋于稳定不变,其状态变化可通过指数衰减模型描述;石墨烯气凝胶的横纵向片层不同的压缩变形形态发展为大规模的类弹簧型紧密折叠模式,使得石墨烯气凝胶表现出回弹性。所得研究成果为石墨烯气凝胶在防护领域的应用提供了理论与实践基础。

相变材料的制备及自调温功能服装的研制开发

详细介绍了可以应用于自调温功能服装的无机相变材料、有机相变材料、微胶囊相变材料的制备技术,介绍了自调温功能服装的研制开发。硫酸钠基防护服用相变材料,其相变温度为15℃,相变焓为180J/g,目前已经进入实际应用阶段。该材料以硫酸钠盐为主相变剂,用添加剂来控制材料的熔点,改善材料的形态,提高了材料的综合性能,得出了影响材料性能因素及最佳工艺控制条件,掌握了材料的加工工艺、制备温度、存储方法等手段。研究表明,所得到的材料在保证了必要相变温度的条件下,仍有较大的相变焓,长期使用过程中表现出了较好的稳定性。作者等的研究表明,以醇为主相变剂,高级烷烃等为辅相变剂,所得到相变温度为23℃,相变焓达到200～220j/g的有机相变材料的,是一种较好的制备方法。用DSC和TG对相变材料的热稳定性、重复稳定性和膨胀性进行了分析,结果表明该材料是一种膨胀率低、稳定性很好的相变材料。微胶囊相变材料是将微胶囊技术应用于相变材料而形成的新型复合相变材料。以Na2HPO4·12H2O为囊芯,聚氨酯为囊壁材料,用界面聚合法合成了Na2HPO4·12H2O相变材料微胶囊。其直径为2～10μm,它能够在10～80℃温度范围内,吸收或放出100～200j/g的热量,而且在吸、放热量的过程中,温度几乎不发生变化。由于它从技术上克服了相变物质的应用局限性,提高了相变材料的使用效率,拓宽了相变材料的应用领域。作者所在课题组已经使用上述材料,成功研制出运动衣料,可以自调温的服装、衣袜、地板等系列产品。

冲击波作用下钕铁硼的动态特性研究

为了研究钕铁硼铁磁性材料在冲击波作用下的力学与磁学性质,利用一级轻气炮驱动飞片的方法对钕铁硼进行冲击加载实验,采用锰铜压阻传感器测量了钕铁硼内部不同位置的压力变化历程。给出了3~7 GPa压力范围内,钕铁硼的Hugoniot关系以及冲击波阵面上压力与温度的关系;计算了钕铁硼的Grüneisen状态方程参数;建立了飞片碰撞加载钕铁硼的计算模型,对钕铁硼的冲击响应进行了数值模拟计算,计算得到的压力峰值与实验测得的压力峰值基本相符。对冲击后的磁体进行了微观结构观测,分析了钕铁硼退磁机制。结果发现:冲击后磁体发生沿晶断裂,磁体晶界相的微观结构没有发生变化,沿晶断裂弱化了晶界相隔断主相之间交换耦合的作用。经冲击的磁体的矫顽力损失很大,从21.4 k Oe降至3.2 k Oe,在难磁化方向矫顽力只有1.2 k Oe,但难易磁化方向并未发生改变。

多种物理机制耦合作用下的储层介质参数反演研究

孔隙介质的黏弹性、孔隙流体的Biot流动和喷射流动是影响波传播的重要物理机制.本文分别基于弹性和黏弹性BISQ模型,利用自适应杂交遗传算法研究了多种物理机制耦合作用条件下储层介质参数反演.为了测试自适应杂交遗传算法的有效性,本文分别利用自适应杂交遗传算法和传统实数编码遗传算法对含有不同噪声的理论合成数据进行了反演试算.对比理论合成数据反演结果可知,自适应杂交遗传算法具有抗干扰能力强且收敛速度快的特点,是一种有效的储层介质参数反演方法.同时本文也利用不同频率尺度和不同温度条件下的P波和S波实测数据进行了联合反演.对比研究表明,黏弹性BISQ模型能够很好地解释不同频率尺度的波频散特征,不仅能够很好地预测P波速度,而且也能够很好地预测S波速度,从而证明了黏弹性BISQ模型能够准确地描述低频条件下的波频散.

CL-20混合炸药的爆轰波结构

基于爆轰数值模拟计算,分析了CL-20混合炸药爆轰反应的特征,设计了炸药与窗口的界面粒子速度测量实验装置;采用激光干涉法,测量了C-1炸药(CL-20/粘合剂/94/6)与窗口的界面粒子速度;运用先求导、再分段拟合的方法,对界面粒子速度随时间的变化曲线进行了数据处理,确定了炸药爆轰CJ点对应的时间位置;根据CJ点对应的粒子速度,计算获得了炸药的爆轰反应区宽度和CJ爆轰压力。结果显示:密度为1.943 g/cm^3的C-1炸药的爆轰反应时间为38 ns,CJ压力为34.2 GPa。

一种新型调平装置结构及抗冲击性能研究

针对小型军用装备经机动布设后处于斜坡上使姿态不正确的问题,设计了一种新型的调平装置,经过电机驱动旋转2次后,实现装置对载物面的调平。再以该调平装置为研究对象,用LS-DYNA对装置跌落撞击地面的过程进行了模拟分析,获得了10 m/s,7 m/s,4 m/s和0°,10°,20°,30°倾斜姿态对调平装置动态响应的影响规律。结果表明:冲击强度随着跌落速度增加而增大,随着跌落角度的增加而减小。根据分析结果提出优化方案,使调平装置的抗冲击性能得到提升。

钛合金药型罩对纯铜及45钢靶的破甲特性

为了研究射流与靶板间的反应对其破甲性能的影响,选用钛合金药型罩分别对纯铜及45钢两种材质的靶板进行静破甲试验。研究结果表明:与钛合金反应不剧烈的纯铜靶板,静破甲试验后的破孔孔径较大,穿深较高;而与钛合金反应较为剧烈的45钢靶板,静破甲试验后的破孔孔径较小,穿深较低。对静破甲试验后纯铜靶板及45钢靶板进行了微观组织分析,研究了钛合金药型罩分别对纯铜靶板及45钢靶板的破甲特性及破甲机理,并探讨了射流与靶板间的反应对其破甲性能的影响。

带壳体云爆弹药液体燃料抛撒的数值模拟

建立了带壳体云爆弹药数值模拟模型,分析了圆柱壳体的断裂准则.壳体材料采用Johnson-Cook热粘性本构方程,断裂准则采用Taylor断裂应力准则,应用Autodyn软件进行了数值模拟,给出了内部爆炸载荷下液体燃料的压力曲线和速度曲线,并进行了分析.

近临界马赫数条件下楔形诱导斜爆轰数值模拟

在爆轰推进技术的有关研究中,形成稳定的爆轰波对于爆轰发动机产生稳定推力至关重要.通过理论推导确定了斜爆轰角与来流马赫数间的曲线关系,并给出临界马赫数.进一步采用一步总包反应模型,开展近临界马赫数条件下有、无黏性扩散的斜爆轰大尺度数值模拟.针对临界马赫数近CJ特征的斜爆轰,有、无黏性两种情况下的模拟结果表明,近临界马赫数条件下斜爆轰存在CJ爆轰上行现象,爆轰驻定后,具有全局波动特征.