基于ANSYS/LS-DYNA的工业炸药材料参数标定方法

在岩石爆破数值模拟研究中,需要准确描述爆轰产物膨胀做功过程,快速准确地确定JWL状态方程参数十分重要。采用了理论计算与数值模拟相结合的方法,提出一种基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件的工业炸药材料参数标定方法。以工程中常见的2#岩石乳化炸药为例,根据炸药产品说明书上的密度及爆速,应用一种简便算法计算得到JWL状态方程未知参数。在此基础上,对铅柱压缩实验、铅铸扩孔实验进行数值模拟,通过两种不同的实验检验计算参数的准确性。采用正交试验的方法研究了JWL状态方程中的4个重要参数A、B、R₁、R₂变化对于数值模拟结果的影响,确定了以爆力、猛度指标为标准的计算参数修正方法。参数修正后,数值模拟结果与现场实验结果误差不超过5%,说明标定方法可行。     

基于ALE算法的空气冲击波绕流数值模拟研究

利用ALE算法和炸药爆轰产物的JWL状态方程 ,对空气冲击波绕过障碍物的环流现象进行了数值模拟 ,得到了在爆源周围有障碍物的爆炸场初始发展和环流的情况 ,分析了空气冲击波的绕流规律。研究结果表明 ,本研究方法可以很好地描述空气冲击波绕流场参量分布与变化规律 ,并且数值模拟结果与半经验公式的计算结果基本符合 ,但在爆源与障碍物的距离较小时 ,计算值偏大。     

基于体积填充法的弹体侵爆一体毁伤效应研究

弹体侵爆一体试验很难区分侵彻和爆炸两种荷载的毁伤权重，目前亦未有较成熟的方法模拟弹体侵彻动爆一体的全过程。针对此问题提出一种基于体积填充法的弹体侵爆一体数值模拟方法，在背景网格中通过体积填充生成炸药材料，同时赋予其与弹壳相同的初始速度，设置流固耦合算法约束弹壳与炸药协同变形和运动，同步侵彻目标介质后静态或动态起爆炸药。利用经验公式对惰性弹侵彻过程进行了模型验证，完成了侵彻静爆一体和侵彻动爆一体全过程数值模拟，给出混凝土介质内部压力场、表面成坑和成坑深度的变化规律，量化分析了侵爆一体过程中侵彻和爆炸两种荷载的毁伤权重。结果表明：当侵彻静爆一体时，目标介质内未消散的侵彻波场会与爆炸冲击波场叠加，其压力峰值较侵彻后装药静爆的单一爆炸波场有所提高，但不明显；当侵彻动爆一体时，炸药的动爆效应使得介质内爆炸冲击波场呈现出不规则的球形分布，速度方向峰值压力提高20%以上，在固定着靶速度的情况下，起爆时间越晚，表面成坑越小，成坑深度越大；在固定起爆深度的情况下，着靶速度越大，表面成坑越小，成坑深度越大。     

基于不同算法和边界条件的土中爆炸数值计算

运用共用节点算法、接触算法和任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法对土中爆炸问题进行了数值模拟,考虑了3种不同的人工边界条件,即粘性边界、三维一致粘弹性边界和远置边界,从模型建立、模拟结果和计算时间3个方面对不同算法和边界条件下爆炸成腔效果进行了对比分析。结果表明:不同流固耦合算法各有优劣,需同时兼顾计算成本和模拟效果等因素选取合适的算法,而等效粘弹性边界单元可在保证计算精度的前提下有效降低计算成本,更好地模拟爆炸冲击过程中无限地基能量辐射阻尼效应问题。     

轴向预制破片战斗部的设计研究

为了研究壳体厚度、炸药爆速、起爆点距离3种因素对轴向预制破片战斗部平均飞散角的综合影响,利用LS-DYNA动力有限元程序,采用Lagrange算法对轴向预制破片战斗部的加速过程进行了数值模拟.以破片平均飞散角为指标,应用正交优化方法针对3种因素对破片平均飞散角影响规律和主次关系进行了分析.结果表明,壳体厚度是主要影响因素,炸药爆速次之,起爆点距离影响最小;并得到了影响破片平均飞散角的3种因素各水平的最优组合,优化之后对应的破片平均飞散角为4.520°.     

空气中TNT爆炸的数值模拟

为了研究TNT炸药爆炸产生的冲击波在空气中的传播规律和预测不同比例距离的超压峰值,应用LS-DYNA有限元软件模拟了7.5 kg TNT爆炸的冲击波传播过程,揭示其能量衰减规律。并用2种经验公式计算不同比例距离的冲击波超压峰值。对数值模拟结果、经验公式结果和已有的实验数据进行对比。结果表明:数值模拟结果与实验数据吻合较好,误差在10%以内,证明了计算模型和参数的合理性。2种经验公式,叶晓华推荐的经验公式与实验数据的误差相对较小,距爆心3.5 m处,误差仅为0.66%。说明叶晓华公式相比Henrych公式更为可靠。但随着爆距的增大,误差也明显增大。建议此公式在比例距离小于2.6 m/kg1/3时采用。     

刚性防爆墙迎爆面荷载计算方法研究

防爆墙作为一种有效的防护措施在国内外重要工程中得到了广泛应用,研究防爆墙迎爆面荷载计算方法有助于防爆墙的科学设计和合理使用。该文采用数值模拟的方法,对不同倾斜角度刚性墙迎爆面压力荷载的计算方法及不同倾角墙体的抗爆效能进行了研究。分析了冲击波在垂直墙体、迎向以及背向炸药倾斜墙体上的反射、绕流以及荷载分布规律,总结出了不同工况时墙体荷载计算方法。研究发现背向炸药倾斜的墙体与垂直墙体以及迎向炸药倾斜的墙体具有几乎相同的防护效果,但墙体所承受的荷载要低于其他两者,合理的解释了工程中存在的防爆墙后倾现象的力学机制。     

基于不同算法的Ti/SS316爆炸焊接数值模拟研究

目的 研究不同基复板间隙对爆炸焊接质量的影响,对钛(Ti)/不锈钢(SS316)的爆炸焊接过程进行数值模拟研究。方法 利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,结合光滑粒子流体动力学-有限元耦合法(SPH-FEM耦合算法)和拉格朗日-欧拉耦合法(ALE算法),对钛(Ti)/不锈钢(SS316)爆炸焊接过程进行三维数值模拟,通过不同算法得到不同基复板间隙下的碰撞速度、碰撞压力及碰撞角,并将模拟结果与试验及理论计算结果进行对比。结果 当间隙为5、10、15 mm时,SPH-FEM耦合算法和ALE算法的复板碰撞速度均落在爆炸焊接窗口内,表明纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)均能成功实现焊接,没有脱落与鼓包。与SPH-FEM耦合算法相比,ALE算法下的碰撞速度、碰撞压力和碰撞角的模拟结果和理论计算结果更加吻合,可信度更高。结论 ALE算法的模拟结果与试验结果吻合,且与理论计算结果的误差更小,表明ALE算法用于纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)爆炸焊接是有效的。     

光滑帽子动态本构模型验证及应用研究

通过弹丸侵彻模型试验及数值方法论证光滑帽子模型可较好模拟一定范围内冲击荷载作用下土体动态力学响应。在此基础上分析不同本构模型、数值算法对计算结果影响。分析表明,光滑帽子模型能克服在较的静水压力及低速下数值计算不稳定,与土壤、泡沫模型及Drucker-Prager模型相比,基本上能反映土体力学性能,计算结果更合理;用MM-ALE算法模拟弹丸侵彻试验能克服网格畸变所致数值计算困难,计算精度能得到保证,计算结果与事实相符。该结果对研究武器触地侵彻过程中弹头强度、刚度、炸药安定性及战斗部入地后的爆炸破坏效应具有重要意义。     

聚能射流引爆屏蔽B炸药的数值模拟及试验

为研究?30 mm装药的聚能射流对屏蔽B炸药的冲击起爆问题,采用非线性有限元LS-DYNA程序数值模拟了聚能射流形成、侵彻及冲击引爆屏蔽B炸药作用过程,得到了射流穿过50~75 mm不同厚度屏蔽钢板的速度、直径以及侵入炸药界面的射流能量值,得到引爆B炸药的临界屏蔽板厚度,计算获得该聚能射流临界起爆速度。最后通过试验对数值计算的B炸药起爆特性进行了验证,试验结果与计算符合较好。研究证明,?30 mm装药的聚能射流对屏蔽B炸药的临界引爆屏蔽板厚度为70 mm,可用于反导战斗部毁伤目标。     

近爆作用下钢筋混凝土板动态破坏的数值模拟研究

当爆炸在结构构件表面发生时,产生的冲击波将会对结构构件造成损伤和破坏,而准确预测潜在的爆炸对结构构件造成的损伤是进行重要建筑物和防护结构抗爆设计的基础。为研究近爆作用下钢筋混凝土板的抗爆性能,采用AUTODYN软件建立了混凝土和钢筋的三维分离式实体模型,数值模型考虑了应变率对钢筋和混凝土材料动力本构特性的影响以及炸药-空气-结构之间的流固耦合相互作用,分析了不同炸药量作用下钢筋混凝土板的损伤机理和破坏特征,合理展现了钢筋混凝土板从混凝土开裂、碎片形成、部分钢筋屈服断裂到板局部震塌的动态演变过程。随着炸药量的增大,钢筋混凝土板的破坏模式逐渐由整体弯曲破坏转变为局部的冲切破坏     

快速检验技术在爆炸装置金属碎片中的应用

为了研究应用手持式X射线荧光光谱仪在爆炸案件现场快速检测自制爆炸装置相关金属碎片的可行性,探讨适用于自制爆炸装置关键组件中金属碎片的临场快速检验分析方法,利用手持式X射线荧光光谱仪对51个常见自制爆炸装置金属碎片样品进行检验,采用SPSS聚类分析Ward法和特征元素分析法对样品进行元素分析,实现对样品的区分,并且比较这两个分析方法在快速检验中的准确性和可行性。实验结果:手持式X射线荧光光谱仪携带方便、响应快速、数据准确;SPSS聚类分析Ward法可对所测数据快速分析,对现场金属碎片进行对比和区分。手持式X射线荧光光谱仪结合SPSS聚类分析Ward法可满足自制爆炸装置关键组件中金属碎片的临场快速检验需求。     

装药壳体对含铝炸药水下爆炸性能影响研究

针对某含铝炸药,分别在6 mm钢壳、硬铝壳、PVC壳及裸药柱形装药条件下进行水下爆炸实验,测量3 m,5 m,7 m处冲击波压力时程曲线,获得不同装药条件下冲击波的峰值、冲量、能量及气泡脉动周期和气泡能等参数。利用AUTODYN-2D程序,对带壳装药含铝炸药水下爆炸过程进行数值模拟,通过与实验测量结果对比,验证数值仿真方法和结果的准确性。在此基础上,结合量纲分析与数值模拟方法研究填装比对冲击波波形、压力峰值及气泡脉动周期的影响规律。研究表明：填装较小时,冲击波压力峰值与冲击波能均增大;填装较大时,压力峰值与冲击波能均减小;气泡脉动周期随填装比的增加而减小;在钢壳装药下,最优填装比为1.45。有限元模型与计算结论可为水中兵器设计提供一定参考。     

爆炸荷载作用下钢筋砼板结构的破坏特性

钢筋混凝土板结构是军事工程和核电工程中常用的构建物,但爆炸能够对其造成严重的破坏。首先分别建立方形混凝土板、钢筋、空气和TNT三维实体模型,采用Lagrange-euler耦合算法仿真计算近场爆炸作用下方形钢筋混凝土板的抗爆性能,并通过与实验结果的对比验证了耦合模型的可靠性。在此基础上,使用该仿真模型对接触爆炸作用下方形钢筋混凝土板的毁伤特性进行了研究。结果表明:接触爆炸作用下钢筋混凝土板的破坏区域主要集中在板中心处,迎爆面压碎成坑、板中心冲切成孔和下表面的震塌剥落是其主要破坏模式。     

爆炸荷载作用下钢筋砼板结构的破坏特性

钢筋混凝土板结构是军事工程和核电工程中常用的构建物,但爆炸能够对其造成严重的破坏。首先分别建立方形混凝土板、钢筋、空气和TNT三维实体模型,采用Lagrange-euler耦合算法仿真计算近场爆炸作用下方形钢筋混凝土板的抗爆性能,并通过与实验结果的对比验证了耦合模型的可靠性。在此基础上,使用该仿真模型对接触爆炸作用下方形钢筋混凝土板的毁伤特性进行了研究。结果表明:接触爆炸作用下钢筋混凝土板的破坏区域主要集中在板中心处,迎爆面压碎成坑、板中心冲切成孔和下表面的震塌剥落是其主要破坏模式。     

粉状乳化炸药爆温的理论计算

文章对粉状乳化炸药的爆温进行了计算：用B-W法确定了粉状乳化炸药的爆炸反应方程式,用盖斯定律以炸药原料和爆炸产物各组分的定容生成热为基础计算了其定容爆热,用加权法算得了爆炸产物的摩尔定容热容,最终计算得到岩石粉状乳化炸药的爆温为2695 K,一级、二级、三级煤矿许用粉状乳化炸药的爆温依次为2651 K、2597 K、2510 K.计算结果显示随着氯化钾含量的增加,煤矿许用粉状乳化炸药的爆热、爆温均呈现降低的趋势.当氯化钾含量在4%～9%范围内递增时,炸药的爆热、爆温的降低与氯化钾含量呈线性关系.     

Numerical simulation of explosive welding using the material point method

Explosive welding involves detonation of explosive, interactions of fluid-structure and plastic deformations of metal plates at the instant of the explosion. Conventional mesh-based methods such as the finite element method (FEM) and finite difference method (FDM), are limited in simulation of the explosive welding when mesh distortion and interaction of different materials occur. In order to describe process of the explosive welding and accurately predict physical parameters for the explosive welding, numerical simulation of the explosive welding which involves multi-physical phenomenon is performed by using material point method (MPM). Not only can major physical phenomena of explosion impact be well captured, but also some important technical parameters for the explosive welding can be attained based on the MPM simulation. Through the comparison with the experimental results, it is shown that the MPM is a robust tool in simulation of the explosive welding.     

内爆作用下不同类型填充墙对RC框架结构的影响

为了研究内爆作用下不同类型填充墙对RC框架结构的影响,减轻RC框架结构在爆炸荷载作用下的破坏程度,采用ANSYS/LS-DYNA软件对已有的RC框架结构、碳纤维布加固砌块填充墙爆炸试验进行数值模拟。通过模拟结果和试验结果的对比分析,验证了采用的数值模拟方法及参数设置是合理和适用的。在此基础上,通过数值模拟研究2层L型RC框架结构在相同内爆条件下,分别设置普通混凝土砌块填充墙、碳纤维布加固砌块填充墙、加固泄爆组合填充墙时构件的损坏程度。研究结果表明:在相同内爆作用下,设置不同类型填充墙的RC框架结构的破坏程度和破坏形态有明显差异,填充墙体对内爆作用下RC框架结构的影响不容忽视;全面采用碳纤维布加固砌块填充墙虽可减少爆炸引起的墙体碎片飞溅,但会使内爆作用下的RC框架结构产生较为严重的破坏,顾此失彼;与其他两种填充墙相比,采用加固泄爆组合填充墙可以有效减轻内爆作用下RC框架结构的破坏程度,减少爆炸引起的墙体碎片飞溅。     

水泥混凝土路面板早龄期翘曲行为数值分析研究

以1/4面板结构模型程序为基础,考虑基层与面板的摩擦界面作用,开展了足尺路面板结构的三维早龄期翘曲有限元数值模拟研究,并与现场实验进行校验。对比显示,相比1/4面板模型,考虑基层摩擦接触界面的全面板模型程序板角位移计算值减小,日变化量级、趋势与试验监测结果更为接近,面板-基层界面参数对计算迭代收敛性影响较大。不同的工况组合下,由于早龄期的历程效应路面板会产生很多复杂的行为特征,计算仿真显示面板早龄期存在板角-1/4板中-板中的翘曲变形迁移运动,不同条件的边界约束导致演化形成不对称面板翘曲。在夏季28 d的记忆-松弛-记忆多次叠加历程作用下,路面板一般将产生正的固化温度差性状。由于混凝土早龄期行为的复杂性,早龄期数值模拟技术仍需研究模型优化、材料早龄期参数特性以及施工工艺的影响。     

潜艇艇体结构在水下爆炸冲击载荷作用下损伤研究

采用数值计算和试验手段相结合的方法,对潜艇艇体结构在水下爆炸载荷作用下的损伤进行了研究。利用试验手段确定了潜艇艇体用钢的材料动态性能参数和潜艇典型单元结构在爆炸冲击载荷作用下的开裂判据。采用双层壳体建模方案对潜艇结构进行整艇有限元建模,运用MSC.DYTRAN程序对整艇结构进行水下抗爆仿真。分析了三种不同工况下潜艇艇体结构的损伤形式。本文计算方法和仿真结果可供潜艇水下抗爆设计和潜艇结构生命力评估参考。