黄河凌汛期高能破冰弹的初步设计

文章在多年研究各类爆炸破冰方法基础上,提出了在现场两侧岸堤上用追击炮发射重磅高能破冰弹的设想,并初步设计了弹体结构,使其有望成为一种重要的救灾爆破器材.此项设计的实施,可使爆炸破冰方法更加有效、安全、机动、灵活,并可在凌坝形成初期及时实施有效的投弹破冰疏凌爆破,以消除凌灾的威胁.     

水下爆破破冰机理的数值分析研究

以黄河包头磴口段爆破破冰试验为基础,采用LS-DYNA有限元软件模拟了水下爆破破冰过程,研究冰层在爆破水压力作用下的破坏机理。根据现场试验条件,水深为4.5 m,冰厚0.5 m,10 kg的集中乳化药包位于冰下1.5 m处,同时考虑底部的淤泥的影响,建立了相应的模型进行数值计算。计算得出破坏后的冰层可分为破碎,裂隙和震动三个区,其中冰层破碎区半径约为5.5 m,与现场实测结果一致。研究表明水下冲击波压力对冰层的破坏起主要作用。     

全垫升式气垫船破冰过程的数值模拟

气垫船破冰是指采用大吨位气垫船以临界航速在冰面上航行进行破冰,是一种较新的内河破冰方法,可应用于黄河凌汛灾害的防治领域。本文对浅水厚冰层条件下气垫船破冰过程进行了数值模拟。计算结果表明：临界航速下,气垫船始终位于船首波峰后方,对所兴起的船波起持续的推波作用,在冰面上逐渐兴起幅值较大的船波。冰层在船尾波谷处最先产生纵向裂缝并向前后延伸,向前延伸至船首波峰处时引起冰层横向破裂并扩展,完成一个破冰周期。船身后方的裂缝沿气垫船轴线方向呈 号形状,不同破冰周期的横向裂缝交叉后,冰层破裂成三角形的碎冰片。气垫船破冰的不同工作航次应尽量沿同一方向平行进行,使不同航次的裂缝进一步交叉,将冰层破裂成尺度更小的碎冰片。     

长杆弹对金属靶板侵彻的有限元数值模拟

本文针对长杆对金属靶板的贯穿过程进行了二维数值模拟,给出并讨论了侵彻过程中的主要物理图象。计算结果指出,剩余弹重和残余速度与实验测量结果基本一致。另外,还集中讨论了滑移面和滑移面再定义技术中的一些数值方法问题。     

混凝土板在弹体冲击下的响应试验与数值模拟

混凝土板在刚性弹体垂直冲击下，受到侵彻对击穿，本文用有限元数值模拟了这一过程，得到了弹体击穿靶板后的剩余速度，靶板被击穿后形成的开坑区和层裂区的大小以及靶板中未被破坏部分的应力应变值，并与实弹试验结果及其它分析方法得到的结果作了比较，都较接近。     

破片模拟弹侵彻钢板的有限元分析

根据破片模拟弹侵彻钢板的实验研究，采用MSC．Dytran对破片模拟弹侵彻钢板的侵彻过程、侵彻特性、钢板的破坏模式以及弹体的侵彻速度、靶板的侵彻阻力进行了有限元分析，并将分析结果与实验结果进行了比较．分析结果表明，破片模拟弹冲击钢装甲的侵彻过程可大致分为初始接触、弹体侵入、剪切冲塞和穿甲破坏4个阶段．有限元分析的破片模拟弹侵彻特性及靶板破坏模式与实验观测结果有较好的一致性，在靶板破口的正面，与弹体平面凸缘两端接触的部分，变形以剪切为主，而与切削面接触的部分，以挤压变形为主；靶板破口背面为剪切冲塞破坏；有限元模拟的弹体剩余速度与实验结果吻合较好，弹体侵彻过程中弹靶作用界面的速度和侵彻速度近似呈线性变化．有限元分析结果还表明，采用适当的模型，有限元法能较好地模拟破片模拟弹侵彻钢板的侵彻过程、侵彻特性以及钢板的破坏模式．     

粉末药型罩石油射孔弹侵彻性能的数值模拟

根据石油射孔弹的实际结构和几何尺寸,运用ANSYS/LS-DYNA2D非线性动力学有限元分析软件,基于自适应网格方法,对孔隙率为11.53%的铜药型罩射流形成和打靶过程以及聚能射流头部速度进行详细描述和分析,并对密实铜药型罩射流形成及打靶的过程进行了数值模拟。对比分析粉末药型罩和密实药型罩侵彻靶板的形貌,结果表明:孔隙率为11.53%的药型罩打靶在穿深、孔径两方面均表现出了更好的侵彻特性。     

粉末药型罩石油射孔弹侵彻性能的数值模拟

根据石油射孔弹的实际结构和几何尺寸,运用ANSYS/LS-DYNA2D非线性动力学有限元分析软件,基于自适应网格方法,对孔隙率为11.53%的铜药型罩射流形成和打靶过程以及聚能射流头部速度进行详细描述和分析,并对密实铜药型罩射流形成及打靶的过程进行了数值模拟。对比分析粉末药型罩和密实药型罩侵彻靶板的形貌,结果表明:孔隙率为11.53%的药型罩打靶在穿深、孔径两方面均表现出了更好的侵彻特性。     

动能弹侵彻多层陶瓷靶板数值模拟研究

结合试验对钨合金长杆弹垂直侵彻多层陶瓷靶板进行了三维数值模拟,得出了侵彻的物理图像及各种参量的变化规律.模拟结果中,后置钢靶剩余穿深和陶瓷破碎锥形状与试验基本一致.对于多层陶瓷靶板,每一层都会有漏斗形的破碎锥出现,且这些破碎锥的形状基本一致.随着陶瓷层数的增多,弹体的速度和动能下降速率逐渐变小.比较了相同厚度的多层和单层陶瓷靶板的抗弹性能,结果表明两者的陶瓷破坏形式不同,多层靶板的抗弹性能要优于相同厚度的单层陶瓷靶板,且仅在一定厚度范围内这种优势才较为明显.     

水下钻孔爆破的数值模拟

利用LS-DYNA对水下钻孔爆破岩石破碎过程进行了数值模拟,根据不同厚度水层覆盖条件下的爆破物理图像,结合岩石内3个单元的应力变化时程曲线,对起爆后10ms内岩石中的应力变化进行了分析;并根据岩石中裂隙的形成和发展情况,对爆破动载作用下水下岩石的破坏情况进行了相应的理论分析。模拟结果可应用于水下钻孔爆破的参数设计。     

水下爆破破冰爆炸冲击波传播规律数值分析

利用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟研究水下爆破破冰过程中爆炸冲击波压力的作用特征和传播规律,对比分析在冰体覆盖的相对封闭条件和常规水下爆炸时水中压力变化的差异性。研究表明:爆炸冲击波产生的水压力以炸药为中心向四周传播,对冰面破碎起主要作用,被扰动冰体主要发生振动折裂。炸药周围近区压力初始峰值大体上相同,爆源远区相差较大,冰盖的存在减弱了爆破能量的耗散。对于相同集中药包,入水深度直接影响爆破破冰效果。和常规水下爆炸相比,在冰体覆盖的相对封闭条件下水中峰值压力较小,衰减速度较慢。     

上浮式蓄冷装置融冰取冷过程的实验研究

提出了一种制取片冰的新方法并建立了实验装置;对装置的融冰过程进行了实验研究,考察了蓄冰槽出口水温随时间的变化关系,并计算了蓄冰槽的放冷速率。研究结果表明,该蓄冷装置在融冰取冷时,具有出水温度低、放冷速率大的特点,尤其适合于如影剧院、大会堂、体育馆等短时间需要大量冷量的冰蓄冷空调系统。     

不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究

为研究水下钻孔爆破中不同水深对爆炸冲击波和岩石破碎效应的影响,结合重庆万州长江公路大桥防撞设施水下基坑及基槽开挖工程,通过ANSYS/LS-DYNA动力有限元程序,得到不同水深条件下爆炸冲击波拉应力峰值。运用MATLAB软件对不同水深岩石破碎拉应力峰值与炮孔距离的关系进行非线性拟合,计算得到不同水深条件下不同炮孔距离的峰值拉应力理论值,进而获得不同水深条件下的爆破损伤区域。研究表明炸礁区岩石上覆30 m左右水深情况下,爆破损伤区域半径为1.5 m,对水下钻孔爆破工程实践提供了依据。     

装药位置对爆破破冰效果影响的数值分析

采用数值模拟的方法研究了炸药装药位置对水下冰凌爆破效果的影响。以黄河防凌破冰试验为基础,采用有限元软件LS-DYNA模拟了炸药在水下不同深度处的爆破破冰效果。模拟结果表明在深度大于4.5 m的水中,药包位于冰下约1.5 m处破冰效果较好;当水深较小时药包的最佳深度相应增加。通过对水压力变化分析,揭示装药深度和水深对爆破效果影响的物理机制。研究结果为防凌破冰设备的研制提供了理论依据。     

装药位置对冰凌爆破效果影响的数值模拟

目前对冰凌的定点爆破方式主要有水下药包爆破、冰中钻孔爆破及冰上裸露药包爆破,使用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟了3种爆破方式冰层中压碎区及裂隙区的生成过程,对冰层的破坏半径、碎冰的飞散特点和水中冲击波强度进行了定量比较分析,分析结果显示水下药包爆破破坏半径是其他爆破方式的1.2至2.0倍,生成水中冲击波强度是其他爆破方式的近14倍。数值模拟结果与以往工程实践相互印证,对爆破法防凌具有一定参考意义。     

水下钻孔爆破岩石各区应力的数值模拟

结合连续介质力学和动力非线性有限元理论知识,通过ANSYS/LS-DYNA建立20 m水深和无水两种情况下的钻孔爆破模型,采用多物质ALE算法,模拟得出了从孔底起爆时爆炸冲击波引起的应力响应,并根据岩石破碎机理判断出粉碎区、裂隙区和弹性振动区,在5~8倍的药柱半径范围内,由冲击波压碎岩石形成粉碎区,临界径向压应力为207 MPa左右,在10~14倍的药柱半径范围内,岩石被割裂形成裂隙区,且切向拉应力起主导作用,其临界值为16.1 MPa左右,对比分析两种模型的计算结果可知,水介质的存在会减缓冲击波与爆轰气体的衰减速率。     

复合材质杆式射流侵彻水下目标的数值模拟

为了实现聚能战斗部对水下目标的高效毁伤,在传统聚能战斗部的基础上设计了一种采用不同材料的球缺罩与偏心亚半球形罩组合的聚能战斗部。阐述了复合材质组合式聚能战斗部的结构设计及作用原理,利用有限元软件AUTODYN数值模拟了其成型及侵彻水下靶板的过程,并与传统的偏心亚半球缺式和单一材质组合式战斗部的毁伤效果进行了对比。研究表明,复合材质组合式战斗部形成的前级杆式射流侵彻水介质过程中可以为后级杆式射流开辟无耗能通道;在相同炸高下,侵彻相同厚度的水介质与靶板后,与传统杆式射流相比,复合材质杆式射流的动能衰减率最小,剩余动能提升了28.59%。该复合材质组合式聚能战斗部可以实现对水下目标的高效毁伤。     

水下钻孔爆破堵塞长度的数值模拟研究

结合长江太子矶航道炸礁工程,根据国内外水下钻孔爆破参数的经验公式,初步确定了该水下破工程的堵塞长度.运用ANSYS/LS-DYNA软件,通过对不同堵塞长度参数的优化调整,对比分析得出了最佳的堵塞长度为140 cm左右,与经验公式所给范围相同.以该值配合其他经验参数通过在现场试验验证发现,爆破效果较好,取得了预期的效果.