水下爆炸冲击波的数值模拟与试验研究

采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对小当量TNT炸药在无限水域内爆炸进行数值模拟,并将数值计算结果与实验室内实测数据以及传统的经验公式计算结果进行对比。分析发现:用传统的经验公式计算小当量TNT炸药在水下爆炸时的爆炸冲击波压力峰值,与实测值相比存在较大误差;运用有限元显式动力分析方法计算得到的水下爆炸冲击波压力峰值与实测值相吻合,并且水下爆炸冲击波波形相近。对数值计算值进行拟合得到水下爆炸冲击波压力峰值的计算公式,可以对同等条件下的水下爆炸试验进行估算。     

含铝炸药深水爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟

为了研究CL-20基和HMX基及其含铝炸药深水爆炸过程,选取LX-14、LX-19、PAX-30和PAX-29 4种炸药,采用AUTODYN数值计算软件,计算其深水爆炸过程的各项参数。计算结果表明:CL-20基炸药水下爆炸性能优于HMX基炸药;铝粉的加入可以大幅度提高冲击波峰值压力、气泡脉动周期及气泡最大半径,而二次压力波峰值压力略有降低。计算TNT深水爆炸过程的参数,并与试验值相对比,误差小于5%,说明球对称一维方法可以很好地模拟炸药深水爆炸过程。最后,计算得到4种炸药的峰值压力均符合水下爆炸相似律,拟合得到4种炸药峰值压力相似常数。     

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。     

水中爆炸下轨条砦表面压力测试及分析

轨条砦表面压力的测试及分析对研究水中爆炸载荷激励下轨条砦内部响应传播规律具有重要意义。论文开展浅水中远距离爆炸载荷作用下轨条砦表面压力的测试,炸药为3 kg的B炸药。通过对测得水中自由场爆炸冲击波压力峰值进行经验公式拟合,对比分析轨条砦表面压力峰值及水中自由场压力峰值。研究结果表明：在轨条砦各表面中迎爆面的压力峰值远超其他壁面。在同种炸药相同距离工况下,轨条砦表面压力明显大于水中自由场爆炸冲击波压力峰值,造成这种结果的主要原因是水中冲击波在轨条砦结构表面产生复杂的反射、绕射作用。轨条砦表面压力的测试及分析对爆炸载荷下水中障碍物表面压力的测试及毁伤分析具有一定参考性。     

柱形爆炸容器内爆炸冲击波的传播规律研究

为了研究柱形爆炸容器内炸药爆炸冲击波的传播规律,利用空中爆炸传感器测量了不同药量和不同距离条件下冲击波压力时程曲线,发现实验测试值与传统的理论经验公式计算值存在较大误差。通过实验结果和理论分析,探讨了误差产生的原因,并对柱形爆炸容器内超压测试曲线出现多峰值超压的原因进行了分析。最后,基于实验测试结果及爆炸相似律原理拟合出适用于该环境下的冲击波超压计算公式,经过拟合修正后计算误差由70%~80%降至0.57%~15%。该研究可为爆炸容器的设计和应用提供理论参考。     

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。     

水底爆炸冲击波峰值压力数值仿真

为研究水底爆炸后冲击波峰值压力特性,在对其理论分析的基础上,采用了AUTODYN软件基于ALE和多物质场欧拉2种算法对炸药在水底爆炸冲击波压力进行了数值计算,2种方法计算结果吻合;与在无限水域条件下采用经验公式计算结果相比数值计算结果较大,说明海底的反射作用增大了水中的冲击波压力.     

AUTODYN水下爆炸数值模拟研究

采用AUTODYN数值计算软件,对TNT水下爆炸冲击波传播过程进行了数值模拟.计算结果表明,爆炸初期炸药中的爆轰波和水中冲击波是高频波,炸药及其附近水域需要足够细密的网格才能反映出这种特性,建议按照峰压衰减时间常数内至少采样100次的标准划分网格;同时应采用较小的人工粘性系数,减少对冲击波峰值超压的抹平,并对计算结果进行低通滤波,这样计算得到的冲击波压力曲线与经验公式计算曲线吻合得较好,不但可以准确捕捉冲击波峰值压力,而且能够比较准确地计算冲击波在水中传输时的衰减演化过程.     

水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸确定方法

网格尺寸对水下爆炸冲击波传播过程的数值模拟精度有较大影响,且不同当量下可接受的网格尺寸也有较大区别。通过研究不同比例爆炸距离处水下爆炸冲击波峰值、比冲量对有限元网格尺寸的依赖性,以“炸药半径与网格尺寸之比”作为网格尺寸划分依据,提出了一种对不同当量均具有较强适用性的网格尺寸确定方法;对数值结果的误差分析表明,采用炸药半径的1/3作为数值模型的网格尺寸,其计算精度可满足工程要求;同时通过对数值计算误差进行非线性拟合,得到了不同网格尺寸下冲击波峰值压力、比冲量的误差估计式,可为研究人员根据可接受的误差范围确定任意当量下合适的网格尺寸或估计数值计算的整体误差提供参考。     

基于AUTODYN的乳化炸药水下爆炸能量分布的数值研究

基于AUTODYN软件建立了水下爆炸一维楔形模型,对空气不耦合装药结构下爆炸能量的输出进行研究。首先获得炸药冲击波压力以及气泡脉动随时间的变化曲线,进一步获知径向不耦合状态下水下爆炸的冲击波峰值压力、气泡最大半径以及脉动周期等数据,并最终得到了不耦合系数下冲击波能以及气泡能的变化情况。将计算结果与已有的水下爆炸实验结果进行了比较分析。结果表明,该计算结果与实验数据吻合较好,证明了利用数值计算手段可以实现定量化表征炸药输出能量随不耦合装药结构的变化规律。     

条形药包冲击波峰值超压工程计算模型

将条形药包分为起爆端、过渡区、中部和非起爆端几个部分 ,根据等效和相似律原理 ,结合条形药包冲击波压力场特性 ,对这几部分爆炸产生的冲击波的衰减特性进行了研究。对照实验结果 ,并引入修正系数 ,得到了各部分简化计算模型 ,可以推广应用到水中条形药包爆炸。本文提出的简化模型 ,可为实际工程中条形药包水中爆炸冲击波峰值超压的计算提供参考。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20¹/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/21/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2¹。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20~1/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2~1。     

水介质不耦合装药爆破岩石破坏范围的研究和应用

根据水中爆炸理论和爆炸应力波理论,探讨了水介质不耦合装药爆破孔壁初始冲击压力和岩石内的动态应力分布,并以强度理论求算出了炮孔周围岩石中粉碎圈和裂隙圈的范围。在某立井掘进爆破中依据炮孔周围裂隙圈半径理论计算的结果进行掏槽炮孔布置参数设计,从工程实践上进一步验证了炮孔水介质不耦合装药爆破时岩石破坏作用范围理论分析的正确性。     

基于K-means聚类的风压系数快速分区方法

提出了一种基于K-means聚类的风压系数快速分区方法。K-means聚类要求事先给出聚类数目k值,在风压系数分区应用中存在局限性。采取两种措施进行改进:一是预先限制k值范围,实现所有k值下的快速聚类。二是采用有效性指标确定最佳k值。分别以平屋盖、鞍形屋盖的两种代表性来流工况为例,说明和验证了风压系数分区方法。结果表明:分区方法能很好地完成不同几何形状屋盖、不同来流工况、不同类型的风压系数分区。     

球形装药海底裸爆压力测试与分析

介绍了单个球形装药海底裸爆试验方法及测试技术,包括试验条件、试验设计、试验测试、波形分析及试验数据统计处理等;对海底爆炸冲击波的特性和传播规律进行了试验研究,重点论述了前驱波、冲击波、反射波、二次波的波形分析与峰值压力测试和计算,总结出部分相关结论。     

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。     

水中爆炸的殉爆试验方法

为了研究弹药水中爆炸的安全性,依据水中爆炸的特点,建立了一种利用冲击波峰值压力和气泡周期判断水中殉爆的试验方法,可以确定炸药的殉爆距离、殉爆安全距离以及被发装药的殉爆反应程度,通过水中爆炸试验进行了验证。结果表明:主发装药为带壳1.5 mm铝壳的GUHL-1装药、被发装药为带壳1.0 mm铝壳的RS211装药时,殉爆距离L100约为60 mm,殉爆安全距离L0约为120 mm。根据水中爆炸的冲击波压力和气泡周期可以可靠地判断被发装药是否发生殉爆,并可以定量估算被发装药的反应程度。     

传爆药冲击波感度试验方法的简化研究

尝试了一种用压装A-IX-I(RDX与钝感剂质量比为95︰5)药柱替代纯RDX作为施主药柱进行冲击波感度试验( SSGT)的方法,通过零隔板试验,检验了施主药柱的爆炸能量输出性能。所得施主药柱的平均质量为1195.5 mg,相对误差0.495％;鉴定块的平均凹痕深度1.769 mm,相对误差0.96％,说明压装法得到的施主药柱性能较好。利用该方法研究了JH-14传爆药经过高温加速老化前后的冲击波感度,结果显示,老化后的样品冲击波感度具有增加的趋势。