水下爆炸冲击波和气泡载荷对典型圆柱壳结构的毁伤特性

为研究近场爆炸冲击波及气泡载荷对缩比后的鱼雷典型圆柱壳结构的毁伤特性,并探讨装药距离、装药方位等相关参数对圆柱壳结构变形特征及毁伤特性的影响规律,采用任意拉格朗日-欧拉算法对近场爆炸冲击波及气泡载荷对圆柱壳结构的毁伤特性进行了数值模拟分析。将壁面附近爆炸气泡演化过程的仿真结果和试验结果进行了对比,验证了数值模拟方法的有效性。利用该数值分析方法对多组不同装药距离和装药方位下的爆炸过程进行了研究,深入分析了冲击波、气泡脉动载荷及射流载荷等不同形式载荷对圆柱壳结构的毁伤作用机理。研究结果表明：冲击波对圆柱壳结构的毁伤效果受装药距离的影响较为明显,装药距离的增大会急剧削弱冲击波在圆柱壳上造成的破坏,而圆柱壳的方位改变对冲击波的毁伤作用影响较小;水射流载荷对圆柱壳结构产生的毁伤受方位因素的影响较为明显,当药包位于圆柱壳下方时圆柱壳迎爆面在气泡脉动及射流载荷联合作用下产生的塑性应变最大。     

水下爆炸载荷下舰船双层底部结构的毁伤特性

为研究舰船双层底部结构在水下爆炸载荷下的毁伤特性,进行电火花气泡与带破口双层结构模型相互作用实验,使用高速摄影机捕捉气泡在带破口双层结构下方的脉动特征,并使用LS-DYNA软件对该实验工况进行模拟,通过实验验证数值模型的有效性。在此基础上建立实尺度舰船双层底舱段有限元模型,通过改变爆距和双层板间水位,设置15个模拟工况,深入分析冲击波和气泡载荷对舰船双层底部结构的毁伤特性。研究结果表明：爆距较小时,外底板出现破口,内外底板之间的内气泡的膨胀作用加剧外底板破口的撕裂,同时使内底板出现塑性变形;爆距较大时,外底板仅发生变形,并与内底板接触,同时带动内底板的变形。双层板间水位较低时,冲击波载荷衰减较大,对内底板毁伤作用较小,此时内气泡的膨胀对内底板的变形起到主要作用;双层板间水位较高时,冲击波载荷衰减较小,冲击波和气泡脉动二次压力波载荷通过水介质共同作用到内底板,使内底板产生变形。     

聚能战斗部水下爆炸载荷特性

为研究聚能战斗部水下爆炸产生的冲击波及侵彻体的载荷特性,建立聚能战斗部水中自由场爆炸及侵彻含水夹层复合靶的数值仿真模型,获得冲击波强度和测点相对位置的关系,研究有、无药型罩下战斗部对含水夹层复合靶的毁伤差别及冲击波、聚能侵彻体的毁伤效果。结果表明:聚能战斗部水中爆炸冲击波强度在相同爆距下与空间位置有关,但差距不大,聚能侵彻体利用炸药的部分能量形成集中于一个方向的强动载荷。     

反潜战斗部对耐压壳结构的毁伤威力评估方法与实验

针对反潜(鱼雷/深弹)战斗部多类型、水下爆炸多效应以及目标结构多样式等特点，研究归一化的战斗部毁伤威力表征与评估方法。基于最具代表性的艇体结构(耐压壳)毁伤，综合考虑大变形、撕裂破口和聚能穿孔等效应，提出一种通过综合毁伤威力指数量化表征并评估战斗部毁伤威力的方法，适用于各种典型反潜战斗部以及典型单层、双层壳体结构。设计模拟单层、双层壳体结构的毁伤效应靶标，进行爆破、聚能和聚爆3种模拟战斗部的海上试验，分别获得了3种战斗部对两种壳体结构的综合毁伤威力指数，并据此完成了量化对比与分析。研究结果表明：所提评估方法可量化给出同一战斗部对不同艇体结构，以及不同战斗部对同一艇体结构的毁伤威力差别；同等条件下，爆破和聚能战斗部分别对单层、双层壳体靶标具有相对更大的毁伤威力，聚爆战斗部对两种类型结构靶标伤威力均优于单纯的爆破或聚能战斗部；不同战斗部对双层壳体靶标较单层壳体靶标的毁伤威力均有所下降，其中爆破战斗部下降90%以上，聚爆战斗部下降近80%,而聚能战斗部下降只有不到20%。     

兵器近场水下爆炸对目标的毁伤特性研究

近场水下爆炸气泡在壁面Bjerknes力和浮力的共同作用下产生朝向结构的高速射流。此时,气泡脉动由于受物面影响,其作用并不明显,所以近场兵器爆炸产生载荷主要为冲击波和气泡射流载荷。文中将气泡射流形状等效为水柱射流,基于水锤理论得到气泡射流载荷。同时采用GeersHunter半经验半解析模型得到冲击波载荷。将冲击波和气泡射流的总载荷加载到近场结构上,采用声固耦合原理计算舰船结构的响应,得到了兵器近场水下爆炸对目标的毁伤特性。     

聚能战斗部在防空反导中的毁伤效能研究

为研究聚能战斗部在防空反导中的毁伤效能,介绍等效靶板论证与装药结构设计,给出数值计算方案,并通过AUTODYN软件对3种典型聚能侵彻体以不同角度侵彻等效运动靶板进行数值模拟.结果表明:聚能侵彻体和等效靶板的相对运动影响毁伤效能,存在开坑体积逆向叠加效应,同时聚能射流较易受等效靶板扰动,杆式射流毁伤效果更优,爆炸成型弹丸开口直径更大但穿深不足.     

鱼雷聚能战斗部自锻弹丸水中运动特性仿真研究

聚能战斗部是鱼雷战斗部的一个重要发展方向,聚能战斗部中的药型罩在聚能效应的作用下形成自锻弹丸(EFP),其对水中目标的毁伤效果主要取决于EFP经过一定距离的水介质后到达目标时的速度和形状。本文以EFP本身为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对鱼雷聚能战斗部EFP在水中的运动特性作了数学仿真分析,模拟了EFP在水中运动自身的速度梯度、EFP的形状等随时间的变化,对EFP在水中运动自身的速度梯度和形状等参数随时间变化规律做了初步研究。本文的研究成果对鱼雷聚能战斗部结构、药型罩的设计和优化以及提高鱼雷聚能战斗部对目标毁伤效果的研究具有一定的参考意义。     

聚能射流作用下模拟装甲舱室内冲击波试验研究

为研究先进装甲目标内乘员部位冲击波毁伤效应,建立了典型装甲车辆乘员舱室模拟等效目标靶,开展了破甲弹静爆射流穿透装甲钢舱壁及炸药在舱内静爆条件下舱内冲击波试验。试验结果表明：聚能射流穿透装甲舱室后,在舱室内具有一定的冲击波毁伤效应;受射流穿透舱壁时舱体振动、测试位置、壁面反射、传感器安装方式等因素影响,测试波形差异较大;与裸装药在模拟装甲舱内爆炸的试验结果相比,聚能装药爆炸射流穿透舱壁作用下产生的冲击波波形更复杂;若采取无模拟舱底钢板的等效舱试验方法,更加有利于获取有效的超压测试波形。     

水面舰船结构在水下近场爆炸作用下冲击响应研究

水面舰船结构爆炸毁伤是舰船生命力研究的重要内容,也是分析舰载设备及人员毁伤的基础。为提高对舰艇等目标的打击能力,各国大力发展精确制导技术。目前精确制导引信使鱼雷能贴近船体表面接触爆炸,对舰船的船体结构造成严重毁伤。由于兵器水下近场爆炸毁伤复杂性,使之成为国内外研究的热点。采用水中近场爆炸毁伤模型,利用自编程序和商业程序相结合的方法,将冲击波和气泡射流的联合载荷加载到近场结构上进行仿真计算;对舰船结构在水下近场爆炸作用下毁伤特性进行试验研究。仿真计算结果与试验结果吻合较好。     

聚能射流的水下成型及毁伤效果

为分析聚能射流在水介质中的运动规律、形态变化及对靶板的毁伤效果,对锥角药型罩结构的聚能战斗部形成的聚能射流进行数值仿真模拟.在考虑静水压力的条件下,用AUTODYN对聚能射流在水下1、10和50 m侵彻水介质时的形态变化、速度衰减及对靶板的侵彻效果进行了数值模拟,并与相同炸高下空气中形成的射流进行对比.结果表明:射流头部会随着水深的加深发生明显的堆积现象;速度在空腔中呈线性规律衰减,在水介质中呈指数规律衰减;相同炸高条件下,水中的聚能射流对靶板的侵彻孔径比空气中大.     

聚能型战斗部水下射流速度测量的断通靶方法

在断通靶测速系统工作原理、组成特点分析的基础上,研究了海上模型试验中聚能射流速度测量方法及系统的海上工程应用方法,进行了实测数据分析。结果表明：采用断通靶测速系统进行聚能型战斗部水下射流速度测量方法可行,可为聚能型战斗部水中兵器的毁伤分析、数值模拟校核及战斗部结构设计等提供有效的技术支撑。     

基于ALE算法的膛炸数值模拟

为了调查某坦克炮发射破甲弹时导致膛炸事故发生的可能原因,就引信提前解除保险引发战斗部装药的爆炸情况进行研究,采用流固耦合方法对身管膛炸的力学特性进行数值模拟,计算身管断裂时的应力变化。首先,利用Solidworks建立身管、弹丸壳体、战斗部装药以及空气域的模型,并利用Hypermesh进行有限元网格划分。然后,在LS-DYNA计算平台中采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法,求解炸药与身管之间的流固耦合问题,成功模拟了引信提前解除保险引发战斗部装药爆炸时对身管的破坏作用,基本复现了身管的断裂情况。计算结果表明：炸药瞬间引爆在身管内壁造成的压力可达29 GPa;并且身管内壁压力的变化规律呈骤升骤降趋势,这与炸药爆炸产生的爆炸冲击波能量的变化规律密切相关。此外,膛炸发生时,产生的碎片较为均匀,身管两侧断裂情况与实际情况较为符合,可为进一步研究引信提前解除保险引发战斗部装药的爆炸对身管的破坏效应等提供参考。     

壳体厚度对金属射流影响的数值模拟研究

利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,在破甲战斗部装药结构相同的条件下,改变壳体厚度,对金属射流的成型过程进行对比分析;研究表明:壳体厚度对射流的速度、动能均有所影响;合理选择壳体厚度,有助于提高射流稳定性及其侵彻性能。     

一种爆-破型鱼雷串联战斗部设计及数值模拟

为提高鱼雷非接触爆炸对水下目标的毁伤效果,提出一种新的鱼雷爆-破串联聚能战斗部的设计方案,前级为爆炸装药,后级为聚能装药,利用前级爆炸产生的气泡为后级的爆炸成型弹丸(EFP)提供前进通道,有效降低EFP的飞行阻力和能量损耗。采用AUTODYN数值计算软件,模拟EFP在空气、水和气泡中飞行情况,对比分析了EFP的速度变化和变形及对靶板的毁伤情况,验证了此设计方案的可行性和优越性。     

聚能射流对带壳浇注PBX装药的撞击响应

为研究聚能射流对带壳浇注高聚物粘结炸药(PBX)的引爆特性,利用弹径Ф82 mm的聚能装药形成了一种直径细、速度大于7000 m·s-1的高速射流,以及一直径较粗、速度约5000 m·s-1长杆状射流,分别对覆盖有210,255 mm和165,210 mm两组不同厚度钢板的PBX进行了撞击试验。采用高速摄影观测分析了射流撞击下带壳PBX点火引爆的反应过程。用LS-DYNA软件验证了试验结果,得到了不同射流对PBX的引爆能量值。结果表明:弹径Ф82 mm的聚能装药形成的射流能够可靠引爆覆盖小于255 mm厚钢板的浇注PBX,能满足反导弹战斗部毁伤厚壳体目标的需求。     

多层复合装药爆炸冲击波信号能量谱

为研究多层复合装药爆炸冲击波在不同频段内的能量谱特性,进行了不同长径比多层复合装药的爆炸试验。利用小波包分析原理分析爆炸试验测得的冲击波压力信号,获得不同长径比复合装药的冲击波压力信号能量谱,得到了不同频段内冲击波压力信号的能量谱特征规律。结果表明：复合装药的冲击波能量谱值随装药长径比的增加而增加,冲击波能量主要集中在低频段,不同长径比复合装药爆炸冲击波具有不同的能量分布且各频段的能量差异明显;近距离及大长径比复合装药爆炸冲击波的低频段能量具有较大的能量增长百分比,内外同时起爆时多层复合装药的冲击波压力信号总能量是中心起爆的1.55倍。研究结果可为复合装药结构下毁伤威力可控战斗部的设计及毁伤效能评估提供参考。     

温压战斗部装填比对毁伤威力的影响

为了研究温压装药的装填比对战斗部毁伤威力的影响,开展了以65%的奥克托今和35%的高活性级配铝粉为主要组份30 g温压装药爆炸后生成产物及输出能量特性的试验研究。依据试验结果,建立了表征温压战斗部毁伤威力的总能量和总比冲量的数学模型。借助一枚装填70 kg温压炸药的200 kg战斗部距地面1.5 m处的静爆试验的结果,利用数学模型计算了该温压战斗部起爆后距爆心不同距离处的冲击波超压和比冲量。结果表明,计算结果与静爆试验测量结果符合较好,验证了所建数学模型的正确性。应用该模型计算了200 kg温压战斗部爆炸后距爆心不同距离处的总比冲量随装填比的变化情况。表明装填比为40%左右时,有最大的总比冲量和毁伤威力。     

含能毁伤元冲击引爆模拟战斗部试验研究

为提高战斗部的毁伤效能,对氟聚物基含能反应材料进行了研究。对氟聚物基含能材料配方改进并制备了一种Φ26mm×60mm的含能毁伤元。将含能毁伤元装入特定结构壳体后进行了冲击引爆模拟战斗部试验。采用高速录像观察含能毁伤元冲击侵彻模拟战斗部后的爆炸情况并测试爆炸后空气冲击波超压。考察了含能毁伤元不同速度下对B炸药和PBX-9404炸药的引燃引爆能力。设置了B炸药模拟战斗部静爆试验作为对比。在试验的基础上,通过测量爆炸后空气冲击波超压进行了TNT当量等效对比分析。试验研究表明,在735m·s~(-1)的侵彻速度下,氟聚物基含能毁伤元可冲击引爆B炸药模拟战斗部。在962m·s~(-1)的侵彻速度下,能引发PBX-9404炸药模拟战斗部爆燃反应。     

水下爆炸作用下圆柱壳周围压力场分布

为研究水下爆炸对鱼雷、水雷等水下目标的破坏机理开展了一次水下爆炸试验,采用长2.2m、直径0.53 m的圆柱壳结构作为目标,采用1 kg标准TNT球形装药作为爆源在水平距离5.5m处爆炸,测量了圆柱壳正面、背面和侧面的压力场,得到了冲击波时程曲线,测量及分析结果表明:正面和侧面由于反射波的影响均会发生截断效应,背面由于前驱波影响前段上升缓慢,当冲击波到达时迅速上升,之后以指数形式衰减,圆柱壳结构正面的冲击波冲量最大,侧面次之,背面最小,对于结构侧面的破坏作用最小.