爆炸冲击技术研究

爆炸冲击波技术在军事和建筑等领域均存在广泛的应用性.通过ANSYS/LS-DYNA软件可进行爆炸冲击建模,而有限元分析方法是进行爆炸冲击问题研究的方法之一.其数值模拟方法包括有限单元法、有限差分法、有限体积法等.有限差分法和动力有限元法是目前冲击载荷作用下,动力结构响应数值计算中应用最多的方法.     

爆炸冲击焊接钢筋温度模拟仿真

为研究爆炸冲击下建筑用焊接钢筋的稳定性,模拟仿真爆炸时间、爆炸冲击波强度、热传导计算、不同工况损伤、与水平距离等对其温度的影响。结果表明:随爆炸时间增加,钢筋温度上升,接近爆炸点处钢筋温度上升速度最快;远离爆炸点处钢筋温度较低,上升平稳;温度随爆炸冲击波强度增加而升高,当爆炸时间为10 ms,爆炸冲击波强度为400 MPa时,钢筋温度达850℃;热传导计算准确性高,与实测值较吻合;不同受火方式下严重损伤区占比与升温时间正相关,爆炸后四面受火时,严重损伤区占比高达90%;水平距离越大钢筋温度越高。     

带壳弹药触地爆炸效应分析

文中对带壳弹药蟹地爆炸效应,特别是冲击波和地震波的产生及计算进行了分析与试验研究作为爆源组成的壳体显著地影响了冲击波及地震波强度影响显著。     

冲击片雷管爆炸箔的制备与电爆性能

为了提高爆炸箔起爆系统的能量利用率,采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术和皮秒激光微加工系统,制备了Cu、C u/Au、C u/Al/Ni三种爆炸箔,并利用自制起爆回路对其电爆性能进行了研究,结果表明,在充电电压为2000,2500 V时,C u爆炸箔在电爆过程中能量利用率较高;在此电压下对三种爆炸箔的性能进行了对比测试,得到在相同的充电电压下Cu/Al/Ni、Cu/Au、C u爆炸箔的爆发电流C u/Al/NiC u/AuC u,且充电电压为2500 V时C u/Al/Ni爆发电流比C u增长了36%,2000 V下比C u增长了15%;在充电电压2500 V时利用高速摄影法对三种爆炸箔电爆时产生的等离子体羽进行了观测,结果表明,等离子体羽的尺寸Cu/Al/NiCu/AuCu。在相同的起爆条件下Cu/Al/Ni爆炸箔更利于爆炸箔起爆系统低能化研究     

云爆剂爆炸/冲击波参数研究

对一种新型云爆药剂及其试验装置进行了外场静爆试验,并对其爆炸/冲击波参数和后续燃烧现象进行研究。结果表明:总装药量为30 kg的试验弹其爆炸火球最大直径可达17.4 m,是原始装药直径的75.65倍。从所测爆炸场超压曲线发现存在前后两个正压作用区,第二个正压区呈现较好的规律性;二次冲击波在火球区外形成,火球区内是后续燃烧反应对爆炸波加载而引起的压缩波积累压力平台;二次冲击波峰值压力不小于第一个冲击波的40%,二次冲量占总冲量的12.5%~43.7%,其对爆炸/冲击波威力的贡献不可忽略。     

粉尘爆炸泄爆火焰扑集研究

为了避免由于工业上意外爆炸的泄爆而造成二次爆炸和次生火灾,本文对粉尘爆炸泄爆口火焰扑集方式进行研究.通过2.7m3的爆炸泄爆容器的大量试验,得到了两种结构的火焰扑集器,研究了不同爆炸指数粉尘及剩余压力与扑集器结构参数的关系.并通过推算,获得不同容积泄爆容器的火焰扑集器的结构金属以及消焰剂用量,为工业实际应用提供设计参考.     

基于爆炸冲击波的头盔防护性能

针对爆炸冲击波致脑损伤的防护问题,开展基于爆炸冲击波的头盔防护性能研究,结合壁面压力传感器和颅脑模拟靶标,形成不同头盔结构和头盔内不同位置的冲击波防护试验测试方法,获取模拟靶标前额、颅顶和颅后的压力-时间变化曲线,分析爆炸冲击波在有/无防护条件下的颅脑表面传播规律。试验结果表明：头盔均能有效削弱冲击波超压,前额超压峰值可从无防护的352.57 kPa削弱至戴QGF-03式头盔的151.31 kPa,戴上全盔后则可削弱至11.36 kPa;冲击波在有防护的颅脑靶标传播过程中易发生绕射和叠加汇聚效应,与无防护相比,QGF-03式头盔内颅后超压提高了50%~100%,FAST头盔内颅后超压提高了9%,盔内压力作用时间显著增长,其中防护面罩可以大幅削弱爆炸冲击波对头部的作用,对前额和面部冲击波超压的削弱可达75%;全盔防护效果最好,能在前额、颅顶和颅后三处分别削弱90%、87%、80%超压峰值,密闭性对冲击波防护具有积极作用。     

炸药水下爆炸能量输出特性研究

通过典型炸药爆炸的性能参数,分析、计算了不同类型水中兵器用混合炸药水下爆炸的 冲击波能、气泡能、冲击波超压方程中的系数k和a以及水中爆炸冲击波超压,计算结果与实测值 能较好地吻合。首次提出了冲击波超压方程中系数a的计算公式,从而为冰下兵器用炸荀配方设 计、性能评估以及战斗部设计提供科学依据。     

传爆序列长通道冲击起爆的工程计算

本文介绍了传爆序列长通道不同距离的冲击波入射压力和到达时间的工程计算方法,结合试验结果及数值模拟结果讨论了使继发雷管可靠起爆的主要因素,得到了使M55针刺雷管可靠起爆的冲击波入射压力为8.0MPa.     

深水静压作用下含水炸药爆炸性能的研究

为得到含水炸药的爆速随静态压力变化的规律,采用特制的爆炸性能测试装置,通过改变静水表面的压力来模拟深水装药环境,对不同静压作用下两类含水炸药(乳化炸药和煤矿许用水胶炸药)的爆速进行测试。实验结果表明:含水炸药的爆速随着压力的增大而降低;乳化炸药受静态压力的影响较大,在静压力为0.3MPa下会发生拒爆,水胶炸药爆速下降率比较平缓稳定。同时,通过拟合得到了乳化炸药的爆速与压力和加压时间之间的关系式。本研究为含水炸药在水下爆破中的应用提供技术支持。     

高强度水下爆炸等效冲击波加载特性研究

为了实现实验室范围内的高强度水下爆炸冲击波加载,在现有非药式水下冲击波加载装置的基础上,对加载水舱的结构进行了改进,并利用实验和仿真相结合的方法对非药式高强度水下爆炸冲击波等效加载特性进行了研究,分析了飞片及活塞的质量对加载冲击波强度和衰减时间常数的影响规律,确定了该方法所产生的高强度水下冲击波加载特性。进而利用该装置对0.5 mm厚铝合金靶板进行了水下冲击波加载实验。实验结果表明,改进后的非药式水下爆炸冲击波等效加载装置能够对目标结构进行有效的高强度水下冲击波加载。     

不同炸高下的EFP 对盖板炸药的撞击起爆研究

为了研究不同状态下的爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)对盖板炸药的冲击起爆影响,采 用Ls-Dyna 仿真软件,建立EFP 撞击起爆带壳炸药的数值仿真模型。利用EFP 成型过程的不同阶段其头部速度不同, 对不同厚度盖板的CompB 炸药进行撞击起爆数值仿真,分析了各个阶段的比动能、头部速度与盖板厚度的关系,以 及盖板厚度与起爆时刻、位置的变化规律。仿真结果表明：在0.5～1 倍装药直径之间,可以得出临界盖板厚度与头 部速度、EFP 沿飞行方向的投影面积成正比,并且EFP 在侵彻大于2.5 倍装药直径的盖板过程时,不会形成剪切块; 笔者设计的口径40 mm EFP 完全成型后,其比动能为61.81 MJ/m2,可以起爆最大盖板厚度为10 mm 的CompB 炸药; 在一定盖板厚度范围内,冲击起爆时间和冲击起爆位置都随着盖板厚度增加而增加;EFP 飞行至0.5 倍装药直径处, 所能撞击起爆的临界盖板厚度是EFP 成型后的2 倍。该研究对于防空防导的战斗部EFP 设计具有一定的参考价值。     

动力系数法在爆炸容器设计中的应用

动力系数法是设计中小当量爆炸容器时普遍采用的一种方法,应用该方法对一柱形爆炸容器进行了设计,在此基础上,应用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序分别模拟了该容器在50,400 g TNT药量加载作用下爆心截面部位的应变行为。通过实际化爆实验考核认为,该容器厚度设计安全可靠,设计方法合理可行。     

基于爆炸冲击波的战斗部炸点位置预测

为解决侵彻战斗部在建筑物等目标内部爆炸后的爆炸位置难以测定的问题,提出一种基于爆炸冲击波超压测试数据的炸点预测方法.基于爆炸冲击波传播速度与冲击波超压衰减规律,构建冲击波到达时间与传播距离的数学模型,将超定非线性方程组的最小二乘解转换为无约束多元非线性函数的极值求解,应用MATLAB软件的fminsearch函数计算获取炸点坐标,并应用实爆试验数据对比分析计算结果与实测结果.结果表明:该方法具有可行性,用于末端动态速度小于476.42 m/s,战斗部炸点预测的偏差在1.5 m以内.     

多点水中阵列爆炸冲击波的传播特性

为了研究多个装药水中阵列爆炸冲击波的耦合作用和传播规律,利用水中爆炸试验,测量了整体装药、两装药和四装药水中阵列爆炸的冲击波-压力时间曲线,分析了装药数量、阵列距离对水中冲击波峰值压力、冲量和作用时间的影响以及阵列爆炸冲击波参数随距离的变化规律.结果表明,两点阵列爆炸,装药聚焦方向(对称中心线)的冲击波可形成叠加,比例距离2～6 m·kg-1/3的范围,冲击波压力强度增加了22.8％～55.4％,冲击波峰压的增益随着传播距离的增大逐渐增大,非对称方向的冲击波压力可形成延时耦合;四点阵列爆炸,装药聚焦方向的冲击波最高峰值压力都接近于整体装药,装药数量的增加可以提高冲击波的高压区域范围和冲量.阵列爆炸点和布局相同时,阵列距离的增加可提高冲量和冲击波作用时间,冲击波压力作用时间则随着装药数量和阵列距离的增大而增大.两点和四点爆炸,冲击波耦合叠加后的多个冲击波峰值压力、冲量都仍符合爆炸相似率,但冲击波压力作用时间则不符合爆炸相似率.     

泡沫铝材料防护性能的数值模拟

为了解不同材料参数对防护结构防护性能的影响,对泡沫铝材料防护性能的数值进行模拟.针对应用AUTOUDYN软件数值模拟单一泡沫铝作防护材料时对爆炸冲击波的衰减特性,设计防护结构为圆柱形的3维实体,根据圆柱形轴对称的特性,建立2维仿真简化模型,采用2维欧拉多物质算法数值模拟单一泡沫铝圆柱形防护结构,得出其对爆炸冲击波的衰减效果.结果表明:泡沫铝对冲击波有着显著的衰减作用,可为泡沫铝在相关复合防护结构中的应用提供参考.     

雷管在密实介质中殉爆特性的实验研究

在硬纸板中进行了雷管的殉爆实验,采用敏感部分面积只有1 mm×1 mm的PVDF传感器,测量了雷管受冲击波作用时的冲击波参数。实验得出,雷管在密实介质中受冲击波作用殉爆与否取决于冲击波压力峰值及峰值持续时间的大小,并认为冲击波压力峰值是决定雷管殉爆与否的首要因素,当冲击波压力峰值达1.29 GPa以上时,雷管都发生殉爆,而压力峰值降到1.0 GPa以后,即使冲击波作用的时间较长,雷管也未发生殉爆。雷管受冲击波作用而被殉爆时,存在一个延滞期,且延滞期随冲击波压力下降而增长。     

防护墙对远场冲击波防护作用的数值模拟

基于任意拉格朗日流固耦合算法,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA研究了挡墙作用下爆炸冲击波的远场传播特性与衰减规律。计算模拟了不同情况的挡墙对冲击波对远场的作用和影响。计算结果表明,挡墙的防护作用较为明显,在一定范围内,挡墙越高、挡墙距爆源越近防护作用越明显。通过计算和分析知,科学、合理的设置挡墙的尺寸和位置对爆炸冲击波的远场防护具有重要的意义。     

炸药水中爆炸能量输出结构的数值模拟

介绍了理想炸药和含铝炸药水中爆炸的能量输出模型,并采用AUTODYN软件,对TNT和PBXW-115水中爆炸远场的冲击波形进行了求解.计算出了冲击波峰值压力、衰减时间常数、冲量、能流密度和冲击波能等参数,并将计算结果与实验数据进行了对比.在不可压缩流体理论的假设下,推导出了水中爆炸一维气泡脉动方程.把脉动方程同爆轰产物的状态方程相结合,计算出1 kg TNT和PBXW-115水中爆炸气泡脉动周期分别为0.213 s和0.283 s,二者的气泡能分别为1.88 MJ·kg-1和4.41 MJ·kg-1,与实验结果吻合较好.