基于RKDG方法的空中爆炸冲击波数值模拟

针对空中爆炸强间断模拟精度较低的问题,应用虚拟流体方法(GFM)处理高密度比、高压力比存在的爆炸流场中物质界面处两侧的物理量。采用Level Set方法对运动界面进行追踪,采用间断伽辽金法对控制方程在空间上进行离散,采用龙格库塔方法在时间上离散。编制空中爆炸数值模拟程序,应用计算程序对自由场空中爆炸进行模拟,将计算得到的空中爆炸载荷与经验公式进行比较。结果证明该方法具有较高的精度。给出了强、弱间断性的空中爆炸流场密度和压力分布规律,同时对冲击波与冲击波相互作用进行模拟,说明RKDG方法能较好地模拟冲击波的反射、绕射等现象,处理空中爆炸间断性问题。     

爆炸驱动液体分散的实验与数值模拟研究

在爆炸作用驱动液体分散的过程中,爆炸冲击波在液体中的传播及其与气液界面间的相互作用,直接影响液体的性质改变和分散形态。利用导爆索在水中爆炸的方法,对此过程进行了实验研究,发现在气液界面处的液体性质已改变,有空化现象存在。利用Level-set方法和虚拟流体方法(GFM),对强激波与气液界面相互作用过程进行了数值模拟,通过对计算结果中压力分布和界面形状变化的分析,结合实验结果,进一步表明液体中会有空化现象产生。     

基于多介质Riemann问题的流体-固体耦合数值方法及其在爆炸与冲击问题中的应用

为提高爆炸与冲击下多介质大变形问题的数值模拟精度，针对具有高度非线性特征、通用形式的Mie-Grüneisen状态方程和流体弹塑性本构方程的多种介质间相互作用问题，提出一种通用、健壮的多介质Riemann问题求解方法，以有效提高物质界面上各物理量的计算精度。结合Euler坐标系下具有锐利界面的守恒型多介质流动数值方法，建立一套能够模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下大变形动力学行为的数值计算体系。对流体-固体耦合、固体-固体耦合Riemann问题，地下强爆炸、空中强爆炸以及高速冲击等问题开展了数值模拟，计算结果和理论、实测数据符合较好，表明该数值方法能够对典型爆炸与冲击等多介质问题进行有效的模拟。     

水中多物质爆炸场的三维数值模拟

对水中爆炸的三维多物质数值模拟问题,采用基于有限差分的拉格朗日、欧拉相结合的方法,在矩形网格上离散差分控制方程组;在欧拉步中引入模糊方法处理界面,计算各输运量;用Fortran语言编程计算;用自主研发的可视化软件进行后处理,考虑了由爆轰产物、混凝土、水介质的多物质爆炸场,给出了二维截面和三维模拟结果、几个关键点的压力曲线。其结果与实际较为吻合,特别是冲击波在水中传播和混凝土挡墙在水中被炸毁的模拟的效果较好,证明数值方法有效而适用。     

洞库内爆炸冲击波流场的数值模拟

运用LS—DYNA动力有限元软件,采用ALE方法及多物质流固耦合方法,对弹药洞库内部爆炸冲击波流场进行研究,得到洞库内爆炸时整个爆炸流场初始发展、反射环流情况及整个传播过程,分析空气冲击波的压力时程规律．     

高能炸药水中爆炸能量输出特性数值分析

多介质数值计算中对于高压比和高密度比的介质界面间的处理一直以来是个难点,而且目前的计算精度都不高.本工作采用位标函数捕捉物质界面,用修正的虚拟流体方法对界面进行了处理,其中含能材料爆轰产物JWL状态方程系数通过Kihara-Hikita-Tanaka(KHT)计算的等熵膨胀数据拟合得到,并实现了程序化.对TNT和PETN两种高能炸药在水中爆炸的能量输出特性进行了计算,结果表明,本工作的计算结果与实验相似律计算结果比较吻合,误差在10%以内.     

战斗部壳体厚度对爆炸空气冲击波的影响

采用LS-DYNA进行数值模拟,研究了战斗部壳体壁厚及壁厚半径比的改变对爆炸空气冲击渡传播特性的影响和对壳体飞散规律的影响.对数值模拟结果的数据进行拟合,并进行量纲分析.结果表明,爆炸空气冲击渡峰值随距离的衰减指数与壳体厚度近似成线性关系,壳体越厚,衰减指教越大,空气冲击波峰值随距离衰减越快.分界面(壳体和空气)处的冲击波峰值压力与壳体壁厚成反比,壳体越厚,分界面处的压力越低.战斗部外壳速度、加速时间、加速度与壳体厚度相关,壳体越厚,壳体飞散速度的最大值越小,加速时间越长,加速度越小.     

引信传爆序列殉爆特性数值模拟方法

针对殉爆数值模拟方法的研究对象主要为炸药的问题,提出了引信传爆序列殉爆特性数值模拟方法。该方法采用Autodyn软件对典型引信传爆序列殉爆特性进行了数值模拟,得到了主发传爆序列传播到被发传爆序列周围的爆炸冲击波。数值模拟结果表明,由于主发引信传爆序列爆炸冲击波的瞬间冲击作用,造成被发引信传爆序相应质点压力剧增达到临界爆发点,最终导致被发引信传爆序列发生殉爆。     

爆炸与冲击数值模拟的可视化

针对二维多物质流体弹塑性程序SMMIC(自行开发)结果,设计了一个切实可行的二维爆炸场可视化工具软件,以此来研究二维爆炸与冲击数值模拟结果的可视化问题.用该软件对有或无防护挡墙的二维爆炸场中冲击波的传播过程,金属射流形成过程和混凝土中的爆炸效应进行了可视化处理,可视化的效果比较令人满意,结果不仅可展现爆炸与冲击过程的整体概貌,而且可清晰地显示爆炸与冲击过程的细微过程(如爆炸场中冲击波遇障碍物后的反射,绕流和马赫反射等).     

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.     

水中爆炸冲击波传播与气泡脉动的实验及数值模拟

以实验方法研究球形TNT炸药及柱形含铝炸药水中爆炸冲击波传播及气泡脉动规律。应用国际上通用的有限元程序MSC．DYTRAN模拟在重力影响下水中爆炸冲击波及气泡脉动的全物理过程,并将计算结果与实验结果进行对比分析,二者具有较好的一致性,验证了有限元模型正确、有效,结果准确。以此为基础,分析和总结了网格密度、圆柱形炸药长径比、爆炸距离、爆炸角度对冲击波峰值的影响。有限元模型、方法及计算结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值。     

爆炸近区流场的数值模拟方法研究

提出了一种用于模拟爆炸近区炸药、爆轰产物、空气等相互作用流场的数值方法。在欧拉型方法中引入了一种炸药、爆轰产物、空气3种组分的混合模型,该模型中炸药及爆轰产物采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程,空气采用理想气体状态方程,在固相与气相间满足等压假设和体积可加性,气相组分间满足等温假设和分压定理。该模型无需迭代求解,计算效率较高。化学反应率采用“点火—生长”模型,采用AUSM₊-up格式计算通量。计算了空气中球形TNT装药的爆炸问题,可以清晰地看到爆轰波在流体界面上发生的透射、反射等一系列复杂作用过程。计算得到的超压峰值在直至距药球表面5 cm的位置都与实验结果符合良好,冲击波到达时间、超压比冲量等与现有实验结果也符合较好,验证了本方法的有效性和准确度。     

水下爆炸冲击波作用下空气背衬平板的运动

运用一维平面波理论,得到了空气背衬平板对水下爆炸冲击波响应的波动理论公式。通过比较波动理论公式与Taylor公式的计算结果,表明二者在平板波阻抗远大于水介质时具有很好的一致性。但是当平板的弹性模量和密度减小时,Taylor公式的误差增大,而波动理论公式则仍具有很好的精确性。相同质量的平板在相同的水下爆炸冲击波作用下的最大速度与平板的弹性模量和密度成反比,而不同厚度的钢板对相同水下爆炸冲击波响应的计算结果表明,平板的厚度与最大速度成反比,但增加平板厚度并不能达到很好的隔振效果。     

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。     

舱室内爆炸压力载荷测试方法研究

针对装药在密闭或准密闭舰船舱室内的爆炸实验,研究首次反射冲击波和准静态压力两种毁伤压力载荷测试方法。分析了舱室内装药爆炸形成的首次反射冲击波和准静态压力两种载荷的频率与幅值特性,阐明了采用不同频响传感器分别进行测量的必要性和合理性;提出了采用高频压电传感器测量首次反射冲击波和低频压阻传感器测量准静态压力的传感器选型方法;给出了专用工艺工装设计以及传感器布设方法,其中尼龙套筒工装可有效起到绝缘和衰减应力波的作用,其内腔传压管设计可有效消除爆炸产生的高频信号和光、热信号对压阻传感器的干扰,从而保证了测试精度。进行了模拟舱室内的装药爆炸实验,所得测试数据与经典公式计算结果一致性良好。研究结果表明：所提出的舱室内爆炸毁伤压力载荷并行测试方法以及工艺工装设计合理可行,能够在获取足够精度的反射冲击波数据基础上更加精确地获取准静态压力峰值及衰减规律;为了准确获取舱室内爆炸压力载荷数据,在合理预估待测信号幅值范围前提下,首次反射冲击波测试采样率应为兆赫兹量级,准静态压力测试采样率应为千赫兹量级;为了防止干扰信号对测试的影响,应采用尼龙套筒工装并采用过盈配合的安装方法。     

铝氧比对水中爆炸近场冲击波的影响

为揭示铝氧比对水中爆炸近场冲击波压力的影响,对三种不同铝氧比的RDX/Al体系柱形装药进行了水中爆炸实验,通过高速扫描方法求解了水中爆炸近场冲击波峰值压力随传播距离的衰减规律,分析了所含铝氧比对冲击波初始压力峰值和压力峰值衰减的影响.结果表明,Al/O=0时,初始冲击波峰值压力达到了18.95 GPa,Al/O=0.4时初始冲击波峰值压力约为13.66 GPa,而Al/O=0.7时初始冲击波峰值压力约为8.35 GPa,而峰值压力的衰减速率也随着铝含量的增加而降低.铝粉参加反应的时间、反应的程度等因素对近场冲击波初始峰值压力和峰值压力的衰减影响显著.     

内爆炸作用下抗爆单元防护隔墙厚度计算

封闭空间发生内爆炸时,由于受到周围墙体的限制,作用荷载得以加强。文中分析了结构内爆炸荷载的组成,提出了内爆炸荷载作用下抗爆墙设计的解析计算方法。通过分析表明:准静态气体荷载与冲击波荷载相比较小,但两者之比及在墙体上产生的弯矩之比随加载密度的增加呈上升趋势;爆炸当量相同的条件下,室内地面长宽比对墙体上弯矩影响较大,长宽比越小,墙体上弯矩越小,长宽比为1时,墙体上弯矩达到最小。     

爆炸气泡帷幕对水中冲击波能量的衰减特性

在传统气泡帷幕减震技术的基础上,提出了爆炸气泡帷幕削能新理念,并对爆炸气泡帷幕削能设想进行了实验研究,发现在本实验条件下爆炸气泡帷幕能有效衰减冲击波峰值压力,且衰减量高达60%,对冲击波比冲量的衰减高达62.2%;采用小波包分解技术对爆炸气泡帷幕的削能效果进行评判,发现爆炸气泡帷幕对各频段的冲击波能量衰减效果明显,绝大部分频段的能量衰减都在50%以上;爆炸气泡帷幕能够有效消除水下爆炸冲击波的高频部分,爆炸冲击波通过爆炸气泡帷幕后只有低频成分,且低频成分能量大大削弱。     

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.     

水下爆炸法测量含铝炸药后燃效应

为了研究含铝炸药的后燃效应,以钝黑铝(AⅨ-Ⅱ)、某含铝炸药(JAL)两种炸药为研究对象,设计使用了一种用于增强贫氧炸药后燃效应、可充填不同气体的双层试验装置。采用水下爆炸测试方法,对试验装置中的装药分别在不同压力(0.1,0.6,4.6 MPa)氧气、空气和氮气条件下的爆炸能量输出进行了研究,计算得到了冲击波能、气泡能和总能量,并给出一种计算炸药后燃效应能量的方法。结果表明,实验数据平行性较好,距爆心同一距离、同一水平但不同方位处的水下爆炸测试参数一致,在测试范围内冲击波压力峰值符合爆炸相似律;该试验装置可有效地增强含铝炸药后燃效应,在实验研究范围内,后燃效应释放的能量最高值达到了爆热的78%。使用水下爆炸的方法,结合设计的试验装置,可以对含铝炸药的后燃效应进行测量。