浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟研究

根据试验模型和试验结果,进行了浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟;通过与水中单个装药爆炸,以及无限水中两个装药同时爆炸的数值模拟结果的对比分析,研究了水底水面对沉底的两个装药同时爆炸产生的冲击波传播与相互作用的影响。结果表明:水底对冲击波压力峰值有削弱作用,水面使冲击作用冲量明显减小,冲击波相互作用压力叠加或多次冲击作用可提高爆炸威力。     

柱形装药条件下锥形水中爆炸激波管内的冲击波特性

锥形水中爆炸激波管是进行水中爆炸实验的一种装置,该装置能够通过较小装药量在相同距离处实现自由场水中较大装药量爆炸的冲击波峰值。为了获得柱形装药条件下锥形水中爆炸激波管内的冲击波特性,本文通过数值计算的方式,对不同圆锥角和不同柱形装药质量下锥形激波管内的冲击波传播过程进行了模拟,通过对不同工况下激波管内冲击波特性进行分析,发现其初始冲击波的衰减规律符合自由场水中的指数衰减形式,并拟合得到了与自由场水中爆炸相容的冲击波峰值、比冲量和能流密度经验公式;发现其二次脉动压力周期与炸药质量呈反常规的变化规律,并引入等效静水压深度解释了这一现象;发现其二次脉动压力幅值与初始冲击波幅值之比比自由场水中更大,而二次脉动压力的比冲量与初始冲击波冲量之比与自由场水中相当。     

TNT药柱水中爆炸近场压力轴向衰减规律

通过TNT药柱水中爆炸实验,建立了利用高速相机测量水中爆炸近场冲击波的实验方法,得到了药柱轴向的扫描图像,并对图像进行了数字化分析;利用Rankine-Hugoniot关系从冲击波的扫描轨迹求得冲击波阵面压力,并外推至冲击波的初始压力;用LS-DYNA计算了柱形装药近场压力沿轴向的衰减曲线;用锰铜压力传感器测量了冲击波的初始压力。研究结果表明,测试结果与计算结果比较符合,TNT药柱的近场轴向压力遵循指数衰减规律。     

浅层水中爆炸冲击波对混凝土墩斜碰撞作用试验研究

通过含铝炸药JHL-3的实爆试验,得到混凝土墩在单个装药浅层水中爆炸、两个装药浅层水中对称及不对称设置同步起爆爆炸作用下、混凝土墩迎爆面上的冲击波压力响应数据;获得了迎爆面中心反射压力峰值计算模型;分析了两个装药浅层水中爆炸冲击波对混凝土墩绕射及透射作用效应。     

炸药水中爆炸的冲击波性能

采用PCB138压力传感器测量了TNT、RS211、HLZY-1和HLZY-3等几种炸药水中爆炸冲击波远场的压力时间历程,计算得到了这几种炸药水中爆炸冲击波性能参数及其相似常数。研究表明,含铝炸药水中爆炸冲击波远场的传播服从指数变化的相似律,其冲击波性能比标准炸药TNT优越。含铝炸药HLZY-1具有较好的水中爆炸冲击波性能。     

含铝炸药水中爆炸近场冲击波特性研究测试与分析技术探讨

采用锰铜压力计和PVDF压力计的多计测试技术以及高速扫描实验技术,对含铝炸药水中爆炸近场冲击波进行了测量。压力计的测试结果表明,采用一个锰铜压力计和多个PVDF计同时测量炸药水中爆炸近场冲击波压力是可行的,但不能同时采用多个锰铜压力计进行测量。高速扫描相机记录了冲击波自出炸药端面到约60mm距离内冲击波传播轨迹,经过数字化分析计算得到了冲击波峰值压力随距离变化曲线。分析表明,压力计和高速扫描相机的测试结果符合较好,说明测试技术和分析方法是可行的。将压力计和高速扫描相机结合起来,有助于更好地研究含铝炸药水中爆炸近场冲击波特性。     

水中爆炸冲击波传播规律的实验研究

采用PCB138压力传感器对炸药水中爆炸冲击波的远场压力进行测量,得到水中爆炸冲击波峰值压力和衰减时间常数,据此计算得到CB-01传爆药水中爆炸冲击波的相似常数k和α。初步掌握了水中爆炸冲击波的实验方法,对炸药水中爆炸冲击波的传播规律有了进一步的认识。     

沉底装药水中爆炸现象的实验研究

为获得沉底装药水中爆炸冲击波传播和气泡运动的一般规律,设计开展了沉底装药水中爆炸原理 性实验,通过观测记录装药沉底爆炸作用过程,并与装药自由场水中爆炸进行对比分析,得到主要结论:沉底 装药水中爆炸存在冲击波水底反射、气泡运动形成水底射流等复杂的载荷效应;沉底爆炸气泡呈半球形依附 在水底并同时急剧膨胀,其在收缩运动中连带水底介质颗粒迅速上浮,同时,气泡形状在水底射流作用下发生 显著变化;沉底爆炸冲击波压力呈指数衰减规律,无明显二次压力波,但由于水底介质作用而形成较强的水底 反射冲击波,一般使得迭加后的冲击波峰值压力高于入射波阵面压力。     

铝氧比对含铝炸药性能影响的数值模拟

为了研究铝氧比对含铝炸药在混凝土介质中爆炸性能的影响,采用数值模拟与实验相结合的方法,针对铝氧比分别为0、0.257、0.632的含铝炸药,利用AUTODYN有限元程序建立计算模型,计算了柱形装药在混凝土介质中的爆炸破坏过程,并且得到了在比例距离为2.5~10的范围内,3种含铝炸药爆炸形成的冲击波压力时程曲线。计算结果表明:冲击波峰值压力的衰减指数随炸药的铝氧比增大而减小,衰减指数分别为2.1、1.71、1.60;另外,当含铝炸药的铝氧比为0.257时比冲击波能最大。     

水下爆炸冲击波的近场特性

通过求解球形一维流体动力学方程,模拟了水下爆炸冲击波的产生和传播过程。在数值模拟中,对TNT炸药采用标准的JWL状态方程,对水采用Two-phase状态方程。应用Level Set方法确定爆炸产物和水的交界面的位置。对裸药球在无限水域爆炸进行了数值计算,考察了网格大小对结果收敛性的影响,分析了水下爆炸冲击波压力和比冲量的近场特性。最后通过数值拟合得到了冲击波压力峰值、比冲量和时间衰减常数的近似回归公式。     

轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法

爆破孔壁压力峰值是进行非流固耦合爆破动力响应分析的重要参数。针对轮廓爆破孔壁压力峰值的计算方法问题，理论分析了爆炸冲击波与弹性壁面的相互作用，推导了空气冲击波与弹性壁碰撞后压力增大倍数的理论解，并采用流固耦合动力有限元数值分析方法，研究了3种岩体介质、2种轮廓爆破常用炸药、5种常用不耦合系数、2种轴向装药系数工况下轮廓爆破的冲击波碰撞压力增大倍数和炮孔壁压力峰值。结果表明:轮廓爆破时，爆炸冲击波与孔壁碰撞后压力增大倍数并不是常值，与炸药特性、孔壁介质条件、不耦合装药系数等因素相关，孔壁压力峰值也与上述因素密切相关。基于模拟的孔壁压力峰值数据的统计分析，并结合理论推导成果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式，提出了一种新的轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法。     

含能微球敏化乳化炸药水下爆炸能量输出特性研究

将内部含有烷烃的含能微球引入乳化基质,得到一种新型乳化炸药。采用水下爆炸实验探究微球质量分数对乳化炸药水下爆炸性能的影响,得到含能微球质量分数为0.2%～7%的乳化炸药水下爆炸冲击波压力-时程曲线。依据压力结果,通过公式计算和分析得到炸药的水下冲击波峰值压力、比气泡能、比冲击波能以及比爆炸能等水下爆炸参数。实验结果表明:含能微球质量分数0.2%的乳化炸药的峰值压力最大,并且随着微球质量分数增大而下降;乳化炸药的比气泡能随着含能微球质量分数的增大先上升再下降,微球质量分数为4%的比气泡能最大;乳化炸药的爆速、比冲击波能以及比爆炸能均随着含能微球质量分数的增大而下降。     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

水下爆炸冲击波壁压理论及数值计算方法改进研究

水下爆炸冲击波是舰船抗冲击评估中重要的载荷成分,也是水中结构物毁伤程度快速预报的关键和依据。通过小当量实验发现,由于传统 Taylor 平板理论公式忽略了冲击波波速的非线性变化 ,导致其在预报近距离水下爆炸冲击波壁压脉宽时出现偏差。为此,给出了比例爆距R/W1/3为0.11～5.30 m/kg1/3 (R为爆距,W为炸药质量)下的冲击波速度拟合公式,对传统Taylor理论公式进行修正。修正后,在R/W1/3=0.11 m/kg1/3下,壁压脉宽及冲量偏差大幅减小;在R/W1/3≥0.21 m/kg1/3下,两者偏差均小于12%。此外,在处理水下近场和中远场爆炸问题时,发现数值耗散会导致壁压峰值被明显削弱,于是提出了一种可行的数值策略消除计算中数值耗散导致的削弱效应,结果与修正的Taylor平板理论公式吻合良好,峰值偏差均小于9%。改进后的冲击波壁压理论公式及数值计算方法可为舰船抗爆抗冲击领域提供理论和技术支撑。     

不同装药战斗部壳体对水中兵器的爆炸威力

通过对裸炸药和带壳战斗部在无限水域中水下爆炸的实验研究,对比分析了炸药的冲击波峰值压力、比冲击波能、比气泡能、总比能量及相对比总能量等爆炸特性参数。结果表明:不同装药爆炸后峰值压力从大到小分别是热塑梯黑铝、熔梯黑铝、复合PBX、TNT,其他对比参数从大到小分别是复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT;带壳战斗部爆炸后比冲击波能、比气泡能、总比能量相对裸炸药均有不同程度的下降,其中总比能量分别比裸炸药减少25%、21%、15%和15%;战斗部壳体对水中兵器爆炸的比冲击波能、比气泡能及总比能量的影响较为显著。因此,研究水中兵器爆炸威力必须考虑战斗部壳体因素,不能简化。研究成果对于战斗部水下爆炸威力考核有一定的借鉴意义。     

近自由面水下爆炸冲击载荷特性三维数值模拟

基于三维SPH 方法,对传统链表搜索算法进行了变光滑长度改进,并提出了具有较好稳定性的多 相物质交界面的处理方法,模拟了三维无限域水下爆炸问题,验证了改进的三维SPH 方法模拟水下爆炸问题 的可行性和有效性。在此基础上,建立了水下爆炸三维数值模型,模拟了近自由面水下爆炸过程,研究了冲击 波传播特征、自由面下压力场和能量场特性以及水柱的产生过程。结果表明:自由面可将冲击波压力峰值和 压力冲量最大衰减到1/3和1/7;爆深的增加会导致压力比和冲量比的等值柱面曲率变小,产生的水柱也逐 渐由破碎的喷柱向高而窄的水冢过渡。     

水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题.本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法,考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题,提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法,该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解,并利用地震波的内部子结构输入方法,将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷,从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入;本文采用圆形爆源子结构区域,并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程.进一步,基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件,该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处.本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化,并采用高精度吸收边界大大减少计算区域,既保证了计算精度,又降低了单元数量,具有较高的计算效率和较强的实用性.通过数值算例分析,验证了本文模型与方法的准确性,模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线,并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.     

Investigation on charge parameters of underwater contact explosion based on axisymmetric SPH method

This paper investigates the effects of charge parameters of the underwater contact explosion based on the axisymmetric smoothed particle hydrodynamics （SPH） method. The dynamic boundary particle is proposed to improve the pressure fluctuation and numerical accuracy near the symmetric axis. An in-depth study is carried out over the influence of charge shapes and detonation modes on the near-field loads in terms of the peak pressure and impulse of shock waves. For different charge shapes, the cylindrical charge with different length-diameter ratios may cause strong directivity of peak pressure and impulse in the near field. Compared with spherical charge, the peak pressure of cylindrical charge may be either weakened or enhanced in different directions. Within a certain range, the greater the length-diameter ratio is, the more obvious the effect will be. The weakened ratio near the detonation end may reach 25% approximately, while the enhanced ratio may reach around 20% in the opposite direction. However, the impulse in different directions seems to be uniform. For different detonation modes, compared with point-source explosion, the peak pressure of plane-source explosion is enhanced by about 5%. Besides, the impulse of plane-source explosion is enhanced by around 5% near the detonation end, but close to those of the point-source explosion in other directions. Based on the material constitutive relation in the axisymmetric coordinates, a simple case of underwater contact explosion is simulated to verify the above conclusions, showing that the charge parameters of underwater contact explosion should not be ignored.     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。