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.     

炸药水下爆炸气泡脉动周期工程计算方法

在前入水下爆炸实验研究的基础上，引入柱形和球形装药的修正因子，建立了炸药水下爆炸气泡脉动周期的工程计算方法，揭示了炸药爆热与水下爆炸气泡脉动周期的关系，通过实验进行了验证，其计算误差小于5%，实现了不同炸药、不同装药结构水下爆炸气泡脉动周期准确的计算。该计算方法的建立为水下炸药配方设计、水中炸药性能评估提供重要的科学依据。     

一种预估无限水域爆炸气泡脉动周期方法

为真实评估水中爆炸气泡能、准确计算气泡脉动周期,根据水中爆炸已有研究成果和相似理论提出了水中爆炸气泡脉动周期的预估方法。通过3次TNT海中爆炸标定试验,得到TNT炸药气泡脉动周期预估公式,用该公式算得水中TNT爆炸的气泡脉动周期值与实测值的误差为小于1.34%;通过3次Al/RDX/TNT海中爆炸标定试验,得到Al/RDX/TNT炸药气泡脉动周期预估公式,用该公式算得水中Al/RDX/TNT炸药的气泡脉动周期值与实测值的误差为小于1.45%。气泡脉动周期与炸药当量1/3次方成正比,与大气压力折算深度及爆炸深度之和的5/6次方成反比;气泡脉动周期受炸药种类严重影响。炸药的化学特征与脉动周期计算公式具有强关联。采用海中标定的方法,能够精确预估水中爆炸气泡脉动周期,预估值与实测值的误差为小于2.54%,适用于炸药水中爆炸的气泡脉动周期估算。     

黑索今基含铝炸药水下爆炸性能的实验研究

为研究黑索今（RDX）基含铝炸药水下爆炸性能,在户外水池中开展了不同药量和含铝量的RDX基炸药水下爆炸实验。采用水下高速摄影技术拍摄水下爆炸气泡脉动全过程,通过压力传感器对水中压力进行实时测量。在该实验条件下,首次拍摄到RDX基含铝炸药水下爆炸过程中二次反应现象,证明铝粉的二次反应是毫秒量级的。根据实验数据,对比分析了不同含铝量下RDX基含铝炸药水下爆炸过程中气泡脉动特性和水流场压力特性。实验结果表明：在气泡膨胀初期和收缩末期都发生了铝粉的二次反应;铝粉的二次反应显著增大了RDX基含铝炸药气泡的脉动能力;铝粉的二次反应对冲击波峰值的影响很小,对气泡脉动压力峰值的影响很大;铝粉的二次反应明显影响了水下爆炸的能量结构分布。     

深水条件下TNT炸药的爆炸特性

炸药在水下爆炸过程中,炸药能量主要以冲击波能和气泡能的形式释放,炸药种类及爆炸工况不同,炸药的爆炸特性也会发生变化。用AUTODYN数值模拟软件对水深100~2 000 m范围内50 g TNT球形药包的爆炸过程进行计算,获得了水下爆炸冲击波压力衰减过程和气泡脉动过程。分析结果表明:深水爆炸气泡最大半径和脉动周期均变小,符合经验公式描述。在计算深水爆炸冲击波能量时,对已有的公式进行了修正,得到了稳定的爆炸总能量。计算结果表明,随着药包入水深度的增加,冲击波能减少,气泡能增加。     

基于DYTRAN软件的三维水下爆炸气泡运动研究

应用国际上通用的有限元程序MSC．DYTRAN模拟在重力影响下水下爆炸气泡的脉动规律。通过引入新的流场边界处理技术对不同TNT药量在同一水深、相同TNT药量在不同水深等多种工况下气泡脉动的过程进行了数值计算。分析和总结了球形TNT药包在不同装药量下气泡的半径及脉动的周期，得出了气泡脉动时气泡半径的时间历程曲线，并将计算结果与经验公式进行了对比分析。结果表明：计算结果与经验公式具有较好的一致性，有限元模型正确、有效，结果准确。计算模型、方法及结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值。     

不同水深爆炸气泡运动特性仿真

为了研究不同水深对水下爆炸气泡运动特性的影响,采用有限元软件LS-DYNA建立了典型装药在不同水深下爆炸的仿真模型,计算并给出了不同水深条件下的爆炸气泡半径的时间历程曲线和压力场参数,并与经验值进行了比较,表明了有限元模型的正确性.通过对爆炸气泡的最大半径、脉动周期及压力场的对比分析,得出了不同水深压力对爆炸气泡脉动的影响规律,仿真结果表明,对于相同的装药,最大爆炸气泡半径和脉动周期都随水深增加而变小;爆炸场中气泡上部的压力最大,侧面次之,下部最小.本文的研究结果可以为水中兵器战斗部毁伤威力的评定提供参考.     

战斗部壳体对水下爆炸威力影响的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件对装药半径为0.15 m、0.42 m、0.55 m的有/无壳体战斗部的爆炸特性进行数值模拟研究。分析了炸药在有无壳体的水下爆炸时的冲击波压力、气泡脉动压力等特性参数。对比总结了不同网格密度、不同当量、不同装药半径及有/无壳体的数值计算结果。结果表明,壳体对水下爆炸气泡脉动的影响较为显著。壳体厚度对气泡形成时间没有太大影响,但对气泡压力峰值影响较大。因此,研究战斗部水下爆炸威力时必需考虑壳体因素。     

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。     

水下爆炸两气泡相互作用的数值计算研究

基于MSC.DYTRAN有限元软件中的EXINIT及EXFLOW2接口分别开发、定义了三维流场静水压力与边界条件的子程序;以Frost提出的气泡体积加速度模型为基础,确定了水下爆炸气泡脉动的初始条件,对水下爆炸单一气泡脉动过程进行了数值模拟;通过将气泡脉动半径、周期与经验公式对比,验证子程序开发的正确性与计算结果的准确性。以单一气泡运动模型为基础,建立水下爆炸两气泡运动的计算模型,研究两气泡水平距离、竖直距离及初始角度等参数对气泡运动与融合、射流角度、射流速度的影响规律。气泡运动建模思路、计算方法与结果对水下爆炸两气泡运动特性的研究具有一定参考价值。     

沉底装药水下爆炸冲击波传播规律

应用流体动力学分析软件建立沉底装药水下爆炸仿真计算模型,对沉底爆炸过程进行了数值模拟,得到了沉底装药水下爆炸冲击波传播作用规律：沉底装药水下爆炸冲击波传播满足指数衰减规律;水底影响冲击波的传播,对于爆距较小的水底面测点反射波追上入射波形成马赫波,对于水底附近区域测点则产生水底反射冲击波或稀疏波对入射波造成增强或削弱作用。     

CL-20基含铝炸药水下爆炸实验研究与数值模拟（英）

为了研究含铝粉与不含铝粉的六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）基高聚物粘结炸药（PBXs）的水下爆炸过程,制备了含铝量分别为0和15%的两种炸药,设计了一个水下爆炸实验装置,得到了炸药的冲击波压力历程、气泡周期和气泡脉动图。计算了两种炸药的冲击波能量、气泡能量和水下爆炸总能量。采用AUTODYN软件模拟了水下爆炸过程。结果表明,当铝含量从0增大到15%时,水下爆炸总能量由1.4倍TNT当量增加到1.7倍TNT当量。气泡脉动过程中,时间从49.5 ms到49.8 ms时,含铝炸药气泡内产生火光。含铝炸药与非含铝炸药超压分别为15.16 MPa与15.51 MPa,气泡二次压力分别为2.25 MPa与2.35 MPa,气泡周期分别为50.20 ms与46.76 ms,气泡最大半径分别为67.87 cm与60.27 cm;仿真得到含铝炸药与非含铝炸药参数超压分别为14.90 MPa与15.14 MPa,气泡二次压力分别为2.16 MPa与2.27 MPa,气泡周期分别为49.32 ms与45.90 ms,气泡最大半径分别为66.32 cm与58.89 cm。实验与仿真结果吻合良好。     

水下爆炸实验法在工业炸药JWL状态方程测定中的应用研究

为了方便可靠地测定工业炸药爆轰产物的JWL状态方程,基于压导式连续电阻丝探针设计柱形装药的水下爆炸斜冲击波测量系统,对工业改性铵油炸药(ANFO)进行3组水下爆炸实验,获得其爆轰波-冲击波时程曲线;通过对二维定常流场柱形装药水下爆炸的分析,得到斜冲击波阵面的轨迹,并求解出炸药的爆压、绝热指数、水气界面夹角等参数。以水中斜冲击波阵面和水气界面夹角的实验和模拟结果作为比较对象,通过调整Autodyn有限元分析程序中的JWL方程参数,最终测定出ANFO的JWL状态方程参数。模拟结果与实验结果一致性好,其中斜冲击波波阵面的误差均小于±5%,水气界面夹角的误差在±3%以内,表明所述水下爆炸实验对于大尺度工业炸药的JWL方程参数测定合理可靠。     

水中聚能战斗部毁伤双层圆柱壳的数值模拟与试验研究

为研究聚能战斗部的水下作用特性,基于光滑粒子流体动力学-有限元方法耦合算法,模拟了聚能战斗部对双层圆柱壳结构的毁伤过程。分析金属射流的形成和射流速度衰减规律,研究高速金属射流、强冲击波与气泡载荷联合作用下对双层圆柱壳结构的毁伤模式和毁伤特性,并进行了海上模型试验验证。数值模拟与试验结果吻合良好。研究表明：水中聚能战斗部对双层圆柱壳结构的破坏载荷主要有金属射流、冲击波载荷及气泡载荷3种,金属射流穿透力强,造成结构的局部小尺寸破口;冲击波载荷及气泡载荷作用面积大,引起结构的大面积破口及塑性凹陷。     

鱼雷近场爆炸复杂载荷及对舰船毁伤模式

为科学评估鱼雷水下爆炸对舰船毁伤效能,基于非线性显式动力学分析软件LS-DYNA建立近边界水下爆炸数值分析模型。将近自由液面边界条件下的爆炸载荷计算结果与文献［6］经验公式及文献［17］试验结果对比,验证所建立的数值模拟方法能较好地反映近场水下爆炸的冲击波压力及多次气泡脉动过程。利用该技术构建与实战边界条件贴近的数值仿真模型,计算并分析多工况下鱼雷近场爆炸对舰船的毁伤模式。研究结果表明：近场不同边界条件对水下爆炸气泡脉动载荷具有重要影响;不同工况下冲击波、气泡脉动及水射流载荷与舰船结构存在复杂的耦合作用;鱼雷在近场不同工况下对舰船的作用展现出了不同的能量输出结构,与舰船最终的毁伤模式密切相关,且存在最优爆距使鱼雷作用于舰船的总能量最大。     

黑索今基含铝炸药的铝氧比对爆轰性能及其水下爆炸性能的影响

为了分析铝氧比对爆压和爆速的影响规律,采用试验方法测定了黑索今（RDX）基含铝炸药的爆轰参数,应用KHT程序计算分析了试验测试结果;针对RDX基含铝炸药,进行了1kg柱形装药水下4.7 m爆炸试验,测量了距爆心1～3m处的冲击波压力峰值与气泡脉动周期,拟合得到了冲击波压力峰值与衰减时间常数的相似律系数。研究结果表明：RDX基含铝炸药的爆压和爆速随铝氧比的增加呈现线性减小变化,爆热在铝氧比为0.997时达到最大值;当铝氧比为0.366时,冲击波压力峰值与冲击波能达到最大值;当铝氧比为0.633时,冲击波冲量与冲击波能量密度达到最大值;当铝氧比为0.997时,气泡第一次脉动周期与半径达到最大值。     

水下爆炸冲击波载荷沿燃气轮机结构传递特征

为研究水下爆炸条件下冲击波载荷对燃气轮机结构的损伤特征,开展水下爆炸冲击波载荷沿燃气轮机主结构的传递规律研究,通过等效力学模型对燃气轮机进行载荷传递预报。针对燃气轮机传递路径上测得的有限元仿真加速度信号,使用经验模态分解法和与之对应的希尔伯特-黄变换对信号进行时频域分析和能量分布分析。分析结果表明：针对水下爆炸冲击波载荷,基于希尔伯特-黄变换及经验模态分解法可以得到冲击波载荷所包含的频率信息以及载荷强度等信息;沿燃气轮机传播路径的冲击波能量,随载荷传递距离的增加,高频能量占比有所降低,与燃气轮机的应力响应相对应;燃气轮机力学模型能够预测燃气轮机的载荷传递情况,该结果对燃气轮机抗冲击防护具有借鉴意义。