水下爆炸冲击波的数值模拟与试验研究

采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对小当量TNT炸药在无限水域内爆炸进行数值模拟,并将数值计算结果与实验室内实测数据以及传统的经验公式计算结果进行对比。分析发现:用传统的经验公式计算小当量TNT炸药在水下爆炸时的爆炸冲击波压力峰值,与实测值相比存在较大误差;运用有限元显式动力分析方法计算得到的水下爆炸冲击波压力峰值与实测值相吻合,并且水下爆炸冲击波波形相近。对数值计算值进行拟合得到水下爆炸冲击波压力峰值的计算公式,可以对同等条件下的水下爆炸试验进行估算。     

温压炸药爆炸冲击波在坑道内的传播规律研究

温压炸药爆炸冲击波对坑道内的人员和设备构成严重威胁。在TNT爆炸试验数据验证的基础上,利用AUTODYN软件建立了炸药堵口爆炸的数值计算模型。基于JWL-Miller能量释放模型计算原理,通过与TNT冲击波的对比,研究了某型温压炸药爆炸冲击波在坑道内的传播特性;通过与空旷地面爆炸冲击波的对比,研究了坑道对温压炸药爆炸冲击波的约束作用。研究结果表明:温压炸药具有更大的破坏威力,温压炸药的超压峰值和正相冲量平均为TNT的1.91倍和1.82倍,其超压和冲量等效TNT当量系数分别为1.94和2.21;坑道对温压炸药冲击波的约束作用明显,其超压峰值和正相冲量平均值分别为空旷地面上的13.55倍和15.21倍。     

装药壳体对含铝炸药水下爆炸性能影响研究

针对某含铝炸药,分别在6 mm钢壳、硬铝壳、PVC壳及裸药柱形装药条件下进行水下爆炸实验,测量3 m,5 m,7 m处冲击波压力时程曲线,获得不同装药条件下冲击波的峰值、冲量、能量及气泡脉动周期和气泡能等参数。利用AUTODYN-2D程序,对带壳装药含铝炸药水下爆炸过程进行数值模拟,通过与实验测量结果对比,验证数值仿真方法和结果的准确性。在此基础上,结合量纲分析与数值模拟方法研究填装比对冲击波波形、压力峰值及气泡脉动周期的影响规律。研究表明：填装较小时,冲击波压力峰值与冲击波能均增大;填装较大时,压力峰值与冲击波能均减小;气泡脉动周期随填装比的增加而减小;在钢壳装药下,最优填装比为1.45。有限元模型与计算结论可为水中兵器设计提供一定参考。     

含铝炸药深水爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟

为了研究CL-20基和HMX基及其含铝炸药深水爆炸过程,选取LX-14、LX-19、PAX-30和PAX-29 4种炸药,采用AUTODYN数值计算软件,计算其深水爆炸过程的各项参数。计算结果表明:CL-20基炸药水下爆炸性能优于HMX基炸药;铝粉的加入可以大幅度提高冲击波峰值压力、气泡脉动周期及气泡最大半径,而二次压力波峰值压力略有降低。计算TNT深水爆炸过程的参数,并与试验值相对比,误差小于5%,说明球对称一维方法可以很好地模拟炸药深水爆炸过程。最后,计算得到4种炸药的峰值压力均符合水下爆炸相似律,拟合得到4种炸药峰值压力相似常数。     

两种含铝炸药水中近场冲击波传播规律研究

为揭示 RS211和 GUHL 两种含铝炸药水中爆炸近场冲击波的传播特性,采用高速扫描相机和阴影照相技术记录了近场冲击波沿柱形装药轴向的传播轨迹,结合 Rankine-Hugoniot 关系推算出了近场冲击波传播速度及阵面压力随传播距离的衰减规律,并与 TNT 炸药的结果进行了对比。同时,还结合近场冲击波的初始参数和Goranson 关系式计算出了炸药的爆压值。结果表明,初始冲击波阵面压力由大到小的顺序为 RS211、TNT、GUHL,在压力的衰减过程中,铝粉的反应使得冲击波的压力衰减速率得到降低,且 GUHL 炸药近场冲击波阵面压力的衰减最为平缓。     

坑道内爆炸冲击波传播规律的研究

摘 要：炸药在坑道内爆炸将产生沿坑道传播的空气冲击波,冲击波与坑道壁相互作用,使得坑道内冲击波的传播规律明显不同于自由大气中冲击波的传播规律。使用有限元计算软件LS-DYNA对已有的坑道试验进行了数值模拟,通过数值模拟结果与试验结果数据比较,验证了有限元计算中所使用的计算模型和参数取值的合理性。利用数值模拟的计算结果,使用量纲分析理论,拟合了距离爆炸中心点一定距离处爆炸冲击波超压峰值的计算公式,并与试验结果进行对比,分析了该公式的适用性,为坑道中爆炸冲击波的传播规律研究提供了参考。
     

硼含量对含铝炸药水下爆炸能量的影响

将铝硼混合添加到含铝炸药(配方体系为Al/B/AP/RDX/wax)中,采用水下爆炸法,研究硼含量对含铝炸药水下爆炸能量的影响。结果表明,水下爆炸中,随着硼含量的增加,炸药的冲击波能降低,气泡能先增加、后逐渐减小;当硼质量分数为10%时,炸药水下爆炸总能量达到最大值5.942 MJ/kg,比含铝样品提高5%,其中气泡能为4.999 MJ/kg,比含铝样品提高7%,是TNT的2.2倍。在含铝炸药中添加少量的硼粉,可以提高炸药的水下爆炸能量水平。     

AUTODYN水下爆炸数值模拟研究

采用AUTODYN数值计算软件,对TNT水下爆炸冲击波传播过程进行了数值模拟.计算结果表明,爆炸初期炸药中的爆轰波和水中冲击波是高频波,炸药及其附近水域需要足够细密的网格才能反映出这种特性,建议按照峰压衰减时间常数内至少采样100次的标准划分网格;同时应采用较小的人工粘性系数,减少对冲击波峰值超压的抹平,并对计算结果进行低通滤波,这样计算得到的冲击波压力曲线与经验公式计算曲线吻合得较好,不但可以准确捕捉冲击波峰值压力,而且能够比较准确地计算冲击波在水中传输时的衰减演化过程.     

铝粉粒度对RDX基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响

为研究铝粉粒度对RDX基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响,采用转镜式高速扫描相机对含30％(质量分数)微米铝粉、20％(质量分数)微米铝粉与10％(质量分数)亚微米铝粉的2种RDX基含铝炸药水下近场爆炸过程进行了观察记录,获得了沿装药径向的爆炸冲击波传播轨迹扫描底片。通过对2种含铝炸药水中近场爆炸扫描底片进行判读分析,获取了沿装药径向的爆炸冲击波传播迹线与爆轰产物膨胀迹线,由此分析得出2种含铝炸药爆炸冲击波传播速度、波阵面压力和爆轰产物气泡的膨胀位移等参数的变化规律,并对2种含铝炸药相关参数进行了对比分析。结果表明,在10％(质量分数)微米铝粉替换为亚微米铝粉后,含铝炸药冲击波的初始传播速度及波阵面压力减小且能量衰减速率也降低,冲击波传播距离为40 mm左右时,2种炸药的阵面压力便较为相近,并且在爆轰产物气泡膨胀阶段,由于亚微米铝粉反应较快,其释放的能量导致气泡膨胀速率增长较快。     

不同长径比柱形装药水下爆炸冲击波演化规律

为分析药柱形状对水下爆炸冲击波演化的影响。针对圆柱形装药中心起爆问题,在理论上建立了炸药与水交界面上初始冲击波压力及其传播方向的二维计算方法,借助于AUTODYN有限元计算程序开展了长径比1:2～10:1的圆柱形TNT在无限水域爆炸的数值模拟,并开展了长径比为1:1和2.6:1的圆柱形TNT的水下爆炸试验;对比理论、仿真和试验结果,验证了理论模型的合理性和数值模拟的有效性,分析了柱形装药水下爆炸冲击波的传播规律,重点分析了药柱长径比对不同爆距处冲击波压力分布及传播方向的影响。结果表明：圆柱形装药水下爆炸后,冲击波波阵面逐渐从柱形趋向椭球型再趋向球型,当冲击波传播至10倍无量纲爆距时高压区的转移结束;当长径比大于1:1时,炸药轴向(端面)的冲击波压力衰减速率大于径向(圆柱面)的衰减速率,冲击波峰值压力随着方向角的增大而单调增长;在1:1～5:1的长径比和20倍无量纲爆距范围内,增大药柱长径比可定向增强炸药径向的冲击波压力,药柱的形状对冲击波压力分布影响随着爆距增大而减小。     

不同类型炸药水下爆炸时冰层损伤特性研究EI北大核心CSCD

为了探究水下爆炸冲击波与气泡脉动载荷联合作用下冰层损伤特性以及不同类型含能炸药水下爆炸对冰层损伤特性。采用动力学分析软件LS-DYNA中的任意拉格朗日欧拉(ALE)法建立了计算水下爆炸气泡动力学模型及水下爆炸冰-水全耦合模型,考虑了冲击波载荷及复杂的气泡载荷耦合全过程;在此基础上,分析了烈性奥克托今炸药(HMX)及不同铝氧比黑索金炸药(RDX)对冰层损伤特性的影响。研究结果表明:计算模拟结果与试验结果吻合良好,验证了计算模型的有效性;揭示了水下爆炸冲击波和气泡载荷联合作用下的冰层损伤机理;HMX炸药对冰层的损伤威力更强,RDX(0.36)比RDX(0)、RDX(0.16)、RDX(0.63)对冰层产生的毁伤效应要强,其与TNT对冰层造成的毁伤效应强度接近。依据研究结果冲击波载荷是造成冰层损伤区域大小的主要毁伤元素,而气泡载荷主要影响冰层毁伤区域的破碎形态;根据不同毁伤目标应用特性,调节炸药配方比,改变冲击波能与气泡能的输出结构,可实现冰层的不同毁伤模式。     

基于LS-DGF-DG方法的船体板架结构近场水下爆炸毁伤特性研究

基于可压缩流体力学基本理论,采用间断迦辽金(DG)方法结合直接虚拟流(DGF)方法和水平集(LS)方法(LS-DGF-DG方法),首先建立水下爆炸爆轰模型,对不同装药形式的水下爆炸冲击波载荷进行对比研究,分析讨论装药形状对冲击波载荷特性和爆轰产物初始形态的影响,随后将数值结果与经验公式进行对比,验证LS-DGF-DG计算程序的有效性,最后通过非线性有限元软件ABAQUS建立船体加筋板架模型,将LS-DGF-DG计算得到的近场水下爆炸载荷传输给ABAQUS,模拟加筋板架结构在近场水下爆炸载荷作用下的毁伤过程,并将计算结果与实验进行对比分析,总结相关规律。结果表明:起爆初期,柱形装药逐渐形成椭球形的爆轰产物,最终膨胀为球形;装药径向的冲击波压力峰值高于轴向,柱形装药的冲击波压力峰值高于球形装药的压力峰值;在近场水下爆炸载荷的作用下,加筋板架结构出现塑性大变形和剪切破坏的现象,数值结果与试验值吻合良好;加强筋的强弱对板架结构的破坏模式和塑性变形程度有较大影响,加强筋较强,破坏首先从加强筋位置出现,加强筋较弱,破坏主要出现在固支边界处。     

基于AUTODYN的乳化炸药水下爆炸能量分布的数值研究

基于AUTODYN软件建立了水下爆炸一维楔形模型,对空气不耦合装药结构下爆炸能量的输出进行研究。首先获得炸药冲击波压力以及气泡脉动随时间的变化曲线,进一步获知径向不耦合状态下水下爆炸的冲击波峰值压力、气泡最大半径以及脉动周期等数据,并最终得到了不耦合系数下冲击波能以及气泡能的变化情况。将计算结果与已有的水下爆炸实验结果进行了比较分析。结果表明,该计算结果与实验数据吻合较好,证明了利用数值计算手段可以实现定量化表征炸药输出能量随不耦合装药结构的变化规律。     

基于AUTODYN的乳化炸药水下爆炸能量分布的数值研究

基于AUTODYN软件建立了水下爆炸一维楔形模型,对空气不耦合装药结构下爆炸能量的输出进行研究。首先获得炸药冲击波压力以及气泡脉动随时间的变化曲线,进一步获知径向不耦合状态下水下爆炸的冲击波峰值压力、气泡最大半径以及脉动周期等数据,并最终得到了不耦合系数下冲击波能以及气泡能的变化情况。将计算结果与已有的水下爆炸实验结果进行了比较分析。结果表明,该计算结果与实验数据吻合较好,证明了利用数值计算手段可以实现定量化表征炸药输出能量随不耦合装药结构的变化规律。     

浅水爆炸下高桩钢管柱表面作用荷载实验研究

通过不同炸药量、不同爆炸距离、不同起爆深度的水中爆炸模型实验,研究了浅水爆炸条件下高桩钢管柱表面压力特征和空间分布规律,分析了比例爆距对冲击波峰值及空间分布影响,给出了钢管柱表面冲击波反射系数、绕射系数和抗爆设计中实际作用冲击波的工程算法。研究结果表明:水中爆炸作用下,反射和绕射冲击波近似同时作用在钢管柱表面,峰值沿柱身高度方向非均匀分;冲击波受水面影响程度相对较小,二次气泡脉动受水面影响程度较大;反射和绕射冲击波峰值均随炸药量增加、作用距离减小而增加。比例爆距相同,反射冲击波峰值相同,但炸药量小、爆炸距离近的实验工况绕射冲击波峰值相对较小;钢管柱表面冲击波反射系数和绕射系数随比例爆距增加而减小。比例爆距≥1.71时,钢管柱实际作用冲击波峰值可近似按自由场冲击波峰值的1.37倍计算。     

隧道内爆炸冲击波传播特性及爆炸荷载分布规律研究

隧道内爆炸产生复杂的爆炸冲击波流场,作用于隧道衬砌上的冲击波荷载分析十分困难.采用三维有限元计算方法,对带端墙隧道内爆炸空气冲击波的传播过程进行了数值模拟,给出了内爆炸产生的隧道内冲击波流场,并与双向开口隧道内爆炸流场进行了对比,分析了炸药装药形状、炸药引爆位置对爆炸荷载分布的影响,研究了作用于隧道衬砌上的反射冲击波荷载峰值分布规律,给出了估计衬砌上反射超压峰值的公式.     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20~1/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2~1。     

泡沫铝衰减冲击波峰值压力的理论及数值分析

为比较系统地了解表面粘贴泡沫铝及其夹芯层对结构上作用冲击波峰值压力的衰减性能与影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了泡沫铝及其夹芯层衰减冲击波峰值压力的性能。并讨论了影响泡沫铝及其夹芯层衰减冲击波峰值压力的几个主要因素。研究结果显示,在达到压实应变之前,表面粘贴泡沫铝及其夹芯层能有效地衰减冲击波的峰值压力。达到压实应变后,泡沫铝及其夹芯层对冲击波峰值压力的衰减性能下降。孔洞形式、相对密度对泡沫铝衰减冲击波峰值压力具有明显地影响,面板材料对泡沫铝夹芯层衰减冲击波峰值压力的性能也有一定的影响。要取得较好地衰减冲击波峰值压力的性能需综合考虑以上因素进行优化设计,否则可能出现粘贴的泡沫铝或其夹芯层达不到衰减结构上冲击波峰值压力的目的。     

不同炸药水下能量输出特性的实验研究

对梯恩梯（TNT）、钝化黑索今（RDx）、含铝炸药（RDX／AI）、一次引爆型燃料空气炸药（SEFAE）等不同类型的炸药在爆炸水池中的能量输出结构进行了实验研究。结果表明：非理想炸药SEFAE、RDX／Al的水下冲击波衰减慢于理想炸药TNT、RDX,而且冲击波能、气泡脉动周期和气泡能高于TNT和RDX。铝粉的加入使非理想炸药的能量输出特性不同于理想炸药,其原因主要是Al的二次反应效应。     

高含铝炸药爆炸过程中的能量分析

在野外静爆实验中,利用高分辨率、高精度冲击波超压系统分别测试了高含铝炸药和TNT的爆炸场冲击波超压,根据试验数据,计算该含铝炸药的爆炸场冲击波超压的TNT当量,利用TNT当量评价该高含铝炸药的威力,用能量反演方法分析该含铝炸药中可燃组分的反应程度和可能的反应模式,计算可得该含铝炸药爆炸反应释放能量的有效利用率为65.41％,为高含铝炸药配方优化设计提供新的研究方法.