密闭装置内爆炸及数值模拟精度分析

通过密闭装置内爆炸试验,分析了密闭装置内冲击波的空间分布规律;研究密闭空间内爆炸数值模拟网格密度对计算精度的影响,采用 LS-DYNA 有限元程序对不同网格密度模型进行数值模拟;结果表明：密闭装置内爆炸冲击波在装置顶角和相交棱线附近汇聚叠加,分布复杂,超压时程曲线大多呈现多峰特性,超压衰减缓慢;网格密度越大模拟精度越高;比例距离越小,对网格密度要求越高;相同网格密度时,后续脉冲超压峰值精度较高。     

温压炸药内爆炸压力特性及威力试验研究

为研究温压炸药内爆炸压力特性和威力,基于爆炸相似律与理想气体状态方程分析建立了冲击波超压及准静态压力计算模型,并利用爆炸罐开展了温压炸药和梯恩梯（TNT）炸药裸药柱内爆炸试验。结果表明：内爆炸压力效应包括冲击波压力和准静态压力,准静态压力上升伴随着冲击波的多次反射,反射结束后准静态压力上升到峰值并维持较长时间;温压炸药内爆炸冲击波超压峰值和准静态压力峰值较TNT炸药分别提高了18.0%和62.9%,基于内爆炸冲击波超压和准静态压力计算得到的温压炸药TNT当量分别为1.18和1.63.     

长方体密闭结构内爆炸冲击波传播与叠加分析模型

采用镜像爆源构建内爆炸结构壁面反射作用与非线性叠加处理多波耦合效应相结合的方法,建立了长方体密闭结构内爆炸冲击波传播和叠加分析模型。该模型可以用于内爆炸荷载的快速工程计算。算例分析表明,结构壁面点上第一峰值超压、脉冲宽度和比冲量的预测值与试验结果的最大相对误差分别为-10.5%、-19.2%和13.2%,模型预测内爆炸冲击波特征参量与试验结果较为吻合,验证了该分析模型的有效性。     

大型工房内爆炸冲击波流场分布规律

为可靠掌握大型工房结构内爆炸冲击波流场分布特征,对缩尺比例分别为1:5、1:7.5和1:10的工房缩比模型以较小的网格尺寸(空气和炸药均按比例缩小)进行有限元计算.通过计算得出,具有相同单元数量的3个数值模型得到的被爆区相同比例距离处冲击波超压峰值完全一致,其冲量为模型的几何比例系数.进一步分析表明,具有相同网格结构的数值模型计算结果具有相似性,在爆炸冲击波仿真计算中网格绝对尺寸并非计算精度的决定因素.这一现象的发现,指出了提高大型复杂结构中爆炸冲击波计算可靠性的网格划分方法.在此基础上,对一种大型工房内爆炸冲击波的传播规律进行分析,发现冲击波从窗户流入、在被爆区地面及梁底的反射与绕射、不同方向冲击波的碰撞迭加等过程是造成被爆区内冲击波压力多次振荡并持续很长时间的主要原因,而工房内超压峰值较大的区域与冲量较大的区域并不重合,因此在进行工程安全评估时应予以重视.     

钢筋混凝土密闭装置内爆炸超压分布研究

为研究装药在箱型钢筋混凝土密闭结构内爆炸时内壁冲击波超压载荷分布情况,利用LS-DYNA对该密闭空间内爆炸进行了数值仿真,给出了测点及特征点的仿真超压曲线,并与试验结果进行了对比。结果表明,爆炸冲击波内壁间的多次反射与叠加是内爆炸的显著特征,装药在长方体(长宽高之比为2∶1∶1)钢筋混凝土密闭装置中心内爆时,内壁超压最大点为离装药中心最近的点,其次为平行于端面且过装药中心截面的顶点;装药在立方体密闭装置中心内爆时,内壁超压最大点为装置的空腔顶点,其次为正对爆心的点。两平面的交线及三个平面的交点此类区域会使波阵面的汇聚效应增强,正压作用时间延长,比冲量增加。     

大当量TNT装药爆轰的远场数值模拟及超压预测

利用AUTODYN-2D软件对1000kg TNT装药在空气中爆炸的情况,分别进行无限空气中一维数值模拟与有一定地面爆高高度二维数值模拟,结果表明:超压峰值的计算结果与经验公式的计算结果具有较好的一致性,在一定的范围内数值模拟很好的模拟了爆炸冲击波传播过程。在此基础上分析了爆高高度的影响,研究表明:在一定爆高高度情况下较触地爆炸,近场(水平距离S<10m)时超压峰值在随着h的增大而减小;远场(S>30m)冲击波峰值到达时间较晚,在炸高与水平距离之比h/S=0.1时超压峰值达到最大值。     

进入密闭容器冲击波超压的实验研究

分别利用电测的方法和高速纹影摄影的方法测得了密闭容器受到外部爆炸冲击波的作用后，腔体内部的冲击波超压和波阵传播过程，从而说明了外界的强冲击波能够透过密闭器壁面进入腔体内部，而其强度不可忽，尚能够对其内部人员产生严重的杀伤作用。电测结果和高速纹影摄影结果的一致性，则更好地证明这一结论的可靠性。文中还对定一结论产生的机理进行了初步分析。     

方形坑道内爆炸冲击波传播规律

为研究方形坑道内的爆炸冲击波传播规律,开展了1.00,3.25 kg和10.28 kg三种质量的梯恩梯(TNT)药柱坑道内爆炸试验,记录了不同距离处的冲击波压力曲线,得到了冲击波到达时间、超压峰值、冲量等参量。结果表明,坑道内爆炸冲击波的传播分为三个阶段:自由场球面波传播、一维平面波传播和二者之间过渡阶段;除临近爆心处之外,超压峰值满足立方根比例定律,拟合得到了计算偏差不大于10%的超压峰值计算经验公式,冲量不满足立方根比例定律。     

考虑后燃烧效应密闭空间内爆炸场数值计算研究

为了研究后燃烧效应对爆炸场参数的影响规律,提出一种考虑后燃烧效应密闭空间内爆炸场数值计算方法,将简化的反应率模型,耦合到三维两组可压缩欧拉方程中近似考虑后燃烧效应。并通过建立气体内能与热容之间的关系求得瞬态温度,根据热力学关系建立绝热指数计算公式。基于FORTRAN平台,采用五阶WENO有限差分格式,自主开发考虑后燃烧效应密闭空间内炸药爆炸场三维数值计算程序。基于所开发的程序数值探讨内爆炸场演化过程及后燃烧效应对爆炸场参数计算的影响。结果表明:(1)准静态温度、绝热指数及超压数值解与考虑后燃烧效应的理论解吻合较好,相对误差小于5%,初步验证了所开发程序的可靠性。(2)后燃烧效应在内爆炸场数值模拟中需要引起足够的重视,同一内爆炸工况下,准静态温度、绝热指数及超压数值解与不考虑后燃烧效应的理论解误差分别高达25%,6%,31%。     

活性射流侵彻钢筋混凝土靶后效超压特性

为研究活性射流侵彻钢筋混凝土靶后效超压效应,采用实验、理论与数值仿真相结合的方法,开展了活性药型罩聚能装药作用钢筋混凝土靶后效超压特性研究。实验结果表明,在聚能装药结构一定条件下,低密度活性射流较高密度活性射流对钢筋混凝土靶的侵彻孔径更大,穿靶后在密闭空间内爆燃产生的冲击波峰值超压更高,且超压-时间曲线呈现出多峰现象。引入虚拟爆炸点的方法,建立了活性射流靶后爆燃超压与高能炸药爆炸等效分析模型,结合AUTODYN-3D有限元分析,得出模型预测的后效超压-时间曲线与实验结果吻合较好,揭示了活性射流在靶后密闭空间内爆燃超压传播规律及多峰现象。     

空中气压环境对爆炸冲击波的影响研究

为获取不同气压环境下的爆炸冲击波传播规律,实现对不同气压环境下的爆炸冲击波性能快速预估,采用非线性动力学软件AUTODYN进行数值模拟,对数据进行分析与拟合,并通过低气压环境冲击波传播试验对拟合公式进行精度验证。结果表明：在同一对比距离下,冲击波超压峰值随着大气压力降低显著下降,低气压环境不利于冲击波的正常传播;基于数值模拟结果拟合考虑大气压力和温度效应的计算模型,对比试验结果,拟合公式计算误差小于15.0%,平均误差小于±7.8%。     

含铝炸药爆炸空气冲击波超压理论计算方法

为了评估含铝炸药等非理想炸药的爆炸冲击波威力,通过研究其在空气中爆炸形成的初始冲击波,重新确定了影响远场冲击波超压的因素。对含铝炸药的爆炸空气冲击波超压峰值进行量纲分析,并由理想炸药的爆炸冲击波超压计算公式扩展推导出含铝炸药等非理想炸药的冲击波超压理论计算方法。研究结果显示,该计算方法可以很好地描述含铝炸药爆炸空气冲击波超压衰减慢、不服从相似律等实验现象,为评估含铝炸药等非理想炸药的冲击波威力提供了理论支持。     

非圆截面云雾爆炸超压场数值模拟

为研究非圆截面云雾爆炸超压场的分布特性,用LS-DYNA程序对云雾爆炸超压过程进行了数值模拟,将数值模拟超压值与试验超压结果进行了对比,得到了0°、90°、135°和180°共4个方向的峰值超压随距离的变化规律,以及不同起爆高度对超压场分布的影响。结果表明,试验中起爆云雾呈椭球形爆轰火球。4个方向在距离爆炸中心5 m处的峰值超压为2.9~5.2 MPa。在距离爆炸中心5~50 m范围内,地面冲击波轨迹呈椭圆形。冲击波在90°方向的传播速率最小。当起爆高度由0.5 m增加至2.5 m时,5~15 m范围内的地面峰值超压平均提高了8%。     

等体积下铝氧摩尔比与氧化剂种类对温压炸药爆炸冲击波参数的影响

为研究温压炸药等体积装药条件下铝氧摩尔比和氧化剂种类对其爆炸冲击波参数的影响,在密闭爆炸罐中进行内爆试验。试验中保持温压炸药的主体炸药中RDX与氧化剂配比为2∶1,改变温压炸药中铝粉含量及氧化剂种类,压制成相对密度为95%的等体积药柱。试验结果表明:当温压炸药的铝氧摩尔比在0.6左右时炸药的爆炸冲击波峰值超压、冲量和正压作用时间有最大值;温压炸药中氧化剂用KP取代AP后,冲击波峰值超压和冲量数值略有降低,正压作用时间缩短。     

考虑后燃烧效应的TNT空气中爆炸的数值模拟

采用AUTODYN软件对TNT在空气中爆炸进行了数值计算,在计算模型中考虑了负氧平衡炸药的后燃烧效应,并将峰值超压、比冲量、正压作用时间计算结果与相似律公式计算值以及Baker测试数据进行了对比,指出Brode公式计算出的炸药附近空气冲击波峰值超压明显偏大,可能是将爆轰产物造成的峰值超压误认为空气冲击波峰值超压所致.     

公共汽车内简易爆炸装置爆炸冲击波传播规律研究

为研究公共汽车遭受恐怖袭击时简易爆炸装置爆炸冲击波的传播规律,利用有限元分析软件AUTODYN建立了公共汽车内含有TATP的简易爆炸装置物理模型,通过将TATP进行TNT当量转换,对其在汽车内的爆炸效应进行了计算和分析,得到了涉恐爆炸物 TATP 的爆炸冲击波在公共汽车周边环境中的传播规律.通过采集多个高斯点超压峰值数据,拟合得出适合此类问题的超压衰减经验公式,并得到不同TNT当量的涉恐爆炸物冲击波对公共汽车周边行人的毁伤半径,结果表明该简化计算模型可行,为确定人员损伤提供了理论基础.     

次生冲击波超压的实验研究和数值模拟

随着武器科技的发展,冲击波对掩体内部人员的伤害已经不能忽略。利用自行设计的爆炸实验研究了泡沫铝作为底板材料对爆炸冲击波在结构后产生的次生冲击波超压的衰减,并利用LS-DYNA模拟实验结果。通过数值模拟还研究了泡沫铝的排序结构对其防爆震效果产生的影响。     

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。     

爆炸载荷对混凝土毁伤效应分析

利用LS-DYNA有限元软件模拟装药爆炸对混凝土介质毁伤效应，模拟结果表明爆炸冲击波超压是混凝土毁伤的主要因素，爆炸破片只产生局部效应，对结构的整体毁伤效应较小。爆炸气体对裂纹的产生和已有裂纹的扩展具有重要的影响。数值计算最大爆腔半径与经验预估基本一致。     

温压炸药爆炸冲击波在爆炸堡内的传播规律

为研究温压炸药爆炸冲击波在有限空间的传播特征,在爆炸堡中进行400 g RDX/Al/AP(高氯酸铵)/HTPB(端羟基聚丁二烯)温压炸药的爆炸实验,通过压力测试系统得到冲击波在地面和空中的超压时程曲线,以JWL-Miller方程作为爆炸产物状态方程,采用AUTODYN软件对爆炸过程进行了数值模拟,并用数值模拟结果研究冲击波在爆炸堡内发生正反射和斜反射。结果表明,数值模拟得到的冲击波形态、峰值及作用时间与实验测试结果吻合较好,Miller余项能够较为合理地描述含铝温压炸药的后燃特征。正反射发生在装药的地面投影点,反射波峰值达到入射波峰值的3.3倍;斜反射包括规则反射和马赫反射,冲击波入射角小于40°时,在地面形成规则反射,反射波峰值约为入射波峰值的2.5倍;冲击波入射角大于40°时形成马赫反射,马赫波峰值约为入射波峰值的1.2~1.6倍;在侧壁及穹顶发生规则反射。在几何对称轴上发生聚焦现象,聚焦点冲击波超压高于2200 k Pa,达到该点入射冲击波超压的4.3倍,增强了爆炸堡内冲击波,提高了温压炸药的毁伤能力。