传爆药超压峰值理论计算公式优化研究

为优化传爆药超压峰值理论计算方法,通过空中爆炸试验研究了不同密度的半球型及圆柱型钝化RDX及TATB传爆药的冲击波超压峰值,并在试验的基础上进行数值仿真研究,结果表明：TATB传爆药由于实际爆轰过程未能达到理想反应情况,导致密度/药量增加不足以抵消炸药未完全反应所带来的能量释放损失,使其在密度较大的装药条件下,超压峰值不增反减;钝化RDX传爆药随着密度/药量增加,其冲击波超压峰值逐渐增长。结合试验和经过可靠性验证的数值模拟,选取了多种现有经验公式作为超压峰值预测模型,通过对比研究发现,现有经验公式对传爆药的超压峰值评估不够准确：在评估钝化RDX传爆药时,理论计算结果整体偏高;对于TATB传爆药的估算结果则存在较大误差。最后拟合出了能较好描述两类传爆药爆炸超压峰值的优化经验公式,通过误差计算验证,该公式可以有效进行两类传爆药的超压峰值预测以及威力评估。     

爆炸冲击波数值模拟及超压计算公式的修正

应用LS-DYNA有限元程序建立2,4,6-三硝基甲苯(TNT)炸药爆炸的数值模型并进行空爆数值计算,结合常用的经验公式,验证计算模型及参数取值的可信性.基于以上研究,提出冲击波超压修正计算方法,以各经验公式加权平均值作为参考,对数值模拟结果进行修正.结果表明:早期常用的经验公式与数值模拟计算结果分别处于爆炸冲击波超压的中下位值及下限值,均存在低估爆炸冲击波的危险.通过修正计算方法修正后的冲击波超压,可以作为爆炸冲击波超压的中位值.     

炸药近地爆炸的数值模拟及影响参数的分析

应用ANSYS/LS-DYNA有限元程序建模,在验证模型及参数选取正确可靠的基础上,研究了地面材料、炸药高度、空气域形状以及炸药当量等参数对马赫波超压的影响.结果表明:对于非近距离的爆炸,不同地面上的马赫波超压峰值相差不大,可简化为刚性地面;建模宜选择刚性壳体地面以及长方体空气域;与经验公式相比,数值模拟的马赫波超压峰值误差随着炸药当量的增大而减小,随着炸药高度的减小而增大.     

隔爆墙后爆炸冲击波绕射与超压分布规律

基于爆炸实验与数值模拟,对爆炸载荷作用下隔爆墙后的冲击波绕射和超压分布规律进行了研究.首先,开展了隔爆墙对爆炸冲击波隔离效应的实验,得到了有/无隔爆墙条件下相同爆距处的冲击波超压时程曲线.在此基础上,采用流体动力学软件AUTODYN对爆炸冲击波的绕射过程进行了数值仿真,通过与实验结果的对比验证了模型的有效性.结合数值模拟和量纲分析,得到了不同爆炸当量、爆距、墙高等参数下隔爆墙后不同区域的冲击波超压分布规律,并给出了隔爆墙后近地面超压峰值的工程计算公式,为隔爆墙的设计和安全评估提供了依据.      

均匀自由场中球形TNT装药爆炸数值计算分析

为更加精确地描述宽范围内均匀自由场中球形装药爆炸过程的特性,采用球形非等温爆炸模型,考虑装药爆炸近区高温高压条件下真实空气的特殊性质,引入真实空气量纲一拟合状态方程和JWL爆轰产物状态方程,建立拉格朗日球形坐标系下完备的量纲一流体动力学方程组;采用对点源强爆炸自模拟数值解的结果进行样条插值作为初始条件,将人工黏性法与激波装配法相结合,采用显式中心差分格式进行数值求解。通过算例计算,得到冲击波不同时刻的波形曲线和主激波峰值超压衰减曲线,通过拟合得到宽范围内的主激波峰值超压计算公式,计算值与有关文献以及实验较为吻合,验证了公式的准确性。结果表明,采用真实空气状态方程得到的结果适用于描述装药空中爆炸近区和远区流场特性。     

基于能量密度因子法的复杂环境下爆炸冲击波超压峰值解析计算

为了快速计算复杂环境条件下的爆炸冲击波超压峰值,利用量纲分析(dimensional analysis, DA)方法推导得到了空中爆炸自由场冲击波超压峰值定性关系式,借助Taylor展开得到了多项式形式的函数表达式。对上述函数关系式的物理意义进行分析,通过能量密度因子(energy concentration factor, ECF)的概念,将空中爆炸自由场冲击波超压峰值计算公式推广到工程上常见的复杂几何环境。利用函数关系式证明了工程中广泛使用的多种估算自由场冲击波超压峰值的经验公式在物理和数学上的合理性,由能量密度因子法得到了包括地面爆炸、两端无限长坑道内爆炸、一端封闭一端开放长坑道内爆炸、十字坑道内爆炸、四周开放的双层建筑间爆炸和长直街道中爆炸等的超压计算解析公式。最后,将解析公式计算结果与实验和数值模拟结果进行了比较分析。结果表明:解析公式与实验和数值结果符合得非常好。     

LEFP战斗部毁伤元成型及初速分析研究

线形爆炸成型弹丸(LEFP)战斗部近些年成为研究热点。以一种大长径比LEFP战斗部为研究对象,为了更精确地估算LEFP初速,利用数值模拟技术,对LEFP成型结果以及初速度进行仿真。通过研究LEFP各点初速分布,对格尼公式进行修正,求得适用于估算LEFP初速估算的修正格尼公式。在此基础上,提出符合LEFP战斗部的有效装药模型。通过试验研究,检验LEFP毁伤能力,并对毁伤元初速的试验结果、数值模拟结果、修正型格尼公式计算结果进行对比,验证修正后的格尼公式适用于LEFP战斗部的毁伤元初速估算。     

预应力混凝土箱梁爆炸损伤评估及公式拟合

对预应力混凝土箱梁进行爆炸损伤评估研究。首先,对矩形梁进行爆炸数值分析,结合现场试验结果验证了爆炸数值模型的准确性、可靠性。其次,基于箱梁剩余承载力,建立了箱梁爆后损伤评估准则。通过对预应力混凝土箱梁在不同爆炸工况下的爆后剩余承载力计算,建立箱梁各损伤程度下P?I（超压?冲量）曲线。研究发现,混凝土强度对箱梁超压和冲量临界值影响较大,钢筋屈服强度对超压和冲量临界值影响较小。随着结构损伤等级的增大,各参数对箱梁P?I曲线的影响幅度各不相同。最后,对不同混凝土强度箱梁中各损伤等级P?I曲线进行公式拟合,并对拟合参数β进行分析。     

竖井横通道爆炸冲击波传播规律试验研究

为了研究受限空间内爆炸冲击波传播规律,在青岛地铁8号线山东路南站1号竖井横通道进行裸露药包爆炸现场试验。利用NUBOX-9100瞬态信号测量仪及配备的传感器采集0.2、0.3、0.4 kg的2号岩石乳化炸药爆炸冲击波参数,分析实测冲击波信号的波形、超压峰值,并对冲击波信号进行短时傅里叶变换。结果表明：①横通道中裸露药包爆炸时,各观测点压力先迅速升高到最大值,随后震荡衰减;②由实测数据拟合出冲击波峰值压力修正公式,与现场实测数据误差不超过12.58%,能够比较准确的预测现场冲击波超压峰值;③短时傅里叶变换结果表明,横通道内冲击波信号主频为低频,能量随着频率的升高呈现出波动下降趋势。 通过竖井横通道炸药爆炸试验,分析实测冲击波数据特征,对于研究受限空间内爆炸冲击波的传播规律具有借鉴意义。     

空旷环境下小药量集中药包爆炸冲击波衰减规律

为研究炸药爆炸冲击波在空旷环境下的传播规律,采用NUBOX9100冲击波信号分析仪分别对0.1、0.2和0.3 kg的小药量集中药包进行了现场试验。试验表明:小药量集中药包爆炸冲击波在空旷环境下传播速度随爆心距衰减较快,在爆心距12 m处的冲击波传播速度衰减速率为爆心距2 m处的60%。当爆心距在1～3 m时,冲击波超压峰值的衰减速率约为75.61 kPa/m;爆心距在3～8 m时衰减速率降低到10.12 kPa/m;爆心距大于8 m时,衰减速率趋于平缓,约为0.48 kPa/m。提出了冲击波超压峰值与比例距离之间的修正公式,修正公式尤其对比例距离大于10的情况进行了修正。在比例距离较大时,修正公式比以往的经验公式更适用。运用ANSYS/LS-Dyna软件对炸药在空旷环境下爆炸冲击波超压衰减进行了模拟,结果表明修正公式的误差较小。     

建筑物外部爆炸超压荷载的数值模拟

在对易于遭受爆炸危害的建筑物进行抗爆设计与加固时,首先需要确定作用在建筑物上的爆炸超压荷载模型.但是由于受到建筑物自身特征及周围环境等多种因素的影响,作用在建筑物上的爆炸超压荷载十分复杂.为了掌握作用在建筑物上的爆炸超压荷载的特性,应用非线性显式动力分析软件建立了建筑物外部爆炸超压荷载的数值分析模型,分析了网格划分尺寸的大小对爆炸超压荷载计算结果的影响,模拟了建筑物外部的刚性地面上发生爆炸的过程,研究了爆炸冲击波在建筑外部空间中的传播与衰减规律,以及作用在建筑物外表面的爆炸超压荷载的特性.模拟了邻近建筑物对爆炸冲击波的反射和阻挡作用,同时研究了邻近建筑物的几何尺寸和位置等因素对作用在目标建筑物上的爆炸超压荷载的影响,从而为在建筑物的抗爆设计与加固中确定合理的爆炸超压荷载模型提供了理论依据.     

相似理论与量纲分析法相结合的钻地弹侵彻岩体经验公式

弹体侵彻问题一直是热点的研究课题,目前对岩体侵彻深度的预测主要依靠经验公式。由于常见的经验公式是在老式弹种或一般航弹的基础上总结出来的,不适合新发展使用的钻地弹,部分公式计算结果与实际偏差较大,需对经验公式进行修正。利用相似理论和量纲分析法确定影响侵彻深度的关键参数,建立函数关系式,通过大量数据拟合出钻地弹侵彻岩体的经验公式,并利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对钻地弹侵彻岩体进行数值模拟,其结果与拟合公式和常见的经验公式相比较,表明拟合公式与模拟结果吻合较好,可用于钻地弹侵彻岩体深度的预测。     

坑道口部爆炸冲击波压力传播规律

坑道口部是防护的重点和难点.利用显式动力学有限元软件,通过合理简化假设,对典型的等截面直墙圆拱坑道口部爆炸的冲击波波动过程进行了数值模拟,形象揭示出坑道中冲击波压力传播规律,即坑道中冲击波压力首先直线上升至最大值,随后由于坑道壁来回反射,出现了与自由大气中理想冲击波指数衰减不同的多个波峰震荡,并得到了峰值压力随距离衰减的模拟结果.再采用相似比为1/5的室外大比例模型,对0.8 kg,0.6 kg和0.4 kg 3种集团装药在坑道口部爆炸的冲击波压力传播规律进行了试验研究,由实测数据拟合出了冲击波峰值压力计算经验公式.结果表明,试验拟合公式与数值模拟及其他经验公式一致性较好,具有一定的工程使用价值.     

基于B样条插值拟合的冲击波超压场重建

针对因测点数目不足,难以全面了解冲击波传播过程,冲击波超压经验公式具有局限性;以及数值模拟存在精度低的问题,通过采用B样条插值算法,以实测数据重建冲击波超压场;其结果优于Delaunay三角化法和最小二乘法。利用Matlab仿真得出了冲击波超压场的等压线和三维分布;并对重建场进行了反演验证,结果表明其误差在4.5%内。     

复杂建筑结构环境下冲击波超压的快速估算方法

为解决复杂建筑结构环境下,冲击波模拟成本与计算精度之间的矛盾,提出利用低成本建模提取超压,再通过修正获得高精度超压的快速估算方法.首先,通过建模分析入射超压的模拟误差,给出精细网格密度下限值λ_lim;然后,进一步大量建模,对超出λ_lim限值的粗网格模拟超压进行修正,并拟合出超压修正系数公式;最后,利用修正系数进行超压估算与验证.研究结果表明:超压模拟误差随着网格密度的增大而减小;利用低成本粗网格建模模拟并加以修正后获得的估算超压值与理论值、试验实测值的误差较小;粗网格模型估算超压值的计算精度与高成本精细网格模型相当.     

地下爆炸对埋地输气管道冲击响应的数值分析

通过适当选取材料本构关系,运用非线性动力学基本理论和ALE算法,利用LSDYNA3D有限元程序,对爆炸地冲击作用下引起埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟分析。通过埋地管道在2组共10个工况下的数值计算分析,拟合了埋地管道响应(包括速度和动应力)最大值和装药量、爆心与管道中心距离之间的关系。模拟计算结果与经验公式规律十分吻合,表明采用数值模拟方法研究爆炸地冲击对埋地管道的作用是可行的。计算方法为埋地管道在第三方破坏荷载作用下的风险评估提供了一个计算平台,计算结果对埋地输气管道的风险评估和防灾减灾具有重要的参考价值。     

基于数值仿真的水下活塞机动力系统建模

水下活塞机动力系统模型以往需要试验才能得到。基于数值仿真方法研究活塞机做功过程,考虑过膨胀现象对活塞机输出性能的影响,建立活塞机指示功计算公式。由指示功拟合公式推出活塞机输出转矩,减去系统辅机消耗的力矩,结合完全气体状态方程得到水下活塞机动力系统模型。根据该模型设计仿真程序和半物理仿真实验对比。数学模型的仿真结果与半物理仿真试验结果相对最大误差为5.28%。研究结果表明,采用数值仿真和理论推导相结合得到的水下活塞机动力系统模型可以代替试验用于水下动力系统特性研究的初步验证。