浅水域爆炸冲击波传播特性

通过浅水域炸药裸露爆炸试验,实测得到水中爆炸波典型波形及峰值压力数据,分析了水中冲击波传播特性与衰减规律;对冲击波峰值压力进行线性回归分析,给出了浅水域爆炸冲击波衰减公式;在此基础上,通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,进一步验证并总结了部分相关结论。部分结论成果已应用于福建漳州古雷航道二期疏浚项目。     

坑道中冲击波冲量传播模型的试验

合理确定装药堵口爆炸情况下坑道中冲击波冲量的传播规律,是防护门抗精确打击设计的前提.为此,在野外进行了9次模型坑道堵口爆炸试验.钢筋混凝土模型坑道截面积为0.67 m2,TNT炸药的装药量范围为400～800 g.用坑道侧墙上的压力传感器实测了冲击波波形,由实测数据拟合出了装药堵口爆炸情况下,冲击波正相冲量沿着等截面直坑道传播的工程经验模型.算例分析表明,所拟合的坑道内冲击波冲量工程经验模型具有一定的实用价值.     

装药长径比对坑道中冲击波峰值压力影响的试验

现代精确制导武器的装药呈细长化的发展趋势.为获得现代武器装药长径比对坑道中冲击波峰值压力的影响规律,共进行了11次比例模型坑道爆炸试验.模型坑道长10.0 m,由钢筋混凝土拱单元组成,单元截面积为0.67 m2;TNT炸药在坑口外爆炸,装药量范围为 1.0～4.6 kg.用压力传感器记录了坑道中的冲击波波形,由实测数据得到了不同装药长径比情况下坑道中冲击波峰值压力的分布,分析了装药长径比对坑道中冲击波峰值压力的影响规律.     

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。     

坑道截面形状对化爆冲击波传播规律的影响程度分析

为了弄清坑道截面形状对化爆冲击波传播规律的影响,采用LSDYNA动力有限元软件对不同形状坑道内化爆冲击波的传播过程进行数值模拟和对比分析.研究表明:采用合理的有限元模型可以有效地模拟坑道中化爆冲击波的传播过程;化爆冲击波在不同截面形状坑道内的衰减规律基本一致,但冲击波超压峰值有显著差异;圆形坑道内化爆冲击波超压峰值最低,是直墙圆拱形坑道内的60%左右,正方形坑道内超压峰值最高,是直墙圆拱形坑道内的300%左右;工程设计时,必须考虑坑道截面形状对冲击波的影响,宜尽量采用圆形坑道.     

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。     

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。     

刚性地面爆炸冲击场仿真与试验研究

以TNT在刚性地面上爆炸过程中不同位置的超压峰值为研究对象,对爆炸冲击条件下的超压数值进行试验与仿真研究。采用ALE算法仿真模拟试验结果。通过比较仿真结果、试验结果以及经验公式理论结果;主要从超压峰值、超压持续时间验证仿真模型的准确性,通过修正模型的参数,对刚性地面爆炸冲击波特性进行有效的预测。另外对经验公式进行一定的修正,得到符合距离炸心位置较近位置的拟合公式。经验证表明,拟合公式适用于刚性地面近炸点位置的超压数值预测。     

防护门破坏后剩余冲击波传播规律的试验

现代精确打击条件下坑道中的防护门面临被直接破坏的威胁.为了获得防护门破坏后剩余冲击波的传播规律,共进行了4次模型坑道中防护门堵口爆炸破坏试验.钢筋混凝土模型坑道截面积为0.67 m2,TNT炸药的装药量范围为1.0～4.6 kg.钢筋混凝土防护门厚度为8 cm,配筋率0.2%,混凝土等级C30.用坑道侧墙上的压力传感器记录了防护门破坏后剩余冲击波的波形,分析了剩余冲击波在坑道中的传播规律.研究成果可供工程设计参考.     

炸药爆炸冲击波在巷道变点的传播规律模拟

采用ALE算法,使用ANSYS9.0数值模拟软件,选用30 kg TNT炸药为爆炸源(条形裸露药包),煤矿巷道截面积为6 m2(宽3m×高2m或宽2m×高3m),记录间隔时间At=5 ms,对爆炸冲击波通过巷道变点(夹角450)的状态和对应时刻的压力变化、冲击波压力峰值随巷道截面积和巷道轴向距离的变化及空气冲击波压力在巷道同一截面的不同位置的变化规律进行模拟.得出:爆炸冲击波在爆炸后的某一距离处以平面波的形式在直巷道内传播;随传播距离的增加冲击波压力逐渐衰减,当通过巷道转弯处时冲击波在转弯处反射叠加,在转弯的外壁面处出现加大的压力峰值,约为转弯处内侧压力的3倍.     

含铝炸药水下爆炸特性研究

对1kg柱形某含铝炸药进行了水下5m的水池爆炸实验,并基于AUTODYN软件模拟了含铝炸药水下爆炸冲击波与气泡脉动规律,研究了非理想爆轰对冲击波与气泡特性的影响.模拟研究表明,Miller能量释放模型能够准确地反映含铝炸药的非理想爆轰过程,可准确模拟出冲击波后期压力值、气泡二次压力以及气泡的周期与半径,计算值与实验值具有较好的一致性.以此为基础研究了装药参数及起爆方式对近场冲击波压力峰值的影响,有限元模型、方法以及计算结果对相关研究和计算具有一定的参考价值.     

放射式冲击波在软组织中传播特性的有限元分析

为了解决放射式冲击波在人体软组织中的传播特性难以量化分析的问题,应用有限元法建立了包含皮肤、脂肪,肌肉和骨骼的数值计算模型,并根据放射式冲击波治疗仪的基本原理对其进行仿真分析.结果 表明:放射式冲击波在软组织中产生的最大压强在10 MPa以内,波长为18 mm,传播速度为1500 m/s,由于皮肤、脂肪和肌肉组织的阻抗效应,其压强和能流密度随传播深度的增加而逐渐降低,在治疗探头与皮肤的接触界面涂抹耦合剂并提高驱动气压,将有助于治疗更深层次的软组织损伤.相关信息将为治疗方案的优化和新型治疗仪的研发提供重要参考.     

基于特征线法的车隧压缩波演化数值分析

为研究压缩波沿隧道传播演化的影响规律,采用考虑压缩波惯性效应和壁面摩擦效应的一维特征线法,建立了压缩波沿隧道传播演化的数值模型,通过一维平面波方程与实车测试两种方法共同验证了该模型的准确性。针对波前形状、车身波等、压力幅值关键因素,研究了初始压缩波沿隧道传播时,最大压力梯度的变化规律。在此基础上,进一步探讨分析了摩擦与气室阵列共同作用对压缩波波前演化的影响以及壁面摩擦的作用机理。结果表明：初始压缩波波形相同时,压缩波最大压力梯度随波前幅值的增大而增大;不同波形的初始压缩波沿隧道的演化规律不完全相同,但列车车身进入隧道所产生的车身波并不会影响压缩波波前的最大压力梯度;考虑壁面摩擦后,气室阵列对压缩波最大压力梯度的缓解效果有了进一步提高,壁面摩擦越大,缓解效果越显著。     

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。     

铁路隧道出口微压波问题的数值模拟

采用有限体积法和TVD性质的差分格式相结合求解轴对称欧拉方程的方法对高速列车通过隧道时在隧道出口区域产生的微压波问题进行了数值研究．通过该数值方法计算得到的结果和国外试验量测结果符合良好，表明该方法能够比较精确地模拟这一现象．通过该数值方法对相关影响因素进行了研究．研究结果表明，隧道出口处挡板的位置和直径大小对于微压波压力峰值的空间分布具有重要影响．文中针对到达隧道出口附近的压缩波为弱冲击波的情况，给出了隧道出口处设无限大挡板和不设挡板时微压波压力峰值的空间分布图．文中提出了用于计算出隧道出口处微压波的压力峰值的公式．该公式表明，微压波的压力峰值与测点到隧道出口中心之间的距离以及测点与隧道出口中心之间的连线和隧道轴线所形成的夹角密切相关．文中的研究结论和方法可为制定微压波减缓措施提供重要依据．     

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.     

空中和水下爆炸时钢筋混凝土板动态响应对比分析

 利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土板在不同介质中（空中和水下）爆炸的数值模型,在对比分析爆炸冲击波在空中和水下传播特性的基础上,研究了空中和水下爆炸冲击波对钢筋混凝土板动态响应及损伤程度的影响,并对比分析了不同炸药量及起爆距离对钢筋混凝土板在空中和水下爆炸时动态响应的影响规律。研究表明,在近爆区域内,爆炸冲击波在空中和水下的传播特性存在较大的差异：在空中的传播速度较水下快,并且冲击波压力在空中衰减较水下快;但水下爆炸冲击波压力峰值较空中爆炸大很多,对钢筋混凝土板的潜在破坏能力较强。两种介质中爆炸时钢筋混凝土板的破坏形态对比分析,发现无论是迎爆面还是背爆面,同等炸药量及起爆距离下水下爆炸时混凝土板损伤程度均较空中爆炸时大。     

单循环脉冲爆轰发动机的数值模拟

对高温火团引发的甲烷-空气混合气体的爆轰过程及管内、外流场做了二维轴对称数值模拟，考虑了CH4-O2-N2的详细化学反应动力学机理，该机理包含了19个基元反应和14种组分。采用分裂格式处理带化学反应的Navier-Stokes方程，使用改进的波传播方法求解流场，使用基于隐式Gear算法的微分方程解法器求解化学反应过程。模拟结果显示了爆轰波在管内的成长、稳定传播、进入喷嘴后衰减为激波以及进入外流场的全过程。还对轴线上的压力分布和封闭端的推力等进行了讨论，为脉冲爆轰发动机的开发研制提供信息。     

爆炸冲击波与防弹衣相互作用的数值模拟

为研究穿戴防弹衣情况下爆炸冲击波对人体的作用模式,建立了爆炸冲击波冲击防弹衣的2维和3维数值模型.借助Eulerian和Lagrangian的完全耦合方法,模拟构建爆炸冲击波与防弹衣相互作用所形成的冲击波流场.对冲击波流场的分布情况进行分析,包括冲击波在防弹衣表面的反射,在防弹衣边缘绕射以及在防弹衣与人体之间的传播情况.研究结果表明,在穿戴防弹衣情况下,爆炸冲击波与防弹衣发生相互作用,形成的复杂波系会加重对人体的伤害.