金属桥箔电爆炸驱动飞片过程数值模拟研究

为研究金属桥箔电爆炸等离子体驱动飞片全过程中飞片的性能特征和影响规律,建立了金属桥箔电爆炸驱动飞片全过程的多相流数值计算模型,并进行了数值模拟计算.计算中,利用了相变分数描述金属桥箔由固相到等离子体相的相态转变,采用了考虑粒子数目变化及粒子间库仑作用的高温高压等离子体状态方程描述电爆炸等离子体的形成和运动行为,采用了动网格模型描述飞片的运动.将计算结果与实验结果进行对比分析,计算得到的飞片速度值与实验值的误差小于5%,表明计算模型的准确性较好.基于该计算模型,对总面积相同的双体阵列桥箔和单体桥箔电爆炸等离子体驱动飞片过程进行了数值模拟,计算结果表明,由于阵列桥箔电爆炸过程中等离子体和冲击波的叠加汇聚作用,提高了能量转化效率,使得等离子体及冲击波流场对飞片的驱动力增加,从而提高了飞片的速度.等离子体流场对飞片表面的烧蚀厚度约为0.1μm,飞片的完整性较好.     

金属桥箔电爆炸等离子体流场实验研究

为了研究金属桥箔电爆炸等离子体流场特征,进行了金属桥箔电爆炸实验.利用基于纹影摄影技术的双脉冲光源等离子体流场结构测量系统,对桥箔电爆炸等离子体流场进行了照相观测,获得了不同时刻等离子射流和冲击波的物理图像.分析了等离子体流场变化规律,得到了等离子体及冲击波的特性参数.     

金属桥箔电爆炸冲击波特性研究

为研究金属桥箔电爆炸冲击波流场特征,根据冲击波运动自相似性,采用点爆炸模型描述了金属桥箔电爆炸冲击波的流场演化,建立了金属桥箔电爆炸后冲击波波阵面参数的理论计算方法. 给出了冲击波速度、压力、传播距离和粒子速度随时间的变化规律,将计算得到的冲击波传播距离和速度与实验结果进行了对比分析,计算结果与实验结果相符合.     

桥箔电爆炸驱动飞片的数值模拟

为了研究桥箔电爆炸驱动飞片过程中,桥区宽度和加速膛材料对飞片速度的影响,采用AUTODYN软件对这一过程进行数值模拟.模拟结果表明,相比于0.27 mm、0.30 mm、0.33 mm、0.36 mm和0.42 mm的桥区宽度,0.24 mm桥区宽度所驱动的飞片速度最大.对飞片经铝、镍、铜和氧化铝陶瓷四种材料加速膛剪切后,飞片速度和形貌进行了模拟,结果表明氧化铝陶瓷的硬度大,可以提高飞片速度和剪切效果,且加速膛发生形变小,优于其它三种材料.     

水中金属丝电爆炸冲击波一维数值模拟

为了明确水中金属丝电爆炸冲击波的形成机理,基于经典活塞模型,采用相似参数法,引入双人工黏性系数,建立了水中金属丝电爆炸冲击波的一维计算模型。以等离子体放电通道边界膨胀轨迹作为模型唯一的输入参数,得到水中冲击波传播的时间与空间的分布规律,通过与其他文献实验结果的对比,验证了该计算方法的有效性。模拟结果表明,双人工黏性系数法使计算得到的冲击波更符合实际情况。爆炸初始时刻,等离子体放电通道边界膨胀压缩周围水介质产生的冲击波高达GPa级,冲击波压强峰值与径向传播距离的-0.70次幂成正比关系。文中采用的计算方法既不涉及脉冲放电过程以及复杂的放电等离子体物理变化过程,也不涉及放电通道与水的物理化学作用过程,只需根据诊断实验得到放电通道边界膨胀轨迹,即可模拟水中金属丝电爆炸冲击波的产生与传播过程,对工程实践具有重要的指导意义。     

装药水下沉底爆炸压力场特性研究

对水下爆炸冲击波进行了概述,分析了影响冲击波传播的因素和球形装药中心起爆时出现驼峰的原因.利用AutoDyn软件对装药在自由场与沉底爆炸二种工况的压力场特性进行了数值模拟,计算中采用透射边界条件代替压力流出边界条件和提高能量守恒误差容许值的办法.仿真结果表明,装药自由场爆炸中,冲击波传播没有方向性;在装药沉底爆炸时,冲击波存在明显的水底反射效应,水底反射对药包上方范围起到增强作用,而对水底附近起削弱作用,当测点与水平夹角大于60°时,冲击波压力峰值增加到一个相对稳定值.     

爆炸冲击波致颅脑冲击伤数值模拟研究

爆炸冲击波作用头部导致的颅脑冲击伤已成为战斗医学救治中的“标志性损伤”,而爆炸冲击波作用头部时与头部相互作用过程及致伤机理尚不明确. 为了找出爆炸冲击波与头部相互作用时空气压力场变化规律及颅脑动态响应特性,进行了爆炸冲击波作用头部数值模拟研究. 建立了具有典型人体头部结构的三维有限元模型,针对Nahum尸体头部撞击实验对头部有限元模型的有效性进行了验证;基于验证的头部有限元模型,对爆炸冲击波作用头部进行数值模拟,得出了冲击波与头部相互作用时空气压力场变化规律;对头部颅内压变化情况进行分析,得出了冲击波从正面作用头部后额叶、顶叶脑组织压力会出现高频的正负压周期性波动,且会出现较高的压力峰值,为易受损区域.      

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。     

沙墙吸能作用对爆炸冲击波影响的数值分析

由沙袋堆积起来的沙墙对强冲击波具有很好的消波吸能作用,在爆炸实验中对结构有一定的防护作用.沙墙在爆炸冲击波作用下,飞散形成颗粒相,吸收冲击波的能量,降低冲击波对结构的冲击作用.分别使用通用非线性动力学数值计算程序LS-DYNA和自编的多相流程序,计算了某封闭空间中沙墙对爆炸冲击波消波吸能的作用.自编的多相流程序可以计算沙子的飞散,可以考虑对流、辐射传热的吸能作用.LS-DYNA没有这些功能,但是却可以模拟复杂的爆炸与结构相互作用的问题.两种程序对比计算的结果可为使用商业软件LS-DYNA进行类似的复杂数值计算提供参考和修正.     

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.      

防爆舱设计及抗爆炸冲击波超压试验研究

为了满足某驾驶操作舱对爆炸冲击波的防护,设计了防爆舱结构,选用了多种防护材料,数值计算了爆炸参数和结构强度,完成了防爆舱在距离爆炸点9 m处12 kg三硝基甲苯(trinitrotoluene, TNT)裸装药的爆炸试验,重点测试了防爆驾驶舱内外的声压、内部噪声及操作人员座椅处的3个方向的振动加速度曲线。结果表明:舱内脉冲噪声峰值最大为135.1 dB;压力峰值为882.5 Pa,持续时间约为1 472 ms;座椅处3个方向的振动加速度最大为15.41g,持续时间为0.23 s;均在相关标准安全限制内,满足对等效重量为12 kg TNT及以下爆炸物在9 m处的爆炸冲击波的有效防护,验证了该防爆舱的可靠和安全。     

金属桥箔爆发规律的数值计算

为研究金属桥箔的桥区尺寸和厚度对其爆发性能的影响,通过实验测试了不同尺寸金属桥箔的爆发电流和爆发电压曲线. 实验结果表明,随着金属桥箔桥区尺寸和厚度减小,金属桥箔的爆发电流减小,爆发时间提前. 利用FIRESET动态电阻模型计算了不同桥区尺寸和厚度的金属桥箔的爆发电流和爆发电压曲线,计算结果与实验数据基本吻合,验证了模型的准确性和测试结果的有效性. 对实验和计算结果分析可知,减小桥箔尺寸和厚度有利于减小其爆发电流,桥箔尺寸和厚度变化与爆发点变化基本呈线性关系.      

几种炸药水下爆炸能量损失特性分析

针对炸药水中爆炸能量损失特性,通过水下爆炸试验,测定了TNT,RS211,RBUL,GUHL,RS3-4等水下爆炸时的超压、冲击波能、气泡能等冲击波性能参数. 对试验结果进行相似分析,得到了超压以及冲击波能的衰减规律,同时分析了装药的水下爆炸的能量输出结构及其能量损失特性. 结果表明,RS211和RS3-4具有较高冲击波超压峰值,而RBUL、GUHL衰减较为缓慢,RBUL、GUHL水下爆炸能量可到达约1.8倍TNT当量. 5 kg炸药水下爆炸时,在0～3 m处,总能量损失Δe_d呈现抛物线形式的增长;在3 m之后呈现线性增长;5 m之后为理想冲击波状态.      

某火箭弹引信擦地炸机构微弹簧的动力学分析

对无后坐炮发射时火箭弹中引信擦地炸机构微小弹簧的运动进行了动力学分析。在考虑弹簧质量的情况下建立了弹簧和导电杆之间的物理模型。该模型的微分方程计算结果表明微小弹簧在弹道上的振动过程会使导电杆的受压产生周期性变化，尤其是在一些波谷处，导电杆几乎不受压力，此时如果有火箭加速和其它装配缺陷等因素的影响，就会引起弹丸在弹道上的早炸。     

障碍物形状对瓦斯爆炸火焰传播过程的影响

为研究障碍物形状对瓦斯爆炸火爆传播过程的影响,利用水平长直爆炸实验管道,研究了圆形、半圆形、十字圆、四孔圆、挡板和网状共6种形状障碍物对火焰传播速度和瓦斯爆炸超压的影响. 结果表明,瓦斯体积分数为8%时,在半圆形障碍物下火焰传播速度最快,火焰加速诱导的较强激波对未燃气体的作用起到了关键作用,其它形状障碍物条件下火焰传播速度较低;瓦斯体积分数为10%时,火焰整体传播速度较低,四孔圆和挡板形状的障碍物下火焰传播速度最小;激波越过障碍物后受到火焰的影响较小,在不同工况下爆炸超压呈现出相似的分布规律.      

瞬态高冲击加速度对冲击波压力测量影响研究

通过冲击试验得到了纵向安装压力传感器的冲击响应规律,在激波管中同时加载冲击波压力与瞬态高冲击研究了压力传感器在冲击作用下冲击寄生响应峰值与冲击加速度的关系以及冲击寄生响应脉宽与结构固有频率的关系,最后在实际爆炸场中进行了验证试验。结果表明,压力传感器的加速度灵敏度近似为定值,且不同传感器加速度灵敏度相差很大;瞬态高冲击作用下压力传感器冲击寄生响应峰值与传感器的加速度灵敏度有关,脉宽与测点的固有频率有关;应合理选择压力传感器降低冲击寄生输出,控制测点结构固有频率使加速度峰值远离压力峰值。     

管型材料离子注入内表面改性研究进展

利用在管材中心引入同轴接地电极并在金属管材上加脉冲负偏压以产生径向离子加速电场,实现了金属管材内表面离子注入。目前国内外还有其它一些技术手段实现材料内表面改性,如脉冲放电爆炸金属箔注入、离子束溅射沉积、等离子体化学气相沉积法等。这些实验方法所遇到的主要问题是离子注入沿轴向不均匀、膜与基底结合不牢。在原实验方法基础上,又提出了一种新的方法——栅极增强等离子体源离子注入法。实验结果表明：此方法不但可以大大提高离子注入沿轴向的均匀性,而且可以实现气体离子和金属离子两种离子的共同注入。