水下爆炸气泡脉动的实验及数值模拟

用实验方法研究球形TNT炸药及柱形含铝炸药水下爆炸冲击波传播及气泡脉动规律.应用有限元程序MSC.DYTRAN,结合流固耦合技术模拟在重力影响下气泡脉动的全物理过程.计算结果与实验结果进行对比说明,二者具有较好的一致性,验证了有限元模型正确、有效,结果准确.以此为基础,分析和总结了状态方程对水下爆炸气泡运动相关参数的影响.有限元模型、方法及计算结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值.     

基于多能法和概率方程的井喷爆炸后果分析

就天然气井喷后形成的可燃性气云爆炸事故进行风险分析而言,TNT当量法存在对爆源附近超压预测偏高、对较远位置处的预测偏低、只能提供超压不涉及冲量等不足.多能法基于受限空间体积的观念使其比基于点源的TNT当量法具有更符合蒸气云爆炸实际情形的优势,该方法兼顾了超压和正相压力波持续时间.概率方程同样具有既考虑超压也考虑冲量因素的能力,同时该模型提供了与超压以及伤害百分比之间的转换关系.因此,将多能法与概率方程结合无疑将提高风险分析的准确度和方便性.具体应用时首先确定伤害标准,然后根据概率方程将伤害程度转换为超压和冲量,最后依照多能法将超压等换算为安全距离.实例的结果表明,在同样的伤害准则下该方法得到的安全距离比用TNT当量法得到的更合理.     

近距离爆炸下不同厚度靶板的动态响应分析

运用量纲分析得到影响近距离爆炸下靶板动力响应的独立变量,通过动力有限元分析软件LS-DYNA中流固耦合算法,对一定药量TNT的球形装药的爆炸过程进行数值仿真.利用数值分析的优势,在装药量与作用距离不变的情况下,通过改变金属靶板厚度得到靶板的挠度峰值与厚度、靶板的速度峰值与靶板厚度的倒数均呈线性关系.     

爆炸水幕高度变化规律实验研究

为研究小当量装药近水面水下爆炸时水幕高度的变化规律,进行了0.6g RDX等高圆柱形装药在14个起爆深度的水下爆炸实验.采用两台同步高速录像机分别记录水幕运动和气泡脉动的图像,通过进一步的数据处理,获得水幕高度随起爆深度和时间的变化规律.对实验数据进行量纲一化处理,并采用二元多项式拟合的方法,获得了量纲一化水幕高度的工程计算模型.该模型计算结果与1kg RDX装药海上实验结果进行对比,所得误差均小于5%.研究结果表明,所获得的量纲一化水幕高度工程计算模型比Swisdak计算公式更具有通用性,适合小当量装药近水面水下爆炸时水幕高度的工程计算.     

近爆作用下方形板表面爆炸载荷分布函数研究

爆炸载荷作用的方式和大小是结构物遭受破坏的主要原因.目前的大多数研究都将爆炸载荷简化为双直线的形式,与实际的时程曲线差异较大,并且直接施加到结构上,回避了气体和结构间的流固耦合相互作用,对于近爆或内部爆炸将会对计算结果带来较大的误差.为了快速确定方形板近爆作用下结构表面的荷载,本文利用数值模拟方法研究了爆炸冲击波与结构的相互作用,提出了方形板结构表面上不同点处爆炸载荷的分布函数,并建立了板结构表面中心点处爆炸载荷参数的简化预测公式,利用这些公式提出了构建结构表面任意点处爆炸载荷的一般方法.结果表明,利用这些公式,可以预测任意尺寸结构构件在近爆爆炸环境中承受的爆炸载荷的各参数(峰值压力和冲量).     

水下爆炸圆柱壳塑性动态响应实验及数值计算

采用实验与数值模拟相结合的方法,对圆柱壳结构在水中受到柱形TNT炸药产生的冲击载荷作用下的动力响应过程进行研究.对不同装药量、爆炸距离和爆炸角度的影响分别进行了实验,利用大型有限元软件MSC.DYTRAN,对流场边界采用流-同耦合的处理方法进行计算,并将计算结果与实验数据进行对比,结果表明,计算结果与实验结果具有较好的一致性.证明了在有限区域内采用MSC.DYTRAN有限元软件中的流-固耦合方法进行水下爆炸的数值计算是可行的.     

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。     

不同装药的水下爆炸冲击波特性研究

通过对复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝和TNT等4种炸药在无限水域中的水下爆炸试验和测试,分析了4种炸药水下爆炸时的冲击波峰值压力、时间衰减常数和冲击波冲量等特性参数,评估了4种炸药的水下爆炸冲击波性能.结果表明：4种装药的冲击波峰值压力从高到低分别是热塑梯黑铝、熔梯黑铝、TNT、复合PBX;时间衰减参数从高到低分别是复合PBX、热塑梯黑铝、熔梯黑铝、TNT;冲击波冲量从高到低分别是复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT.因而,综合各参数评估,认为复合PBX是几种炸药中性能最好的,熔梯黑铝和热塑梯黑铝比较接近,TNT则最差.     

固态燃料空气炸药近地面爆炸场威力特性分析及扫雷应用

为了解固态燃料空气炸药的扫雷应用特性,通过野外0.5 kg一次引爆型固态FAE的近地面爆炸实验,获得爆炸场不同位置处的峰值超压值,由爆炸相似率推出了固态FAE在各测点的TNT当量比、比冲量及正压区作用时间,并通过与等质量TNT对比,获知固态FAE近地面爆炸场的峰值超压是TNT的1.3～2.3倍,比冲量是TNT的1.31～2.51倍,正压区作用时间是TNT的1.07～1.21倍.结果表明,固态FAE近地面爆炸场威力参数明显大于等质量的TNT,中远场优势尤为明显,固态FAE的扫雷效率约为等质量TNT的1.90～4.49倍,且其正压区作用时间长的特点有益于耐爆地雷的清扫.     

水中爆炸对围岩增耦的实验研究

为研究水中爆炸对围岩的增耦,在一个直径1.6 m的水泥砂浆半球体装置上,将其中心预留的直径0.3 m的腔室内注水和置入水泥砂浆芯体,对比性地进行了一系列的1.00 g TNT （2,4,6—三硝基甲苯）当量的填实和空腔爆炸实验。水泥砂浆球表运动测量数据表明,与水泥砂浆中的空腔解耦相比,水中空腔爆炸的解耦效果较差,尤其水腔中爆炸可大大增强爆炸能量的耦合。可以推断,水下爆炸会明显增强围岩中的爆炸应力波强度,近水域中的空中爆炸也可能会增强围岩中的爆炸能耦合,因而相对于围岩和堤坝中同距离、同药量的爆炸来讲,所引起     

近场水下爆炸载荷对舰船结构的局部毁伤特性

主要采用任意的拉格朗日-欧拉（ALE）方法的LS-DYNA软件,对舱段结构在水下近场爆炸与水下接触爆炸情况下的毁伤特性进行研究.为验证该方法的有效性,首先运用该方法对TNT炸药在水下爆炸产生的冲击波峰值进行模拟,将模拟得到的仿真值与经验公式的计算值进行对比,从而验证该方法的有效性.运用该方法对平板水下接触爆炸实验进行验证,将模拟结果与试验结果进行对比,进一步验证ALE方法的有效性.最后,采用ALE方法分别对不同结构型式的舱段在水下近场爆炸与水下接触爆炸进行数值模拟,研究不同结构型式舱段结构在不同工况下的毁伤特性,定量分析破口大小与结构毁伤模式.      

爆炸地震地面竖向振动的幅值特性

对地面附近爆炸地震引起的地面竖向振动幅值特性进行了实验研究,用药量为2kg的TNT药包分别放置于地面,地上和地下引爆,得以了离开原不同距离处地面的竖向振动速度,分析表明,地面竖向最大加速度和最大速度随距离的衰减均服从负幂函数关系,地面竖向振动速度比加速度具有更长的持续时间。     

基于3D-DIC方法研究内爆作用下金属圆柱壳体的动态变形特征

针对爆炸容器动态变形的研究,传统方法是采用电阻应变片对某一点的变形进行测量,这种“点应变”测量不能得到结构动态变形的全场数据,并且爆炸产生的带电气体对应变片干扰较大.为克服电阻应变测量的不足,采用双目立体成像的原理对内爆炸载荷作用下的金属壳体动态变形进行测量.获得了直径210 mm、壁厚2.5 mm的金属圆柱壳体在不同TNT当量（20,60,80,100 g）的全场变形.分析壳体的动态变形,拟合了环向、轴向变形和挠度的经验公式,为金属圆柱壳体结构的抗爆设计提供理论依据.     

水下爆炸能量耗散特性分析研究

基于特征线理论得到了水中冲击波的近似传播规律,提出了炸药水下爆炸冲击波传播过程中的熵变及能量耗散特性的近似评估方法.使用该评估方法,对TNT和RS211两种炸药水下爆炸近场冲击波传播过程中的能量耗散进行了计算.研究表明,水下爆炸近场的冲击波超压峰值迅速衰减,熵增与能量损失主要发生在水下爆炸近场的10倍装药半径范围内.对于TNT和RS211两种炸药,20倍装药半径处水中冲击波的能量耗散分别约为水下爆炸总能量的34%和32%,与水下爆炸试验结果基本一致.     

内爆作用下复合材料柱形爆炸容器的破坏

本文采用长径比为2.5∶1的纤维复合材料增强金属内衬代替复合材料柱形爆炸容器的筒身,研究不同装药质量下筒身的破坏特征.得到了筒身最大环向应变与装药相对质量的关系,理论计算得到的环向最大变形与实验吻合较好,可预测一定装药质量下复合材料柱形爆炸容器是否发生破坏,为复合材料柱形爆炸容器的设计及科学实验提供理论依据.     

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.      

水下爆炸环肋圆筒损伤判据研究

为讨论判据参数对结构损伤程度的评价效果,利用Autodyn软件对典型环肋圆筒结构进行水下爆炸数值模拟研究,得到了圆筒3种损伤模式. 分析了损伤程度与各种判据参数的关系,结果表明:基于峰值超压、比冲量和能流密度的判据参数在不同药量下得到的圆筒损伤程度不一致. 其中,药量对比冲量判据参数的影响最大. 最后,提出药量的幂与爆距的比值作为判据参数一般形式,利用计算结果标定幂指数,得到了受药量影响较小的判据参数,证明了此判据参数形式的合理性.     

有限空间中温压炸药后燃烧效应的试验研究

为研究温压炸药在有限空间爆炸后燃烧过程的特征和规律,利用密闭爆炸罐模拟有限空间,测量了1种温压炸药和2种传统高爆炸药爆炸场压力、温度,分析了后燃烧效应对爆炸场压力、温度的影响。结果表明,温压炸药后燃烧效应可以增加冲击波后时间段的比冲量;温压炸药后燃烧效应能明显提升爆炸产物温度,使爆炸产物长时间保持在一个较高的温度水平;由比冲量、响应温度峰值以及温度曲线积分值比较结果可得,试验所测温压炸药后燃烧效应强于TNT和钝化太安。