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.      

内爆爆距对舱壁变形影响的数值研究

为研究舱内爆炸时爆距的改变对舱壁的毁伤效应,运用有限元分析软件建立了舱室内爆的仿真模型,分析了爆距变化对舱壁的变形影响及舱内冲击波压力的作用情况.结果表明：在爆距比L₁/L₂>1时,远端舱壁的变形挠度总大于近端舱壁.当爆距L₁增大时,远端舱壁的挠度值呈线性增加,挠度增量约为爆距增量的11%,而近端舱壁的挠度变化不明显;舱内爆炸后作用于远端舱壁的冲击波为初始冲击波与来自近端舱壁及四周刚性舱壁的反射冲击波相互作用而形成的叠加波.     

不同厚度壳体装药在混凝土中爆炸的实验研究

为研究装药壳体厚度对混凝土毁伤效果的影响,设计了不同厚度壳体装药和无边界效应的混凝土靶板,并进行了实验.实验结果表明,在壳体厚度较小时,爆坑体积比裸装药炸药时的爆坑体积大;当壳体厚度增大时,爆坑体积呈下降趋势.随着壳体厚度的增加,壳体破碎性下降.通过空气冲击波超压测试,并结合经验公式计算了形成空气冲击波的能量占炸药爆炸总能量的比例.     

新型装配式组合结构对爆炸冲击波流场的影响

为有效防护爆炸冲击波及抛掷物等的破坏作用,设计了一种新型装配式双层钢板组合结构体系.采用ALE(arbitrary lagrange-euler)算法对4种TNT药量、2种爆距下结构前方及上方流场规律进行了数值分析,得到了爆炸压力场的分布特点和不同位置的冲击波超压等的变化规律,分析了爆炸冲击波与组合结构的作用过程,并与经验公式及TM5-855-1计算结果进行了比较.分析表明,结构前方爆心水平线上0.3 m范围的超压峰值增大,但药量和爆距对此范围的大小影响不大;结构上方一定范围内的冲击波超压减弱,且随着药量和爆距的增大而减小;药量增大、爆距减小时,结构前上方冲击波超压增强的范围增大.     

爆炸冲击波作用下桥梁损伤效应的数值仿真

应用非线性动力有限元方法对爆炸冲击波作用下桥梁的损伤效应进行了三维数值模拟,得到了空中爆炸冲击波的传播规律曲线和峰值压力曲线,通过与实验公式对比,验证了爆炸荷载计算模型的有效性和计算结果的可靠性,并在此基础上研究了桥梁在爆炸载荷作用下的非线性动态响应.计算结果表明：爆炸冲击波对桥梁的损伤效应呈现局部破坏特征,桥梁迎爆面局部结构损伤较大且以破口形式存在.数值仿真结果为桥梁的抗爆承载计算和安全性评估提供了重要的参考依据.     

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.      

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。     

水下爆炸冲击过程三维数值模拟

为研究无限域和近水面水下爆炸冲击波压力特点以及近水面的物理特性,基于多物质ALE方法,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对无限域和近水面水下爆炸进行了三维数值模拟,再现了爆轰产物、水以及空气多物质介质间的相互作用过程。分析发现,在爆深不变的情况下,随着测深的减小,自由面对冲击波的影响主要体现在减小入射冲击波波形脉宽和削弱冲击波峰值压力上;相同当量炸药在自由面产生的水柱,其上升的速度随着爆深的减小而逐渐增大。定性地分析了近水面水下爆炸的密度分布情况,以及不同爆深情况下自由面水柱的形成过程。通过数值模拟研究了冲击波压力值的特性,并与经验值进行了对比,验证了计算模型具有较好的计算精度,同时三维再现了水下爆炸的复杂物理现象。     

中心内爆引起的圆柱壳流固耦合问题数值模拟

针对中心装药的冲击波加载,研究了椭球封头圆柱壳的流固耦合问题.基于法向位移、速度和力建立流固界面边界条件,采用FVM求解积分ALE型无粘流体力学方程组,采用FEM求解虚功原理,得到内爆流场冲击波和壳体应力波的传播过程.结果表明:我们的方法和计算软件可研究内爆引起的壳体流固耦合问题.尽管壳体结构和装药位置相对简单,但冲击波在壳内传播和内壁面多次反射产生的波系结构相当复杂,压力云图刻画了冲击波演化图像.壳体所受加载特征是:前期表现为冲击波超压,后期表现为冲量,壳体变形依赖冲击波加载历史.封头顶点、封头和侧壁交线以及距中心最近的中环面出现较大等效应力,也是结构易破坏的部位.     

奥克托今（HMX）基塑料粘结炸药（PBX）驱动不同金属圆筒试验及数值模拟

为研究某HMX基PBX炸药对不同材料金属壳体的驱动加速能力,参照25mm标准圆筒试验,研究了该炸药对无氧铜Cu、钛合金TC4和高强度钢G50三种壳体材料的做功能力,获得了圆筒壁的膨胀过程及最大膨胀速度,并与理论计算值和数值模拟结果进行了对比。研究表明：该炸药爆轰驱动不同壳体材料的膨胀破裂时间和破裂半径存在差异,且对低密度钛合金壳体材料的驱动能力最强;圆筒试验件破片初速理论计算值、数值模拟结果与试验值吻合较好,相对误差均在10%以内;相比标准圆筒试验只考虑炸药对单一金属铜管的驱动加速能力,研究结果可为该炸药与武器弹药壳体材料的匹配设计提供参考。     

充压壳体在爆炸冲击波作用下的毁伤特性研究

为了得到充压壳体在爆炸冲击波作用下的毁伤规律,利用LS/DYNA软件,研究了充压壳体在爆炸冲击波作用下的毁伤模式。首先,利用数值模拟对比验证了柱壳在侧向爆炸载荷作用的三种毁伤模式;然后,考察了在炸药当量不变的情况下,不同壳体内压、不同炸距对壳体中心点位移的影响。结果表明:数值模拟结果与试验结果可以很好地吻合,能够准确反映壳体的毁伤特性;当壳体内压保持不变时,壳体中心点位移随着炸距的增大而减小;并且当炸距大于某一临界距离时,壳体中心点位移存在回弹区。当炸距保持不变时,壳体中心点位移随着内压的增大而减小;并且当壳体内压大于某一临界压力时,壳体中心点位移存在回弹区。研究结果可为毁伤评估及目标防护设计等提供了一定的参考。     

水下爆炸载荷下小型目标变形及冲击损伤试验

采用双腔内部填沙圆柱壳体(硬模型)模拟含内部装填物的水下实体结构,对圆柱壳体在水中受球形三硝基甲苯（TNT）炸药产生的冲击载荷作用下的动力响应过程及其冲击破坏进行研究.对不同装药量、爆炸距离和爆炸方位下的内部填沙圆柱壳体目标与空壳目标（软模型）进行了爆炸冲击试验,并将内部填沙圆柱壳体与空壳圆柱壳体在相同爆炸条件下的试验结果进行比较.结果表明,相同爆炸条件下,填沙圆柱壳体比空壳圆柱壳体抗爆能力强,填沙圆柱壳体模型的冲击破坏主要集中于仪器舱段,装药舱段很难破坏,空壳圆柱壳体的冲击破坏主要发生在较薄的主舱段,表现为壳体表面轴向撕裂.     

近刚性圆柱水下爆炸气泡动力学特性研究

针对刚性圆柱附近水下爆炸气泡的动力学特性进行了研究. 基于Navier-Stokes方程结合流体体积法捕捉气液两相界面,建立了数值模型;采用电容器放电产生水下爆炸气泡并用高速摄像机记录了气泡的脉动,并将实验结果与数值模拟结果对比验证了数值模型有效性. 通过数值模拟得到了气泡与刚性圆柱相互作用的流场细节信息. 结果表明:气泡在刚性圆柱附近脉动使得刚性圆柱表面流体介质存在速度梯度,速度较大的流体液层冲击气泡形成不同的气泡形状. 定义了一个量纲一的距离参数来表征气泡与刚性圆柱之间的相对距离,研究了距离参数对射流冲击压力、最大射流速度及气泡型心运动的影响. 随着距离参数的增大,射流冲击压力逐渐减小,气泡内部最大射流速度先增大后减小;气泡型心的偏移随距离参数的增加而减小.      

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.     

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。     

瓦斯爆炸对巷道壁面损伤破坏的数值模拟研究

为了研究巷道内瓦斯爆炸冲击波对巷道壁面结构的损伤破坏,利用ANSYS/LS-DYNA建立巷道瓦斯爆炸物理模型和数学模型,对掘进巷道瓦斯爆炸冲击波破坏特性进行数值模拟研究。结果表明:在巷道壁面边缘位置和中心位置超压测值较大,其壁面损伤相对更为严重;冲击波在巷道轴向壁面也会出现反射和叠加,导致整体超压峰值上下振荡波动;瓦斯爆炸后冲击波向开口方向传播,瓦斯区壁面受到的载荷最大,并逐渐向空气区加载扩散;随着爆炸冲击波能量衰减,而应力持续加载在壁面结构,压力集中对壁面结构施加静态破坏,最后超过其承受能力,导致巷道失稳破坏。研究结果可为优化巷道结构的设计提供理论参考。     

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.     

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.