内爆炸下球面钢网壳结构的冲击波超压计算分析

采用通用有限元LS-DYNA程序,建立内爆炸下大跨球面钢网壳结构数值模拟计算模型,用于大跨空间结构的内爆炸数值模拟计算和分析.通过研究大跨球面钢网壳结构在内爆炸下的冲击波传播、反射和峰值出现规律,发现炸药在结构内爆炸下,球面钢网壳结构受到的爆炸冲击效应更为复杂,可能需要同时承受入射冲击波和反射波或复合波的冲击作用.最后,应用所建模型对爆炸冲击波超压的数值进行计算分析,得出内爆炸下不同跨度和矢跨比大跨球面网壳结构的冲击波超压计算公式.     

大空间钢网壳穹顶的内爆炸冲击波超压计算

为研究内爆炸作用下冲击波在大空间穹顶结构内的传播规律、超压峰值及其对结构的作用,采用通用有限元LS-DYNA程序,考虑炸药空中爆炸和大空间结构特性,建立炸药在大空间钢网壳穹顶内爆炸作用下的数值计算模型,并通过已知超压计算公式验证数值结果.应用所建模型,对炸药在大空间钢网壳穹顶内爆炸的全过程演变和5种矢跨比穹顶的内爆炸冲击波压力进行了数值模拟计算与分析.结果表明:内爆炸下大空间穹顶除受到入射冲击波的冲击作用外,还可能受到反射波或复合波的多次冲击,冲击的强弱取决于反射体刚度和穹顶几何尺寸等多种因素;穹顶跨度和矢跨比对主峰值压力的大小和出现的次数有较大影响,但没有呈现出明显的规律性.最后,给出了内爆炸下不同跨度和矢跨比穹顶结构的冲击波超压计算公式,可供工程结构防爆抗爆参考.     

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.     

爆炸冲击波对大型复杂舰船结构毁伤效应数值模拟研究

采用有限元软件针对大型复杂舰船在战略武器大当量爆炸冲击波作用下的毁伤效应进行数值模拟研究.建立某航母结构1∶1有限元模型,采用CONWEP方法施加爆炸载荷,研究舰船的动态响应特征,主要分析爆炸当量、冲击波强度等因素对舰船毁伤模式和甲板变形破坏等级的影响.研究结果表明,随着爆炸冲击波传播距离增加,其强度沿飞行甲板表面以指数形式衰减,沿不同层甲板则呈现近似线性衰减特征.随着爆炸当量和冲击波强度的增加,舰船甲板变形破坏等级逐渐增加,舰船毁伤模式由局部塑性变形毁伤逐渐转变为总纵强度毁伤模式,接触爆炸时还会发生结构破损总纵剩余强度毁伤.在小当量爆炸且冲击波强度超过1.0 MPa时,飞行甲板、吊舱甲板和机库甲板会随着冲击波超压强度的增加而逐渐失效;在中等当量且冲击波超压强度超过0.2 MPa时,飞行甲板、吊舱甲板在爆炸后基本失效,机库甲板的功能将受到严重影响;在大当量爆炸且冲击波超压强度达到0.2 MPa时,三层甲板均发生局部区域完全失效.相关研究方法有助于大型复杂舰船结构在大当量爆炸冲击波作用下的毁伤效应评估.     

水下爆炸冲击波压力时程的数值模拟

运用LS-DYNA程序对水下爆炸冲击波进行了数值模拟研究.首先模拟了半无限水域下的爆炸冲击波的形成以及气泡运动规律,分析了爆炸波的压力时程曲线.在此基础上,进一步讨论了水下爆炸冲击波与水中结构相互作用的问题,该分析结果可为类似水下爆炸工程实践提供参考.     

浅层水中沉底爆炸冲击波相互作用数值模拟

根据试验模型和试验结果，进行了浅层水中沉底爆炸冲击波相互作用数值模拟；研究了水底水面对沉底爆炸冲击波传播与相互作用的影响。结果表明，水底对冲击波压力峰值有较大的削弱作用，水面使冲击作用冲量明显减少，冲击波相互作用的压力叠加或多次冲击作用大大提高了爆炸威力。     

柔性防护结构对爆炸冲击波衰减作用数值模拟1

为了应对小当量的爆炸物,减小爆炸冲击波对人员的伤害和财物的损害,研究了一种柔性防护结构。根据爆炸相似理论,对爆炸物TNT当量为3 kg的典型目标选择1∶50缩比模型,建立二维仿真简化模型。采用欧拉算法数值模拟圆柱形柔性防护结构对爆炸冲击波的衰减作用,对不同厚度柔性防护结构的防护效果进行对比研究。仿真结果表明,柔性防护结构能有效的减小冲击波超压峰值,增加正压作用时间;得到的柔性防护结构水介质防护层厚度优化值,能很好的满足防护效果与轻量便携的应用背景,对柔性防护结构设计具有参考作用。     

数值模拟分析冲击波在注液结构中的传播规律

注液结构在反恐防爆中和军事防护中，得到了越来越广泛的应用，它们的抗爆机理研究也得到了重视和发展。文章运用LS—DYNA对注液结构抗爆过程进行了动态模拟，得出了爆炸冲击波在注液结构中的传播规律，为注液结构防护设计提供了理论基础。     

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.      

爆炸冲击波在扁平大空间内的传播规律

为研究爆炸冲击波在地下停车场等扁平大空间内的传播规律,采用AUTODYN软件建立了二维轴对称分析模型,分析了8种质量的TNT在扁平大空间中间位置地面处引爆后冲击波的传播特性。通过结合爆炸冲击波传播云图和部分测点的压力时程曲线,分析发现冲击波在传播过程中会形成多个马赫波,首个马赫波的马赫杆高度可以达到空间净高,后续马赫波的马赫杆高度较小,但传播速率大,最终会追上首个马赫波,并与其汇合,在汇合处峰值超压较马赫杆其他位置有所增加,随着传播距离的增加后续马赫波对首个马赫波的影响越来越小。给出了根据比例净高确定马赫波阵面峰值超压恒定的临界点水平位置和对应最大峰值超压值的计算公式,给出了根据平面比例爆距确定最大峰值超压平均值的计算公式。     

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.     

冲击波引起瓦斯爆炸的动力学特性仿真研究

在实验室条件下进行管道内冲击波瓦斯爆炸过程模拟试验,通过模型仿真及分析,研究冲击波引起瓦斯爆炸的动力学特性。结果表明,冲击波速度和压力均经历了一个相似的变化过程,相同的瓦斯浓度范围,燃烧引起爆炸后的有关数据变化较冲击波引起爆炸后的数据变化小;管道长径比的增大,增大了冲击波的传播速度和瓦斯积聚区的压力、速度及温度值,使瓦斯积聚区的反应强度更高,更易于演变成爆炸;初始面上的变化,温度升高与燃烧速率为互长互消的关系,冲击波压力与燃烧速率为激励效应的关系;初始面之后的变化,瓦斯爆炸波传播呈渐强趋势。     

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。     

巷道截面积突变处瓦斯爆炸冲击波传播规律理论研究

煤矿瓦斯爆炸事故往往会造成大量人员伤亡和财产损失,针对煤矿瓦斯爆炸事故频繁发生的现状,研究瓦斯爆炸冲击波传播规律,对于预防和控制冲击波的破坏和伤害效应有重要的意义。利用爆炸动力学理论,对巷道截面积突变情况下瓦斯爆炸冲击波传播规律进行理论分析,并建立巷道截面积突变情况下冲击波传播的数学模型,得到冲击波波阵面压力经过巷道截面积突变面时的变化规律。     

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.     

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.     

煤尘影响瓦斯爆炸冲击波的实验研究

为了探究煤尘对瓦斯爆炸冲击波的影响,利用瓦斯-煤尘爆炸实验系统,通过甲烷、空气混合爆炸和煤尘、甲烷、空气混合爆炸实验,得出爆炸超压在爆炸管道中冲击波的传播规律。将爆炸规律和煤样的组分数据对比分析,得出煤尘对瓦斯爆炸的冲击波的影响规律。研究发现:有煤尘参与时,气样爆炸超压增大,在管道中都是先增大后减小,煤尘的参与可以改变瓦斯爆炸的上下限。煤样组分对比表明,挥发分大的煤粉更容易产生更大的爆炸超压。     

具有复杂结构的换热器出水管段内湍流的数值模拟

为了确认换热器封头中挡板的存在对出口此中流场均匀性的影响,需要对封头及出口管嘴中的流场进行数值模拟。计算中采用ｋ－ε两方程模型,利用区域扩充方法来模拟复杂的几何形状,并进行了耦合计算,对流体区域内的阶梯形固体边界提出了一种实施壁面函数法的方法。     

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.