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.      

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.     

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。     

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.     

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.     

中空夹胶玻璃幕墙爆炸响应的三维数值模拟

针对中空夹胶玻璃幕墙系统爆炸响应问题,考虑玻璃板块间气体层作用及周围支撑部件影响,建立了爆炸冲击波和中空夹胶玻璃幕墙流固耦合的三维精细有限元模型,在高性能计算平台上重现了玻璃幕墙防爆炸原型试验中爆炸冲击波与中空夹胶玻璃幕墙的相互作用过程.研究了爆炸冲击波作用下幕墙的动态响应情况,得到了与试验一致的结果.数值模拟分析为玻璃幕墙结构的抗爆设计与改进提供了参考依据.     

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。     

弹片与爆炸冲击波耦合作用分析

弹片和冲击波是武器战斗部毁伤效应的两个重要方面,两者具有一定的相关性.通过研究弹片与爆炸冲击波的耦合作用,分析并推导了弹片在空气中的运动规律和运动方程,以及弹壳对武器爆炸冲击波的影响.通过实例分析,验证了建立的模型和计算方法的合理性和正确性.弹片的最大速度和壳体厚度对爆炸冲击波能量的影响因子随着弹壳厚度的增加而降低.弹壳增厚会导致在爆轰气体与弹壳相互作用的阶段,有更多的能量损耗于壳体膨胀和破碎过程,从而使爆炸冲击波的能量减弱.在实际计算中,必须考虑弹壳的存在以及壳体厚度对爆炸冲击波能量的影响作用.     

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.     

阵列桥箔电爆炸过程数值模拟

为提高金属桥箔电爆炸的能量利用效率,增加桥箔电爆炸等离子体作用范围,设计了金属阵列桥箔结构,采用有限元流体动力学方法对金属阵列桥箔电爆炸过程进行了数值模拟.利用相变分数和考虑电离度、粒子数目变化及粒子间库仑作用的等离子体状态方程,实现了金属导体在脉冲大电流作用下电爆炸产生等离子体及冲击波的数值模拟计算.对比分析了阵列桥箔在有加速膛通道和无加速膛自由场两种情况下的电爆炸等离子体流场特征及演化规律.计算结果表明,两种情况下等离子体束在叠加汇聚区压力较高,在无加速膛自由场中电爆炸初始冲击波速度和等离子体射流传播速度都较高;在有加速膛情况下,由于气体粘性作用,管壁附近存在一个高压低速边界层,加速膛通道内冲击结构较为复杂.     

不同横缝状态影响下混凝土重力坝抗爆性能研究

考虑混凝土重力坝横缝张开状态对大坝内冲击波传播的影响,基于FSI流固耦合数值分析方法模拟水下浅水爆炸冲击波的形成、传播及其与自由面、大坝结构之间的耦合相互作用过程,从混凝土重力坝的动态响应、渐进毁伤破坏过程及大坝损伤耗散能累积特性等方面,对比分析横缝状态对大坝综合抗爆性能的影响机制。结果表明,重力坝横缝张开范围对大坝抗爆性能有重要影响,且表现为加剧大坝动态响应、促进大坝混凝土毁伤破坏区域形成、增大坝体损伤耗能累积量的整体规律,明显削弱了大坝的抗爆性能。     

矿用救生舱抗爆炸TNT当量与冲击载荷研究

研究设置有救生舱的井下巷道中瓦斯爆炸的TNT当量,冲击波的传播特性,以及对舱体的冲击载荷。利用显式动力学分析软件LS-Dyna,通过一点多物质ALE流固耦合算法模拟得到爆炸冲击波的传播过程。当冲击波由救生舱前端传至后端并衰减至其峰值载荷的10%时,确定了舱体所受载荷达到规范要求时瓦斯的TNT当量;并得到了舱体各部位的实际载荷曲线,为计算救生舱抗冲击动态响应时载荷施加以及优化设计提供了依据。     

超高速碰撞成坑特性分子动力学模拟

基于开源分子动力学程序LAMMPS,对直径为4.86 nm的球形铝弹丸以10 km/s超高速撞击半无限厚铝靶进行模拟.弹坑形成的物理过程与超高速碰撞宏观现象相似,弹坑深度与宏观经验公式计算结果基本一致,获得了弹丸头部相对于碰撞点的位移随时间的变化规律;分析了靶板中冲击波传播特性,碰撞初期冲击波阵面传播速度达到12 km/s,随后冲击波传播速度逐渐减小,接近于弹性波速;弹坑周围观测区发生熔化相变,熔化时间持续0.07 ps,熔化层厚度为2.9 nm;弹坑周围观测区冷却速率达到1015 K/s量级,抑制了原子重结晶,最终呈现为固相非晶结构.      

对激波的讨论

本文讨论了激波的形成过程 ,给出了相应的数学推导 ,并求出激波在理想气体绝热过程中的传播速度。     

爆炸焊接中应力波作用的动光弹试验研究

爆炸焊接对于钢板的焊接中说是一种经济而有效的新技术，新工艺，在爆炸或冲击荷载作用下，钢板间会引起复杂的应力应变状态的变化。表现在应力波传播比较复杂，首次利用动光弹法模拟在爆炸或冲击作用下两板间的应力波的传播过程，借用应力波理论来分析爆炸焊接中应力波的作用机理。证实了两板结合前上板内存在着能量累积过程，并结合弹力波动理论和应力-光学定律推导出了理论数值解与条纹级数之间的关系。     

水下爆炸作用下近岸场地动态响应数值模拟

以某近岸场地为研究背景,通过选取合理的材料本构模型及状态方程,建立水下爆炸荷载作用下近岸场地动力响应数值分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA进行近场水下爆炸荷载作用下动态响应分析.研究爆炸冲击作用下冲击波在近岸场地的传播特性以及近岸场地动态响应的变化规律.研究表明:在冲击波传播过程中,其传播特性会受到边界面的影响;...     

聚酯材料状态方程的实验研究

在单级轻气炮上对聚酯材料的激波状态方程进行了实验研究。最高撞击速度为526 m/s,相应在靶中得到的最高撞击压力为2.14 GPa。压力测试采用锰铜计,PVDF产生的压电信号用于判读激波速度。由实验结果拟合得到了聚酯材料的Hugoniot线性关系和多项式状态方程以及Grüneisen状态方程。     

圆管内泡沫陶瓷对瓦斯爆炸的抑制特性

为有效抑制瓦斯爆炸冲击波及火焰传播,构建大尺度圆形管道实验装置,对瓦斯预混爆炸过程中泡沫陶瓷对冲击波和火焰传播抑制特性进行研究.结果表明：泡沫陶瓷能够吸收瓦斯爆炸冲击波能量,对火焰和冲击波传播抑制效果明显,泡沫陶瓷挡板厚度及设置层数、位置是典型影响因素.挡板设置位置距点火端距离十分重要,其临界值应为起爆期间火焰传播速度达到最大值位置以内,进而实现对瓦斯爆炸传播与发展的有效抑制.对比双层和单层挡板布置的实验结果,双层布置时冲击波最大超压下降更快.但是,挡板厚度的影响并不明显.设置厚度为50 mm或30 mm的挡板时,测得最大超压的沿程衰减趋势一致,大小也很相近.     

制冷背心用于隔绝式防护服中的传热模型研究

采用芯材为石蜡，壁材为密胺树脂，相变温度为35.66℃，相变潜热为158.7J/g的微胶囊相变材料制备制冷背心原理样衣，与隔绝式防护服配套使用，并委托中国人民解放军北京防化研究院生理评价试验中心对制冷背心进行生理评价试验。在室温36℃，相对湿度60%的条件下，测定穿着隔绝式防护服配有制冷背心前后的人体胸温、手温、腿温和肛温等参数随穿着时间的变化关系；结合人体产热，散热经验式与伍德科克人体散热理论建立模型，探讨人体穿着隔绝式防护服配有制冷背心前后人体平均体温随穿着时间的变化关系，并对如何提高人体着装舒适度和延长隔绝式防护服穿着生理时限进行综合分析。结果表明：穿着隔绝式防护服配有制冷背心前后，人体胸温、背温、手温、腿温和肛温明显下降；通过建模计算分析，穿着隔绝式防护服配有制冷背心前后的人体平均体温随穿着时间的变化关系计算值与实验测试结果吻合，变化趋势一致；在相同条件下，穿着配有制冷背心的隔绝式防护服过程中，人体体温较穿着未配有制冷背心的隔绝式防护服有所下降，上升幅度较小。     

敷设声学覆盖层结构在水下爆炸作用下的流固耦合分析

为解决水下冲击波作用下带声学覆盖层结构的动响应问题,提出了敷设声学覆盖层结构遇水下非接触爆炸冲击波的流固耦合分析方法.冲击早期高频作用段采用声学波动理论,以冲击波在水、覆盖层、钢板中的传播过程为研究对象,利用冲量等效修正冲击早期Taylor板模型反射系数;冲击波早期高频段过后,覆盖层的影响主要体现在其质量效应上,将覆盖层质量加载在其对应的结构有限元结点上,并结合二阶DAA,给出流固耦合计算方法,分析结构动响应,该方法大大缩减了有限元计算规模.最后实施了敷设去耦瓦加筋圆柱壳水下爆炸试验,其加速度峰值与试验偏差在20%以内,速度峰值偏差在10%以内,应变峰值偏差在15%以内,充分验证了计算方法.