新型聚能装药爆炸成型杆式射流数值模拟及试验研究

为解决杆式射流炸药能量利用率低、速度小等缺点,提出了一种新型高速杆式聚能装药结构,基于Autodyn软件分析了高速杆式射流的形成过程,给出了药型罩及附加装置截顶高度对杆式射流成型的影响,优化出了射流速度高、速度梯度小的杆式聚能装药结构并进行了试验验证,试验结果与数值模拟结果基本一致,表明采用的计算方法、材料模型及相关参数是合理的,验证了数值模拟的正确性,对进一步优化高速杆式射流设计具有一定的借鉴意义.      

杆式聚能侵彻体的数值模拟

本文利用LS-DYNA有限元分析软件对半球形药型罩成形形成的杆式聚能侵彻体进行破甲数值模拟,在水介质中侵彻过程和破甲毁伤效果。论文通过水中爆炸和聚能装药理论分析、进行数值模拟和试验验证相结合。     

爆炸成型杆式侵彻体对水介质间隔装甲侵彻的数值模拟

应用有限元动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,对爆炸成型杆式侵彻体侵彻水介质间隔装甲的过程进行了数值模拟,并结合实验校核了数值模拟算法、模型及材料参数,使模拟结果与实验结果相吻合. 探讨了爆炸成型杆式侵彻体侵彻水介质间隔装甲的规律,以及不同药型罩结构和爆轰波形对杆式侵彻体侵彻性能的影响.     

多模毁伤元形成与侵彻效应的数值模拟

研究改变起爆方式使Octol炸药和球缺紫铜药型罩的柱锥型战斗部形成爆炸成型弹丸和杆式侵彻体两种毁伤元,采用AUTODYN-2D软件对点起爆和环形起爆方式下毁伤元形成与侵彻装甲钢靶进行数值模拟,分析起爆位置对毁伤元成形和侵彻能力的影响. 数值模拟结果表明,相同战斗部结构在5Dk(Dk为装药直径)炸高下,理想环形起爆半径条件下形成的杆式侵彻体对装甲钢的侵彻深度约为爆炸成型弹丸侵彻深度的2倍.     

聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析

通过有限元显式动力分析软件的显式算法,对工程普遍使用的某一型号石油射孔弹装药爆破的聚能射流形成过程和对射孔枪壁的侵彻作用进行了数值模拟,对其模拟结果进行了讨论.分析了与破甲深度密切相关的炸高参数的特性.计算结果与射孔枪聚能射流形成及破甲的物理现象和规律相吻合,说明该计算模型和模拟方法合理、可行,可用于聚能装药的优化设计,对石油射孔弹生产及科研有一定的作用.     

非对称壳体对聚能射流形成影响的数值模拟和试验

利用数值模拟与试验相结合的方法研究壳体厚度非对称对聚能射流的影响。模拟和试验结果表明,由于壳体两侧厚度不对称,生成的射流偏离轴线且射流方向趋向于壳体较薄的一侧;装药两侧壳体的厚度差异越大,射流弯偏离轴线程度越大,出现断裂的时间也越早;在非对称壳体的条件下,射流呈现头部和尾部横向速度较小,中后部横向速度较大的现象。     

杆式射流微元应力特性数值仿真

应用LS-DYNA动力学仿真软件及示踪点测试技术,对球缺型罩形成杆式射流的过程及不同位置微元所受应力随时间变化的规律进行了仿真研究. 通过分析药型罩顶部微元受轴向应力的二次峰值及持续时间、射流与杵体交界处微元等效应力、药型罩轴线上外侧微元与内侧微元应力差等参数,得到罩微元应力分布与杆式射流成型性的关系. 结果表明当罩锥角在100°~110°时,药型罩壁厚取0.07d时可得到成型性较好的杆式射流.     

串联EFP形成与侵彻的数值模拟及实验研究

针对单罩及两种复合罩材串联爆炸成型弹丸(EFP)成形和侵彻开展了数值模拟和实验研究,采用脉冲X光摄影获得了EFP成形过程典型时刻图像,同时得到了对钢靶的侵彻效应.对比分析3种结构方案对钢靶的侵彻,结果表明:串联EFP战斗部对钢靶板的侵彻深度比单罩EFP战斗部有较大幅度提高;同时对于串联EFP战斗部的侵彻效果,钢-铜双罩结构要好于钢-钢双罩结构.     

杆式射流装药水下作用行为研究

采用数值模拟与实验相结合的方法研究杆式射流装药水下作用行为. AUTODYN-2D程序数值模拟结果表明,采用偏心亚半球形罩装药可形成杆式射流,并能在水下产生空腔随进效应.装药长径比对杆式射流速度有一定影响,但对水下侵彻能力影响不大.炸高对杆式射流入水形状、速度梯度及水下侵彻能力有显著影响.对于口径54mm偏心亚半球形铜罩装药,数值模拟与实验结果均表明,水下作用有利炸高约为4倍装药口径.     

带尾翼EFP形成的三维数值模拟研究

带尾翼的杆状爆炸成形侵彻体(explosively formed penetrator,简称EFP)具有良好的飞行稳定性和侵彻性能.在对能形成该种类型EFP的战斗部结构形式进行分析的基础上,以两种典型的结构形式(异形壳体和多点起爆)为例,采用AUTODYN-3D软件进行了EFP成形的三维数值模拟,得到了尾部带有不同形状尾翼的爆炸成形侵彻体.计算结果对于EFP战斗部的设计具有重要的参考价值.     

钨杆超高速侵彻碳化硼陶瓷的数值模拟研究

采用AUTODYN流体编码,对钨杆(L/D=20,L为钨杆长度,D为钨杆直径)以1.5～5.0km/s的速度侵彻碳化硼(B4C)陶瓷的全过程进行了数值模拟研究,其结果与实验进行了比较.结果表明,数值模拟与实验结果吻合较好.在此基础上研究了算法、网格尺寸及侵蚀应变值的大小对钨杆侵彻速度(u)、侵蚀速度(vc)及侵彻深度(h)的影响.并得出了钨杆侵彻速度、侵蚀速度及侵彻深度与撞击速度(v)之间的函数关系式.     

弹体侵彻混凝土过程中炸药动态响应数值模拟

采用动力学计算程序AUTODYN对弹体侵彻混凝土过程进行了数值模拟,重点分析了弹体内部炸药所受压力的变化规律及装药与壳体之间的相互作用。数值模拟结果表明：弹体在侵彻过程中,装药前端主要受压缩作用,导致弹体前端的炸药产生明显的塑性应变;弹体尾部装药受到拉伸和压缩作用,并且装药和壳体尾部之间发生强烈碰撞,装药遭受明显的冲击作用。根据计算结果,侵彻型弹药设计应重点防护装药前端和尾部。     

微装药空腔能量传递的数值模拟与试验研究

为研究微通道装药(微装药)空腔能量传递的影响因素,采用数值模拟和实验测试方法得到了空腔衰减压力.用AUTODYN软件的点火增长模型描述微装药的非理想爆轰过程,计算了不同装药尺寸、空腔厚度和约束材料的输出压力,并与锰铜压阻计的测试结果进行对比.结果表明,数值计算与试验值的偏差在10%以内,说明数值模拟方法可用于微通道空腔压力衰减研究.微装药直径越大或空腔厚度越小,压力越大,45#钢比有机玻璃约束更有利于空腔能量的传递.     

波阻抗梯度飞片超高速发射的数值模拟

研究波阻抗梯度飞片的超高速发射特性.应用LS-DYNA有限元程序对波阻抗梯度飞片超高速发射二级飞片的过程进行了数值模拟,计算了二级飞片的压力剖面和速度曲线.研究结果表明,当梯度飞片被聚碳酸酯(Lex-an)封装时,二级飞片的最终发射速度可以达到波阻抗梯度飞片初始加载速度的1.63倍,并且所设计的波阻抗梯度飞片能够实现对二级飞片的准等熵加载.     

新型环形聚能射流形成机理研究

为了解决环形聚能射流稳定性差、速度低等缺点,提出了一种新型环形聚能装药结构,基于正交优化方法,采用Autodyn软件对新型环形聚能装药结构进行了优化设计,给出了药型罩壁厚、药型罩曲率半径、聚焦装置锥角、喷孔直径及壳体厚度对射流头部轴向及径向速度的影响,优化出了径向偏转速度低的新型环形聚能射流,并进行了实验验证,实验结果与数值模拟结果基本一致.数值模拟及实验结果均表明,文中提出的新型环形聚能装药结构能够形成环形破孔,在钢靶上破孔直径107 mm,深度28 mm.      

基于OTM方法的超高速碰撞问题数值模拟

最优输运无网格方法(optimal transportation meshfree method,OTM)相比传统的SPH方法,可以有效克服现有显式分析中能量不守恒问题,完全避免SPH方法中存在的拉力不稳定性,并可规避零能模式的出现.本文采用OTM方法对铝制球形弹丸超高速撞击铝合金靶板问题开展了数值模拟研究.为描述铝在高温高压和高应变率条件下的动态力学响应,采用Johnson-Cook材料模型和Mie-Grüneisen状态方程对超高速撞击单层靶板进行数值模拟,得到的弹坑直径、碎片云长度与宽度以及内核碎片云的形态和分布与实验吻合较好.此外,对超高速撞击双层靶板问题也进行了数值模拟,模拟得到的碎片云形貌参数符合实验结果,二次碎片云的模拟长度与实验结果仅相差2.6%.数值模拟结果表明OTM方法非常适合于模拟超高速碰撞问题.     

高速弹丸侵彻靶板能力及影响因素的数值研究

为改进和提高穿甲弹的侵彻性能，给弹丸设计过程中的参数优化提供理论依据，利用非线性动力有限元分析程序，对高速弹丸侵彻均质靶板进行了数值模拟。通过对弹丸侵彻靶板各种影响因素的数值模拟以及对计算结果的分析表明，弹丸对靶板的侵彻能力不是取决于它的整体功能，而是当靶板参数和弹材固定时，可用弹丸初始横截面积比动能来标志，数值模拟结果与现有的经验公式符合很好。     

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.     

弹体侵彻混凝土的三维数值模拟研究

随着技术的发展,弹体侵彻速度已经由低速侵彻(侵彻速度<900 m/s)向高速侵彻(1 200 m/s<侵彻速度<1 700 m/s)发展. 这将导致弹体的侵彻性能发生本质性变化,严重影响弹体在混凝土中的运动轨迹,甚至会导致弹体的破坏与失效. 侵彻过程中弹体所受到的压力极高,并且会产生大变形,对该过程进行全物理场的数值模拟需要处理大变形、多物质界面以及各类强间断的问题. 针对三维冲击问题数值模拟的困难,课题组设计了三维爆炸与冲击问题高性能仿真软件(Explosion-3D). 采用该软件对弹体高速侵彻混凝土进行数值模拟研究,弹体材料选用普通的45#钢,研究其在高速侵彻下的弹体形状的变化情况,采用对混合网格的处理来描述弹体的磨损. 数值模拟结果表明,对于45#钢这类普通材料,当其高速(1 400 m/s)侵彻混凝土时,弹体头部将出现严重变化且侵彻深度急剧下降.