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.     

圆柱形炸药空爆在近场空间的超压估算公式

圆柱形炸药空爆后在近场空间会形成强度不均匀的超压场,在相同等效衰减距离、不同空间角度上的近场超压可相差数倍甚至一个量级以上. 为了准确、快速地评估圆柱空爆近场超压强度及分布差异给近场不同区域毁伤效应和防护效果带来的影响,在圆柱空爆近场实验数据匮乏的情况下使用经过实验效验的模拟数据来补足样本空间,通过数据拟合的方式给出了圆柱装药空爆在较小等效衰减距离下的超压估算公式. 首先,通过与球形装药下的经验公式和圆柱装药下的实验结果对比,分别验证了模拟结果在球形和圆柱装药情况下均具有一定置信度;之后,以二次多项式的形式拟合得到了圆柱空爆近场超压估算公式,并给出了6种不同长径比圆柱空爆在不同空间位置上超压的实验结果与估算公式结果的对比. 结果表明,估算公式可在较小误差范围内给出炸药空爆在近场空间任意位置上的超压,其经实验校验具有一定置信度的适用范围是圆柱长径比为1/4~4、等效衰减距离为0.2~2.0 m/kg1/3.      

冲击波超压峰值的数值计算

为提高冲击波超压峰值的数值计算精度,该文根据二阶Roe格式,模拟了3种不同粗细网格条件下的点爆炸流场.基于高精度的数值计算格式,利用冲击波的发展规律求得波阵面速度,再由兰金雨贡纽方程计算得到超压峰值.并与数值模拟的直接超压峰值进行了对照讨论.结果表明随着网格加密,数值直接超压峰值不断逼近采用冲击波传播速度获得的超压峰值,而后者几乎不变.     

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.      

基于BP神经网络的水中双爆源爆炸冲击波峰值压力预测模型研究

为了获得水中等质量两爆源同步爆炸时冲击波耦合中心的峰值压力计算模型,利用Autodyn计算得到不同药量和爆距下的峰值压力数据.一方面根据量纲分析确定的函数形式拟合数据从而获得峰值压力的计算公式;另一方面对药量、爆距及峰值压力三类数据进行对数变换和归一化,并将其分为训练集和测试集,然后将训练集代入BP神经网络进行训练,得到结构相对简单、均方误差最小的BP神经网络预测模型.结果表明：公式计算结果和BP神经网络模型计算得到的峰值压力与实际值吻合较好,公式计算值与实际值的平均相对误差为1.08%,BP神经网络预测值与实际值的平均相对误差为0.52%,与公式计算相比,BP神经网络能够以更少的数据样本容量实现更高的精度预测.     

微秒级延期传扩爆装置研究

该文试验研究了以钝感耐热猛炸药HNS制成的金属导爆索作为传递爆轰的微秒级延期通道 ,利用HNS和A5 炸药作为主要装药 ,扩大爆轰能量 ,满足起爆战斗部要求。试验的爆炸传递和特性表明 , 0 85mm的导爆索爆轰速度传递为5.2 2 2km/s ,装药直径为 6mm ,爆炸装置输出能量为 :在 3mm厚度铅板上爆炸 ,炸孔直径大于 1 0mm。该装置因采用了HNS和A5 许用传爆药 ,可用于直列式微秒传爆序列 ,实现串联或多路微秒延期起爆 ,无须隔爆装置 ,简化了弹药结构     

基于空中爆炸冲击波的动态爆心定位方法研究

为解决空中动态爆炸爆心位置难以测定的问题,研究一种基于冲击波超压测试结果的爆心坐标五区定位方法.将数字压力记录仪在爆炸区域组成测试方阵,根据测点距预估爆心距离将所有测点划分到5个区域.通过在每个区域选取一个测点共5个测点的方式得到多组测点,以每组测点的相对坐标和冲击波超压值为原始数据,基于空中静态爆炸自由场冲击波传播规律、动态爆炸冲击波超压工程计算公式、壁面反射规律等建立函数方程组.借助Matlab软件和莱文-马夸特方法迭代求得多组爆心坐标,通过格拉布斯法剔除异常数据,将剩余数据求平均值得到最终的爆心3维坐标.结合实爆试验,将计算结果与监测结果进行对比,结果表明该方法求解爆心坐标是可靠有效的.      

低能量导爆索弯曲传爆特性相关研究

利用非线性动力分析软件LS-DYNA3D,对低能量导爆索弯曲条件下的传爆进行了数值模拟和实验研究。结果显示在截面相同情况下,无论是爆轰波波阵面压力还是爆速在经过圆弧段弯曲后,都相应地产生损失,相比直线传爆数据发生下降。对于弧形弯曲,相当于爆轰波经过连续的不变的小拐角绕射,这种情况下的爆速低于直线传播的爆速。     

预混气体爆炸超压实验研究

对预混气体在圆形管道内的爆炸过程进行了实验研究,根据实验结果将超压的变化过程分为4个阶段.前驱冲击波阶段超压上升曲线比较规则,且压力上升速率逐渐增加,离点火处越远压力上升速率增加得越快.介绍了最大超压在时间和空间上的变化规律.尽管二次超压的峰值相对较小,但作用时间长,且有些二次超压过程中的超压上升幅度甚至超过了某些爆炸环境下的最大超压值.对爆燃转爆轰过程(DDT)进行了初步研究,实验能够记录爆燃转爆轰这种快速转变的过程.建议在设计非密闭的管道或矿道时要充分考虑二次超压的破坏作用和高活性可燃气体的影响.     

反恐破门弹爆炸冲击波超压试验研究

为对非接触爆炸反恐破门弹冲击波伤害进行评估,完成了反恐破门弹爆炸冲击波在典型环境下的超压测试试验.模拟应用场景分别进行了3组测试,重点研究爆炸产生的空气冲击波对房间内外人员造成的影响及外部空间密闭性对冲击波超压的影响,并对超压分布和防盗门及外部空间环境等影响条件进行了分析.结果表明,空气冲击波传播受外部空间环境影响显著;冲击波能量大部分消耗于钢质门板变形,门后房间超压峰值降为门前的10%～20%.     

装药结构对传爆药柱起爆能力的影响研究

为了适应钝感弹药对传爆序列提出的新要求,根据炸药冲击起爆理论,研究了凹球形和半球形两种新结构传爆药柱,并对两种新结构传爆药柱与普通圆柱形传爆药柱的起爆威力进行了实验对比.研究结果表明,改变传爆药柱的结构可提高其输出威力,新结构传爆药柱较普通圆柱形传爆药柱的起爆威力有明显提高.研究结果对解决钝感弹药的可靠起爆问题具有重要意义.     

基于NESSUS的空气隙传爆界面可靠性分析

为研究某隔板起爆器空气隙传爆界面的可靠性,采用NESSUS软件对其进行可靠性分析,得出在设计条件下该界面作用可靠度,并对影响该界面的随机变量进行敏感性和重要性分析.结果表明输出装药的爆速和密度、雷管底的厚度、受主装药的临界起爆能量、雷管底的密度对可靠度影响较大.在选择材料及加工产品时,应保证这些参数的一致性.     

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。     

防爆舱设计及抗爆炸冲击波超压试验研究

为了满足某驾驶操作舱对爆炸冲击波的防护,设计了防爆舱结构,选用了多种防护材料,数值计算了爆炸参数和结构强度,完成了防爆舱在距离爆炸点9 m处12 kg三硝基甲苯(trinitrotoluene, TNT)裸装药的爆炸试验,重点测试了防爆驾驶舱内外的声压、内部噪声及操作人员座椅处的3个方向的振动加速度曲线。结果表明:舱内脉冲噪声峰值最大为135.1 dB;压力峰值为882.5 Pa,持续时间约为1 472 ms;座椅处3个方向的振动加速度最大为15.41g,持续时间为0.23 s;均在相关标准安全限制内,满足对等效重量为12 kg TNT及以下爆炸物在9 m处的爆炸冲击波的有效防护,验证了该防爆舱的可靠和安全。     

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。     

无线超压测试系统平地天线传输性能研究

针对冲击波测试的高效、准确和安全性需求,利用4G无线通信技术和存储测试方法研制出一套无线冲击波超压测试系统.开展了平地天线传输性能研究,建立了表征参考信号接收功率与任意传输距离关系的自由空间修正模型.验证实验结果表明,理论值与实验值吻合良好,参考信号接收功率随着传输距离的增大而减小.在一定范围内,平地影响因子随着接收端天线高度的增大而减小,自由空间传输路径损耗随之减小,而参考信号接收功率随之变大.      

装药缺陷对熔铸炸药爆速影响的实验研究

为研究装药缺陷对熔铸炸药爆速的影响,采用缺陷分类的研究方法对含有不同缺陷的RDX/TNT熔铸混合炸药进行了爆速实验研究.实验结果表明存在于不同组分中的缺陷会对爆速产生不同程度的影响,TNT中的缺陷使爆速降低幅度最大,若对炸药爆速有较高要求则应重点去除TNT内缺陷,并且推断缺陷尺寸大小可能是影响爆速的决定性因素.对现有ω-Г爆速计算公式进行改进使其能够体现装药缺陷对爆速的影响.     

基于两相流动理论的点传火优化仿真

该文以火炮射击安全性为背景 ,利用两相流理论建立了火炮膛内过程的点传火优化仿真模型。以膛内压力波作为优化目标 ,对药包点火和中心点火管点火2种不同的点火方式进行了点传火条件的优化分析 ,并与实验结果进行了比较 ,两者有较好的一致性。这说明基于两相流动理论的优化仿真模型具有一定的可信度 ,它必将为火炮的装药及其点传火设计提供一种新的理论方法和工具     

基于爆堆形态的爆破设计参数预测及优化研究

本文针对黑岱沟露天煤矿抛掷爆破——拉斗铲倒堆生产工艺,基于爆堆形态数据,利用BP神经网络模型反演优化爆破设计参数。研究显示,BP神经网络对大量抛掷爆破数据分析处理具有较高适应性,预测效果误差在453%内,利用典型爆堆曲线预测爆破参数,输出参数值与相似历史数据对比误差在656%内,预测精度不低于93%,预测参数值可用于对露天煤矿的爆破设计方案的优化。     

基于多元线性回归理论的矿岩可爆性指数模型的优化与分级

为了准确地对矿岩的可爆性进行分级,在收集爆破试验数据的基础上,利用相关性分析对影响矿岩可爆性的因素进行了优化,通过多元回归分析得到了矿岩可爆性指数的线性回归方程.同时,将该方法与其它方法所得的结果进行了对比,结果表明,本文计算所得的矿岩可爆性指数与爆破试验值更加吻合,且对矿岩可爆性分级的准确率达到了76.79%.