舰船水下接触爆炸数值研究

计及船体外板的材料强度,基于SPH算法建立水下接触爆炸数值模型,提出混合密度、广义光滑长度等解决数值模拟中计算崩溃的问题,对舰船的水下接触爆炸进行数值模拟,计算结果和冲击波基本理论及接触爆炸试验吻合良好.结果表明,接触爆炸时钢结构会产生圆形冲塞破口,其破口大小和炸药的厚度接近,当板与炸药的正则化厚度达1.8时,板仅会发生较大的塑性变形而不会冲塞破坏.并得到钢的反射系数约为1.2,及接触爆炸钢板的近似变形公式.     

金属隔层和空气间隙对钝感炸药冲击起爆的影响

为了确定空气间隙和金属隔层对冲击起爆的影响,采用火炮加载蓝宝石飞片冲击起爆Φ50 mm×30 mm的A型炸药,产生的冲击波通过空气间隙和金属隔层起爆Φ50 mm的台阶型B型炸药。在B型炸药的后界面粘贴镀膜氟化锂(LiF)窗口,使用光子多普勒测速仪(PDV)测量金属和B型炸药的后界面速度,进而计算得到金属和B型炸药的冲击波透射压力,再利用阻抗匹配计算得到金属和B型炸药的入射压力。结果表明:传爆药和金属隔层间的空气间隙使冲击压缩过程转变为准等熵压缩和冲击压缩两个过程,同时使冲击波的幅值减小;确定了金属隔层厚度为5 mm时冲击波压力的衰减范围;当使用A型炸药作为传爆药,空气间隙为0.3 mm,金属隔层厚度为5 mm时,B型炸药在7~10 mm之间开始反应。     

爆炸平面冲击波在金属颗粒介质中的衰减

 分析了颗粒介质在冲击载荷下的加载、卸载本构关系,应用特征线理论对平面一维爆炸冲击波在颗粒介质中的衰减进行了计算。结果表明：组成颗粒的材料、孔隙率及炸药的爆速决定了初始冲击波峰值的大小。炸药爆速越高,介质孔隙率越大,材料本身的冲击阻抗越大,初始压力越高。炸药长度、材料本身的冲击阻抗及介质的孔隙率决定了冲击波的衰减速度。炸药长度越小,材料本身的冲击阻抗越大,介质的孔隙率越高,冲击波衰减越快。     

铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响

为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。     

水下爆炸强冲击波与平板结构相互作用的理论分析方法

针对水下爆炸一维强冲击波与平板结构的瞬态流固问题开展研究,综合考虑流体和结构材料的可压缩性,引入状态方程建立强冲击波在板表面反射后的波阵面参数关系,得到板表面的反射系数。然后依据动量守恒定律建立平板的运动方程,求解得到板表面的壁压及板的速度时程,形成了水下爆炸强冲击波与平板结构相互作用的理论分析方法。在此基础上给出了强冲击波与平板相互作用的冲量传递比近似估算公式。最后开展平板结构的近距及接触水下爆炸实验,并结合数值计算对理论方法进行验证。结果表明,建立的理论方法与实验及数值模拟结果吻合良好,为水下近距爆炸强冲击波与结构的相互作用分析提供了理论基础。     

Compton散射下强激光等离子体空气冲击波波前的传输特性

 根据球对称激光等离子体空气冲击波在自由空间中传输的约束条件，对多光子非线性Compton散射的强激光等离子体空气冲击波波前的传输特性进行了研究，给出了散射下空气冲击波波前的运动方程，并进行了数值模拟。结果表明：该冲击波的衰减过程不仅与爆炸源和爆炸过程的特性、释放总能量、空气的弹性有关，而且还与散射有关，散射效应使冲击波的初始半径增大，衰减过程加快，能量转移率提高；数值模拟与实验结果符合得很好。     

三介质Mie-Grüneisen混合模型在水下爆炸防护层问题中的应用

研究水下爆炸中的防护层问题，将爆炸气体、水、防护层或其他材料看成一个混合流场后，它们的物理状态可以直接用统一形式的Mie-Grüneisen状态方程来表示，再用Mie-Grüneisen混合模型模拟爆炸气体、水、固态防护层之间的复杂相互作用。计算时，通过状态方程中的特定参数来区分流体成分的物理特性，并通过体积分数来区分界面，同时添加自由进出口边界条件；计算过程中，对防护层的效果进行细致研究。研究发现，防护层的效果取决于材料的冲击阻抗。当冲击波从一种介质进入新介质时，在新介质冲击阻抗较小的情况下其压力会降低。同时，进入防护层的冲击波被结构物反射又会形成第二个冲击波。在这个过程中，对防护层的厚度和距离进行关注，但是这两个因素并未产生重要影响。     

近场爆炸冲击波对屏蔽压装TNT的冲击引爆试验和仿真

为研究近场强冲击波对屏蔽装药的冲击引爆效应,通过试验和LS-DYNA3D非线性有限元计算程序对屏蔽压装TNT的冲击引爆进行研究,得到了接触爆炸时压装TNT被引爆的临界屏蔽板厚度和非接触爆炸时屏蔽压装TNT的殉爆距离,分析了非接触爆炸时屏蔽板厚度对殉爆距离的影响,并通过非线性最小二乘法拟合得到屏蔽板厚度与殉爆距离的函数关系。结果表明:数值计算结果与试验结果基本一致;接触爆炸时临界起爆的屏蔽板厚度在20～23 mm之间;屏蔽板采用3 mm厚的45钢时,非接触爆炸作用下压装TNT的殉爆距离在12～15 mm之间;非接触爆炸时殉爆距离随着屏蔽板厚度的增加而减小,当无屏蔽板时,压装TNT的殉爆距离为79 mm,当屏蔽板厚度从1 mm加大到9 mm时,殉爆距离从51 mm减为1.5 mm,被发装药的屏蔽板对冲击波有显著的防护作用。     

圆柱形水下爆炸实验容器壁部强度设计研究

 基于薄壁壳理论和水下爆炸理论,对圆柱形水下爆炸实验容器在爆炸冲击波作用下弹性范围内的壁部应变进行了理论分析和实验研究。导出了圆柱形水下爆炸实验容器在爆炸冲击波作用下壁部弹性应变与容器直径、壁厚及内部爆炸药量之间的关系,并对计算结果进行了实验验证。实验表明公式求解结果与实验结果具有较好的一致性。     

水下爆炸冲击波作用下空化区域形成的特性研究

对水下爆炸冲击波作用下的局部空化和区域空化形成特性进行了理论和实验研究.引入平面冲击波假设,理论分析了结构几何尺度及冲击波参数的变化对空化区域形成的影响,并在直径5 m的圆柱形水箱中,对边长1 m、厚度2 mm的方形钢板在50 g TNT炸药、1 m爆距条件下进行了水下爆炸冲击实验,以验证局部空化理论.研究结果表明:在相同的冲击条件下,结构尺度的变化对局部空化的形成具有较大影响;炸药质量及爆深的变化会改变区域空化的形状及范围;实验结果与局部空化理论计算结果基本一致.     

弹性板水下爆炸冲击载荷的修正虚拟流体方法分析

研究非接触水下爆炸中板结构厚度和密度对冲击载荷和空化演变的影响.将近期发展的修正的虚拟流体方法推广应用于处理可压缩流体与弹性板结构的非线性相互作用.研究发现,假设结构不发生断裂破坏,较小的板厚度或密度可以减弱爆炸波对结构的冲击,冲击载荷随着厚度或密度的增大非线性地趋向于固壁边界下的结果.而且较小的板厚度或密度可以促使空化较早形成,产生较大的空化区,并推迟和减弱空化破裂对结构的二次冲击.     

射流冲击模型在水下爆炸实验中的应用研究

 为研究射流冲击载荷对结构的作用效果,从理论和数值角度研究了射流的载荷特性,以舱段模型实验为研究对象,建立了射流计算模型,结合实验数据,对射流冲击问题进行了分析。结果表明,射流冲击能够造成结构强烈的局部响应,某些情况下,射流冲击载荷引起的结构响应甚至比冲击波载荷引起的响应更大。因此,中近场水下爆炸实验需要考虑射流的影响。建立的射流模型能够较好地反映射流冲击的载荷特性,为水下爆炸实验分析提供了一种新的手段。     

不同起爆方式对含铝炸药水中爆炸近场冲击波压力的影响

 采用SJZ-30和GSJ-15型高速扫描相机,对端面点起爆、侧边点起爆和中心点起爆方式下,HLZY-1含铝炸药水中爆炸近场冲击波传播过程进行了实验观测,通过数字化方法得到了炸药近场冲击波沿狭缝方向的扫描曲线和冲击波压力变化曲线。研究表明,起爆方式对炸药水中爆炸初始冲击波峰值压力以及近场冲击波峰值压力的衰减有重要的影响。研究结果可以为水中兵器战斗部的设计以及毁伤效能评估提供参考。     

Influence and Enhancement of Damping Properties of Wire Rope Isolators for Naval Applications

Wire Rope Isolators (WRI) are well known and used for the protection of sensitive equipment against non-contact underwater explosions (UNDEX) on board Naval Ships, amongst others, which are extremely destructive and can comple`tely impair the ship’s combat capability.
Traditional WRI exhibit a number of definite advantages, such as large deflection capability, modularity and insensitivity to aggressive environment when proper materials are used. However, their inherent nonlinearity does not always provide the best solution in terms of shock attenuation. (Stiffening tension characteristics)
Fortunately, there are ways to overcome this problem, namely increasing their damping and/ or changing their aspect ratio. It is the purpose of this presentation to show how to overcome this problem and through analysis, by use of validated models of the shock testing machines. The existing technology will be briefly presented and HDWRI (high damping wire rope isolators) vs. conventional WRI responses will be compared on the US Navy shock testing machines of MIL-S-901D.
The US Navy standard MIL-S-901 defines a physical shock testing machine to impact the target before its approval. Different testing machines are used (LWSM, MWSM, FSP, and new DSSM) depending on the weight and size of the target, and on the deck frequency simulated.
The Socitec Group has developed a full model of the various shock testing machines using its in-house developed SYMOS software package. Currently, the Group is in the process of completing a model for the DSSM.     

水下爆炸特性的二维数值模拟研究

 对带有3 mm左右厚铝壳或钢壳的柱形TNT、RS-211、T/Γ（35/65）以及ROT901装药在水下采用一端点起爆后,水中冲击波超压分布进行了二维数值模拟研究。对该四种炸药的每一种,分别考虑了药量为1 kg、3 kg、5 kg和8 kg四种TNT当量的柱形装药情况。柱形装药的长径比为L/D=1.5左右。计算使用的程序为二维欧拉多流体网格法流体力学计算程序MFIC。给出了水中冲击波超压的空间和时间分布;对铝壳和钢壳两种情况的结果进行了分析、比较;同时给出了缩比模型与1∶1模型之间相应物理量之间的缩比关系。     

Fibre-Coupling Zig-Zag Beam Deflection Technology for Investigation of Attenuation Process of Laser-Induced Shock Waves

A novel fibre-coupling zig-zag beam deflection technology is developed to investigate the attenuation process of laser-induced shock waves in air. Utilizing ordinal reflections of probe beams by a pair of parallel mirrors, a zig-zag beam field is formed, which has eleven probe beams in the horizontal plane. When a laser-induced shock wave propagates through the testing field, it causes eleven deflection signals one after another. The whole attenuation process of the shock wave in air can be detected and illuminated clearly on one experimental curve.     

影响X光热激波数值模拟结果的若干因素

 是否考虑康普顿散射光子的输运，用何种材料模型描述熔化、汽化和应变率效应，选用怎样的迎光自由面差分格式以及空间步长大小等因素，对X光热激波数值模拟结果都会产生重要的影响。依据热激波一维数值模拟结果，对上述各种因素的影响进行了定量分析。计算表明：在X光能谱比较软和辐照量较大时，物态方程、迎光自由面差分格式和空间步长大小对热激波的计算结果都会造成重要影响；在X光能增变硬时，康普顿散射的影响增大；在低压时，本构关系和屈服强度基本上控制了热激波的衰减规律。     

Numerical Study of Air Flow Induced by Shock Impact on an Array of Perforated Plates

This study is focused on the propagation behavior and attenuation characteristics of a planar incident shock wave when propagating through an array of perforated plates. Based on a density-based coupled explicit algorithm, combined with a third-order MUSCL scheme and the Roe averaged flux difference splitting method, the Navier–Stokes equations and the realizable k-ε turbulence model equations describing the air flow are numerically solved. The evolution of the dynamic wave and ring vortex systems is effectively captured and analyzed. The influence of incident shock Mach number, perforated-plate porosity, and plate number on the propagation and attenuation of the shock wave was studied by using pressure- and entropy-based attenuation rates. The results indicate that the reflection, diffraction, transmission, and interference behaviors of the leading shock wave and the superimposed effects due to the trailing secondary shock wave are the main reasons that cause the intensity of the leading shock wave to experience a complex process consisting of attenuation, local enhancement, attenuation, enhancement, and attenuation. The reflected shock interactions with transmitted shock induced ring vortices and jets lead to the deformation and local intensification of the shock wave. The formation of nearly steady jets following the array of perforated plates is attributed to the generation of an oscillation chamber for the inside dynamic wave system between two perforated plates. The vorticity diffusion, merging and splitting of vortex cores dissipate the wave energy. Furthermore, the leading transmitted shock wave attenuates more significantly whereas the reflected shock wave from the first plate of the array attenuates less significantly as the shock Mach number increases. The increase in the porosity weakens the suppression effects on the leading shock wave while increases the attenuation rate of the reflected shock wave. The first perforated plate in the array plays a major role in the attenuation of the shock wave.     

丛聚的含气泡水对线性声传播的影响

含气泡水内气泡的空间分布会对线性声传播产生影响,导致实验结论与理论预测存在较大偏差.为解决这一问题,将准晶体近似引入到自洽方法中,导出了考虑空间分布时多分散含气泡水的等效声波波数.考虑到含气泡水内,气泡间存在小范围的聚集趋势(简称丛聚现象),在此基础上引入Neyman-Scott点过程描述了含气泡水内气泡的丛聚现象.分析发现,丛聚时,声速、声衰减的峰值将受到抑制,并向低频偏移,且抑制和频偏现象会随丛聚加剧而变强;随频率远离峰值段,丛聚对声传播的影响逐渐减弱.此外,考虑到空间分布的统计信息提取对相关研究的精确与否起到重要作用,引入了一种比例无偏估计,通过该方法获得了仿真环境下丛聚含气泡水模型的相速度及衰减系数,该建模及统计方法也可为相关实验工作提供理论基础.