燃料抛撒成雾及其燃烧爆炸的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟研究

燃料在炸药爆炸驱动下形成燃料空气爆炸云团, 进而引燃爆炸, 对目标造成毁伤. 本文在前期提出的光滑离散颗粒流体动力学方法(SDPH)的基础上, 引入描述炸药由爆轰到膨胀整个过程的Jones-Wilkins-Lee状态方程及描述气体快速燃烧过程的EBU-Arrhenius燃烧模型, 建立了求解战斗部起爆、燃料抛撒和燃料二次引燃爆炸问题的新型SDPH方法. 设计了圆环形燃料颗粒在炸药爆炸驱动下运动抛撒的算例进行数值验证, 结果与理论相符; 对燃料空气炸药(FAE)云雾的形成和发展过程进行了数值模拟, 分析了云雾的形态, 并与实验结果进行对比, 符合较好, 同时分析了不同起爆方式对云雾团成型的影响; 最后, 在云雾团成型的基础上, 引入蒸发燃烧模型对FAE的燃烧爆炸过程进行了模拟研究. 结果表明, 本文建立的数学模型和计算方法可以较好的模拟燃料空气炸药抛撒成雾及云雾燃烧爆炸过程, 为该类武器装备的设计研究提供了较好的数值方法.     

钢筋混凝土靶板在弹丸冲击及爆炸载荷下响应的数值模拟

 采用HJC混凝土损伤本构模型及LS-DYNA的流固耦合算法,分别对钢筋混凝土靶板在弹丸冲击和爆炸载荷作用下的响应进行了有限元数值模拟,其中模拟参数由实验数据拟合重新获取。将模拟结果与实验结果和经验公式进行对比分析,结果表明：数值模拟再现了弹体贯穿靶板过程中的开坑、隧道及漏斗碎裂区,计算得到的弹体弹道极限及残余速度与实验数据吻合较好;此外,数值模拟也很好地再现了炸药爆炸后冲击波的传播过程以及爆炸载荷作用下混凝土的破坏情况,模拟结果与实验现象具有良好的一致性。     

炸药条加载圆柱壳的数值模拟（Ⅱ）：解耦分析与实验验证

 根据已报道的二维流固耦合数值模拟结果,建立了经缓冲橡胶整形后的单炸药条载荷模型。将炸药条载荷叠加后直接施加在圆柱壳表面,进行二维解耦模拟,得到了与流固耦合模拟基本吻合的应力结果。在此基础上,对19条炸药条加载Φ265 mm×380 mm圆柱壳进行了三维解耦模拟,并采用相同状态的实验予以验证。结果表明,特征点应变响应吻合较好,验证了炸药条加载圆柱壳解耦数值模拟的有效性,为大量工况数值分析、提高建模和计算效率奠定了基础。     

微型爆炸箔电爆炸过程的数值模拟

对微型爆炸箔开关的电爆炸过程进行合理简化,建立了微型金属箔电爆炸的数值模拟方法。通过自编的一维数值计算程序,对微型爆炸箔的电爆炸过程进行数值模拟,计算结果较好地再现了微型爆炸箔电爆炸过程,计算得到的爆炸电流和爆炸时间与实验结果偏差小于5%。计算结果表明,微型铜箔电爆炸产物的爆炸压力可高达2GPa,温度超过10 000K,电离度超过40%,通过数值计算,给出了对开关设计有重要影响的最小起爆阈值参数,并和实验结果进行了比较,获得了较为一致的结果。     

双硬度靶对球形弹丸的防护性能

以钢/铝双硬度爆炸焊接复合靶为研究对象,采用系列弹道实验和数值模拟方法,研究了其在球形弹丸垂直侵彻作用下的抗侵彻性能。侵彻实验利用直径为14.5mm的滑膛枪发射直径为6mm的钢质球形弹丸;采用LS-DYNA3D非线性有限元程序和有限元-光滑粒子流体动力学(FE-SPH)耦合法,进行数值模拟。基于实验和数值模拟结果,分析了不同靶板的毁伤机理和破坏模式,以及靶板厚度、强度等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形弹丸的垂直侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;对于双层靶而言,钢面板与铝背板的厚度比约为2/3时,复合靶的抗侵彻性能最差;数值计算结果与实验结果吻合良好,表明FE-SPH耦合算法可较好地预测双层复合靶板的抗侵彻性能。     

爆炸荷载下不同壁厚圆柱壳动力学行为的研究

对爆炸荷载下圆柱壳的动力学行为进行了实验研究及数值模拟。将外径均为100mm的3种壁厚的Q235钢质圆柱壳置于由TNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,系统分析了在不同装药高度及壳壁厚度参数条件下圆柱壳的冲击变形模式,即迎爆面局部凹陷变形模式(ModeⅠ)、迎爆面局部凹陷与壳整体弯曲变形耦合模式(ModeⅡ)、整体变形失效模式(ModeⅢ)及局部穿透与整体变形失效耦合模式(ModeⅣ)。采用LS-DYNA有限元程序及Lagrangian-Eulerian流固耦合算法,对圆柱壳的非线性动力响应过程进行了数值模拟,分析了圆柱壳的变形历程及最终残余变形的情况,计算结果与实验现象吻合较好。研究结论可为圆柱壳结构爆炸破坏分级及抗爆技术设计提供科学依据。     

爆炸冲击波在仿桥梁结构内传播的数值模拟

桥梁作为交通枢纽中的重要关卡,受到强冲击载荷作用后的毁伤效果一直是国内外关注的热点问题。炸药爆炸是对其进行毁伤的最为有效的手段之一,研究爆炸冲击波在桥梁结构中的传播规律对桥梁结构抗爆设计和爆炸事故救援具有至关重要的作用。为此,搭建了桥梁的局部结构并进行爆炸毁伤实验,为数值模拟研究提供数据参考。采用自主开发的三维爆炸与冲击问题仿真软件EXPLOSION-3D对仿桥梁结构的爆炸冲击波传播问题进行了数值模拟研究。将数值模拟结果与实验结果进行对比,验证了数值算法的有效性;进一步通过对比不同位置处的压力时程曲线来分析爆炸冲击波在仿桥梁结构中的传播规律,并分析了炸药在不同位置处爆炸和不同当量炸药爆炸对桥梁结构毁伤的影响规律。基于数值仿真结果,得到了给定工况下炸药对仿桥梁结构内的人体和车辆的毁伤程度。最后,通过对比分析不同工况的数值模拟结果,从仿真的角度给出了安全预防建议。     

水下爆炸气泡脉动周期的简便计算方法

将爆轰产物状态方程与气泡运动方程相结合,提出了一种水下爆炸气泡脉动周期的数值计算方法,能够快速计算不同炸药水下爆炸的气泡脉动周期。结果表明:采用JWL状态方程与采用γ律状态方程的气泡周期计算方法相比,前者计算TNT炸药水下爆炸气泡脉动周期的误差更小,计算误差小于3%;通过对比RS211炸药水下爆炸实验结果,进一步验证了该数值计算方法对含铝炸药水下爆炸气泡脉动周期的计算同样具有良好的适用性。     

TNT后燃反应的水下爆炸实验研究与数值模拟

为了研究TNT炸药的后燃反应,采用水下爆炸实验方法和一种增强炸药后燃反应的实验装置,对TNT炸药的能量输出结构进行了研究,计算得到了不同气体氛围下的后燃反应能量。采用Miller能量释放模型,对后燃反应实验结果进行了数值模拟。结果表明:在实验装置中充入空气或氧气,可明显增强TNT炸药的后燃反应能量输出,实测的后燃反应能量随着氧含量的增加而增大,在实验研究范围内后燃反应能量的最大值达到4.90kJ/g,但并没有达到后燃反应能量的理论最大值;冲击波压力时程曲线的数值模拟结果与实验结果基本一致,证明了Miller能量释放模型的可行性。     

FCT技术在ALE方法中的初步应用

ALE方法在一定程度上克服了纯Lagrange和纯Euler方法的缺点，成为计算大变形问题比较有效的方法。在模拟流固耦合、ICF和磁流体动力学等方面有广泛的应用。对于ALE方法来说，计算网格间物理量的输运（或物理量的重映）是十分关键的。在计算网格间的输运时，用二阶精度的FCT技术，使ALE方法程序计算大变形能力和计算精度都有一定程度的提高。用添加FCT技术后的程序对Taylor杆问题和炸药驱动飞片问题进行数值模拟，Taylor杆问题的计算结果与用LS-DYNA得到的计算结果一致。炸药驱动问题的计算结果与理论分析及实验结果符合较好，比修改前的程序计算变形能力有较大的提高。     

RDX基含铝炸药三波点高度的数值模拟

为研究含铝炸药近地空中爆炸的三波点特性,利用ANSYS/AUTODYN显式有限元程序,对3种RDX基含铝炸药HL-01(RDXph)、HL-02(85%RDXph+15%Al)和HL-03(70%RDXph+30%Al)空中爆炸过程进行了模拟。结果表明:计算得到的压力时程曲线与实测压力时程曲线较吻合,且在不同位置处的超压值也接近实验值,说明所建立的模型及状态方程参数选取合理;与经验图表法的对比说明,基于爆热当量的经验图表法不适用于含铝炸药三波点高度的计算,而用数值模拟方法可以较好地获得含铝炸药的三波点高度;同一爆炸高度下,3种炸药的三波点高度由大到小依次为HL-03、HL-02、HL-01;对于同种炸药,三波点高度随着爆炸高度的减小而增加。     

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.     

TVD格式在燃料蒸气云爆炸场数值模拟中的应用

本文采用了有限差分方法——TVD格式(Total Variation Diminishing,A.Harten,1983)对燃料蒸气云爆炸产生的二维轴对称爆炸场进行了数值模拟。爆炸波超压和运动轨迹的数值计算值与实验结果吻合得相当好。     

泄压口大小对约束空间爆炸准静态超压载荷的影响规律

约束空间爆炸载荷主要包含瞬态冲击波和持续时间较长的准静态超压,为了研究泄压口大小对约束空间爆炸准静态超压载荷的影响规律,采用三阶WENO有限差分格式,编写了约束空间内炸药爆炸冲击波三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞、激波与熵波相互作用等经典算例验证了数值程序的可靠性。基于验证的程序开展了带有泄压口的约束空间内爆炸载荷数值计算。在分析数值计算结果基础上,提出了描述准静态超压载荷简化理论公式,该理论公式与数值计算结果吻合较好。研究结果可为工程抗爆结构设计提供一定的参考和指导。     

新型乳化炸药动压减敏装置的数值模拟研究

利用LS-DYNA动力学有限元软件,对新型乳化炸药动压减敏装置的作用过程进行了三维数值模拟,研究了该装置在水下爆炸过程中的流场分布特征,及其结构设计对实验结果的影响。对比研究结果表明,新型乳化炸药动压减敏装置中,受压乳化炸药之间的排距是影响实验精度的关键因素,当乳化炸药的半径为2cm、主发药RDX的质量为10g时,乳化炸药的最小排距(即前排乳化炸药对后排乳化炸药影响最小时的排距)为20cm。因此,在乳化炸药动态减敏实验开展之前,可以通过数值模拟的手段预先确定最小排距,减小实验误差。该方法可为乳化炸药动压减敏的后续深入研究提供参考。     

新型乳化炸药动压减敏装置的数值模拟研究北大核心CSCD

利用LS-DYNA动力学有限元软件,对新型乳化炸药动压减敏装置的作用过程进行了三维数值模拟,研究了该装置在水下爆炸过程中的流场分布特征,及其结构设计对实验结果的影响。对比研究结果表明,新型乳化炸药动压减敏装置中,受压乳化炸药之间的排距是影响实验精度的关键因素,当乳化炸药的半径为2cm、主发药RDX的质量为10g时,乳化炸药的最小排距(即前排乳化炸药对后排乳化炸药影响最小时的排距)为20cm。因此,在乳化炸药动态减敏实验开展之前,可以通过数值模拟的手段预先确定最小排距,减小实验误差。该方法可为乳化炸药动压减敏的后续深入研究提供参考。     

爆炸焊接斜碰撞过程的数值模拟

 借助动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA 11.0,建立了考虑材料强度的流体弹塑性力学模型,运用光滑粒子流体动力学（SPH）方法,对爆炸焊接斜碰撞过程进行了数值模拟。界面波和射流的模拟结果与爆炸焊接生产实际中的现象较为吻合,说明采用SPH方法对爆炸焊接斜碰撞过程进行模拟研究是有科学价值的。     

炸药条加载圆柱壳的数值模拟（Ⅰ）：流固耦合模拟

 对炸药条加载圆柱壳模拟X射线力学效应的试验进行了流固耦合数值模拟。首先建立了包括圆柱壳、两层缓冲橡胶、炸药条和空气在内的二维数值模型,其中,两层橡胶采用Ogden超弹性本构模型描述,炸药条及其爆轰产物采用高能炸药燃烧（High Explosive Burn）模型和JWL状态方程描述,空气采用多项式状态方程描述。然后采用多物质ALE流固耦合算法进行计算,获得了爆炸加载的物理图像、载荷传递与结构响应。结果表明,采用19条炸药条加载265 mm的圆柱壳模拟X射线余弦载荷作用,特征点应力响应基本等效;试验附加的两层橡胶对结构响应特征具有影响,在壳体质量较小和（或）刚度较低的情况下,紧密粘接会引起结构响应失真。     

电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆蒙皮电流分布的时域计算方法研究

为克服传输线理论方法求解电磁脉冲电缆耦合问题存在的不足，对电磁脉冲电缆耦合问题进行了时域求解方法的研究。引入了适用于电磁脉冲电缆耦合问题数值求解的基于细线散射的时域有限差分(FDTD)法，将Gedney's PML进行了扩展，使其可以用于各向同性有耗计算域截断问题的处理。利用建立的数值方法，模拟了电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆引起的蒙皮感应电流分布规律及波形特征，并利用辐射波电磁脉冲模拟器对该问题进行了实验研究。计算与实验结果在误差范围内的一致性证明了数值结果的可靠性，以及该时域计算方法在处理电磁脉冲电缆耦合问题的可靠性。     

爆炸焊接参数的计算机辅助设计

 根据爆炸焊接理论，综合分析了相关爆炸焊接参数的计算方法，利用Visual C++语言编制了爆炸焊接参数计算机辅助设计程序，该程序采用菜单和视图形式对输入、输出命令结果进行操作，方便直观。与有关实验结果的对比表明，计算所给出的焊接窗口及最佳焊接参数具有很高的准确度。爆炸焊接CAD方法对于减少实验次数，摆脱经验设计方法，选择最佳焊接参数将是非常有用的工具。