椭圆截面战斗部爆炸驱动破片作用过程的数值模拟

为研究爆轰驱动下椭圆截面自然破片杀伤战斗部壳体的膨胀破裂过程以及壳体破片径向速度分布,建立了椭圆截面战斗部三维模型。通过AUTODYN-3D软件,采用Lagrange算法模拟爆轰驱动下椭圆截面自然破片战斗部壳体的膨胀断裂过程,研究了端面单点中心起爆方式下短长轴断裂时间差与短长轴比的关系,以及不同起爆点、不同短长轴比和不同装填比(即装药与壳体质量之比)对椭圆截面战斗部径向破片速度分布的影响。结果表明:与端面中心单点起爆、端面长轴双点偏心起爆和端面短长轴四点偏心起爆相比,端面短轴双点偏心起爆方式对椭圆截面战斗部壳体破片径向速度的增益效果最好。装填比一定时,短、长轴断裂时间以及短、长轴断裂时间差与短长轴比呈线性关系,战斗部壳体膨胀过程中截面形状的实时短长轴比与加载时间呈线性关系;随着短长轴比的增大,战斗部壳体破片径向速度增益逐渐减小。短长轴比一定,装填比小于1时,破片速度随方位角增大呈正弦趋势上升,且短、长轴方向破片速度差与装填比呈线性关系。     

填充介质圆柱壳在侧向爆炸冲击作用下的变形型面研究

对填充介质圆柱壳在侧向爆炸冲击作用下的变形型面进行了实验研究,获得了圆柱壳的最终变形型面。基于刚塑性动力学中的塑性铰理论建立了相应的分析模型,将圆柱壳划分为多个首尾相连的刚性方杆,利用方杆的平动、转动描述圆柱壳的变形过程,详细推导了相邻方杆间弹簧力、弯矩和偏折角等的表达式,考察了侧向炸药覆盖宽度和圆柱壳初始速度等因素对变形型面的影响。研究结果表明:所建立的分析模型能够有效地预测圆柱壳的变形型面,侧向炸药覆盖宽度和爆轰威力是影响圆柱壳最终变形型面的关键因素,可通过调整侧向炸药的覆盖宽度和圆柱壳初始速度实现不同的圆柱壳变形型面。     

预制破片与轻质壳体阻抗匹配对破片初速及完整性的影响

依据杀伤战斗部装药对破片爆轰加载过程的特征,设计了与其较为相似的滑移爆轰单元结构实验模型,采用闪光X射线照相方法获得了预制破片和轻质壳体在两种典型排布顺序下的破片初速及破损情况,并结合应力波传播理论对实验结果进行了分析。结果表明:破片外置时,初始应力波由低阻抗金属材料向高阻抗金属材料传播,破片受到壳体传入的冲击波及空气传入的拉伸波作用,初速较高,轻微破损;破片内置时,初始应力波由高阻抗金属材料向低阻抗金属材料传播,虽然破片受到爆轰产物传入的冲击波及壳体反射的拉伸波作用,但初速相对偏低,易发生破损,甚至有明显层裂现象。     

谱元法数值模拟约束结构内炸药中应力波的传播

针对高速侵彻类战斗部在侵彻过程中的装药安定性以及在意外事故中的安全性问题,对约束结构内炸药在冲击加载下的应力波传播规律进行了模拟研究。计算了不同侵彻速度下弹体的冲击响应函数,并将具有高精度和低耗散特点的谱元法应用于约束结构内凝聚炸药中的应力波传播模拟;考虑炸药-金属界面的动摩擦特性,计算了冲击加载下由动摩擦引起的装药-壳体界面温升,以及装药内部的塑性功积累。成功地将谱元法应用于凝聚炸药中应力波传播过程的模拟,模拟结果对更准确地评估热点生成机制,以及进行装药安定性分析具有参考意义。     

纯铁和铁基合金楔形样品中的冲击相变

2005年，Koflov等对滑移爆轰加载下的楔形纯铁DT-2样品进行了研究，样品仅在斜面部分发生了局部层裂，材料中明显存在不同的几个区域：材料无破坏区域、层裂开始和发展区域、加载表面-高能炸药接触面、满足α-ε相变条件的加载表面邻近区域和初始状态为硼发生高应变率变形的材料区域。但是滑移爆轰加载波系作用非常复杂，无法准确给出各区域宏细观变形破坏所对应的加载应力状态。     

金属隔层对同轴双元装药爆轰波形及驱动性能的影响

根据同轴双元组合装药的实际应用工况,制备了两种组分及尺寸均相同的装药试样,其中一种试样的内、外层装药间设有薄壁铝隔层。采用脉冲X射线摄影法观测了铝隔层在装药爆轰过程中的膨胀轨迹,并通过高速扫描法及圆筒试验分别对比了两种装药爆轰波形及驱动性能的差异。结果表明:由于铝的冲击阻抗与炸药爆轰阻抗较为接近,因此冲击波穿越铝隔层时未产生较强的反射效应,从而未明显改变组合装药的爆轰波形;而在爆轰产物的膨胀过程中,当其相对比容小于3.0时,铝隔层可将内、外层装药的爆轰产物有效隔离,但并未降低整体装药的驱动性能,两种试样的圆筒比动能之比逐步趋近于有效装药的质量比。     

爆炸载荷下纳米晶铜晶粒度分布及影响因素研究

 采用爆炸动态加载使粗晶铜发生高应变率塑性大变形的方法制备了纳米晶铜。利用X射线衍射法对其晶粒度进行了检测,借助于LS-DYNA3D非线性有限元程序对试样变形过程进行了数值模拟,在此基础上对应变和应变率进行了统计,分析了宏、细观应变对晶粒细化程度的影响。结果表明：采用爆炸加载法可制备出纳米晶铜,平均晶粒度范围可有效控制在100 nm以内;爆炸加载过程中应变率高达10⁴ s^-1,应变的提高有利于晶粒细化;在爆炸加载方向晶粒度成不均匀分布。     

极小装药爆炸驱动两级重载荷研究

根据瞬时爆轰理论,在极小装填比(C/M)条件下进行了小质量装药驱动大质量载荷运动研究,理论分析了弱约束和强约束装药条件下载荷驱动速度。弱约束装药条件下在格尼方程基础上通过考虑装药壳体径向飞散获得二维炸药驱动载荷运动的计算模型,强约束条件下按照爆轰产物等熵膨胀理论获得大质量载荷驱动速度的计算模型。开展了两种约束条件下爆炸驱动大质量载荷的运动试验研究,弱约束条件下,载荷驱动速度随着装药长径比减小而增大;强约束条件下,载荷驱动速度随着装药量增加而增大,随装药腔体与运动腔体直径比增大而增大。     

微纳米含能材料研究进展

含能材料的起爆、传爆、能量释放、安全等诸多性能在很大程度上取决于组分的颗粒尺寸及分布、比表面积、孔隙结构和组分均匀性等结构参数,微纳米含能材料由于可改变上述一个或几个参数而表现出与普通颗粒含能材料不同的性能。众多研究都表明：随着含能材料颗粒尺寸的减小,其性能将发生显著变化,如机械感度降低、高压短脉冲感度增加、爆轰更接近于理想爆轰、爆炸时释放能量更完全、燃烧效率提高、爆轰波传播更快更稳定、爆轰临界直径降低、装药强度提高等。     

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。     

G50钢与G31钢动态力学性能的对比试验研究

采用拉伸、冲击、霍普金森杆压缩及所设计的爆轰加载试验方法,对比研究了G50钢与G31钢在准静态、动态及爆轰加载条件下的力学性能。试验结果表明:G50钢和G31钢在准静态、10^3 s^?1应变率下的动态力学性能相近;在爆轰加载条件下,G50钢和G31钢试样发生了近乎相同的破坏形态,说明在超高压及超高应变率条件下两种材料具有相近的屈服强度和抗拉强度。研究结果表明,G31钢与G50钢有相似的力学性能,在侵彻战斗部壳体方面可做进一步的应用尝试。     

一种准二维柱面爆炸波加载装置的设计与验证

基于竖直爆轰管和径向Hele-Shaw Cell,设计并搭建了一套准二维柱面爆炸波加载装置,可以实现对Hele-Shaw Cell内部材料界面的径向冲击加载.竖直爆轰管内部的预混气体在底部点燃后,形成向上传播的冲击波,冲击波冲破爆轰管开口与Hele-Shaw Cell底板开孔之间的隔膜后,被Hele-Shaw Cell...     

起爆方式对复合战斗部毁伤输出的影响

为了进一步提高复合战斗部的毁伤输出效率,基于一种可形成聚能侵彻体、预制破片和自然破片3种毁伤元的破甲杀伤复合战斗部结构,应用LS-DYNA数值仿真软件,研究了起爆点位置、起爆直径和起爆点数量对复合战斗部各毁伤元成型和能量输出的影响,讨论了实现战斗部毁伤威力可调的技术路径。结果表明:起爆点距药型罩越远、数量越多、起爆直径越大,由药型罩形成的聚能侵彻体的头部速度越高,头尾速度差和长径比越大,速度增益最高可达50%,可以实现爆炸成型弹丸(EFP)到聚能杆式侵彻体(JPC)转换;在装药内部轴线阵列多点起爆时,聚能侵彻体的成型基本仅与离药型罩最近的起爆点有关。对于预制破片,装药高度60 mm(P2)处起爆速度最快,增加起爆点数量和增大起爆直径可以有效提高预制破片的最高速度,但整体上最低速度仍在600 m/s上下波动,变化并不显著。对于壳体形成的自然破片,以平均速度来表征时,整体变化并不明显,速度增益不足10%,但合理的起爆方式可使壳体断裂形成的自然破片更均匀,有利于调整破片质量分布。通过控制起爆方式可在一定程度上实现复合战斗部毁伤威力可调,但对于破片速度的调控仍需进一步研究。     

爆炸作用驱动液体抛撒初始阶段数值仿真

 针对灭火战斗部引战配合设计,研究爆炸作用驱动液体（水基灭火剂）抛撒初始阶段的特性。依据典型灭火战斗部的结构建立数值仿真模型,采用LS-DYNA软件进行仿真计算,分别获得了加载系数（驱动装药与液体的质量比）对壳体破裂时间和壳体破裂初期液体/空气界面运动速度的影响规律,以及液体/空气界面后续的运动特性。进行了同条件下爆炸驱动水基灭火剂抛撒实验,得到了不同加载系数条件下壳体破裂初期液体/空气界面的运动速度。实验结果与数值仿真结果吻合良好,表明所采用的数值仿真方法具有正确性和有效性,对相关问题的研究具有重要参考价值。     

发射载荷下温压战斗部装药内的瞬时间隙

 发射载荷下战斗部的安全性理论是武器研究领域中的重要课题。通过发射过载数值模拟、力学分析,对温压药剂在发射过载条件下的响应规律进行了探索,为温压药剂应用于过载发射武器平台奠定理论基础。研究结果表明,发射载荷在战斗部底部和中部装药内产生的应力以压缩为主,由于战斗部壳体与温压装药的物理力学特性参数相差很大,壳体内的波速远大于温压装药的波速,因此在装药与壳体顶部的分界面处可能出现瞬时间隙,成为发射过程中出现早炸的“危险源”。     

Structural and acoustic responses of a fluid-loaded cylindrical hull with structural discontinuities

This paper studies the low frequency vibrational behaviour and radiated sound of a submarine hull under axial excitation. The submarine is modelled as a fluid-loaded cylindrical shell with internal bulkheads and ring-stiffeners and closed at each end by circular plates. A smeared approach is used to model the ring stiffeners. The external pressure acting on the hull due to the fluid loading is calculated using an infinite model and is shown to be a good approximation at low frequencies. The radiated sound pressure is obtained by considering the finite cylindrical hull to be extended by two semi-infinite rigid baffles. The sound pressure is then only due to the radial displacement of the cylindrical shell, without taking into account the scattering at the finite ends. The main aim of this paper is to observe the influence of the various complicating effects such as the bulkheads, ring-stiffeners and fluid loading on the structural and acoustic responses of the finite cylindrical shell. Results from the analytical models presented in this paper are compared to the computational results from finite element and boundary element models.     

破片对带铝壳炸药的冲击起爆数值模拟研究

 采用AUTODYN-2D数值模拟软件，应用冲击起爆Lee-Tarver模型，对钢破片撞击带铝壳Octol炸药的起爆问题进行了数值模拟，分析了冲击起爆机理及破片形状、着速、铝壳厚度等因素对炸药起爆特性的影响规律，利用“升-降”法得到了破片对Octol炸药的临界冲击起爆速度。研究结果对反导战斗部破片杀伤元素的设计具有指导意义。     

Acoustic radiation from shear deformable stiffened laminated cylindrical shells

An analytical model of acoustic radiation from shear deformable laminated cylindrical shells with initial axial loadings and doubly periodic rings is presented. The shear deformation and rotary inertia of the rings are taken into account and the rings interact with the cylindrical shell only through the normal forces. The far-field sound pressure is found by using the Fourier wavenumber transform and stationary phase method. High frequency limitation issues of the first-order shear deformation theory are discussed and the effects of the second set of rings, axial initial loadings and multiple external loadings on the far-field acoustic radiation are explored. Further, the helical wave spectra of the radial displacement and sound pressure are used to study the vibrational and acoustic characteristics of the laminated shells. Above the ring frequency, the profile of the helical wave spectra of the far-field sound pressure induced by the cylindrical shell is an ellipse and the patterns of the helical wave spectra of the far-field sound pressure keep unchanged. Moreover, the ellipse distinguishes the supersonic wavenumbers and subsonic wavenumbers from the helical wave spectra of the radial displacement and surface sound pressure in the wavenumber domain. The bright spots and highlights of the helical wave spectra show that the corresponding waves are dominant.     

Dynamic analysis of ring-stiffened circular cylindrical shells

A numerical method is developed for the dynamic analysis of ring-stiffened circular cylindrical thin elastic shells. Only circular symmetric vibrations of the shell segments and radial and torsional vibrations of the rings are considered. The geometric and material properties of the shell segments and the rings may vary from segment to segment. Free vibrations or forced vibrations due to harmonic pressure loading are treated with the aid of dynamic stiffness influence coefficients for shell segments and rings. Forced vibrations due to transient pressure loading are treated with the aid of dynamic stiffness influence coefficients for shell segments and rings defined in the Laplace transform domain. The time domain response is then obtained by a numerical inversion of the transformed solution. The effect of external viscous or internal viscoelastic damping is also investigated by the proposed method. In all the cases, the dynamic problem is reduced to a static-like form and the “exact” solution of the problem is numerically obtained.     

柱形装药水中爆炸气泡的形态演变

 采用高速摄影方法在实验水箱中获得了长径比为3.35~6.75的柱形PETN炸药水中爆炸气泡脉动的图像,进而结合真实的爆轰过程和Rayleigh气泡运动方程,研究了气泡的形态演变规律。研究结果表明,柱形装药在水中爆炸时,形成的初始气泡的形状为非球对称形,这种非对称特征随长径比的增加而增大。气泡表面的运动也表现出明显的非球对称特征,气泡表面在装药径向的膨胀运动呈指数衰减,在装药轴向两端的膨胀运动更接近于分段线性衰减。气泡表面的不对称运动与柱形装药水下爆炸的能量输出结构不均有关,与冲击波的有效能量分布规律是相似的。