高速杆式弹体侵彻下蓄液结构载荷特性的有限元分析

为探讨高速弹体侵彻下蓄液结构的防护方法,采用瞬态非线性有限元,研究了高速杆式弹体侵彻下蓄液结构承受的冲击载荷特性,分析了冲击载荷的作用过程、前后板承受的载荷强度及其弹体初速度和水域尺度的影响。结果表明:弹体在蓄液结构中的初始开坑作用,将形成入射冲击波,其压力峰值极高,但作用时间短,并将在液体内产生多次反射;弹体在液体中的侵彻,将产生空化,并形成峰值小、作用时间长的空化压力载荷;后板对液体流的阻碍作用将形成出口局部高压;入射冲击波和出口局部高压的强度随着弹体初速度的增加而增大,随着水域长度的增加而不断减小。根据所受冲击载荷特性的不同,将前、后板分别划分为3个不同的区域,并建立了每个分区的简化计算模型。     

水下爆炸冲击波壁压理论及数值计算方法改进研究

水下爆炸冲击波是舰船抗冲击评估中重要的载荷成分,也是水中结构物毁伤程度快速预报的关键和依据。通过小当量实验发现,由于传统 Taylor 平板理论公式忽略了冲击波波速的非线性变化 ,导致其在预报近距离水下爆炸冲击波壁压脉宽时出现偏差。为此,给出了比例爆距R/W1/3为0.11～5.30 m/kg1/3 (R为爆距,W为炸药质量)下的冲击波速度拟合公式,对传统Taylor理论公式进行修正。修正后,在R/W1/3=0.11 m/kg1/3下,壁压脉宽及冲量偏差大幅减小;在R/W1/3≥0.21 m/kg1/3下,两者偏差均小于12%。此外,在处理水下近场和中远场爆炸问题时,发现数值耗散会导致壁压峰值被明显削弱,于是提出了一种可行的数值策略消除计算中数值耗散导致的削弱效应,结果与修正的Taylor平板理论公式吻合良好,峰值偏差均小于9%。改进后的冲击波壁压理论公式及数值计算方法可为舰船抗爆抗冲击领域提供理论和技术支撑。     

水下爆炸中气泡射流壁压特性实验研究

水下爆炸气泡射流载荷是中近场水下爆炸壁压载荷的重要组成部分, 将水下爆炸气泡射流简化为一段高速水柱来研究水下爆炸气泡射流载荷特性是研究水下爆炸气泡射流载荷的主要手段。本文基于腔内爆炸提出了一种新的高速水射流实验方法，并给出了实验装置设计、实验方法以及实验系统。基于实验系统，开展了不同工况下高速水射流的实验研究，研究了腔口位置、腔深对水射流形态的影响，并对水射流的形态形成因素进行了分析。使用压电型壁压传感器测得了水射流冲击壁压，给出了水射流冲击壁压的特性及其特点。实验结果表明:腔口位置与腔深是影响水射流端面形态的重要因素；生成的高速水射流冲击壁压峰值满足水锤理论。基于腔内爆炸的高速水射流实验方法能够应用于包括水下爆炸气泡射流在内的高速水射流形态、壁压特性的研究。     

水下爆炸近壁面流场局部空化形成机理

为深入认识水下爆炸近壁面流场局部空化的形成机理，采用自行研制的转镜式分幅相机，获得了炸药水下爆炸近壁面流场局部空化效应的光学图像，结合数值模拟和Taylor平面波理论、空泡动力学理论，分析了近壁面空化效应的形成过程。结果表明：界面反射的稀疏波作用和水中空化核的膨胀发展是水下爆炸近壁面流场空化效应形成的原因；外界流场压力对空泡初期膨胀运动影响较小，对空泡后期运动行为影响较大；低压环境下不同尺度空泡的运动行为存在较大差异，小尺度空泡（半径小于10μm）在低压环境下处于快速膨胀、溃灭状态，对流场空化影响较小；大尺度空泡（半径大于10μm）可失去稳定性，半径持续增大，对流场空化区的形成影响较大；水中不同尺寸空泡空间分布的随机性可导致空化区成长过程中呈现非规则形状。     

水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性

采用模型实验方法,研究了近自由面水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性。根据实验模型的破坏结果和压力测试结果,分析了水下爆炸产物与防雷舱舷侧空舱的相互作用过程以及水下爆炸产物的压力变化规律。研究表明:防雷舱舷侧空舱的载荷可分为冲击波载荷、准静态压力载荷和负压载荷3种,防雷舱舷侧空舱的破坏主要由冲击波载荷和准静态压力载荷造成,并且准静态压力载荷的比冲量是冲击波载荷的数倍,而负压载荷对防雷舱舷侧空舱破坏的影响可忽略不计。     

回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

为探究周向通气对回转体入水表面载荷的影响，基于VOF(volume of fluid)模型和Realizable k-ε两层湍流模型，开展了周向通气回转体低速入水流场演化数值预报和表面载荷特性分析。通过将数值预报的空泡形态与试验结果相对比，验证了所采用的数值方法的有效性，并分析了不同通气率对空泡形态、流场特性和表面载荷特性的影响。结果表明，通气会改变回转体入水空泡演化过程以及侧壁表面压力，在通气作用下空泡第一次脱落时间延缓，并且通气气体流向空化器后方负压区，改善了空化器后方的负压情况；其次，通气气体在通气口附近形成了明显的涡结构，之后与壁面处由空化器形成的涡融合，增强了空泡中部的涡流强度；最后，通气率越大，空泡闭合时间越晚，空泡体积越大，尾部空泡越不容易发生脱落，同时通气会减缓回转体表面的压力波动，通气率越大压力波动越小。综合分析可以认为，侧向通气对于回转体低速入水流场及表面载荷特性有一定的改善作用。     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度 修正的RNG $k$-$\varepsilon $湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod) 水翼和采用射流后的 水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到 近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水 翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理. 结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播 导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响. 回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一 直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累. 在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化 和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射 流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果. $Q$准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的 流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落. 而射流对空穴和回射 流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.      

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落.而射流对空穴和回射流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.     

一种修正的低温流体空化流动计算模型

为了更准确地预测低温流体的空化流动特性, 基于Kubota空化模型, 对蒸发和凝结源项进行修正, 建立了一种考虑热力学效应的空化模型. 分别采用原始和修正的Kubota空化模型, 计算了绕对称回转体液氮的空化流动, 通过与实验结果的比较对修正的空化模型进行了评价. 结果表明, 与原Kubota空化模型比较, 修正的空化模型由于考虑了热力学效应, 计算获得的蒸发量减小, 凝结量增大, 空穴长度减小, 空穴界面形态呈模糊状态.计算结果与实验结果更加一致, 说明修正的空化模型能准确的描述低温流体空化过程的质量传输过程, 能够更准确模拟低温流体中的空化流动特性.      

气动环境下结构噪声载荷谱编制方法

目前针对既受气动静压力又受声载荷的结构，试验考核时大部分是静强度与声疲劳寿命分开考核，但是气动静压产生的拉伸平均应力会影响结构的声疲劳寿命，本研究提供一种气动环境下结构噪声载荷谱编制方法，将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中，便于在实验室中进行疲劳寿命验证。通过有限元研究了气动静压对结构振动特性和响应特性的影响，计算得到了不同压力情况下结构的振动特性，并且得到了气动静压与声载荷联合作用下结构的响应，根据相应材料的随机S-N曲线计算得到不同静压下结构的声疲劳寿命，得出了气动静压达到一定值会严重影响结构声疲劳寿命的结论。随后利用修正Goodman公式将平均应力非零状态的动应力转化为零平均应力时的动应力，然后根据损伤等效关系将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中。研究给出了气动环境下结构噪声载荷谱编制方法。     

深部地下工程岩爆预测的筛选蚁群聚类算法

为了提高仿生聚类算法的计算效率,对传统的蚁群聚类算法进行改进,采用数据合并机制提出了 一种筛选蚁群聚类算法。采用筛选蚁群聚类算法,在岩爆工程实例资料分析的基础上,基于工程类比的思想 判断岩爆的发生状态,提出了一种深部地下工程岩爆预测的新方法。通过多个煤矿深部地下工程岩爆实例的 应用研究证明,和传统的蚁群聚类算法相比,在不显著增加计算难度和复杂度的情况下,新算法对工程实例的 判断准确率更高,其准确率达92%,计算效果更好;而且,计算速度有较大幅度的提高,其计算时间缩短近 40%,说明新算法的计算效率更高。因此,筛选蚁群聚类算法是一种比较实用的岩爆预测新方法,值得在深部 地下工程岩爆研究领域推广应用。     

隔振沟对爆炸塔周边地表振动的影响

对内径2m、壁厚0.4m 的椭球封头爆炸塔进行有、无隔振沟条件下的对比爆炸实验,并监测塔体 周边6个测点的地表竖向及水平方向的振动速度。研究结果表明:地表质点的振动持续时间小于0.2s,竖向 振动频谱在20~500Hz范围内,水平方向振动频谱则在200~800Hz范围内;隔振沟使水平方向振动幅度衰 减至原来的1/10,对竖向振动幅度衰减至原来的1/4~1/3,对地表振动频率无明显影响;爆炸塔隔振沟的深 度为1m 时,对爆炸地震波无任何衰减作用,仅当深度达到1.5~2.0倍瑞利波波长时(5.6~7.5m)才会产 生明显的隔振效果。     

带空腔爆轰产物驱动准等熵加载技术与反积分数据处理技术

化爆加载技术常用来研究材料在冲击作用下的动态响应特性。通过在炸药与样品之间留一段空 隙的办法,实现爆轰产物驱动的无冲击加载飞片技术用于研究材料在弱冲击或无冲击加载条件下的动态响 应特性,利用二维程序模拟了整个实验过程,提出了装药直径对实验结果的影响。并利用反积分数据处理技 术对实验数据进行了处理与分析。     

弹丸侵彻混凝土加速度信号测试及分析

针对弹丸侵彻混凝土加速度信息获取及实测信号失效问题,采用弹载存储测试系统进行了实验,并基于LS-DYNA进行了高速碰撞过程的数值模拟,经处理后的数据曲线与实测侵深符合较好,数值模拟计算结果与实验结果较吻合。通过实验分析与理论推导相结合的方式对应力波、测试装置的基础运动和安装结构刚度、加速度计安装方式等部分影响因素进行了实测加速度信号的影响分析,分析结果对高g值冲击测试问题具有一定的参考价值。     

水下爆炸近场非均熵流的特征线差分解法

提出了一种改进的特征线差分方法,根据力学基本方程推导出2族带有熵变修正项的特征线方 程,并将质点迹线方程补充为第3族特征线方程,利用这3个特征线方程可以对水下爆炸冲击波及波后的非 均熵流场进行求解。由于特征线差分法无需引入人工粘性项处理冲击波间断问题,所以减少了人为干预的影 响因素。最后,应用这种改进的特征线法对质量分数比w(TNT)∶w(RDX)=40∶60的TNT/RDX炸药球 的水下爆炸问题进行了数值模拟。在比例距离1R/R04的近场范围内,计算得到的冲击波峰值压力与文 献实验数据的最大相对误差在13.1%以内,进一步证明了这种改进的特征线差分方法的正确性。     

工程岩体中多弹重复打击效应的数值模拟分析

根据现场岩体特性,将岩体剖分为结构体和结构面2部分,针对结构体构建了均质岩石本构模型,而后依据结构面分布特性,构建了考虑天然岩体非均质性的空间块体模型。采用这一空间块体模型,对重复打击效果进行了大量数值模拟分析,数值模拟与现场实验结果基本一致,两者均表明,因受残余弹片、命中点偏差和岩体非均质性等因素综合影响,多弹重复打击破坏深度存在着一个极限值。     

基于正交设计方法的双锥罩结构优化设计

设计了一种双锥药型罩,借助数值模拟和实验手段研究其成形及侵彻机理,利用正交设计方法研 究不同结构的射流成形性能。结果显示:该双锥罩在爆轰波作用下形成高速射流、翻转弹丸和杵体;小锥角 2 显著影响射流头部速度;罩厚t及大锥角2 高度显著性影响弹丸速度;最佳设计参数为:t=0.14cm、2= 50、2=135、小锥角与大锥角罩口直径比N =0.4或0.5,其射流速度分别为6613、6839m/s,弹丸速度分 别为2247、2095m/s,侵彻钢靶深度分别为8.24、8.31cm,开口孔径分别为2.12、2.08cm。最终优化的双 锥罩结构合理,既保证了射流速度,又大大提高了弹丸速度,射流和弹丸先后侵彻目标,达到双重毁伤的目的; 在低密度装药和小炸高条件下侵彻效果较理想。     

金属约束下定常非理想爆轰的理论研究

为了对金属约束条件下的定常非理想爆轰进行理论研究,对未反应炸药和爆轰产物采用JWL形 式状态方程,对金属采用p(,T)形式状态方程。采用过爆轰前导冲击波的流线偏转角在影响域内沿高度线 性变化的假设,并且由未反应炸药和金属的冲击波极曲线的交点确定爆轰冲击边缘角,则可从未反应炸药斜 冲击波极曲线关系式求出爆轰前导冲击波阵面的形状。采用爆轰前导冲击波阵面之后的流线是直线的假设, 则爆轰流动控制方程由偏微分方程变为沿流线的常微分方程,沿着所有流线求解便给出爆轰化学反应区内 声速线与化学反应结束线的位置。理论分析同时给出约束金属折射冲击波后面的流体的流动状态。理论结 果给出的爆轰化学反应区结构特征和约束金属内的流动状态特征与高精度数值模拟的结果符合良好,说明 本文中给出的理论方法具有良好的合理性和适用性。     

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

非药式水下爆炸冲击波加载装置研究

非药式水下爆炸冲击波加载装置作为实验室范围内一种新型水下爆炸冲击波加载技术,具有耗费低、危险性小、可重复性高等优点,对进一步研究水下冲击波毁伤效应具有重要意义。该装置通过一级轻气炮发射飞片正撞击水舱端部活塞在水舱中产生呈指数型衰减的水下冲击波。本文中采用实验与数值模拟相结合的方法对该装置产生的冲击波可靠性进行了研究,确定了一定工况内的初始冲击波强度及衰减时间常数,实验结果表明,该装置能够有效模拟水下爆炸冲击波载荷。