爆炸冲击波下导弹结构动力分析模型初步研究

针对爆炸冲击波对导弹目标毁伤这一复杂问题进行了合理的简化,研究了冲击波对导弹结构的破坏问题。利用动力学知识,估计了冲击波对导弹目标的机械破坏作用。在综合考虑战斗部装药质量、爆炸点距目标距离、爆炸高度的环境压力、目标几何尺寸以及目标抗冲击载荷能力等基础上,利用自行编制的程序进行了一系列的仿真计算,得出了战斗部在不同时间不同位置和不同装药质量下产生的冲击波对导弹产生的破坏。计算结果基本符合物理规律,说明采用的模型及算法是合理的,能够对目标在爆炸冲击波超压作用下的易损性进行评估,得到的计算结果对实际应用具有参考价值。     

温压炸药坑道口部爆炸冲击波毁伤效应研究

对100kg温压炸药坑道口部爆炸过程及冲击波传播过程进行了比例尺为1:6的缩比例数值模拟研究.通过与等质量TNT炸药模拟结果的对比,分析了温压炸药爆炸冲击波峰值超压、正压作用时间沿坑道纵深的变化规律,着重对不同伤亡等级下的冲击波毁伤范围进行了研究.结果表明:1温压炸药爆炸冲击波衰减缓慢,持续时间长,远场优势明显,在计算范围内,其峰值超压最高可达TNT的1.52倍,正压作用时间最高可达1.1倍;2拟合得到峰值超压沿坑道纵深衰减经验公式,为毁伤范围的确定奠定了基础;3拟合得到爆炸场特征方程,结合等死亡率方程及超压毁伤阈值,可以确定不同伤亡等级下的爆炸冲击波毁伤范围.     

冲击波作用下LY12铝合金结构毁伤的数值模拟

针对冲击波作用下的结构毁伤判据问题,利用LS-DYNA软件,对LY12铝合金平板结构的损伤过 程进行了数值模拟。讨论了冲击波超压、正压作用时间、材料屈服强度和结构自振频率等因素对结构破坏的 影响规律,提出了一个以超压为函数,以正压作用时间、材料屈服强度和结构自振频率为参量的破坏判据,与 实验结果比较,该判据吻合程度较高。     

舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围,设计了大尺度舱段模型,并开展了舱室内爆毁伤试验,试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式,分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理,据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明：(1)舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤,形成多种破坏模式;(2)舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元;(3)建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏,理论计算结果与试验结果吻合较好。     

一种组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构毁伤的数值模拟及试验研究

为了研究组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构的毁伤机理,基于LS-DYNA软件的任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合算法,对水下组合药型罩聚能装药战斗部侵彻体的形成以及穿靶过程开展研究,采用数值模拟等比例模型对水下组合药型罩聚能装药战斗部对靶板毁伤进行试验验证。研究结果表明,在偏心亚半球缺罩罩顶设计偏心亚半球形罩能够在侵彻体前端形成细长的杆式射流,可以增加整个侵彻体长度和头部侵彻体速度。在穿水和靶板过程中,利用头部杆式射流形成空腔帮助后续侵彻体低阻随进。对靶板毁伤过程的分析发现,与战斗部直接连接的第1层靶板将会受到侵彻体的高速冲击作用和爆炸波沿水介质传播过来的强冲击波联合作用,而随着水层厚度的增加,沿水中传播的爆炸冲击波强度会被迅速衰减,爆炸冲击波对后续靶板的作用变得不明显,主要为侵彻体的冲击作用。最后利用设计的组合药型罩结构开展了试验验证,对比分析了每层靶板的穿孔尺寸,试验结果与数值计算结果符合较好,最大误差小于15%。     

砌体结构长脉宽爆炸荷载损伤等级评估方法

随着百千吨级当量爆炸工业事故的频繁发生,建筑结构的损伤评估和抗爆安全性更受到关注。目前,构件级的评估方法相对成熟,而大当量冲击波作用下的建筑结构整体毁伤评估依旧是个开放性问题。本文中,面向结构级的毁伤评估,提出了一种新的评估方法?构件损伤加权。该方法以承重构件损伤程度为基础,通过基于应变能的构件权系数加权,进而评估结构级损伤破坏程度。为了验证评估方法的有效性,以典型砌体结构为例,利用自主研发的冲击波结构毁伤模拟有限元程序,开展了百毫秒脉宽爆炸冲击波荷载下结构动力学响应数值模拟。根据数值模拟结果,结合构件损伤加权的评估方法,获取砌体结构损伤等级与冲击波超压的关系。预测的超压值的相对误差为?16.9%～26.2%,验证了评估方法的有效性。该评估方法为获取砌体结构的超压-冲量曲线提供了可行的途径,可为结构的抗爆安全设计提供参考。     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。     

防雷舱结构在聚能装药水下爆炸作用下的毁伤研究

通过实验以及数值模拟,开展了防雷舱结构在聚能装药水下爆炸作用下的毁伤研究,探讨冲击波在多介质结构中的传播规律及其对结构的毁伤机理。结果表明:相同爆炸当量条件下,爆破型装药仅对空舱产生破坏,防雷舱的多介质复合结构对冲击波具有较强的衰减作用,聚能型装药形成的侵彻体可造成液舱前板及后板的穿孔,孔径约为装药直径的1/3~1/2。加宽液舱以及加厚液舱后板可以增强防雷舱的抗爆能力。     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

水下冲击波载荷作用下气背固支圆板动态毁伤实验

为了研究水下近爆载荷作用下舰艇水下结构的动态变形及失效毁伤模式,利用水下爆炸冲击波等效加载装置结合高速摄影技术,对两种厚度的气背固支5A06铝合金圆板进行了水下冲击波加载实验。得到了气背固支圆板塑性大变形、中心拉伸撕裂和边界剪切破坏3种典型失效模式的动态响应历程。比较分析了冲击波强度、冲击因子、损伤参数和响应参数4种毁伤判据对该类靶板毁伤模式的判别能力。实验结果表明:考虑了结构因素的损伤参数和响应参数能够更为全面的判别结构的失效毁伤情况。     

Moving shocks through metallic grids: their interaction and potential for blast wave mitigation

Numerical simulations and laboratory measurements have been used to illuminate the interaction of a moving shock wave impacting on metallic grids at various shock strengths and grid solidities. The experimental work was carried out in a large scale shock tube facility while computational work simulated the flow field with a time-dependent inviscid and a time-dependent viscous model. The pressure drop measured across the grids is a result of two phenomena which are associated with the impact of the shock on the metallic grids. First are the reflection and refraction of the incoming shock on the grid itself. This appears to be the main inviscid mechanism associated with the reduction of the strength of the transmitted shock. Second, viscous phenomena are present during the reflection and refraction of the wave as well as during the passage of the induced flow of the air through the grid. The experimental data of pressure drop across the grid obtained in the present investigation are compared with those obtained from computations. The numerical results slightly overpredict the experimental data of relative pressure drop which increases substantially with grid solidity at fixed flow Mach numbers. The processes of shock reflection and refraction are continuous and they can be extended in duration by using thicker grids that will result in lower compression rates of the structural loading and increase the viscous losses associated with these phenomena which will further attenuate the impacting shock. Preliminary theoretical analysis suggests that the use of a graded porosity/solidity material will result in higher pressure drop than a constant porosity/solidity material and thus provide effective blast mitigation.      

多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维冲击波模型和三维细观有限元模型分析了多胞牺牲层的抗爆炸行为. 基于刚性-塑性硬化(R-PH)的多胞材料模型,建立了一维冲击波模型,得到了多胞牺牲层中冲击波传播的控制方程. 揭示了冲击波在多胞牺牲层中的传播特性,并阐述了附加质量和爆炸载荷强度两个参数对牺牲层设计的重要影响. 比较了基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L) 模型和基于刚性-塑性硬化(R-PH) 模型的多胞牺牲层的结构设计,指出了两种模型的适用范围. 通过基于三维Voronoi 技术的细观有限元方法验证了基于R-PH 模型的多胞牺牲层结构的设计准则.      

ANTI-BLAST ANALYSIS OF CELLULAR SACRIFICIAL CLADDING

运用一维冲击波模型和三维细观有限元模型分析了多胞牺牲层的抗爆炸行为. 基于刚性-塑性硬化(R-PH)的多胞材料模型,建立了一维冲击波模型,得到了多胞牺牲层中冲击波传播的控制方程. 揭示了冲击波在多胞牺牲层中的传播特性,并阐述了附加质量和爆炸载荷强度两个参数对牺牲层设计的重要影响. 比较了基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L) 模型和基于刚性-塑性硬化(R-PH) 模型的多胞牺牲层的结构设计,指出了两种模型的适用范围. 通过基于三维Voronoi 技术的细观有限元方法验证了基于R-PH 模型的多胞牺牲层结构的设计准则.     

水下爆破冲击波作用下典型鱼类临界安全波压模型研究

为了探究水下爆破冲击波对鱼类损伤的影响，首先通过理论分析探讨了水下冲击波在鱼体的传播过程和对鱼鳔的损伤机理，构建了典型有鳔鱼类临界安全波压模型，并结合实测数据、参考相关文献，确定了模型参数。结果表明，典型有鳔鱼类临界安全波压与鱼体长呈线性关系。其中，水介质和鱼鳔壁介质的波阻抗比、鱼鳔宽度因数、鱼鳔壁厚因数、鱼鳔径向临界拉应力因数和鱼鳔形状因数分别为0.3～2.0、0.04～0.09、0.002、60和0.6～1.1。然后，根据典型有鳔鱼类临界安全波压模型参数，得到最大和最小鱼类临界安全波压模型分别为p_ic,max=30L和p_ic,min=3L(p_ic,max的单位为kPa,L的单位为cm)。最后，通过鱼类损伤情况的实测数据和文献数据，验证了鱼类临界安全波压模型。结果表明，不同体长的鱼类在不同冲击波压力时的受损状况分布，基本与鱼类所能承受的最大和最小的临界安全波压范围符合。并根据鱼类临界安全波压与体长的关系，划分了死亡区、存活有影响区和存活无影响区。     

Computational study of shock wave control by pulse energy deposition

We have developed a computational code based on the axisymmetric Navier–Stokes equations with thermochemical kinetics for assessing wave drag reduction and other effects in pulse-energy deposition ahead of a bow shock by means of full simulations from generation of a laser-induced blast wave to interaction with the bow shock. Thermochemical nonequilibrium computations can reproduce the process of blast wave formation with laser ray tracing, and the computed low-density core inside the blast wave has a teardrop-like shape, depending on the laser input condition. The flowfield interacting with a bow shock formed in Mach 5 flow was computed. The result suggests that the shape of the low-density core affects the resultant wave drag, and parameters of an incident laser beam should be taken into account in exploring the optimal condition of the proposed wave-drag scheme.     

结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.      

冲击波-破片群联合作用下舰船复合材料结构近场动力学损伤模拟

采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在冲击波-破片群联合作用下的损伤情况。根据复合材料结构承受的载荷特性,分析冲击波-破片群联合作用下层合板及加筋板结构的损伤模式,考虑载荷作用次序等因素对于联合作用毁伤能力的影响规律。结果表明:联合作用对复合材料结构的损伤程度主要与冲击波强度、破片群侵彻能力、作用次序有关,主要损伤模式为分层失效、基体损伤、剪切损伤以及结构大变形;对于层合板而言,在冲击波先作用的工况下,结构损伤程度更高,损伤范围更大;对于加筋板而言,由于加筋板的筋条能显著降低冲击波作用,进而降低冲击波对破片群侵彻能力的增强效应,最终影响联合作用的毁伤能力,因而在破片群先作用的工况下反而损伤更严重。     

气压对压力容器前壁超高速撞击损伤的影响

充气压力容器在超高速撞击下的典型损伤包括穿孔及其边缘的裂纹失稳破坏,会导致气体泄漏或爆炸,内压对容器前壁损伤的影响仍不明确。以不同内压的球形铝合金充气压力容器为研究对象,开展了球形铝合金弹丸超高速撞击实验和数值模拟计算,分析了内充气体压强对前壁穿孔形貌特征、穿孔直径、孔边环向应力等的影响规律和影响机理,讨论了气体冲击波的传播行为及影响前壁穿孔边缘裂纹失稳破坏的机制。结果表明:前壁穿孔边缘内翻边形貌与内压相关,内压越高,弯折程度越轻;穿孔直径与内充气体压强正相关,但气体对孔径的影响远小于容器壁厚及撞击速度的影响;穿孔边缘使裂纹失稳破坏的环向拉应力不仅受到后壁反射冲击波的影响,也与容器壁内应力波的传播有关,与内压成正比。     

Explosive dispersal of solid particles

Abstract. The rapid dispersal of inert solid particles due to the detonation of a heterogeneous explosive, consisting of a packed bed of steel beads saturated with a liquid explosive, has been investigated experimentally and numerically. Detonation of the spherical charge generates a blast wave followed by a complex supersonic gas-solid flow in which, in some cases, the beads catch up to and penetrate the leading shock front. The interplay between the particle dynamics and the blast wave propagation was investigated experimentally as a function of the particle size (100–925 m) and charge diameter (8.9–21.2 cm) with flash X-ray radiography and blast wave instrumentation. The flow topology during the dispersal process ranges from a dense granular flow to a dilute gas-solid flow. Difficulties in the modeling of the high-speed gas-solid flow are discussed, and a heuristic model for the equation of state for the solid flow is developed. This model is incorporated into the Eulerian two-phase fluid model of Baer and Nunziato (1986) and simulations are carried out. The results of this investigation indicate that the crossing of the particles through the shock front strongly depends on the charge geometry, the charge size and the material density of the particles. Moreover, there exists a particle size limit below which the particles cannot penetrate the shock for the range of charge sizes considered. Above this limit, the distance required for the particles to overtake the shock is not very sensitive to the particle size but remains sensitive to the particle material density. Overall, excellent agreement was observed between the experimental and computational results. Received 16 August 1999 / Accepted 26 June 2000     

A New Shock Tube Facility for Tunnel Safety

In this paper, a new double diaphragm shock tube facility for studying the structural response of a circular plate resting on soil, when subjected to a shock wave, is described. The present shock tube has been designed in the framework of a more extensive research program aimed at the investigation of underground tunnel lining under blast and fire conditions. The innovative features of the facility are an end-chamber conceived to investigate soil-structure interaction and a burner equipment to heat the specimen in order to study to what extent thermal damage can affect the transmitted and reflected pressure wave as well as the structural response. Details of the shock tube design, construction and test procedure operations are discussed in the paper. Particular emphasis is placed on the principles that have driven the experimental equipment design choices. Numerical simulations have been performed to assess the ideal shock tube performance in terms of reflected pressure and test time duration as well as to evaluate how far the fire testing situation actually is from that normally used in tunnel design.