基于空气流场压力分析的头盔冲击波防护效能研究

研究典型战斗头盔对爆炸冲击波致颅脑冲击伤的防护效能。首先开展了50 g TNT距有无头盔防护下头部模型1 m处爆炸的抗爆试验,采集了有无防护下头部前额、颅顶、颅后冲击波超压并进行了对比分析;建立了具有典型颅脑结构的头部有限元模型并进行爆炸冲击波加载,对试验工况进行了仿真再现,通过试验结果验证了仿真模型有效性;同时利用数值仿真对不同工况下冲击波流场压力变化规律进行分析;进一步利用数值仿真研究了泡沫衬垫对头盔防护能力的影响。研究结果表明,典型战斗头盔可使前额空气超压衰减为无防护时的54.5%,但是会使颅后空气超压增强为无防护时的2.19倍,对颅后冲击波防护产生负面效果;头盔悬挂中泡沫衬垫能消弱头盔对颅后防护的负面效果,提高头盔对冲击波的防护能力。     

爆炸塔内120kgTNT当量爆炸载荷的数值分析

爆炸塔设计中常采用等当量集中装药估算爆炸塔内部载荷。为研究该方法的合理性,本文采用有限体积方法离散求解积分型Euler方程组;利用瞬时爆轰模型描述炸药爆炸初场,分别计算了乳化炸药和TNT集中装药爆炸对爆炸塔的内部加载情况;给出了塔体及封头内壁面9个特征点的压力时间曲线。结果表明:可以采用集中装药模拟乳化炸药对爆心截面处的超压作用,但不可以采用集中装药模拟乳化炸药对封头中心处的超压作用。因为在封头中心处乳化炸药爆炸会聚产生的超压极值约为TNT集中装药的2倍;塔体柱段的爆心截面处与封头中心处为超压作用最强的部位,两处冲量大致相当;压力最大值出现在封头中心处,由反射冲击波会聚产生。建议塔体建筑设计时对封头中心处和塔体爆心截面处采取相应的防护措施。     

基于激波管评价的单兵头面部装备冲击波防护性能研究

为了优化单兵头面部防护装备结构,提升防护性能,首先开展了基于实爆场和激波管环境的裸头模抗爆炸冲击波对比测试。在此基础上,利用激波管对佩戴不同结构、不同防护等级的头盔-头模系统分别进行了正向及侧向爆炸冲击波防护性能测试,并对头盔-头模系统前部、前额部、顶部、后部、耳部以及眼部等重点区域的冲击波超压峰值和持续作用时间进行对比分析。实验结果表明,基于激波管的抗爆炸冲击波测试方法可替代外场实爆进行考核。受到冲击波正向作用时:两半盔头模顶部测点所测冲击波超压峰值约为喷管出口的 1/6,是裸头模和一体盔头模的 1/3;冲击波在两半盔顶部分体结构处分流卸压并形成叠加反射,导致作用时间延长（从 5.5～8.5 ms）,但超压峰值降低明显;对后部测点而言,冲击波的绕行和叠加使一体盔头模所测冲击波超压峰值（365 kPa）略高于两半盔头模（303 kPa）,约为裸头模（148 kPa）的 2.5 倍。通过提高单兵头面部防护装备结构密闭性（如佩戴眼镜、耳罩或者防护面罩）,可有效阻止冲击波进入头盔-头模系统内部,减弱叠加汇聚效应,提高单兵头面部装备防护性能。     

多点云雾爆炸波相互作用的数值模拟

为研究多点云雾爆炸超压场的分布特性,利用LS-DYNA程序,对4个非圆柱体云雾的爆炸超压的相互作用过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比。得到了中心区域冲击波相互作用演化过程与中心竖直方向0~20 m处的超压变化规律,以及0°、90°、135°和180°等4个方向的地面峰值超压随水平距离变化的规律。结果表明:中心区域地面依次出现3重冲击波;地面整体超压场强度向中心区域倾斜。在45°方向竖直截面上冲击波波系由入射波、反射波与马赫波构成。     

球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型

为获得球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型,对静态爆炸冲击波超压Baker计算公式加入修正因子进行修正,并建立了构造包含装药运动速度、对比距离和方位角的修正因子函数的方法。为获得修正因子的函数表达式,采用高精度显式欧拉流体动力学软件SPEED针对具有典型运动速度的球形装药空中爆炸过程进行了数值模拟,得到了沿装药不同对比距离和方位角处的动态爆炸冲击波超压峰值。在对数值模拟结果处理的基础上,经过数据拟合获得了动态爆炸冲击波超压场计算模型。校验结果表明,该模型能较准确描述动态爆炸冲击波超压分布,具有普适性。     

舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究

为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了3种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。     

神经网络状态方程在强爆炸冲击波数值模拟中的应用

强爆炸数值模拟的主要挑战在于如何准确地描述爆炸产物状态方程。利用BP神经网络和强爆炸产物状态数据对神经网络产物状态方程进行训练，并将得到的状态方程植入自编的一维球对称数值模拟程序，对强爆炸冲击波参数进行了计算。结果显示，计算得到的冲击波峰值超压、冲击波到时、正压时间与标准值吻合较好，证明将神经网络状态方程应用于强爆炸冲击波数值模拟是可行的。研究结果对确定强爆炸数值模拟方法具有很好的借鉴意义。     

远距离近地面爆炸空气冲击波计算的网格尺寸优化与验证

建筑结构上爆炸荷载的确定是进行结构动态响应和损伤破坏分析以及结构抗爆设计和加固的前提。考虑到空气爆炸冲击波远距离传播数值模拟计算效率和精度以及软硬件能力的平衡问题，通过确定和优化网格尺寸，从而为大型复杂街区爆炸冲击波荷载的数值模拟网格尺寸选取提供合理建议。针对汽车炸弹和弹药库等典型近地面爆炸场景，首先，使用AUTODYN软件分别开展比例距离为0.2～5.0 m/kg1/3和0.2～39.0 m/kg1/3的空中爆炸自由场和地面爆炸入射场超压和冲量的单一尺寸网格敏感性分析，并考虑软硬件对单元网格数量的限制，给出依赖比例距离的渐变网格尺寸建议。其次，基于映射算法和建议的渐变尺寸网格对地面爆炸入射场超压和冲量进行数值模拟，提出了比例距离大于10.0 m/kg1/3的峰值超压误差修正方法，并得到UFC 3-340-02规范的验证。最后，基于足尺房屋爆炸荷载分布试验共71个测点的超压和冲量时程数据，对提出的优化网格尺寸的计算精度和效率进行了验证。     

钢化玻璃冲击波毁伤效应测试结果分析

为研究爆炸冲击波对钢化玻璃的毁伤阈值,开展了钢化玻璃冲击波毁伤效应实验。对每一发实验进行了爆炸参数测试,获得了冲击波超压随时间变化历程的实验数据。通过对实验数据的处理与分析,得到了爆炸冲击波基本参数,包括正反射超压、冲击波到时、正压作用时间、正反射冲量、负反射超压、负压作用时间和负反射冲量等。将实验结果与CONWEP计算结果进行了比较,比较结果表明二者误差很小,证明冲击波测试结果准确可靠。对冲击波正负反射参数进行了比较,结果表明冲击波正反射参数明显高于冲击波负反射参数。     

低温和低压环境下炸药爆炸冲击波的传播特性

针对高海拔或高空的低温、低压环境对炸药爆炸冲击波传播的影响，利用量纲分析理论和AUTODYN有限元软件，研究了低温、低压及海拔高度对炸药爆炸冲击波参量（峰值超压、比冲量和波阵面运动轨迹）的影响规律，建立了相应的计算公式，并通过数值模拟和实验数据进行了对比验证。结果表明，该计算公式可以有效预测低温和低压环境下炸药爆炸冲击波参量。环境压力降低，爆炸冲击波峰值超压和爆炸远场（比例距离Z>0.2 m/kg1/3）比冲量减小，冲击波传播速度增大。环境温度降低，冲击波比冲量增大，传播速度降低，峰值超压影响不大。海拔高度在0～9 000 m范围内，每升高1 000 m冲击波峰值超压和爆炸远场比冲量分别平均降低约3.9%和3.2%。海拔升高，爆炸近场冲击波传播速度升高，爆炸远场冲击波传播速度则降低。高海拔环境下低压对冲击波峰值超压和比冲量的影响大于低温，爆炸近场冲击波传播速度取决于低压的影响，爆炸远场冲击波传播速度取决于低温的影响。     

挡墙对远场爆炸效应影响的数值模拟研究

采用二维多流体网格法,对有防护挡墙的爆炸形成的空气冲击波作了计算分析,考虑了防护挡墙距爆心不同距离时,爆炸冲击波对远场的作用及其影响,给出了一些可供工程实际参考的计算结果。     

爆炸冲击波对墙体绕射效应的研究

采用试验与数值模拟相结合的方法,对爆炸冲击波作用于防爆墙的载荷与冲击波绕过 防爆墙的规律进行了研究. 采用压力传感器测压技术获得了防爆墙前后不同距离的压力曲线. 数值模拟基于ALE方法与JWL状态方程,试验结果与数值模拟基本相符,给出了冲击波作用 于防爆墙迎爆面上的载荷并研究了冲击波绕过防爆墙详细过程. 通过综合分析,得到了爆炸 冲击波绕流的内在机理为防爆墙的设计与加固提供依据和参考.     

金属壳体装药水下爆炸的冲击波特性

为了研究装药壳体厚度对水下爆炸冲击波特性的影响,对1kg柱形含铝炸药分别在厚6mm 的钢 壳或硬铝壳装药下进行了水下爆炸实验与数值模拟研究。实验结果表明,相对硬铝壳,钢壳装药的冲击波冲 量、衰减时间常数以及冲击波能都偏大,而冲击波峰值相差不大。针对不同厚度钢壳装药的数值模拟表明,随 着壳体厚度的增加,冲击波参数明显增强,当壳体厚度超过最优值时这种效应减弱;金属壳的存在导致冲击波 峰值爬升产生滞后效应;对一定质量的炸药,存在可有效提高冲击波压力峰值的最优壳厚,填装比可以作为衡 量效果的重要指标。     

防护模型在接触爆炸作用下的破坏

根据大型舰船的多层防护结构,制作了具有多层隔舱的模型,在外层板中心分别进行了3种药量的接触爆炸。通过分析破口的形状、破坏程度来研究舰船多层防护的作用。通过试验得出,多层防护的空舱对爆轰产物和爆炸冲击波具有良好的膨胀衰减作用,液舱则对粒子流、爆轰产物和冲击波的衰减作用明显。舰船的多层防护体系对减小爆炸冲击的损伤具有重要作用。     

水下爆炸焊接和压实

回顾了水下爆炸在军事海战和经济建设方面的应用,并且探索了水下爆炸在工业方面的发展。结合水下冲击波独特的性能,提出了水下爆炸焊接和水下冲击波压实粉末混合物2种加工方法。焊接试样显微组织中典型的波状界面表明水下冲击波对于脆性和薄片材料具有很好的焊接效果。粉末混合物在水下冲击波加载作用下能形成致密体。利用水下冲击波,在纯铜表面制备出了性能优良的弥散强化涂层。涂层内部弥散颗粒分布均匀,高硬度显示了优良的机械性能。     

爆炸容器内冲击波系演化及壳体响应的数值研究

对中心装药爆炸后冲击波的产生、传播和壳体动态响应全过程进行了数值研究。认为RDX瞬时爆炸 ,爆炸近场采用自相似解 ;冲击波传播和波系演化采用PPM (the Piecewise Parabolic Method)格式求解Eu ler方程 ;壳体响应采用有限元方法求解拉氏坐标系下由虚功原理得到的动力学方程。壳体内壁面边界条件分别采用强耦合和弱耦合方法处理。结果表明 :(1)当装药量相同时 ,薄壁壳体振型比厚壁壳体复杂得多 ,振幅也大 ;(2 )当装药量不同 ,壳体厚度相同时 ,爆炸场冲击波的演化过程不同 ;(3)对少量装药 ,产生的冲击波强度低 ,壳体变形小 ,是否考虑内边界运动 ,对计算结果的影响不大 ;(4 )在本文条件下 ,爆炸容器封头顶点所受的载荷最大 ,是最易发生破坏的地方 ,侧壁与爆点所在横截面的交线 ,也易破坏。     

温压炸药能量输出结构的初步研究

为了研究温压炸药后燃反应及其对空中爆炸冲击波的影响规律,采用实验和数值模拟相结合的方 法对温压炸药能量输出结构进行了初步研究。结果表明,距爆心较近时冲击波压力时程曲线上呈现两个峰 值,而在较远处则存在较宽的正压作用区,该炸药正压作用区冲量为相同质量TNT的约1.6~1.8倍。并根 据JWL-Miller模型参数得出后燃反应释放的能量占总能量的约1/3,以及非理想组分反应度随时间的变化 关系,在完全燃烧的理想情况下,后燃持续时间可达400ms。说明温压炸药中铝粉等高能添加剂的后燃反应 对增强冲击波效应和提高炸药做功能力有显著贡献。     

微型药柱有限水域爆炸径向压力衰减规律研究

为了研究药柱水下爆炸冲击波压力的衰减规律, 通过实验研究了不同装药量微型药柱 有限水域爆炸固定距离的压力曲线, 得到装药量与峰值压力间的关系, 通过数值模拟方式验 证了实验的正确性. 在同一装药量情况下研究了药柱水下爆炸径向压力的衰减规律, 通过曲 线拟合, 得到径向峰值压力随爆心距离的衰减曲线和方程.     

用组合式电磁粒子速度计研究JOB-9003炸药的冲击起爆过程

用组合式电磁粒子速度计研究了JOB-9003炸药在不同冲击压力下的起爆过程。粒子速度计所测波形较好地反映出了炸药中冲击波向爆轰波的转变过程。对冲击波跟踪器所测波形的分析表明,冲击压力为4.9 GPa时,JOB-9003炸药冲击转爆轰的距离和时间分别为xD=6.06 mm和tD=1.13 s,当冲击压力增加到 5.8 GPa时,转爆轰的距离和时间减小为xD=5.66 mm和tD=1.01 s。     

在封闭结构中水对爆炸冲击波的削波、减压作用

采用数值方法计算了封闭矩形空间中布置在炸药周围的水对爆炸冲击波的削波作用以及对于气室压力的削减作用。计算结果显示 ,在各种不同的载荷密度和水 /药质量比参数条件下 ,冲击波峰值压力和气室压力均得到明显的削减。还计算了一个具有开口的模型隧道中水的削波作用 ,并将计算结果与实验测量数据进行了比较。