一种基于Hugoniot关系的爆轰产物等熵状态方程

对136组不同炸药的爆轰产物压力-粒子速度实验数据进行分段拟合,得到一个过C-J点的爆轰产物Hugoniot经验关系;对该经验关系进行Riemann积分,得到一个描述爆轰产物压力相对比容关系的爆轰产物等熵状态方程,该方程的参数仅为炸药的初始比容和C-J状态量,与传统经验等熵状态方程相比,不需要进行实验标定,因此可节约标定方程的实验成本和计算成本。为验证方程的合理性,采用该方程在压力相对比容平面上给出了Comp-B、HMX、PETN、ANFO、TNT以及LX-14炸药的爆轰产物等熵膨胀曲线,发现与采用JWL状态方程给出的相应炸药爆轰产物等熵膨胀曲线符合较好。     

金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。     

含缺陷厚壁圆管爆轰膨胀断裂的数值模拟

将金属圆管受到炸药爆轰产物产生的冲击压力简化为直接施加在圆管内壁的压力,通过数值模拟对比分析了计及圆管厚度方向的含缺陷圆管的应力分布影响趋势.结果表明,圆管外表面的缺陷对沿壁厚方向的应力集中影响非常明显,即使只有不到厚度尺寸1/100的微缺陷,圆管最大的等效塑性应变显著增加,甚至可以超出无缺陷时数十倍.这种应力分布造成了圆管从外表面宏观可见裂纹产生到完全贯穿长达十余微秒的断裂过程,从而影响到圆管膨胀断裂实验获得的损伤参数定义的有效性.     

爆轰产物压力势能缓释方法研究

为扩大脉冲爆轰技术的应用领域 ,抑制其振动、噪声等不利因素 ,提高能源转换效率的可能性 ,本文通过实验和数值计算 ,研究了单次爆轰产物通过孔盘将压力势能缓慢释放到相邻腔体的现象。实验在长 2m、内径 40mm的爆轰管中进行 ,数值模拟采用自适应的有限体积方法和有限速率化学反应模型。实验和数值模拟分析的结果均表明 ,在爆轰管与相邻腔体之间放置孔径适当的隔离孔盘 ,可以使爆轰产物的压力势能逐渐地传递到腔体内 ,造成随时间逐渐上升的压力分布。     

45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应

采用前照明高速分幅照相技术拍摄到在爆轰加载下45钢柱壳表面裂纹生成、扩展及产物泄漏过程的清晰图像,较准确地测量了膨胀断裂的时间与应变。 45钢柱壳在炸药爆轰加载下,断裂应变随应变率的增加而增加,当应变率达到一定值,断裂应变随应变率的增加而降低,出现了动态断裂中的塑性峰现象。     

基于非平衡多相模型的含铝炸药爆速研究

通过对爆轰反应区中铝粉压力、温度弛豫时间的计算,发现爆轰产物压力是平衡的,温度是不平衡 的。对传统CJ模型进行了改进,考虑爆轰产物的多相性和产物温度间的非平衡性,提出了一种新的计算含 铝炸药爆速的模型。采用该模型对几种含铝炸药的爆速进行了计算,并与已有的实验数据进行了对比,计算 结果优于传统CJ模型,与实验的误差在2%以内。     

爆轰产物组成和爆轰参数计算方法的理论研究

为实现爆轰产物组成和爆轰参数的计算,采用拉格朗日乘数法和牛顿迭代的方法预测爆轰产物组成,利用BKW状态方程预测爆轰参数,在0~600 GPa和300~15 000 K压力温度范围内选取金刚石作为碳的生成相;对爆轰产物系统采用最小自由能原理,结合牛顿迭代法求解爆轰产物的化学平衡方程组;对BKW状态方程参数提出修订,取α=0.5,β=0.298,θ=6 620,κ=9.50;采用自编程序实现计算过程。使用此方法和Hugoniot关系计算密度为1.77 g/cm3的PETN爆轰CJ点爆轰参数验证计算精度,结果显示计算与实验结果的误差均小于1%。利用此方法结合Hugoniot关系预测出爆轰CJ点的产物密度为2.43 g/cm3。     

炸药爆轰驱动水的初期过程

采用高速转镜分幅相机,利用阴影照相技术研究了PBX-01炸药爆轰产物在水中的初期演变过程, 获得了爆轰产物与水界面在不同时刻的图像。利用LS-DYNA程序对该实验进行了数值模拟,得到了水中冲 击波迹线、炸药爆轰产物与水界面随时间膨胀的位置、速度。数值计算结果与实验结果具有较好的一致性,所 得参数可为进一步设计改进实验提供参考。理论分析表明,水在爆轰产物作用下的最高瞬间温度约342K, 未到达水在实验压力条件下的相变汽化温度。     

含铝炸药水下滑移爆轰实验研究

为了研究含铝炸药水中爆炸近场范围内沿装药径向的冲击波特性及爆轰产物的膨胀规律,设计了水下滑移爆轰实验装置。采用高速扫描相机和阴影照相技术记录了一种RDX基含铝炸药的水下滑移爆轰过程,获得了清晰的水下滑移爆轰过程的扫描图像。通过对图像进行分析,得到了水中爆炸近场范围内沿装药径向冲击波的传播迹线及爆轰产物气泡的膨胀迹线,进而分析出冲击波传播速度、阵面压力及爆轰产物气泡的膨胀位移等参数的变化规律。此外,根据气泡的膨胀迹线,标定了该含铝炸药爆轰产物的JWL状态方程参数,并将其与Φ50mm圆筒实验确定的参数值在p-V图上进行了对比。结果显示,两者偏差较小,证实了该方法的可行性。     

炸药爆轰产物驱动不可压缩刚粘塑性柱壳的运动

从质量和动量守恒关系出发 ,结合炸药爆轰产物压力剖面的分析和假设 ,导出了不可压缩刚粘塑性柱壳在柱面散心和聚心爆轰产物推动作用下的运动方程。应用该方程式计算爆轰驱动柱壳的运动与实验结果及动力有限元程序DYNA2D的数值模拟结果十分接近 ,说明散心爆轰波场合波后产物流场可用柱面Taylor波的近似解合理描述 ,有限初始半径聚心爆轰波后产物流场可用平面Taylor波近似描述。     

强爆轰驱动飞片的数值模拟研究

在一维流体动力学程序中,使用了JWLT状态方程,对强爆轰驱动飞片的实验模型进行了数值模拟研究,得到了炸药爆轰产物的压力和密度分布,验证了强爆轰的存在,同时得到了二级飞片自由面的速度曲线,与实验测量结果符合较好,为解释实验结果和设计新的强爆轰实验提供了计算依据,同时验证了程序的正确性。     

一类爆轰合成用乳化炸药的爆轰反应特征

结合热分解特性、爆轰产物状态及数值计算探讨所制备的含Fe、Mn(Zn)元素乳化炸药的爆轰反 应特征。对该系列乳化炸药及其爆轰产物分别进行DSC和DTG实验、XRD检测和TEM 表征,通过比较不 同类型炸药及其爆轰产物的热分解特征、爆轰产物的成分和形貌、晶型畸变度等研究该类炸药爆轰反应特征; 并通过数值计算研究和佐证了不同温度和压强状态下,爆轰固体产物可能存在状态。结果表明:硝酸铵有利 于炸药爆轰时形成相对比较均匀和平稳的爆轰反应结构,而这种结构有利于可重复性合成比较单一和均匀 的爆轰产物。高密度炸药的爆轰产物比低密度炸药的相对纯净。低密度炸药不完全爆轰,导致了爆轰产物杂 质较多;数值计算结果表明,爆轰固体产物分布相图可以辅助分析爆轰固体产物可能存在状态及Mn(Zn)的 爆轰合成机制。     

爆轰加载下金属壳体膨胀断裂应变的测定方法

简要介绍了爆轰加载下金属柱壳膨胀断裂应变的传统测试方法,探索性地提出了由晶粒尺寸变化推算断裂应变的细观方法和利用锰铜计测试破片碰靶压力脉宽推算断裂应变的压力脉宽法。对几种测试方法进行分析比较,指出各方法的优点及局限性,提出利用速度历史来确定壳体断裂应变的测定方法。     

爆轰产物状态方程的水下爆炸反演理论研究

由于水下爆炸过程中爆轰产物的信息以水中压缩波形式向外传递，本文旨在探讨如何利用水下爆炸试验数据确定爆轰产物的状态方程。相较于常规圆筒试验，水下爆炸试验具有装置简单成本低、装药尺寸限制少、测定压力范围更广的特点，更适用于大药量或非理想炸药的现场测试。本文从水中冲击波轨迹和波后压力时程曲线出发，发展了由冲击波及其波后流场还原水气界面的逆特征线算法，以及根据水气界面确定爆轰产物状态方程的遗传算法。与水下爆炸正演结果对比，发现逆特征线法可以较准确地还原水气界面的位置和压力参数，有效压力下限可达2 MPa，远低于圆筒试验的测试下限0.1 GPa。根据水气界面的反演结果，遗传算法也能稳定地优化JWL方程参数，8种常用炸药的等熵衰减压力误差在爆压至0.01 GPa的区间内都小于3%。结果表明，利用本文的逆特征线算法和遗传算法，理论上可以反演出压力范围较宽、准确性较高的爆轰产物状态方程。     

CL-20/HMX共晶冲击起爆模拟

采用非平衡分子动力学方法模拟了CL-20/HMX共晶炸药冲击压缩和化学反应行为，获得了密度以及粒子速度的时空分布、冲击雨贡纽、冲击起爆压力、爆轰压力等数据，以及主要中间产物和稳定产物分布。模拟结果显示，共晶的初始分解路径是CL-20中N—NO₂键断裂，主要稳定产物是N₂、CO₂和H₂O。CL-20和HMX的分解速率随着冲击波速度的增加而增加，并且逐渐接近，但各冲击条件下CL-20分子的衰减速率均大于HMX。     

铝粉/氢气/空气混合爆轰现象试验研究

混合爆轰现象既包含气相反应又包含两相反应,具有复杂性和多样性.爆轰推进技术在新领域的突破性应用与发展,依赖对爆轰现象的深刻认识.文章采用卧式爆轰管开展铝粉/氢气/空气混合爆轰试验,将μm和nm量级的球形铝粉与当量比的氢气和空气通过扬尘充分混合,在长13 m和直径224 mm的管内直接起爆混合物.试验中观测到不同种类的混合爆轰波,包括双波面和单波面结构.通过对爆轰燃气中铝粉点火燃烧特性的分析,阐明了两相反应对铝粉/氢气/空气混合爆轰波结构的直接影响.粒径100 nm和1μm时,混合爆轰呈现单波面结构,对比气相爆轰爆速和压力峰值都有增加,铝粉点火释热开始于声速面之前.粒径20μm和40μm铝粉点火较慢,混合爆轰呈现出双波面结构,气相反应释热支持第一道波,而铝粉燃烧支持第二道波.粒径10μm时,测得爆轰波压力曲线是单波峰,峰值压力有大幅提高,但是爆速并没有增加.其本质是两波面距离很近的双波面结构,由于传感器空间辨识能力的不足而无法在压力曲线中区分.混合爆轰试验结果充分解释了铝粉/氢气/空气混合爆轰现象,反映了铝粉在复杂条件下的燃烧特性,并且明确了铝粉的点火燃烧特性对混合爆轰现象的影响机理.     

内爆炸爆轰产物运动过程二维数值模拟研究(一)——密闭空间

为了研究密闭空间内爆炸爆轰产物运动规律,采用五阶WENO有限差分格式,通过耦合求解爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程,自主编写了密闭空间内炸药爆炸过程二维数值计算程序。利用所开发的程序数值探讨了密闭空间内爆轰产物的传播过程及炸药形状、产物状态方程对爆轰产物运动的影响规律。研究表明:炸药形状的差异不仅改变了爆炸初期爆轰产物的膨胀形态,同时也改变了爆轰产物与周围空气的后期混合状态。状态方程对产物运动过程同样具有一定的影响,JWL状态方程中高压项可使得爆炸初期产物具有更大的膨胀能力。本文的研究可为进一步探讨考虑燃烧效应后爆轰产物扩张过程及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

爆轰波对碰区产物驱动金属圆管的研究

利用闪光X光照相、光学高速分幅照相实验,测得了金属圆管在两个爆轰波对碰后产物驱动外壳的膨胀、变形过程,该过程表明爆轰波对碰作用使得对碰处金属圆管相对贯穿断裂时间明显提前,对碰处金属圆管径向膨胀速度较非对碰处明显增加。利用拉格朗日二维流体动力学程序TTD2C,数值模拟了对碰驱动过程,计算结果与实验结果符合很好,且用Taylor断裂判据得到的金属圆管相对贯穿断裂时间也明显提前。     

JB-9014炸药超压爆轰产物的状态方程

根据P.K.Tang等提出的对炸药爆轰产物超压状态方程建模时只对JWL状态方程CJ等熵线中 高压指数项做修正的研究思路,首先给定超压状态下内能等熵线的修正项,再根据热力学定律对内能等熵线 求微分而得到沿压力等熵线的修正项。对JB-9014炸药超压爆轰冲击Hugoniot实验数据和声速实验数据同 时进行拟合,得到了3个JWL状态方程在超压爆轰状态下的修正项,并进行了分析与比较。得到超压修正项 的方法简单,3组超压修正项与P.K.Tang的修正项一样,都能很好地拟合超压Hugoniot数据。在实验数据 范围外,对超压状态下的声速-压力实验数据的拟合精度有所差别。     

不同热处理条件下45钢柱壳的动态性能

以不同热处理条件下的45钢作为研究对象,利用高速摄影和金相分析来研究45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂特性,以及不同热处理条件对材料的动态断裂性能的影响。结果表明:随着回火温度的升高,45钢强度减小、静态延伸率增大,爆轰加载时柱壳表面裂纹产生及发生贯穿断裂而导致产物泄漏的时刻逐渐推迟,相应应变逐渐增加,同时回收到的破片尺寸逐渐增大;四种45钢的静态力学性能及动态断裂性能有明显差异,是因为不同热处理条件下,材料细观组织的结构、组成均发生较大变化,即材料的细观组织决定了材料的静态力学性能及动态断裂性能。