爆炸驱动典型活性材料能量释放特性研究

为了研究活性材料爆炸驱动反应特性，基于粉末压制成型工艺，制备了Al/PTFE、Al/Ni两种典型的活性材料及Al₂O₃/PTFE、Al₂O₃/PTFE/W惰性材料。通过爆炸驱动试验，并结合高速摄影、远红外热像仪以及峰值超压测试技术，分析了不同活性材料壳体装药爆炸火球、温度场分布及空气冲击波峰值超压等特性。同时，在炸药爆炸空气冲击波峰值超压经验计算模型中考虑了活性材料释放的化学能，分析了反应释放能量对空气冲击波的影响规律。结果表明:活性材料在爆炸驱动过程中经历了强加载条件下反应、产生碎片并向四周飞散、撞击钢板及后续反应等阶段。活性材料对炸药爆炸产生的空气冲击波具有强化作用，爆炸加载瞬间材料仅发生了部分化学反应。     

装药动爆冲击波特性研究

导弹、炮弹等战斗部爆炸时具有一定的速度，较大的运动速度会使爆炸冲击波场分布发生变化，进而对弹药的毁伤威力产生影响。本文中采用AUTODYN软件对速度分别为0、272、340、680、1 020和1 700 m/s的TNT球形裸装药在空气中爆炸的冲击波场进行了仿真计算，定量研究装药在动爆条件下的峰值超压、比冲量和正压作用时间等威力参数特性。结果表明，方位角小于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成正相关，与正压作用时间成负相关；方位角大于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成负相关，与正压作用时间成正相关。超压峰值大小沿方位角成正弦变化。最后，分析了冲击波峰值超压数据，建立了动爆冲击波超压的计算模型，该模型计算结果与仿真和实验结果吻合较好。     

泡沫材料对冲击波的衰减特性

对冲击波与开式、闭式泡沫作用及其在空气中的传播特性开展实验研究,探讨不同结构的泡沫材料对冲击波衰减的力学特征。通过定量分析泡沫材料对冲击波的超压峰值、正冲量的损失,分析冲击波入射、反射、透射的正冲量。实验结果表明, 泡沫材料对冲击波的衰减体现在对冲击波的反射衰减等方面,其中开式泡沫对冲击波的衰减效果比闭式泡沫稍好,且它们衰减冲击波的具体力学过程也不尽相同。     

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。     

FAE爆炸场超压与威力的实验研究

利用现场测试系统动态灵敏度标定技术,分别等精度测试了FAE和TNT爆炸场峰值超压。在此基础上获得了各自的爆炸波峰值超压随传播距离的拟合曲线和TNT当量比。结果表明:FAE爆炸场超压分布规律与TNT有显著区别,前者属于大体积云雾爆炸,爆炸场可划分为云雾爆轰区、云雾边缘区和冲击波作用区;在云雾爆轰区,超压平均值在2.6MPa左右,在小于2/3云雾半径的范围内比同质量的TNT低,在大于2/3的云雾半径范围则显著大于TNT;在冲击波作用区,环氧丙烷燃料的FAE爆炸超压约是TNT爆炸效果的5倍,超压均呈衰减趋势,但FAE衰减比TNT缓慢许多。     

近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能，基于LS-DYNA非线性有限元软件，建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好，证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明，相比普通混凝土夹层，泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播，大幅降低洞室内部空气的压力峰值，降低超压对人体器官的损伤，提高洞室内部人员的生存几率；采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

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。     

椭圆截面侵彻弹体爆炸特性试验研究

为研究椭圆截面侵彻弹体的爆炸特性,设计并开展了静爆威力外场试验。将质量为255 kg的弹体竖立于木质托弹架上,质心距地面高度为2 m,采用试验引信起爆弹体装药。通过航拍无人机实时拍摄整个爆炸过程,在长轴和短轴方向布置扇形效应钢板以获取破片数量及穿甲率,采用超压传感器测量距弹轴7、10和12 m处的冲击波超压,并对弹体爆炸后的宏观景象以及火球、破片和冲击波超压特性进行了详细分析。结果表明,火球演化形貌与破片散布区域关于弹体长轴和短轴呈对称分布;火球演化过程分为快速成长阶段、高温稳定阶段以及自由扩散阶段,火球尺寸在爆炸后41.7 ms达到最大,短轴和长轴方向的最大尺寸分别为21.86、19.29 m,且火球在长轴方向发生了明显的二次膨胀;短轴方向的破片尺寸小、数量多、穿甲能力强,而长轴方向的破片特性恰好相反;冲击波超压峰值、冲量及速度均随传播距离增大而不断减小。综合试验结果对比分析,认为椭圆截面侵彻弹体的非轴对称结构和非均匀壁厚对爆炸特性影响较大,是造成火球形貌及破片非轴对称分布的根本原因。     

Modulations of a weak shock wave through a turbulent slit jet

The pressure modulation of a weak shock wave induced by a Nd:YAG laser pulse when passing across a turbulent slit jet was experimentally investigated. With the slit jet the peak overpressure became smaller by an average of 12%, with a standard deviation of 27%. Clear relationships were obtained between the overpressure history and the experimentally observed shock front deformation, which was visualized as differential schlieren images. The peak overpressure was increased when the originally spherical blast wave front was locally flattened, whereas it was decreased when a hump in the shock wave front was formed.     

大断面隧道钻爆冲击波的衰减规律

隧道开挖爆破产生的空气冲击波的破坏效应，将会对人员、机具设备与周围环境造成危害。隧道钻孔爆破冲击波的影响因素比裸露药包爆炸更多、更复杂，研究其衰减规律对采取合适的防护措施意义重大。本文中开展了时速350 km双线铁路大断面隧道钻孔爆破空气冲击波的现场测试，分析了不同工况下冲击波传播规律及影响因素。结果表明:钻爆冲击波超压时程曲线存在多个不同幅值的超压波峰，波峰之间具有明显微差延时的短间隔性，传播至远场未形成稳定的单一平面波，与单一药包爆炸冲击波的传播规律存在差异；钻爆冲击波超压信号由多段与微差延时相对应的子信号叠加而成，子信号数量与毫秒延期雷管段数相同，呈现出典型的时域特征；相同爆破条件下，大断面隧道钻爆时的乳化炸药冲击波转化因数小于小断面巷道工况下的；相较于总药量及最大段药量，按掏槽药量计算的超压峰值与实测超压峰值之间的相关性最强，钻爆冲击波最大超压峰值宜按掏槽段炸药TNT当量确定；隧道内大型机械设备等障碍物改变了钻爆冲击波流场的传播规律，呈现较明显的叠加放大效应。     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。     

基于爆能等效原理大型模爆器燃气爆炸冲击加载的数值模拟

运用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA,基于多物质Euler算法,对TNT炸药和乙炔-空气混合气体两种爆炸源在自由大气场中爆炸产生的冲击波荷载特征参数进行数值模拟,比较两种爆源产生的冲击波压力传播规律。基于爆能等效原理,按超压相等的原则给出了气体爆炸名义比例距离计算公式。结果表明,基于Euler算法可以较好地描述乙炔-空气混合气体爆炸空气冲击波传播规律,爆炸压力随着距爆源距离的增大而迅速衰减,且两种爆源产生的冲击波超压峰值误差随着冲击波传播距离的增大而逐渐减小。采用名义比例距离公式修正后,气体爆炸与炸药爆炸冲击波计算误差可以得到有效控制。当爆炸冲击波超压小于0.5MPa时,可以采用乙炔-空气混合气体代替化学炸药进行模爆器内爆炸实验加载。     

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。     

空气自由场中强爆炸冲击波传播二维数值模拟

编写了适用于模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维柱对称多介质流体计算程序。利用有限体积方法求解流体的Euler方程组,采用level set方法捕捉爆炸产物与空气的运动界面,并通过求解物质界面两侧Riemann问题的精确解来计算爆炸产物与空气之间的数值通量。研制了三角形网格自适应技术来实现网格的自动加密和粗化,在保证捕捉激波峰值的前提下有效地提高了计算效率。利用计算程序对1 kt TNT当量的空气自由场强爆炸问题进行数值模拟,计算得到的峰值超压、冲击波到达时间等物理参数与点爆炸理论结果基本一致。     

Macro-mechanical modeling of blast-wave mitigation in foams. Part III: verification of the models

Three different approaches to macro-mechanical modeling of blast-wave mitigation in foam namely: the single-phase effective gas flow model, the two-phase mixture model and the single bubble/shock wave interaction model are critically reviewed. The nature and extent of the approximations inherent in the formulation of the first two models were examined in Part I of this study. In this part, the applicability of the aforementioned approaches is verified based on a comparison of experimental pressure records obtained in shock tube tests with the results of numerical predictions that used the models under consideration. Deficiencies and inconsistencies that are found during this comparison are clarified and possible improvements are suggested. It is emphasized that both the single-phase and the two-phase approaches predict well the refraction of the incident shock at the air/foam interface while they do not uniquely determine the relaxation process and the shape of the transmitted shock wave front. Various flexibilities that are exploited to better describe the inter-phase interactions do not improve the results significantly. The single bubble model is examined with particular attention paid to the manner in which it predicts the shape of the shock wave front. Connections between the flow viscosity and the transient dynamics of the bubble compression that occur at scales of the shock wave front thickness are explored.     

固态燃料小型FAE装置空中爆炸场效应分析

通过一次引爆固态复合粉尘燃料小型FAE装置与等质量TNT在自由空间的爆炸对比实验,获得了不同距离的峰值超压值,并运用粉尘爆炸下极限浓度对云雾爆轰区半径进行了估算。结果表明,固态燃料小型FAE装置空爆峰值超压分布规律不同于TNT,云雾爆轰区内的峰值超压不呈现单调减的特征,而是在有限范围内呈现波动趋势;云雾爆轰区外的峰值超压随距离增大迅速衰减,但固态燃料小型FAE装置的峰值超压大于相同距离处等质量的TNT。高速摄影观测结果显示,固态燃料小型FAE装置爆炸的化学反应持续时间大于等质量TNT。     

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。     

Optical measurement and scaling of blasts from gram-range explosive charges

Laboratory-scale experiments with gram-range explosive charges are presented. Optical shadowgraphy and high-speed digital imaging are used to measure the explosive-driven shock-wave position as a function of time. From this, shock Mach number-versus-distance from the explosion center can be found. These data then yield the peak overpressure and duration, which are the key parameters in determining the potential damage from an explosion as well as the TNT equivalent of the explosive. Piezoelectric pressure gage measurements of overpressure duration at various distances from the explosive charges compare well with theoretical calculations. A scaling analysis yields an approach to relate the gram-range blast to a large-scale blast from the same or different explosives. This approach is particularly suited to determining the properties and behavior of exotic explosives like triacetone triperoxide (TATP). Results agree with previous observations that the concept of a single TNT equivalence value is inadequate to fully describe an explosive yield, rather TNT equivalence factor and overpressure duration should be presented as functions of radius.      

爆炸容器内小药量实验动态标定压力传感器

在爆炸容器中进行小药量空中爆炸实验, 利用传感器序列测量冲击波速度, 根据冲击波Rankine-Hugoniot关系获得测点近似理论峰值压力, 从而实现压力传感器的标定, 获得的灵敏度相对误差较小。同时测量了相应的冲击波参数, 并利用Modified-Friedlander公式进行数据后处理, 结果表明固定超压拟合更接近物理事实, 固定正相时间拟合也具有较高精度。最后进行了误差分析, 发现不同传感器特性及数据后处理方法都会带来一定误差。实验结果表明这种测量和后处理方法具有较高的精度, 可以同时标定传感器和测量冲击波参数。     

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。