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。     

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。     

温压炸药在野外近地空爆中的冲击波规律

为了研究温压炸药在敞开空间爆炸中冲击波的规律,选取典型温压炸药制成不同量级的裸药柱进行野外近地空爆实验,同时用TNT进行对比实验,获取温压炸药与TNT的冲击波参数并拟合得到相似律公式。结果表明,温压炸药的冲击波超压峰值在中远场略高于TNT;在相同对比距离处,温压炸药的比冲量明显高于TNT,在对比距离小于2 m/kg1/3的近场,温压炸药的比冲量达到TNT的2倍。引入超压-比冲量曲线描述冲击波特征,表明当超压峰值相同时,温压炸药比冲量更大, 超压峰值在20~50 kPa的中度以下毁伤范围时,温压炸药的比冲量比TNT高40%~60%,可产生更严重的毁伤效应。冲量是爆炸冲击波的重要毁伤元素,应建立与冲量有关的方法评价温压炸药的威力。     

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。     

柱形装药条件下锥形水中爆炸激波管内的冲击波特性

锥形水中爆炸激波管是进行水中爆炸实验的一种装置,该装置能够通过较小装药量在相同距离处实现自由场水中较大装药量爆炸的冲击波峰值。为了获得柱形装药条件下锥形水中爆炸激波管内的冲击波特性,本文通过数值计算的方式,对不同圆锥角和不同柱形装药质量下锥形激波管内的冲击波传播过程进行了模拟,通过对不同工况下激波管内冲击波特性进行分析,发现其初始冲击波的衰减规律符合自由场水中的指数衰减形式,并拟合得到了与自由场水中爆炸相容的冲击波峰值、比冲量和能流密度经验公式;发现其二次脉动压力周期与炸药质量呈反常规的变化规律,并引入等效静水压深度解释了这一现象;发现其二次脉动压力幅值与初始冲击波幅值之比比自由场水中更大,而二次脉动压力的比冲量与初始冲击波冲量之比与自由场水中相当。     

冲击波反射压测量曲线的动态修正与补偿方法

为准确获取爆炸冲击波反射压测量曲线,分析了影响其峰值的三个因素:测压系统的带宽、压力测量方式和信号传输线长度;使用激波管对冲击波测压系统进行动态校准,获取其动态特性;采用改进的levy法对其动态特性进行参数化建模,设计巴特沃斯滤波器作为补偿后的系统,计算出动态补偿环节,拓宽了测压系统的工作频带,且降低了测压系统谐振频率处的幅值;对冲击波反射压测量曲线进行动态修正与补偿,发现该方法能够修正冲击波反射超压峰值,明显降低由于测压系统的动态特性不够带来的峰值误差。该研究成果能够显著提高冲击波反射压测量峰值的准确度,为武器毁伤威力评价提供技术支持。     

多相燃料空气炸药爆炸压力场研究

采用高速运动分析系统对固态燃料FAE（Fuel Air Explosive）分散、爆轰过程进行光学测量,用压电传感器等组成的压力测试系统对FAE爆炸压力场进行测量,对固态燃料FAE燃料分散、爆轰波及冲击波进行了研究。分析了气-固-液多相爆轰的特征和压力波形的特点,研究了其冲击波峰值超压及比冲量随传播距离变化的规律。在云雾区内,多相爆轰波压力波形具有多峰结构,爆炸波峰值超压及冲量为一恒定值;爆轰区外,爆轰波转变成爆炸冲击波,峰值压力和比冲量迅速衰减,得到了峰值超压、比冲量随传播距离的变化规律。     

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。     

沙墙吸能作用对爆炸冲击波影响的实验研究

在爆炸冲击波作用下沙墙快速飞散,爆炸能量转换为沙粒动能和细化沙粒的摩擦做功,因此由沙袋堆积起来组成的沙墙对强冲击波具有消波吸能作用,对爆炸实验结构起到防护作用.本文利用366gTNT当量的球形药球中心起爆,进行了沙墙消波吸能作用下密闭柱形容器承受栽荷的实验.实验结果表明:沙墙使冲击波峰值超压降低最高可达6倍,到时也明显...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Interaction of a high-speed combustion front with a closely packed bed of spheres

The head-on collision of a combustion front with a closely packed bed of ceramic-oxide spheres was investigated in a vertical 76.2 mm diameter tube containing a nitrogen diluted stoichiometric ethylene–oxygen mixture. A layer of spherical beads in the diameter range of 3–12.7 mm was placed at the bottom of the tube and a flame was ignited at the top endplate. Four orifice plates spaced at one tube diameter were placed at the ignition end of the tube in order to accelerate the flame to either a “fast-flame” or a detonation wave before the bead layer face. The mixture reactivity was adjusted by varying the initial mixture pressure between 10 and 100 kPa absolute. The pressure before and within the bead layer was measured by flush wall-mounted pressure transducers. For initial pressures where a fast-flame interacts with the bead layer peak pressures recorded at the bead layer face were as high as five times the reflected Chapman–Jouget detonation pressure. The explosion resulting from the interaction developed by two distinct mechanisms; one due to the shock reflection off the bead layer face, and the other due to shock transmission and mixing of burned and unburned gas inside the bead layer. The measured explosion delay time (time after shock reflection from the bead layer face) was found to be independent of the incident shock velocity. As a result, the explosion initiation is not the direct result of the shock reflection process but instead is more likely due to the interaction of the reflected shock wave and the trailing flame. The bead layer was found to be very effective in attenuating the explosion front transmitted through the bead layer and thus isolating the tube endplate. This paper is based on work that was presented at the 21th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Poitiers, France, July 23–27, 2007.     

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。     

近距离爆炸比例爆距的界定标准及荷载模型

如何准确界定“近距离爆炸（close-in explosion）”一直是防护工程研究领域的热点。本文中基于已被充分验证的精细化有限元模型,研究了TNT球形装药自由场爆炸冲击波传播与爆轰产物高速膨胀共同作用的特点和规律,发现在比例爆距小于0.80 m/kg1/3的范围内,爆轰产物对刚性壁面的爆炸荷载影响显著,提出球形装药近距离爆炸的比例爆距界定标准为0.30～0.80 m/kg1/3。研究发现,在近距离爆炸下,爆炸波在入射角为0°～5°范围内的刚性壁面反射荷载峰值会出现急剧下降的现象,这是由爆轰产物喷射的不均匀性和随机性导致的;近距离爆炸下,刚性壁面反射超压出现了两个峰值的现象,这是由冲击波和爆轰产物分别与刚性壁面相互作用导致的。提出了近距离爆炸情况下两个荷载峰值的计算公式,以及适合工程结构响应计算的简化荷载模型;揭示了近距离爆炸下刚性壁面反射超压的分布规律。     

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。