夹层聚能装药作用过程的数值模拟

基于凝聚炸药冲击起爆的Lee-Tarver模型,利用AUTODYN有限元计算软件对夹层聚能装药作用过程进行了数值模拟。分别对夹层聚能装药爆轰波形传播过程及其特性参数进行了数值计算,对典型聚能装药采用单一结构装药、夹层装药的射流成型过程进行了数值研究,最后对不同爆速炸药匹配关系的夹层聚能装药射流参数进行了计算分析。计算结果表明,相对于单一结构装药,夹层装药射流头部速度提高了20%,夹层聚能装药能有效提高聚能金属射流头部速度、提高侵彻深度、增加炸药装药的作功能力。     

爆破中双线型聚能药包最佳成缝角度

为探究聚能张开角对双线型聚能药包结构炸药有效利用率和聚能效应的影响，通过瞬时爆轰假说理论对有效聚能炸药边界方程进行推导，分析不同聚能张开角聚能装药结构炸药的有效利用率；通过水泥砂浆物理模型试验，研究不同聚能张开角预裂孔成缝规律；采用LS-DYNA数值模拟软件，建立不同聚能张开角数值模型，揭示不同聚能张开角的双线型聚能结构药包射流的侵彻过程。研究结果表明聚能张开角为75°时，炸药产生聚能效应的有效利用率最大；聚能结构药包聚能槽张开角为75°时，预裂孔成缝效果明显优于聚能槽张开角为60°的聚能结构药包，沿聚能槽方向应力集中效应和侵彻深度最佳，炮孔壁上岩石单元最先达到应力峰值。针对聚能张开角为75°的双线型聚能结构药包开展了不同岩性预裂爆破现场试验，板岩和白云岩两种不同岩性，在孔距增大20%的条件下，双线型聚能预裂爆破效果优于常规预裂爆破。     

聚能药包在岩石定向断裂爆破中的应用研究

以爆炸动力学、岩石断裂力学理论为原理,对聚能药包用于岩石定向断裂爆破时导向裂缝的形成,裂纹的起裂、扩展和贯通进行了初步研究,同时对该方法的爆破参数进行了设计,并通过现场进行试验验证其正确性。结果表明由聚能射流形成的切缝有明显的定向作用,使爆生气体的能量沿预定方向集中,裂纹的定向断裂控制效果良好,表明该方法是一种比较理想的断裂控制爆破技术。最后指出了该方法目前需要进一步研究的方面。研究成果对相关理论研究和现场应用均有一定的指导意义。     

一种新型聚能破甲弹的应用研究

基于能量利用的观点提出一种新型聚能破甲弹装药结构，对其破甲性能进行研究；在进行射流与弹丸的成型过程和破甲机理理论分析基础上，采用静破甲实验对该破甲弹装药结构的关键参数和大、小锥角聚能罩材料之间匹配关系对破甲效果影响进行了系统研究．实验结果表明：在各自最佳炸高条件下，该新型聚能装药结构比EFP装药结构，在保持相当穿孔孔径、同等装药和壳体约束条件下，可以提高穿深达50％左右；进一步深化和丰富了聚能效应内涵．     

聚能爆破在岩石控制爆破技术中的应用研究

聚能爆破技术是岩石控制爆破技术中有待开发的领域.根据爆炸力学、岩石断裂力学理论,从当前控制爆破面临的问题入手,对线性聚能药包(Linear shaped charge)在岩石定向断裂爆破中裂纹的产生及扩展进行了研究,并利用自制线性聚能药包在巷道掘进中进行了工程试验.试验结果表明由聚能药包岩石定向断裂爆破有明显的定向作用,裂纹的定向断裂控制效果理想,经济和社会效益明显.     

一种新型聚能战斗部

根据能量利用的观点提出了一种将聚能射流与爆炸成型弹丸相结合的新型聚能战斗部装药结构,在此基础上,运用系统的静破甲实验研究了该战斗部装药结构关键参数对破甲效果的影响。实验结果表明:保持穿孔孔径相当和同等装药条件下,该聚能装药结构比普通EFP装药结构穿深可提高约50%,小锥角聚能罩采用裂锥型是一个更好的选择。利用等效药量法对小锥角聚能罩的最大底面半径进行了工程计算。实验和计算结果表明该新型聚能战斗部有较大发展潜力。     

一种新型聚能战斗部的实验研究

本文根据能量利用的观点提出了一种新型聚能战斗部装药结构,指出开展其研究的重要价值;并对其射流与弹丸的成型过程和破甲机理进行了理论分析,在此基础上进行了系统的静破甲实验,并对该战斗部装药结构的一些关键结构参数(例如空孔孔径、炸高、小锥角聚能罩底面直径和锥角角度)和大、小锥角聚能罩材料之间的匹配关系对静破甲效果的影响进行了系统的分析研究。实验结果表明:在各自最佳炸高条件下,该新型聚能装药结构比普通EFP装药结构,在保持相当穿孔孔径、同等装药和壳体约束条件下,可以提高穿深达50%左右。进一步深化了聚能效应的内涵和丰富了打击目标的手段。     

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应，开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验，使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程，并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟，通过调整流固耦合的网格大小，避免了耦合泄漏。实验结果表明，火箭发动机受到射流冲击后，会发生剧烈爆炸，推进剂完全反应，破片速度达4 700 m/s以上，距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa，爆炸中心温度达到3 000 ℃以上，该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示，射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后，射流头部的尖端被严重烧蚀，且速度降至约5 600 m/s；推进剂在受到射流侵彻1～2 mm后，发生剧烈反应；爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播，并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂，发生装药的二次冲击起爆，同时伴有回爆现象，在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰；距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa，与实验结果吻合较好。     

不同耦合介质爆破爆炸能量传递效率研究

不耦合装药爆破可有效降低孔壁峰值压力,改善爆破效果。针对不同耦合介质爆破时爆炸能量的传递问题,考虑岩体应变率效应,理论分析了爆炸作用下岩体变形及破坏特征,得到不同耦合介质爆破时理论爆炸能量的传递效率,并结合数值模拟研究了岩体性质、炸药类别及不耦合装药系数对不同耦合介质爆破时爆炸能量传递效率差异的影响。研究结果表明,爆炸能量传递效率与耦合介质相关,装药结构相同时,水耦合爆破比空气耦合爆破爆炸能量传递效率高;不同耦合介质爆破爆炸能量传递效率的差异受爆破岩体、炸药性质及不耦合装药系数等因素影响;装药系数相同耦合介质不同的爆破,岩体强度越高,不同耦合介质爆炸能量传递效率差别越大;岩体性质相同时,不同耦合介质爆破间能量传递效率差异随不耦合装药系数的增大而增大,对于乳化炸药在粉砂岩中的爆破,不耦合装药系数由1.28增至3.44时,水耦合爆破传递入周围岩体的能量由空气耦合爆破的1.45倍增至6.52倍。研究结果可对优化爆破设计、改善爆炸能量分布提供参考。     

包覆板材料为陶瓷时平板装药的防护性能

运用口径36mm的精密成型装药实验,研究了等效厚度相同的碳化硅和氧化铝陶瓷平板装药的防护性能,并与包覆材料为钢的平板装药进行了对比。运用LS-DYNA3D软件,对平板装药与聚能装药的作用过程进行了三维数值模拟。实验结果显示,对于此结构的平板装药,碳化硅和氧化铝陶瓷平板装药使聚能装药侵彻能力分别下降了88%和82%,优于钢板的防护性能。数值模拟结果显示,陶瓷包覆板从边缘至中心依次出现断裂和粉碎现象,钢板与射流后部作用为断续干扰,而陶瓷板为连续干扰。     

聚能装药水下爆炸冲击波和侵彻体载荷作用时序研究

聚能装药水下爆炸过程中会产生高速聚能侵彻体和强间断冲击波等多种毁伤元。由于聚能侵彻体和冲击波的作用时间接近，且聚能装药水下爆炸作用时序的理论并不完善，因而认识两者的作用时序对聚能型战斗部作用下舰船结构的毁伤研究具有重要意义。首先，基于接触爆炸理论和牛顿第二定律，推导药型罩压垮后加速度和速度公式的基本形式。随后，基于欧拉控制方程，建立聚能装药空中和水下爆炸数值模型，得到装药和药型罩交界面处压力时程曲线，定量地确定药型罩压垮的加速度和速度公式，通过理论公式可解决不同炸高下聚能侵彻体和直达冲击波先后到达目标的问题。为了验证理论公式的可靠性，讨论了空气域长度为5倍装药半径时的复杂工况，数值模拟结果和理论推导结果基本一致：当空气域长度为5倍装药半径时，炸高在3倍装药半径之外，冲击波先于侵彻体。提出了药型罩压垮的加速度和速度理论公式的形式和求解聚能侵彻体和冲击波作用时序问题的思路，为分析聚能装药水下爆炸聚能侵彻体和冲击波的作用时序提供了理论依据。     

分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律

为探究分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律，采用数字图像相关分析方法与电子计算机断层扫描实验方法，分析了孔内分段装药爆炸全场应变传播规律，建立了爆后“岩石—爆炸裂隙”的三维重构模型，描述了爆炸裂纹位置与形态的空间分布情况，得到岩石材料爆炸裂隙的分形维数与损伤度。研究结果表明：分段装药改变了连续装药对介质的全场应变形态，由一次应变改变为两次应变，在满足第一段炸药对介质的破坏作用下，同时加大了第二段炸药对介质的作用效应；上分段装药占比0.4时，下分段介质受爆炸作用应变峰值更大，更好满足工程实践中下半段岩体对爆炸能量的需求；相同装药系数下，连续装药结构爆炸裂纹没有贯穿试件整体，炮孔封堵段的爆炸裂纹较少，分段装药结构下，由于提高了炸药的位置，使得上部分岩体能够更好地利用炸药爆炸的能量破碎岩石；分段装药岩石整体损伤度较连续装药提高了23.5%，其中上分段岩石损伤差异较大，分段装药上分段损伤度比连续装药提高46.4%。     

间隔靶对射流侵彻影响的数值模拟和实验研究

对某聚能装药射流侵彻靶板的过程进行了数值模拟 ,得出其碰撞点附近应力分布与传统理论相符 ,侵彻深度与实验结果及工程计算结果基本相符 ;分别对该聚能装药侵彻连续靶和间隔靶的过程进行了数值模拟 ,数值模拟结果显示间隔靶的侵彻深度明显低于连续靶的侵彻深度 ,这说明侵彻开坑阶段的能耗侵深比远大于准定常阶段。为了验证间隔靶对射流侵彻的影响 ,用另一聚能装药分别对连续靶和间隔靶进行了侵彻实验 ,并排除了炸高的影响。实验结果也表明 ,间隔靶对射流侵彻的确存在着不利影响。还结合数值模拟及实验结果对传统的侵彻公式进行了修正。     

断裂控制爆破开采石材机理的研究

本文通过不耦合装药爆炸后形成的动应力场和准静态应力场的理论及有限单元法计算,对断裂控制爆破开采石材的机理进行了分析研究,并做了实验验证。结果表明:当选用合适的炸药并采用一定形式的不耦合装药时,炸药爆炸形成的冲击波对周围岩石不发生破坏,同时依靠炸药爆炸后形成的准静态高压气体,可使岩石沿孔间连线方向形成整齐的断裂面,运用这种机理可成功地在开采石材中归纳总结出爆破参数,推动我国石材工业的发展。     

螺旋管聚能药包根底光面爆破机理研究及应用

针对现阶段光面爆破存在的根底不平整问题以及炸药能量利用率低的问题，提出了一种螺旋管聚能药包。为探究药包的破岩机理，采用LS-DYNA数值模拟和钻孔爆破试验相结合的方法研究了此药包的破岩机理。数值模拟结果表明，螺旋管聚能药包能形成连续金属射流侵彻炮孔孔壁，孔壁被侵彻出垂直炮孔方向的裂缝。用普通柱状药包和此药包进行钻孔爆破对比试验，结果表明，螺旋管药包试样的残留炮孔孔壁有螺旋形侵彻缝，印证了数值模拟的侵彻结果。并且相比于普通柱状药包，其炮孔利用率提高7.2%、扩孔率提高8.4%。将此药包应用于舟山绿色石化基地围垦区，结果表明，螺旋管药包爆破区域根底高度平均比普通装药低14 cm，根底高度标准差比普通装药小12 cm。研究成果在爆破工程应用中有很大价值，可以降低施工成本、加快施工进度、提高爆破效果，适合在矿山开采、井巷掘进等工程中使用。     

楔形罩线型聚能装药侵彻钢锭

为了获得楔形罩线型聚能装药射流侵彻钢锭的特点和规律,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了三维数值计算模型,并进行了数值模拟。在此基础上,进行了实际的切割实验:对于某一炸高条件,切割深度随时间的增加先快速增加,后缓慢增加;对于不同的炸高,切割深度随炸高的增加而缓慢增加,当炸高为40~60 mm和70~120 mm时,侵彻深度表现出对炸高的不敏感性;同时,获得了不同炸高条件下不同时刻的钢锭切口断面形状。结果表明,数值模拟和切割实验结果有很好的一致性,可以用该三维数值计算模型模拟实际切割器侵彻钢靶的过程,并获得其特点和规律。     

小不耦合系数装药爆破孔壁压力峰值计算方法

基于轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法的相关研究,充分考虑空气冲击波的传播与爆轰产物膨胀的过程,理论分析了小不耦合系数装药爆破过程中空气冲击波与炮孔壁的相互作用,建立了三维空气介质径向不耦合装药单孔爆破有限元模型,研究了工程爆破中常用的多种小不耦合系数装药组合工况下,炸药单点起爆后的炮孔壁压力峰值,并获得了相应工况下的孔壁压力峰值较爆生气体准静态等熵膨胀压力的压力增大倍数。结果表明:小不耦合系数装药爆破过程中,爆轰产物参数会对空气冲击波波后物质参数产生显著影响,揭示了小不耦合系数装药爆破与轮廓爆破在孔壁压力峰值计算方法上的本质差异;柱状装药结构爆轰波沿轴向传播使得空气冲击波撞击炮孔壁时存在叠加效应,孔壁压力峰值也相应增大,通过统计分析不同炸药类型、不同岩石类型工况下压力增大倍数与不耦合系数的关系,发现压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长;基于理论推导结果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式,综合考虑炸药性能、孔壁岩石介质条件、不耦合装药系数对空气冲击波撞击炮孔壁后压力增大倍数的影响,提出了不耦合系数较小时爆破孔壁压力峰值计算方法。     

爆轰波碰撞聚能无网格MPM法数值模拟

爆轰聚能经常被应用于工程爆破切割,为了探索新的聚能爆破形式,本文应用无网格MPM法对圆柱筒装药和导爆索多点起爆形式的爆轰波碰撞聚能问题进行三维数值模拟,采用显式积分算法完成爆轰波形成和汇聚过程以及爆轰压力场分布的数值计算,并将数值模拟结果与实验结果做了对比分析。由此验证了无网格MPM法的准确性,也为炸药聚能爆破提供了新的思路和高效的操作方法。     

炸药类型对富铁矿爆破效果影响的试验研究

为探究炸药类型对铁矿石爆破效果的影响，选用相同药量的3种炸药对铁矿石试样进行爆破试验。对比研究了不同炸药爆炸作用后试样表面裂纹分形维数和碎块块度分布特征，进而对试样的破坏程度和爆破效果进行了定量的对比与评价。同时，从爆炸应力波叠加、能量释放与传递角度，对爆破效果的差异进行了理论分析。研究结果表明:（1）松散装药以及混合装药均会导致爆源相同距离处爆炸应力场分布的均匀性变差；（2）炸药爆热越大、炸药铁矿石波阻抗匹配程度越高，炸药爆炸后释放的能量越大且能量传递效率越高，铁矿石破坏程度越大；（3）爆破工程中炸药选型时，应重点考虑炸药密度、爆热和爆速3个参数，选择与矿（岩）体波阻抗匹配程度高且爆热合适的炸药，使得爆破后产生的大块和小块均较少。     

聚能射流侵彻的一种耦合算法

介绍了一种能有效模拟聚能射流侵彻过程的计算方法，即二维数值解和解析解相耦合的方法。实际应用表明，此方法计算结果准确可靠，经济省时，其软件是聚能装药优化设计的实用工具。