射孔弹爆轰波间干扰的有限元分析

通过有限元显式动力分析程序的显式算法,对石油射孔弹顺序起爆后弹间爆轰冲击波干扰的过程进行了2维数值模拟,并考虑了弹体对弹间干扰的影响,对模拟结果进行了讨论;分析了影响高孔密射孔技术的弹间干扰产生的原因,主要是爆轰冲击波的压力场受到不同程度的干扰,致使初始爆轰波形破坏.计算结果与已有的物理现象和规律吻合,说明该计算模型和...     

Dynamics of oblique detonations in ram accelerators

Time-accurate numerical simulations are used to study the dynamic development of oblique detonations on accelerating projectiles in ram accelerators. These simulations show that the oblique detonation can be stabilized on the projectile. The high pressure generated behind the detonation can result in accelerations up to 10⁶G and propel the projectile to velocities higher than 4.0 km/s. The detonation structure on the projectile is sensitive to the projectile geometry. A small change in the projectile shape is sufficient to alter the overall detonation structure and significantly affect the pressure distribution on the projectile. In order to maximize the thrust, an appropriate projectile shape has to be chosen to generate the detonation structure just behind the widest part of the projectile body. The projectile acceleration also has strong effects on the flow field and the detonation structure. During the acceleration, the location of the oblique detonation moves upstream from one reflected shock to another. However, one the detonation is stabilized behind the upstream shock, it remains at the new location until the transition to the next upstream shock occurs. In the simulations, the Non-Inertial-Source (NIS) technique was used to accurately represent of the projectile acceleration. Also, the Virtual-Cell-Embedding (VCE) method was employed to efficiently treat the complex projectile geometry on cartesian grids.     

驻定斜爆轰波并行数值模拟

采用多组分化学反应Euler方程组对驻定在高速飞行弹丸上的斜爆轰波流场进行了数值模拟。计算中分别采用TVD格式和基元反应模型,并基于并行编程模型MPI（message passing interface）实现了非结构网格上的并行计算,对流项和化学反应项用时间分裂法进行处理。计算结果表明并行计算能有效地提高计算速度,扩展计算规模,为进一步研究超驱爆轰推进技术奠定基础。     

半穿甲弹设计及穿甲实验研究

为提高半穿甲弹的穿甲能力,设计了一种贫铀半穿甲实验弹。对实验弹的飞行稳定性进行了理论分析及数值模拟,两种方法计算得到的实验弹稳定储备量基本吻合,且能够满足实验弹的飞行稳定性要求。采用100mm滑膛炮,开展了贫铀半穿甲弹侵彻装甲靶板实验。实验结果表明,实验弹飞行稳定,与理论分析及数值模拟结果一致;实验弹在25°倾角下贯穿三层20mm厚GY4装甲钢,且回收到的弹体基本完好。通过对实验后的实验弹和靶板进行分析,认为贫铀半穿甲弹的穿甲能力较强。     

爆炸载荷作用下铀气溶胶形成机理研究

针对铀材料在爆炸载荷作用下形成放射性气溶胶的过程,采用光滑粒子流体动力学方法开展了数值模拟和实验研究。通过将颗粒动力学和SPH方法结合,建立了炸药爆轰作用于铀金属壳的数值模拟模型,以铀材料比内能为气溶胶转化判据,获得了铀材料转化为气溶胶的物理过程,得到了在相同爆炸当量下,不同质量铀材料的气溶胶转化效率,并与实验结果进行了对比分析。结果显示,铀材料在爆炸载荷作用下,当其比内能达到1.9 MJ/kg时,即可认为完全转变为气溶胶,对于本文中的爆炸装置结构形式,当炸药质量为铀材料质量的6倍时,转化率超过90%。实验验证了数值模拟结果,表明该方法能够对铀材料的气溶胶转化过程进行准确描述。     

基于误差马尾图量化爆轰数值模拟结果的置信度

针对爆轰流体力学数值模拟过程中输入参数的不确定性, 通过抽样技术, 形成确定性爆轰流体力学程序的各种输入和数值求解, 建立输入参数与输出响应量的样本, 再通过概率框架下的误差累积分布函数与马尾图, 给出了爆轰数值模拟过程中输入参数不确定度对模拟结果影响的置信度量化方法。通过一维黎曼问题、平面爆轰问题计算了误差马尾图, 给出了二维爆轰拉氏自适应流体动力学LAD2D程序计算网格与模拟结果置信度的关系, 对多物理爆轰过程发展高置信度数值模拟软件有很好的借鉴作用。     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

碎片对铝合金薄板抗侵彻性能影响数值仿真研究

利用ABAQUS 有限元软件,采用合适材料参数及准则,建立平头弹及碎片撞击2A12-T4铝合金靶板的数值仿真模型。通过改变弹体与碎片之间的相对位置,研究弹体撞击靶板过程中碎片对其抗侵彻特性的影响规律及机理。通过数值仿真计算,分析弹体对靶体的撞击物理过程及失效机制。基于数值仿真计算结果可以发现,碎片对靶体抗侵彻性能受弹体速度以及弹体与碎片之间的相互位置等因素共同作用。对于靶体的抗撞击性能,弹体与碎片之间接触面积存在一个最佳值,接触面积太大或者太小都会减小靶板的损伤面积,从而减少撞击过程中靶板吸收的能量。     

带模拟装药弹体高速冲击岩石靶时的断裂特性

针对高速侵彻过程中的弹体破碎断裂问题，本文中设计2种不同壁厚的试验弹，进行约1 000 m/s着速的高强度岩体侵彻试验，试验表明:在该高着速条件下，两种结构的试验弹体均发生完全破碎且未能有效侵入岩石靶，而岩石靶体仅在表层产生粉碎性破坏；另外，高速侵彻岩石靶的弹体头部破碎情况与侵彻金属薄靶有所区别。在试验基础上，利用Autodyn-3D建立了弹体侵彻岩石靶的物理模型，结合SPH算法与Mott失效模型对弹体破坏过程进行了数值模拟，可有效地揭示弹体破碎机理，并进一步讨论模拟装药和小范围内不同高速对弹体破坏的影响。试验结果和建立的数值模型可为研究高速侵彻中弹体结构安全提供参考。     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

缸内激波对锥顶型燃烧室的活塞破坏机理

以二维数值模拟为基础,研究了锥顶型燃烧室内的冲击波发展的震荡过程,得到作用于活塞不同位置处的超压分布。模拟结果表明:由于燃烧室结构的独特性,导致冲击波能在特定区域进行汇聚,致使该区域超压明显高于其他区域。将该模拟结果与实际破坏失效的活塞进行对比,发现冲击波汇聚区域往往就是活塞被破坏的地方。数值模拟结果与实际破坏结果吻合很好。这为设计燃烧室形状以避免冲击波对活塞造成破坏提供了理论基础。     

气相爆轰驱动二级轻气炮内弹道数值模拟

二级轻气炮是超高速弹丸驱动技术中使用最广泛的技术之一, 它在超高速气动物理现象及材料高速碰撞下力学性能的实验研究和验证方面起着不可或缺的作用. 中国科学院力学研究所基于爆轰驱动方法研制了一座大型二级轻气炮, 可弥补高压气体驱动能力有限和火药使用受限的不足. 本文基于经过实验验证的准一维数值模拟方法, 详细研究了该设备的内弹道动力学参数及发射性能, 并探讨了不同发射方法及装填参数对设备性能的影响规律和机理. 研究结果表明, 氢氧爆轰驱动相比于高压气体驱动具有明显优势; 不同爆轰驱动方式对弹丸发射性能影响较小, 但其影响到整个设备的强度设计; 对装填运行参数的研究表明增大爆轰段充气压力可以有效加强轻气炮发射性能, 而活塞质量变化对发射速度的影响较为复杂, 轻气炮实际运行中受设备设计指标及模型材料性能的限制, 优化过程中需要同时调整3种参数以达到轻气炮最佳性能.      

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响。实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能。在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏。同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

月牙形空腔结构金属靶的抗弹性能分析

为提高金属靶的抗弹性能,设计了一种含有月牙形空腔结构的金属靶。利用ABAQUS软件对月牙形空腔结构在12.7 mm穿甲燃烧弹弹芯侵彻下的弹体偏转性能进行了数值模拟研究,讨论了月牙形状、弹着点和空间排布对弹体偏转效果的影响。结果表明:月牙形状对弹体的偏转效果有显著的影响;空腔结构在不同弹着点表现出不同的弹体偏转性能,处于空腔胞元最薄弱处附近的弹着点弹体偏转角度明显小于其他位置;空腔胞元空间排布的非对称化处理能够提升空腔结构对子弹的偏转效果。     

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。     

气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明:本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是:尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。     

钨合金长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟

用自编计算程序给出了长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟。其中层合板的面板和背板均为装甲钢,中间为3层氧化铝陶瓷。装甲钢和长杆弹材料的本构关系采用Johnson-Cook模型,将Mohr-Coulomb盖帽模型与Bodner-Partom模型相结合来描述氧化铝陶瓷的失效和流动过程。为了提高有限元的计算精度,使用了一致质量矩阵迭代法,破坏网格的处理采用了网格侵蚀法。数值模拟的最终穿深计算结果与实验一致。     

爆轰波在突扩通道中传播的数值模拟研究

建立了描述甲烷 空气混合物爆轰波传播的单步化学反应爆轰模型 ,通过数值模拟研究了在二维突扩通道中爆轰波的强度变化和各种波行为。结果表明 :爆轰波在进入突扩通道初始阶段的衍射使爆轰波局部向爆燃转变 ;爆炸波在壁面发生马赫反射形成的高温高压区域将直接诱导自持爆轰波的重新形成。