一种约束空间内炸药爆炸温度场数值计算方法及应用

为了研究约束舱室内炸药爆炸温度场,采用五阶WENO有限差分格式,耦合求解了爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程;并通过理论推导建立了热容与气体内能之间的关系式;进而采用牛顿迭代法求得最终温度场,自主开发了约束舱室内炸药爆炸温度场的二维数值计算程序。采用所开发的程序开展了约束舱室内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了炸药形状及泄压对温度场的影响规律。研究表明:(a)炸药形状对远场测点温度影响较小,对近场温度影响较大,方形炸药在近场区域相比圆形炸药能维持较长时间的高温区;(b)泄压能较大幅度地降低舱室内部的温度载荷强度,相比密闭舱室能够使得最终准静态温度载荷降低54.7%,从而降低毁伤程度。本文的研究可为进一步探讨考虑燃烧效应后爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律研究(一)——装药质量

基于自主开发的程序开展了泄压空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了装药质量对泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律。研究表明:①爆炸发生后,舱室内部气体被迅速加热升高到准静态温度峰值,且随着药量的增大,准静态温度直线上升速率增大;随着泄压口的持续泄压,舱室内部气体温度缓慢衰减到平稳值,且随着药量的增大,准静态温度直线衰减速率加快。②相较同初始条件密闭空间内爆炸,随着药量的增加,泄压对于温度载荷的降低效果更明显。本文的研究可为进一步探讨考虑后燃烧效应爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供参考。     

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。     

装药质量对约束空间内爆炸准静态超压载荷的影响规律研究

约束空间内爆炸载荷的深入研究是合理设计抗爆结构的重要依据。为了研究装药质量对约束空间内爆炸准静态超压载荷的影响规律,应用三阶WENO有限差分格式,编写炸药在约束空间内爆炸过程的三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞等经典算例验证了本文数值程序的可靠性。基于验证的程序开展了带有泄压口的约束空间内爆炸载荷数值计算。采用量纲分析与数据拟合相结合方式给出了准静态超压衰减系数随装药质量的变化关系。在此基础上,提出了描述准静态超压载荷简化计算公式,该公式与数值计算结果吻合较好(超压峰值误差控制在6%以内,准静态泄压误差控制在5%以内)。本文的研究可为工程抗爆结构设计提供一定的参考和指导。     

考虑约束爆炸后产物发生化学反应的约束空间内准静态温度计算

考虑爆炸产物发生化学反应产生的影响,对约束爆炸后约束空间内准静态温度的计算进行了研究。以能量守恒定律为基础,考虑爆炸产物的化学反应动力学过程,推导得到约束空间准静态温度的计算公式和方法,使用C++语言编写了计算程序,并对TNT炸药约束爆炸的情况进行了计算。计算结果表明,对于约束爆炸,爆炸产物发生的化学反应对约束空间内温度的变化有明显影响,且不同的药量体积比条件下,准静态温度的变化趋势不同。研究结果可为更准确的计算约束爆炸后的准静态温度及其他爆炸参数提供有效的方法。     

密闭空间内爆炸载荷抑制效应实验研究

炸药在密闭空间内爆炸时的爆炸载荷与在敞开环境中有很大差异,在密闭空间内,TNT炸药的爆炸产物能够与周围空气充分混合并发生燃烧反应进而释放额外的能量,使密闭空间内的反射冲击波及准静态压力均明显增加。为探究不同气体环境对密闭空间内爆炸载荷的抑制效应,开展了3种不同药量的TNT分别在空气、水雾和氮气环境密闭空间内的爆炸实验研究,通过理论计算和实验对比分析了密闭空间内的爆炸载荷压力、温度及受载钢板试件响应特性。结果表明,水雾和氮气均能有效降低空间内的准静态压力和温度,对准静态压力的平均降幅分别为36.0%和51.7%,对温度的平均降幅分别为42.6%和40.3%;在水雾和氮气环境中的爆炸载荷作用下,钢板试件动态响应较空气环境中显著降低,其中160 g药量下,水雾和氮气环境中钢板试件的最终变形分别减少了15.9%和23.5%,氮气的减弱效果优于水雾;水雾和氮气均能及时有效地抑制封闭空间内的爆炸载荷,降低结构的损伤程度。     

爆炸产物发生化学反应对药室压力影响的研究

研究了爆炸产物发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,推导了考虑爆炸产物发生化学反应时,约束空间内准静态压力的计算公式.以TNT炸药发生约束爆炸为例,分析了不同药量体积比下爆炸产物的化学反应动力学过程.编写了计算TNT炸药约束爆炸后准静态压力的程序,将程序计算结果与实验测量结果和ConWep程序计算结果进行对比,验证了计算方法的准确性,证明了爆炸产物发生化学反应对约束爆炸准静态压力有重要的影响.考虑爆炸产物发生化学反应对压力的影响,利用LS-DYNA对TNT炸药在一长方体药室内的爆炸进行了数值模拟,模拟结果表明,考虑爆炸产物发生化学反应时,药室会出现局部塑性应变与应力集中现象,最大塑性应变达到0.8‰.     

等压假设下考虑化学反应动力学影响的约束爆炸准静态压力的计算

为研究约束爆炸后爆炸产物与约束空间内的氧气发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,从能量守恒和理想气体状态方程出发,基于爆炸后产物膨胀过程的等压假设模型,建立了约束爆炸准静态压力计算公式,并对TNT炸药爆炸后发生的化学反应与约束空间内准静态压力大小的关系进行分析。计算得到不同药量体积比下,TNT炸药约束爆炸后的准静态压力,计算结果与实验结果符合较好,可应用于其他类型炸药,并为预测约束爆炸后的准静态压力提供理论依据和估算方法。     

TNT内爆炸准静态压力特性

为研究密闭空间内TNT爆炸准静态压力特性,通过理论分析得到了准静态压力计算模型,以爆炸罐和爆炸舱室为典型密闭空间环境开展了系列TNT内爆炸实验。结果表明,准静态压力的上升伴随着内爆炸冲击波的多次反射,反射结束后准静态压力到达峰值,药量-容积比是准静态压力的主要影响因素,准静态压力峰值及上升速率随着药量-容积比的增加而增加;基于实验数据拟合得到了TNT内爆炸准静态压力峰值经验公式,可用于准静态压力峰值预估及内爆炸威力评估。     

复杂多舱室内炸药爆炸爆轰产物运动二维数值模拟研究

为了研究复杂多舱室空间内炸药爆炸后爆轰产物运动规律,采用三阶WENO有限差分格式,通过耦合求解两组分可压缩欧拉方程,自主编写了多舱室内炸药爆炸过程二维数值计算程序。利用平面激波绕射矩形台阶上的竖直平板实验与数值模拟纹影图进行了对比,图中不同时刻的波系结构和台阶、竖直平板处绕射形成的漩涡结构均证明了文中程序开发的可靠性和正确性。采用验证的程序开展了复杂多舱室内炸药爆炸过程数值计算,探讨了复杂多舱室内炸药爆炸爆轰产物的传播路径及泄压口泄压对爆轰产物运动规律的影响。研究表明:舱室泄压对复杂多舱室内爆轰产物运动的影响,在爆炸初期较小,在爆炸后期较大;爆炸舱室内部泄压能显著地降低相邻舱室超压载荷强度(40%左右),减弱爆炸对相邻舱室的毁伤效应。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爆炸毁伤评估提供一定的参考和指导。     

内爆炸爆轰产物运动过程二维数值模拟研究(二)——泄压空间

为了研究泄压空间内爆炸爆轰产物运动及能量演化规律,采用五阶WENO有限差分格式,通过耦合求解两组分可压缩欧拉方程,自主编写了泄压空间内炸药爆炸过程二维数值计算程序。采用验证的程序数值探讨了泄压口大小、泄压口位置、炸药爆炸位置对爆轰产物运动及能量演化的影响规律。研究表明:上述因素不仅改变了爆轰产物的运动形态,同时改变了产物的泄出过程;泄压口的存在主要加快气体内能的泄出过程。本文研究可为舱室内爆炸毁伤评估提供一定的参考和依据。     

大体积混凝土水下接触爆炸破坏分区特征分析

为探究大体积混凝土水下接触爆炸破坏分区特征,基于水中爆炸冲击波与混凝土的相互作用过程分析,建立了综合考虑爆炸冲击波冲击破碎和爆轰产物准静态压拉致裂机制的混凝土爆炸破坏分区计算方法,并与有限元数值模拟和试验实测数据开展对比验证。结果表明：与空中接触爆炸相比,水对爆轰产物膨胀起抑制作用,使得爆炸荷载持时增加、作用于周围介质的冲量增大;采用建议的环向压碎判据计算破碎区,并将开裂区分为动态压裂、准静态压裂和准静态拉裂区的计算方法能够很好地预测混凝土水下接触爆炸破坏分区范围;炸药类型和起爆水深一定时,混凝土的抗拉强度和抗压强度比对开裂区范围起重要影响。     

三维显式有限元程序及炸药冲击起爆应用

冲击和爆炸数值模拟在军事工程和民用领域都应用广泛。基于显式有限元理论,本文介绍了自主研发的三维冲击和起爆流体动力学程序。该程序的功能包含了材料本构、状态方程、炸药反应速率方程和接触碰撞算法,能够模拟复杂条件下结构冲击和炸药起爆问题。由于采用面向对象的编程方法,程序结构相对简单并且容易修改。首先,进行了Taylor杆碰撞数值模拟,并将计算结果与实验结果以及DYNA2D结果进行了比较;接着,基于Lee-Tarver点火增长模型,模拟了冲击加载下裸炸药和带壳炸药的冲击起爆问题。计算结果表明,三维程序计算结果与实验值和商业软件结果都非常吻合,该程序能够较准确地模拟三维结构的冲击和炸药起爆问题。同时,基于面向对象开发的三维计算程序实现了模块化功能,易于后续开发,为冲击和爆炸计算程序的开发提供了参考。     

炸药落锤试验点火机理的数值分析

炸药在低速撞击条件下发生点火爆炸,给炸药爆炸装置带来了安全管理上的隐患。若确定可能发生炸药点火的条件,可以采取一些预防措施,避免事故的发生。一种低速撞击行为发生在炸药落锤感度试验中,撞击速度一般小于20 m/s。利用Lagrange数值程序LEX2D,对落锤试验装置中所造成的炸药点火爆炸进行了初步分析,得到了炸药样品中应力和速度的变化历史,计算了炸药内部由于摩擦做功生热所引起炸药颗粒的分解过程。在一定程度上,可以预报落锤试验中炸药发生点火爆炸的可能性。     

B炸药慢速烤燃过程的流变特性

为进一步探究熔铸炸药在烤燃过程中内部各物理场的变化情况，以B炸药为研究对象，完整地建立了基于Bingham流体模型的B炸药黏度计算模型并应用于慢速烤燃的数值模拟。通过数值模拟得到了B炸药在整个升温过程中上中下3个内部测点处的温度变化曲线并以烤燃试验加以验证，观察了弹体内部温度场与对流场的变化特点。结果表明:升温速率为1 ℃/min时，B炸药相变后逐渐开始流动，内部的温度场分布也随之改变，炸药出现自热反应与最终响应的区域都在弹体上部；升温速率为0.055 ℃/min时，炸药相变后内部很长时间内仍表现出类固相温度场的分布特点，当炸药出现自热反应后，才逐渐开始流动，温度场也逐渐转变为典型的液相温度场，炸药最终响应点在弹体上部，但最早出现自热反应的区域在弹体中心。     

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。     

水介质对舱内爆炸抑制作用的实验研究

为探索舰船抗舱内爆炸的机理和技术手段，设计了多舱室缩比模型，开展了有水和无水介质的爆炸实验，对比了爆炸当舱水介质对爆炸反应过程、邻舱冲击波峰值、比冲量及准静态压力的影响。研究结果表明:(1)水介质对舱内爆炸邻舱冲击波峰值、比冲量和准静态压力均有明显的衰减作用；(2)在一定区间内，炸药当量越大，水介质抑制内爆炸的效果越明显；(3)水介质能有效阻碍燃烧等爆炸后续效应，影响准静态压力形成。     

辐射换热下瞬态热-结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热-结构分析的空间薄壁杆单元,其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度,沿杆轴方向采用两结点线性插值,沿杆截面周向用三角函数展开,每结点含多个解耦的自由度,其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性,各谐摄动温度方程为线性,然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Ber-noulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解,针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力,还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的梁单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例,并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

辐射换热下瞬态热一结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热一结构分析的空间薄壁杆单元，其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度，沿杆轴方向采用两结点线性插值，沿杆截面周向用三角函数展开，每结点含多个解耦的自由度，其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性，各谐摄动温度方程为线性，然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Bernoulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解，针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力，还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的粱单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例，并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

温压炸药坑道内爆炸冲击波的数值模拟研究

基于二次反应理论,采用AUTODYN程序对温压炸药(RDX/AP/AL/粘合剂=20/43/25/12,质量比)坑道内爆炸冲击波进行了数值模拟研究。将温压炸药与传统炸药TNT的计算结果进行了比较,结果表明:①在爆炸近区,温压炸药比TNT的爆炸冲击波超压峰值低。但在爆炸远区,温压炸药的爆炸冲击波超压峰值则逐渐超过了TNT,最高达到了TNT的1.48倍;温压炸药爆炸冲击波的冲量峰值始终高于TNT,约为TNT的1.33～1.43倍。②最小二乘拟合得到了温压炸药坑道内爆炸冲击波超压峰值随距离衰减的计算公式,具有一定参考价值。