神经网络状态方程在强爆炸冲击波数值模拟中的应用

强爆炸数值模拟的主要挑战在于如何准确地描述爆炸产物状态方程。利用BP神经网络和强爆炸产物状态数据对神经网络产物状态方程进行训练，并将得到的状态方程植入自编的一维球对称数值模拟程序，对强爆炸冲击波参数进行了计算。结果显示，计算得到的冲击波峰值超压、冲击波到时、正压时间与标准值吻合较好，证明将神经网络状态方程应用于强爆炸冲击波数值模拟是可行的。研究结果对确定强爆炸数值模拟方法具有很好的借鉴意义。     

爆炸冲击波对人体胸部创伤机理的有限元方法研究

通过建立简化的人体胸部三维有限元模型,模拟爆炸冲击波与人体胸部作用,根据人体胸部各个 器官的不同,选择合理的材料模型和参数,提出LS-DYNA有限元程序局部平面波改进方法,研究爆炸冲击波 与人体胸部作用的力学过程。依据人体胸部各个器官运动的速度差,预测创伤的区域分布;给出肺模型的压、 拉应力及剪切应力的变化规律,分析肺的创伤区域的分布,与解剖实验结果基本一致。对比Bowen创伤曲 线,证明人体胸部三维有限元模型可以有效得到冲击波创伤特征。     

接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播规律

采用有限元分析软件ATUODYN,对接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播进行了数值模拟,得到了防护结构孔口和内部中心处冲击波超压－时间曲线;分析了炸药量和爆心距孔口距离对防护结构内部超压、正压冲量的影响;以数值计算结果为基础,结合量纲分析,拟合得到了结构内部中心处爆炸冲击波特征参数的预估公式。     

海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响

为有效表征不同海拔坑道内爆炸冲击波的传播特征,利用非线性显式动力学有限元软件AUTODYN,研究了海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响规律,探讨了高海拔环境对坑道内冲击波传播的影响,基于量纲分析,建立了适用于不同海拔高度典型坑道内冲击波峰值超压的计算模型,并通过数值计算进行了验证。结果表明：随着海拔高度升高,坑道内爆炸冲击波波阵面传播速度与径向的冲击波参数偏差增大,平面波形成距离增加,冲击波峰值超压降低;在0～4 000 m范围内,海拔高度每升高1 000 m,冲击波冲量降低约0.91%。结合Sachs无量纲修正方法和量纲分析,推导出不同海拔高度冲击波峰值超压的理论分析模型,模型计算结果与数值计算结果的相对偏差不大于10%,能够为高海拔环境下坑道内爆炸冲击波的传播提供理论依据。     

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。     

水下爆炸冲击波的近场特性

通过求解球形一维流体动力学方程，模拟了水下爆炸冲击波的产生和传播过程。在数值模拟中，对TNT炸药采用标准的JWL状态方程，对水采用Two-phase状态方程。应用Level Set方法确定爆炸产物和水的交界面的位置。对裸药球在无限水域爆炸进行了数值计算，考察了网格大小对结果收敛性的影响，分析了水下爆炸冲击波压力和比冲量的近场特性。最后通过数值拟合得到了冲击波压力峰值、比冲量和时间衰减常数的近似回归公式。     

高原环境爆炸冲击波传播特性的实验研究

在评估弹药在高原的爆炸威力时,需要考虑高海拔条件对炸药爆炸冲击波参数的影响。为研究高海拔低气压条件下的冲击波传播规律,开展了模拟海拔高度h=500, 2 500, 4 500 m等3种气压条件下的爆炸冲击波测试实验。结果表明,当环境气压每下降20%时,冲击波超压、比冲量和到达时间平均降低约9%、10%和6%。将使用Sachs因子修正后的计算结果与测试数据进行对比分析,发现该方法能较好地预测不同环境条件下的爆炸冲击波参数。进一步分析了环境温度的影响,发现初始温度升高会使到达时间提前,本文实验的温度条件对超压和比冲量的影响并不显著。该研究结果对战斗部在高海拔的爆炸威力评估具有参考意义。     

加油站埋地储油罐爆炸的数值模拟

基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对加油站埋地储油罐的爆炸过程进行了数值模拟。根据范登伯格和兰诺伊TNT当量法,将汽油转换成相对应的TNT当量;针对埋地储油罐具体覆土情况采用相应的材料模型,建立了有限元分析模型;采用多物质耦合ALE方法进行爆炸过程的模拟,弥补了采用G·M莱克霍夫计算方法对加油站储罐爆炸进行定量分析时因无法充分考虑埋深、自由面影响以及土质材料特性而产生的不足;通过数值模拟得到了爆炸作用下各观测点的冲击波压力时程曲线和峰值压力,并与G·M莱克霍夫公式的计算结果进行了对比,二者具有相同的变化规律。数值模拟得到的地表处各点的峰值压力可作为判断该点人和建筑物的伤害和破坏程度的依据,为事故分析和新项目建设提供参考。     

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。     

爆炸荷载作用下围岩与地下结构的动力相互作用

利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流固耦合计算方法,对炸药在地下拱形结构上方岩石中垂直爆炸过程进行数值模拟,借助波动理论p-u Hugoniot线对爆炸冲击波在围岩与结构之间的传播和加卸载过程进行理论分析;得到了不同跨度拱形结构与围岩之间的最大相互作用力及相互作用力分布图。研究结果表明:冲击波由高阻抗围岩向低阻抗混凝土传播时,围岩卸载,应力减小;反向传播时,岩石加载,应力增大;爆距为5 m时爆炸冲击波对40 m跨度拱形结构整体产生拉压震荡,引起的震动效应显著。     

水中钢板爆破水介质对装药量的影响

为分析水介质对水中钢板爆破装药量的影响,理论推导了钢板背衬水介质条件下,钢板爆破最小装药量与空气中钢板爆破最小装药量的倍数关系:最小倍数关系为3.76。数值计算了钢板背衬空气介质和背衬水介质情形下钢板爆破的最小装药量,其倍数关系在3.5左右,与理论结果相近,表明钢板背衬水介质或空气介质是决定装药量大小的关键因素。数值计算了装药在空气介质中及水介质中钢板爆破爆轰产物对钢板的冲量大小,结果接近,表明水介质对炸药爆轰产物的约束作用是影响水中钢板装药量的次要因素。     

在开阔空间中水对爆炸冲击波的削波作用

用数值方法计算了开阔空间中布置在炸药周围的水对爆炸冲击波的削波作用。计算结果与实验测量数据进行了比较。计算表明 ,在炸药周围布置 1～ 5倍于炸药质量的水可以把爆炸冲击波峰值压力减小17%～ 46 %。     

流固耦合问题中的附连水质量研究

导弹在水下运行时受到水流，波浪和冲击波等流体动力的激励时弹性将产生振动，其周围流场亦将发生变化，这种流场的变化反过来使结构受到的流体动力激励发生变化，使弹体形成新的振型，这样便形成反馈的流体－结构相互作用的流固耦合问题。在用有限元解决此类问题时，原有的动力方程中将出现附连水质量项，所以对如何运用有限元法解决附连水质量的计算是十分有意义的。本文利用变分原理推导出三维流场中附连水质量的一般公式，并给出     

高温熔融铝液与水接触爆炸过程实验研究

为探究高温熔融铝液与水相互作用的爆炸机理,设计了一套高温熔融铝液与水接触爆炸实验测试系统,应用红外热像仪、高速摄像机、压力传感器等设备监测高温熔融铝液与水相互作用过程,并对高温熔融铝液与水接触爆炸过程的能量转化规律进行了分析。实验结果表明:高温熔融铝液与水接触瞬间发生膜态沸腾,水剧烈汽化产生的冲击在水中产生扰动并快速扩张,40ms后膜态沸腾向核态沸腾转变,直至发生爆炸喷溅。综合能量守恒定律、爆炸冲击理论与实验结果可得,高温熔融铝液与水接触爆炸过程,约有3.34%~11.23%高温熔融铝液的潜热能转化为爆炸冲击波能量。     

水及盛水容器对近距离爆炸载荷影响的实验研究

为研究用水包围炸药的方式对爆炸载荷的作用机理,在两端开口的钢筒内进行了水直接包覆炸药的爆炸实验,利用光纤位移干涉仪获取了钢筒外壁的径向速度和动态变形。结果表明:不同于无水爆炸,爆轰产物通过水的“裂缝”在空气中形成冲击波,造成该冲击波出现时间更晚、强度更低、持续时间更长,并要求相应的数值模拟采用二维以上的计算模型;盛水结构的材料密度越低、厚度越小对爆炸载荷的影响越小。     

锥形长药柱水下爆炸冲击波参数计算方法

为了计算锥形长药柱水下爆炸冲击波压力,以及研究长脉宽冲击波的传输特性,基于叠加原理建立了冲击波压力-时间曲线的计算方法,通过实验验证了该方法的有效性,在此基础上分析了锥形长药柱不同方位冲击波压力的分布规律。研究结果表明:锥形长药柱产生的冲击波压力具有各向异性,在起爆端一侧形成的是具有厚波头特征的低幅值长脉宽冲击波,在装药径向形成的是接近指数衰减的高幅值冲击波,而在远离起爆端的冲击波压力幅值和脉宽则介于前两者之间。锥形长药柱与球形装药冲击波分布的差异是由于装药形状和起爆方式的改变所导致的,由于装药不同部位起爆的时间差,导致水下爆炸冲击波在不同位置的叠加效果存在明显差异,药柱周围流场中形成的冲击波压力具有方向性。利用提出的计算方法得到的计算结果与实验结果和数值模拟结果吻合较好,研究结果可为锥形长药柱水下爆炸冲击波威力场和毁伤评估提供参考和依据。     

变深度浅水域中非定常船波

以Green—Naghdi(G—N)方程为基础，采用波动方程／有限元法计算船舶经过变深度浅水域时非定常波浪特性．把运动船舶对水面的扰动作为移动压强直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用．以Series60 CB＝0．6船为算例，给出自由面坡高，波浪阻力在船舶经过一个水下凸包时变化规律，并与浅水方程的结果进行了比较．计算结果表明，当船舶经过凸包时，波浪阻力先增加，后减少，并逐渐趋于正常．同时发现，当船速小于临界速度时(Fr＝√gh＜1．0)，G—N方程给出的船后尾波比浅水方程的结果明显，波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高，频率散射必须考虑．当船速大于临界速度时(Fr＝√gh＞1．0)，G—N方程的计算结果与浅水方程差别不大，频率散射的影响可以忽略．     

One-dimensional analytical model for the response of elastic coatings to water blast

In previous studies, the response of sandwich structures to water blast is solved by envisaging the plate adjacent to water as a rigid one, while the effects of the elasticity in the longitudinal direction of the plate are rarely studied. In this paper, a monolithic elastic coating with varying stiffness and thickness is investigated by a one-dimensional analytical approach, based on linear wave motion theory, to reveal the elastic effect of the plate on the incident wave. One side of the coating is loaded by a planar shock wave; on the opposite side, rigid boundary or air-backed boundary is imposed. The fluid–structure interaction (FSI), cavitation phenomenon and large deformation of the coating are taken into account. In particular, the initiation and evolution of cavitation, including the propagations of breaking fronts and closing fronts, as well as the pressure histories of radiated wave by the closing front, are examined. The analytical solution has been compared with finite element (FE) predictions. The results are found to be in excellent agreement for the propagation of breaking front and closing front, as well as the pressure and particle velocity histories at the wet face before the cavitation reaches the wet face. However, when the wet face cavitates, the predictions provided by the analytical method are less accurate and the analytically-computed particle velocity can only be compared in an average sense with the FE predictions. For air-backed case, Taylor׳s model prior to cavitation becomes a trivial case of the analytical model and the comparison also indicates the validity of the analytical model. The validated analytical model is used to determine the dependence of the peak pressure at the wet face and the impulse transmitted to the coating on the coating properties, including the wave impedance and thickness.     

水中爆炸激波对水泥试样作用的数值模拟分析

通过对水中爆炸激波在水泥净浆试样中传播的数值模拟,再现了爆炸激波的传播过程,采用对典型单元受到的激波作用和应力进行分析的方法,得出了水泥试样各个区域损伤破坏的成因,数值模拟结果和实验现象吻合。