水中障碍物爆炸毁伤效应的二维数值模拟

 建立了水下障碍物的爆炸毁伤效应的物理模型和计算模型。建立了守恒方程组、混凝土的动态弹塑性本构关系和破坏准则,并确定了其在大应变、高应变率及高压条件下的的屈服准则。基于多物质流体的Euler算法,用面向对象的C++语言自行编制了NM-MMIC通用多物质二维流体弹塑性程序,对不同炸点位置、不同炸药量对轨条砦爆炸破坏过程进行数值模拟,并采用自行开发的后处理软件VISC2D实现了可视化,定量地反应了障碍物迎爆面所承受的压力变化过程,确定了轨条砦毁伤的最佳药量,并对毁伤程度进行了评价,得到了爆炸破障的毁伤规律。研究结果对设计和评价反水中障碍物的弹药具有一定的参考价值。     

EFP水下成型影响因素的数值模拟

由于密度、压力等物理量存在差异,爆炸成型弹丸(EFP)在空气和水中的成型过程差别较大。为了优化水下EFP的设计方案,利用AUTODYN有限元软件开展仿真研究,详细讨论了装药、药型罩及弹前空气域3部分共7个变量对EFP水下成型过程的影响,最终得出适合水下EFP装药的设计参数。根据仿真结果,总质量为1 kg的EFP装药优化后的设计参数:炸药长径比为1.5,炸药种类选择爆速较高的HMX,药型罩材料为紫铜,切向锥角α为145°,壁厚δ为2 mm,弹前空气域长度为3倍装药半径,起爆半径r为0.4倍装药半径。该方案对优化EFP速度、长径比及动能等有较好的效果。     

TNT后燃反应的水下爆炸实验研究与数值模拟

为了研究TNT炸药的后燃反应,采用水下爆炸实验方法和一种增强炸药后燃反应的实验装置,对TNT炸药的能量输出结构进行了研究,计算得到了不同气体氛围下的后燃反应能量。采用Miller能量释放模型,对后燃反应实验结果进行了数值模拟。结果表明:在实验装置中充入空气或氧气,可明显增强TNT炸药的后燃反应能量输出,实测的后燃反应能量随着氧含量的增加而增大,在实验研究范围内后燃反应能量的最大值达到4.90kJ/g,但并没有达到后燃反应能量的理论最大值;冲击波压力时程曲线的数值模拟结果与实验结果基本一致,证明了Miller能量释放模型的可行性。     

地下强爆炸辐射流体动力学过程的二维数值模拟

为评估强爆炸的毁伤效应,利用流固耦合界面处理方法,考虑辐射输运引起的能量沉积过程,建立同时求解辐射流体力学方程和流体弹塑性方程的二维耦合计算方法,给出地下强爆炸时,爆室内辐射波传播、辐射能量沉积到岩土表层、岩土表层膨胀、冲击波在岩土介质中传播、爆室内高压压缩爆室壁、爆室壁振荡增大的完整物理过程.     

水下爆炸冲击波数值仿真研究

由于在水下爆炸冲击波的数值仿真研究中,水的状态方程、人工黏性系数和网格尺寸对数值计算结果影响很大,采用常规TNT炸药的水下爆炸为例,以冲击波的峰值压力和比冲量为衡量指标,研究了这3个主要影响因素对数值仿真结果的影响。首先,通过采用常用的5种水的状态方程进行系列仿真,给出了各种状态方程的适用范围;其次,讨论了人工黏性系数对计算结果的影响,并给出了一次与二次人工黏性系数的建议取值范围;最后,通过对不同炸药当量及不同网格尺寸开展系列运算,从而得到不同炸药当量在满足工程计算精度要求下所对应的建议网格尺寸,并得到了不同炸药当量所对应的建议网格尺寸的表达式。     

水下爆炸特性的一维球对称数值研究

 应用数值模拟方法对水下爆炸产生的诸如气泡脉动规律、脉动周期、水中冲击波压力的变化等特性进行了研究。给出了不同装药水下爆炸产生的气泡半径脉动的一些规律、脉动周期变化规律、气泡与水交界面处的压力曲线、爆炸产生的水中冲击波压力和速度的变化等结果。     

水下爆炸冲击波作用下空化区域形成的特性研究

对水下爆炸冲击波作用下的局部空化和区域空化形成特性进行了理论和实验研究.引入平面冲击波假设,理论分析了结构几何尺度及冲击波参数的变化对空化区域形成的影响,并在直径5 m的圆柱形水箱中,对边长1 m、厚度2 mm的方形钢板在50 g TNT炸药、1 m爆距条件下进行了水下爆炸冲击实验,以验证局部空化理论.研究结果表明:在相同的冲击条件下,结构尺度的变化对局部空化的形成具有较大影响;炸药质量及爆深的变化会改变区域空化的形状及范围;实验结果与局部空化理论计算结果基本一致.     

多次水下爆炸中船体梁的累积毁伤效应

针对在多次水下爆炸中船体梁的累积毁伤问题,采用AUTODYN软件与试验相结合的方法,分析了炸药当量、爆距、爆炸次数等因素对船体梁累积毁伤效应的影响。结果表明:在水下爆炸加载作用下,船体梁会发生中部凹陷局部塑性变形和整体中拱塑性弯曲变形。在一定冲击因子作用下,其挠度与水下爆炸加载次数呈线性关系,且药量越大,挠度越大。爆距相同时,同等当量炸药对船体梁进行单次和均分连续3次水下爆炸加载,其最终塑性变形挠度不同,均分连续3次爆炸作用下船体梁的塑性变形挠度更小。     

运动网格上的水下爆炸数值模拟方法

 在对水下爆炸过程的数值模拟中,把水-气介质界面当作一种特殊的内部边界,并且在该边界上的网格节点都有双重定义,分别对应边界两侧的不同介质状态,通过利用HLLC（Harten,Lax,van Leer,Contact）方法求解任意ALE（Arbitrary Largrangian Eulerian Method,拉格朗日-欧拉方程）方程组,以及运用界面跟踪和动网格方法,对一维球对称水下爆炸模型进行了数值模拟。结果表明,所得到的数值计算结果与实验结果吻合得较好,并且在扩展到二维柱对称水下爆炸模型时,同样得到了满意的结果。     

弹性板水下爆炸冲击载荷的修正虚拟流体方法分析

研究非接触水下爆炸中板结构厚度和密度对冲击载荷和空化演变的影响.将近期发展的修正的虚拟流体方法推广应用于处理可压缩流体与弹性板结构的非线性相互作用.研究发现,假设结构不发生断裂破坏,较小的板厚度或密度可以减弱爆炸波对结构的冲击,冲击载荷随着厚度或密度的增大非线性地趋向于固壁边界下的结果.而且较小的板厚度或密度可以促使空化较早形成,产生较大的空化区,并推迟和减弱空化破裂对结构的二次冲击.     

水下多点爆炸条件下的冲击波载荷特性

针对水下多爆源起爆的实战背景,开展了两点同时起爆条件下冲击波载荷特性的数值模拟研究。基于自研的多相可压缩流体计算程序,采用高精度的数值格式对流体控制方程进行离散求解。将数值模型计算的自由场水下爆炸的结果与理论结果比较,初步验证了数值模型计算的准确性与可靠性。利用该模型计算了典型工况下水下两点起爆工况,计算结果表明:两爆源对称面上压力相比单爆源线性叠加后的峰值压力增加12%~16%;两爆源垂直截面之间的压力存在双峰现象;而对于两垂直截面之外的测点压力也存在双峰现象,第1个峰值压力与单爆源线性叠加的峰值相等,第2个峰值压力要远低于单爆源线性叠加的峰值,峰值压力下降幅度可高达30%左右。研究结果能够为水下武器防护设计与威胁评估提供参考。     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。     

不同水底介质对有限域中装药沉底爆炸特性的影响

通过开展装药沉底爆炸原理性实验研究,得到了不同水底条件对装药沉底爆炸气泡运动和冲击波压力的影响规律:沉底装药水下爆炸气泡通常呈半球形,依附在水底并同时急剧膨胀达到最大半径,随后气泡做收缩运动并连带水底介质颗粒迅速上浮,同时形状发生显著变化,如在石底和泥底时气泡在水底射流的作用下呈蘑菇状上浮,砂底时气泡则呈现出柱状上浮、未出现明显脉动运动即已坍塌破裂;沉底爆炸与水底介质发生强烈耦合作用而形成不同程度的反射波,通常水下石底的反射冲击波较泥底和砂底更强烈,且一般迭加后的冲击波峰值压力高于入射波阵面压力;不同水底介质条件下,装药与水底发生的强烈耦合作用均对水底造成强冲击破坏。     

水下爆炸气泡脉动周期的简便计算方法

将爆轰产物状态方程与气泡运动方程相结合,提出了一种水下爆炸气泡脉动周期的数值计算方法,能够快速计算不同炸药水下爆炸的气泡脉动周期。结果表明:采用JWL状态方程与采用γ律状态方程的气泡周期计算方法相比,前者计算TNT炸药水下爆炸气泡脉动周期的误差更小,计算误差小于3%;通过对比RS211炸药水下爆炸实验结果,进一步验证了该数值计算方法对含铝炸药水下爆炸气泡脉动周期的计算同样具有良好的适用性。     

水下爆炸毁伤水下目标的能量分布特征

 针对某水下目标的抗水下爆炸实验数据,利用小波包良好的时频局部化性质,对被监测水下目标内部装置的冲击加速度信号进行了能量分析,得到了冲击信号的时频分布和不同频带上的能量分布。冲击信号的频带能量分布与目标毁伤的关系密切,选用冲击信号峰值、冲击信号主振频带能量、水下目标内部装置自振频率所在频带能量作为判别因子,建立距离判别模型,对水下目标毁伤情况进行了预测;利用回代估计法对模型的合理性进行了检验。研究结果表明,预测结果与实际结果相符,证明将频带能量作为水下爆炸毁伤水下目标的特征指标是合理的。     

TATB基炸药水中爆炸能量测试技术

 在用水中爆炸法测量以TATB为基的TBL炸药能量的研究中,设计了2种具有高爆压和大质量的扩爆药柱。通过2类扩爆药柱的能量测试实验得到的扩爆药柱能量与理论结果相同,TBL炸药的能量为TNT炸药能量的70%左右;炸药的爆压越高,冲击波能量随爆炸距离的衰减越快。