一点起爆半球形装药装置中散心爆轰波传播的数值模拟研究

运用自行研制的二维流体动力学程序TDY2D,对一点起爆半球壳装药装置中散心爆轰波的传播过程进行数值模拟计算.对冲击波到达炸药和飞层各界面的波形的计算值与实验值进行了对比,两者符合较好,从而验证了该程序的准确性和有效性;对爆轰波的传播过程进行了分析研究,获得了一些散心爆轰波传播的规律性认识,为进一步研究散心爆轰波特性提供了数值分析基础.     

一种以TATB/HMX为基炸药的到爆轰距离

利用光纤探针/光电转换器/示波器技术和楔形炸药块方法,采取电炮驱动薄飞片冲击加载产生高压短脉冲激励的装置,测量了一种以TATB/HMX为基炸药的到爆轰距离,研究了到爆轰距离与初始冲击波压力幅值和脉宽的关系,给出了该炸药的POP曲线和表达式。实验结果有助于了解压力脉宽对钝感炸药的冲击起爆和爆轰成长的影响。对于短脉冲冲击加载,入射压力脉宽对炸药的到爆轰距离影响明显,相同实验条件下,压力脉宽越长,炸药的到爆轰距离越短;相同压力脉宽下,加载压力越高,炸药的到爆轰距离越短。     

炸药爆轰产物驱动不可压缩刚粘塑性柱壳的运动

从质量和动量守恒关系出发 ,结合炸药爆轰产物压力剖面的分析和假设 ,导出了不可压缩刚粘塑性柱壳在柱面散心和聚心爆轰产物推动作用下的运动方程。应用该方程式计算爆轰驱动柱壳的运动与实验结果及动力有限元程序DYNA2D的数值模拟结果十分接近 ,说明散心爆轰波场合波后产物流场可用柱面Taylor波的近似解合理描述 ,有限初始半径聚心爆轰波后产物流场可用平面Taylor波近似描述。     

长管强约束条件下压装PBX炸药点火实验研究

为探究压装炸药PBX-A在较强约束条件下、在药柱一端使用点火药引燃后能否发生燃烧转爆轰,在传统DDT管的基础上重新设计了特定位置约束增强的厚壁钢柱壳管实验装置,利用多路PDV诊断技术,配套高速摄影记录对点火药引燃炸药实验过程中的柱壳膨胀、断裂特性等实验现象进行了全过程连续监测。对比由爆轰驱动的相同装药条件下实验现象及对应过程物理状态的区别,发现:爆轰实验和点火实验 的总反应时间历程存在数量级的差别;柱壳上各个测点速度历程反映出装置内部炸药反应引起的压力增长历程特征,以及炸药反应的传播过程均存在明显差异。分析表明,在较强约束条件下,典型压装炸药PBX-A在一端使用点火药引燃后的反应行为实际是以高温、高压反应产物沿装药缝隙对流,炸药表面的层流燃烧及其伴随的结构响应行为为主要表现形态;从反应压力水平及其增长的时间历程来看,炸药基体中没有形成冲击波,因而无法实现从冲击到爆轰的转变。     

塑料粘结TATB炸药散心爆轰波相对强度的发展

设计了几何相似的三种尺寸的半球形塑料粘结ＴＡＴＢ炸药系统。进行了驱动铜飞层和冲击有机玻璃靶的模比（或相似）实验及二维数值模拟计算，揭示了这种炸药系统散心爆轰波相对强度增长的行为。结果表明：在小尺寸情况下，炸药的爆轰性能明显偏离比例律（ｓｃａｌｉｎｇ ｌａｗ），但偏离并不很大；对于工程应用爆轰装置的精细计算，若采用不考虑化学反应的爆轰产物经验状态方程，需要用不同的状态方程参数描述不同尺寸炸药系统的行     

炸药Pop关系和反应Hugoniot曲线的确定、对单一曲线增长讨论

本文利用锰铜压力计和楔形炸药样品,同时测定了不同初始冲击波幅值下。冲击波在炸药内的发展过程及炸药内的压力场。得到炸药内延迟引爆距离(或延迟引爆时间)的对数与初始冲击波压力的对数成线性关系(即称为炸药的Pop图),利用初始冲击波幅值确定的炸药冲击波数据可求得未反应炸药的Hugoniot关系,而利用冲击波在炸药内增长过程中测得的参数所确定的是反应炸药的Hugoniot关系。本文用楔形炸药样品测得冲击波在炸药内的x-t关系以及不同Lagrangian压力剖面说明:冲击波在炸药内的增长并不完全满足单一曲线增长的假设。     

受热炸药的冲击起爆特征

设计了炸药驱动飞片起爆受热炸药的实验装置,该装置既能够对实验炸药进行均匀地加热,又能够避免高温对加载炸药的影响。利用设计的实验装置对PBXC10炸药（HMX/TATB复合炸药）进行了14、100、140、160和180 ℃等5种不同加热温度下的冲击起爆实验,测量了该炸药内部压力的成长历程。采用点火增长反应速率方程对PBXC10炸药冲击起爆进行了数值模拟。根据实验结果,标定了不同温度下PBXC10炸药的点火增长模型参数,并给出了模型参数随温度变化的关系式,获得了不同温度下炸药的Pop关系。研究结果表明:PBXC10炸药的冲击波感度随温度的升高而升高,但与HMX炸药相比,其冲击波感度对温度的敏感性明显降低,这是因为PBXC10炸药中的TATB具有较好的降感作用。     

金属壳体装药水下爆炸的冲击波特性

为了研究装药壳体厚度对水下爆炸冲击波特性的影响,对1kg柱形含铝炸药分别在厚6mm 的钢 壳或硬铝壳装药下进行了水下爆炸实验与数值模拟研究。实验结果表明,相对硬铝壳,钢壳装药的冲击波冲 量、衰减时间常数以及冲击波能都偏大,而冲击波峰值相差不大。针对不同厚度钢壳装药的数值模拟表明,随 着壳体厚度的增加,冲击波参数明显增强,当壳体厚度超过最优值时这种效应减弱;金属壳的存在导致冲击波 峰值爬升产生滞后效应;对一定质量的炸药,存在可有效提高冲击波压力峰值的最优壳厚,填装比可以作为衡 量效果的重要指标。     

CL-20基混合炸药的冲击起爆特征

为了研究CL-20基混合炸药的冲击起爆特征,深入分析冲击波作用下CL-20基混合炸药的爆轰成长规律,采用炸药驱动飞片冲击起爆实验方法,对CL-20、CL-20/NTO和CL-20/FOX-7三种压装混合炸药进行了冲击起爆实验,通过嵌入在炸药内部不同位置处的锰铜压力传感器,获得了炸药内部压力的变化历程。依据实验结果标定了混合炸药的点火增长模型参数,其中,利用反应速率方程中的两个增长项,分别模拟CL-20/NTO和CL-20/FOX-7混合炸药中两种组分的反应增长过程,得到这两种混合炸药的反应速率方程参数。并通过数值模拟的方法得到了三种炸药的临界起爆阈值和POP关系。研究结果表明:三种CL-20基混合炸药中,CL-20/NTO混合炸药具有更高的临界起爆阈值,而CL-20/FOX-7混合炸药具有更长的爆轰成长距离;此外,利用此套拟合双组分混合炸药反应速率方程的方法,可以对新型配方炸药的冲击起爆过程进行预测性计算     

冲击波加载区域对冲击波速度和衰减的影响

以工程采用的冲击波衰减电探针测试方法为基础,通过数值模拟研究了冲击波加载区域对冲击波传播速度和冲击波衰减测量结果的影响。结果表明:对非一维平面正冲击波,冲击波的径向几何弥散对冲击波传播速度影响显著;针对本文算例,当电探针离自由面0.05mm时,冲击加载半径R=10mm、R=20mm比R=80mm所测电探针导通时间分别长7.79μs、1.28μs,一维平面波理论高估了实际测试的冲击波传播速度,冲击加载面积越小,冲击波衰减越快;在同一时刻(30μs)和同一位置(L=80mm),加载半径R=80mm的冲击压力是R=20mm的5倍还多,一维平面波理论低估了冲击波衰减程度,点撞击引起的散心冲击波则相反。因此目前获得的各种冲击波衰减经验公式应强调其加载条件和适用范围,特别是散心冲击波实验获得的冲击衰减拟合公式有可能降低设计安全阈值。     

金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。     

柱形汇聚几何中内爆驱动金属界面不稳定性

采用自研的高保真度爆轰与冲击动力学程序,对柱形汇聚几何中内爆驱动金属材料界面不稳定性的动力学行为,进行了数值模拟研究。结果表明,首次冲击后至约12 μs,界面发展以RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定性为主;12 μs后至冲击波聚心反弹加载前,界面聚心运动处于加速减速状态,界面发展由RT (Rayleigh-Taylor)不稳定性主导;冲击波聚心反弹加载后,界面发展又由RM不稳定性主导。另外,还研究了初始条件（初始振幅、初始波长、钢壳初始厚度和几何构型）对柱形内爆驱动金属材料界面不稳定性的影响。结果显示:初始振幅较大时振幅增长也较大;初始波长较小（模数较大）时振幅增长较小,而且存在一个截止波长;钢壳厚度会抑制扰动增长,也存在一个截止厚度;几何汇聚效应会使扰动增长速度更快。     

Formation of blast waves as a result of a low pressure domain decomposition

In this article the formation and propagation of blast wave as a result of a focusing of shock wave in a domain with low pressure and density are examined in the frame of an ideal gas model. We consider the decomposition of a pressure-density discontinuity on the boundary of the spherical (or cylindrical) domain which is filled by a gas whose pressure and density are lower than the pressure and density of gas that filling the external space. At initial moments of this decomposition the rarefaction wave propagates in the external space and the converging shock wave is formed in the domain of low pressure and density. The intensity of the converging shock wave gradually increases, and the wave transitions to the self-similar regime. After implosion, a diverging shock wave is formed which propagates through the disturbed gas. The values of wave intensity, wave impulse and other parameters for some magnitudes of initial parameters have been determined by means of numerical calculations. Received 10 August 1997 / Accepted 13 July 1998     

Stability of converging cylindrical shock waves

An experimental and numerical study was made of converging cylindrical shock waves. The goal of the present study was to clarify the movement and instability of the converging cylindrical shock waves. Experiments were conducted in an annular shock tube of 230 mm o.d. and 210 mm i.d. connected to a cylindrical test section of 210 mm diameter. Double exposure holographic interferometry was used to visualize the converging cylindrical shock waves. Incident shock Mach numbers ranged between 1.1 and 2.0 in air. A numerical simulation was conducted using the TVD finite difference scheme. It was found in the experiments that although the initial shock wave configuration looked cylindrical, it was gradually deformed with propagation towards the center and finally showed mode-four instability. This is attributable to the existence of initial disturbances which were introduced by the struts which supported the inner tube of the annular shock tube. This trend was significant for stronger shock waves indicating that at the last stage of shock wave convergence the initial perturbations of the converging cylindrical shock wave were amplified to form the triple point of Mach reflection. The numerical results correctly predicted the experimental trend.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1990.     

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。     

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS，又称全光纤位移干涉测速技术）和高速摄影技术，研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响，获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比，垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程，导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位，最终低于无垫片区域约0.34 mm，该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂；实验结果还表明，在垫片与间隙交界处两侧（沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°）处各增加了一条裂纹，该断裂模式既不同于环向拉伸断裂，也不同于45°的剪切断裂，而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致，这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明，装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应，还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异，以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。     

密度梯度柱壳链的弹性波传播特性研究

均匀圆柱壳链可以调控弹性波传播,引入密度梯度有望进一步提高波形调控能力.通过建立密度梯度柱壳链的细观有限元模型和连续介质模型,研究了密度梯度柱壳链的弹性波传播特性.通过将密度梯度柱壳链等效为变密度连续介质弹性杆,建立了其在应力脉冲作用下的控制方程.运用拉普拉斯积分变换方法,考虑杆中密度遵循线性分布,获得了方程的解析解.以三角形应力脉冲作用为例,通过与细观有限元模拟结果比较,发现解析解可以较好地预测梯度柱壳链中载荷的演化趋势.正梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐增大,负梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐减小.正梯度链支撑端峰值载荷高于均匀链,负梯度链支撑端峰值载荷低于均匀链,这表明相较于均匀柱壳链,密度梯度柱壳链可以在更大范围内对波形进行调控.线性密度梯度参数对梯度柱壳链的波形调控能力影响较大,梯度参数越小,传递到支撑端的峰值载荷越小;相反,梯度参数越大,支撑端的峰值载荷越大.建立的理论模型及其解析解为研究梯度柱壳链中应力波传播规律及揭示载荷调控机理提供了理论基础.     

冲击载荷作用下柱壳链中的弹性波传播简化模型及其解析解

柱壳链能引起波形的弥散,具备操控波形的潜力。建立了柱壳链结构的等效连续介质模型和细观有限元模型,研究了质量块冲击作用下柱壳链中的弹性应力波传播过程及其几何弥散特性。基于考虑横向惯性修正的Rayleigh-Love波动方程,建立了柱壳链在质量块冲击下的控制方程,采用Laplace变换及其逆变换获得了位移场、速度场和应变场的解析解,所得结果与细观有限元模拟结果较好吻合。结果表明,在冲击过程中应变和速度峰值均逐渐减小,应变峰值、振荡幅度和波形前沿宽度与泊松比和惯性半径相关,泊松比和惯性半径越大,应变峰值越小,应变分布振荡越剧烈,波形前沿宽度越宽。