装药动爆冲击波特性研究

导弹、炮弹等战斗部爆炸时具有一定的速度,较大的运动速度会使爆炸冲击波场分布发生变化,进而对弹药的毁伤威力产生影响。本文中采用AUTODYN软件对速度分别为0、272、340、680、1 020和1 700 m/s的TNT球形裸装药在空气中爆炸的冲击波场进行了仿真计算,定量研究装药在动爆条件下的峰值超压、比冲量和正压作用时间等威力参数特性。结果表明,方位角小于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成正相关,与正压作用时间成负相关;方位角大于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成负相关,与正压作用时间成正相关。超压峰值大小沿方位角成正弦变化。最后,分析了冲击波峰值超压数据,建立了动爆冲击波超压的计算模型,该模型计算结果与仿真和实验结果吻合较好。

     

聚能装药水下爆炸冲击波和侵彻体载荷作用时序研究

聚能装药水下爆炸过程中会产生高速聚能侵彻体和强间断冲击波等多种毁伤元。由于聚能侵彻体和冲击波的作用时间接近，且聚能装药水下爆炸作用时序的理论并不完善，因而认识两者的作用时序对聚能型战斗部作用下舰船结构的毁伤研究具有重要意义。首先，基于接触爆炸理论和牛顿第二定律，推导药型罩压垮后加速度和速度公式的基本形式。随后，基于欧拉控制方程，建立聚能装药空中和水下爆炸数值模型，得到装药和药型罩交界面处压力时程曲线，定量地确定药型罩压垮的加速度和速度公式，通过理论公式可解决不同炸高下聚能侵彻体和直达冲击波先后到达目标的问题。为了验证理论公式的可靠性，讨论了空气域长度为5倍装药半径时的复杂工况，数值模拟结果和理论推导结果基本一致：当空气域长度为5倍装药半径时，炸高在3倍装药半径之外，冲击波先于侵彻体。提出了药型罩压垮的加速度和速度理论公式的形式和求解聚能侵彻体和冲击波作用时序问题的思路，为分析聚能装药水下爆炸聚能侵彻体和冲击波的作用时序提供了理论依据。     

船体水下近距非接触爆炸损伤计算之两步迭代法

船体水下近距非接触爆炸产生的破口计算过程复杂,涉及船体板架、武器装药和爆距方位等诸多因素,工程实践中通常应用经验公式求解。基于舰船遭受定向型战斗部攻击、毁伤面近似垂直于毁伤轴和爆炸过程瞬时发生满足近似能量守恒基本条件,根据爆炸冲击波初始动能与爆炸作用区域结构塑性变形能等量传递的假设,给出了计算方法。考虑了附着加强筋的船体壳板等效厚度对抵御冲击波毁伤的影响,运用爆炸冲击波作用下船体壳板产生的极限应变超过板材动态极限应变导致壳板开裂这一基本原理,设计了两步迭代法计算流程,给出了简捷易用的迭代计算表格。针对4种典型装药当量冲击波作用下,5～20 m长度舱段,11 m以内爆炸距离,6和8 mm这2种典型厚度船体壳板遭受爆炸冲击受损情况进行了768组数据计算。引入平面拟合方程,通过判断截平面相似度分析,给出了计算方法的适用性判据,探讨了计算参数的适用范围,以保证两步迭代法能够客观反映水下近距非接触爆炸的实际破坏效果。结合经验公式计算结果和破损舰船受损实测数据,对该方法进行了检验,实践表明：两步迭代法易于工程实践且具有较好的准确性。     

柱形装药近地动爆冲击波周向传播规律研究

战斗部复杂的末弹道参数会影响近地爆炸冲击波的周向传播规律及对目标的毁伤程度,研究柱形装药近地爆炸冲击波传播规律对精确评估毁伤效能具有重要的工程意义。基于AUTODYN-3D软件对不同末弹道参数的柱形装药近地爆炸进行了数值模拟,通过对2个方向分别建模,获得了柱形装药近地爆炸下前、后、侧3个方向的冲击波压力数据;研究了战斗部的落速、落角、爆心高度和装药长径比4个参数对柱形装药近地爆炸冲击波传播的影响规律,分析了冲击波的演化过程、峰值压力和马赫杆高度。研究结果表明：静爆时,爆心高度是影响冲击波马赫杆高度的主要因素,落角与装药长径是影响马赫杆高度方向差异的主要因素;动爆时,能够增大周向马赫杆高度,前方最显著;另外,随着动爆速度的提升,前向冲击波峰值线性增大。正交优化的结果显示,4种变量中,动爆速度对柱形装药前方峰值压力极差最大,落角对后方峰值压力极差最大,爆心高度对马赫杆高度影响最大。通过研究柱形装药近地动爆冲击波周向传播规律,表明合理的调整装药参数和近地爆炸姿态对实现某方向的最大毁伤或减小超压伤害具有借鉴意义。

     

战斗部近距爆炸下夹芯复合舱壁结构防护能力的理论评估模型

为改善当前战斗部近距爆炸下基于单纯抗爆或抗穿甲载荷开展防护结构设计的不足,本文中建立了战斗部近距爆炸下夹芯复合舱壁结构防护能力的理论评估模型,提出了联合作用下夹芯复合舱壁结构的防护能力需同时满足抗弹性能和整体变形破坏两方面要求。具体步骤为:首先计算战斗部爆炸后的联合毁伤载荷,然后基于抗弹理论模型评估夹芯复合舱壁结构的抗弹性能。若满足要求,则进一步根据联合作用理论模型校核夹芯复合舱壁结构在冲击波和破片群联合作用下是否满足整体变形破坏要求,判据为后面板是否产生撕裂、破口破坏。与有关实验结果进行了计算比较,结果吻合良好,证明了此理论评估模型的合理性。     

考虑环境温、湿度的球形装药爆炸冲击波参数计算模型

为获得实际温、湿度环境中冲击波参数计算模型,计算了考虑温、湿度的理想气体状态方程参数,利用SPEED软件,针对典型状态空气中球形装药爆炸过程进行数值模拟,得到了温、湿度对爆炸冲击波参数的影响规律。结果表明,温度和相对湿度对冲击波超压的影响较小,而正压作用时间和冲量随温度和相对湿度的升高均呈线性递减关系,在高温高湿和寒冷干燥条件下,冲击波正压作用时间和冲量相差分别达21.8%和18.4%。以经典工程计算模型为基础,通过引入含有温度、湿度和对比距离的修正因子,建立了考虑环境温、湿度的球形装药爆炸冲击波参数的计算模型。采用该模型计算得到的不同药量球形TNT爆炸冲击波参数与数值仿真结果吻合较好,可对装药在实际环境中威力评估提供参考。     

爆炸容器内冲击波系演化及壳体响应的数值研究

对中心装药爆炸后冲击波的产生、传播和壳体动态响应全过程进行了数值研究。认为RDX瞬时爆炸 ,爆炸近场采用自相似解 ;冲击波传播和波系演化采用PPM (the Piecewise Parabolic Method)格式求解Eu ler方程 ;壳体响应采用有限元方法求解拉氏坐标系下由虚功原理得到的动力学方程。壳体内壁面边界条件分别采用强耦合和弱耦合方法处理。结果表明 :(1)当装药量相同时 ,薄壁壳体振型比厚壁壳体复杂得多 ,振幅也大 ;(2 )当装药量不同 ,壳体厚度相同时 ,爆炸场冲击波的演化过程不同 ;(3)对少量装药 ,产生的冲击波强度低 ,壳体变形小 ,是否考虑内边界运动 ,对计算结果的影响不大 ;(4 )在本文条件下 ,爆炸容器封头顶点所受的载荷最大 ,是最易发生破坏的地方 ,侧壁与爆点所在横截面的交线 ,也易破坏。     

预制孔靶板在爆炸冲击波载荷作用下的动态响应

对四边固定带预制孔靶板在爆炸冲击波载荷作用下的动态响应问题进行了实验研究。通过设计爆炸冲击波载荷对2种材料不同孔数、不同孔径的靶板的冲击工况,获得了各靶板的中心点挠度。通过分析,得到了预制孔靶板中心点挠度与预制孔数、孔径的相关规律,结合无孔平板在爆炸冲击波载荷下的挠度公式,建立了广义的靶板中心点挠度公式,可用于计算不同孔靶板的中心点挠度。研究结果可作为平板材料在破片冲击波联合毁伤研究的基础,为杀爆战斗部威力评估提供一些依据。     

浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟研究

根据试验模型和试验结果,进行了浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟;通过与水中单个装药爆炸,以及无限水中两个装药同时爆炸的数值模拟结果的对比分析,研究了水底水面对沉底的两个装药同时爆炸产生的冲击波传播与相互作用的影响。结果表明:水底对冲击波压力峰值有削弱作用,水面使冲击作用冲量明显减小,冲击波相互作用压力叠加或多次冲击作用可提高爆炸威力。     

球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型

为获得球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型,对静态爆炸冲击波超压Baker计算公式加入修正因子进行修正,并建立了构造包含装药运动速度、对比距离和方位角的修正因子函数的方法。为获得修正因子的函数表达式,采用高精度显式欧拉流体动力学软件SPEED针对具有典型运动速度的球形装药空中爆炸过程进行了数值模拟,得到了沿装药不同对比距离和方位角处的动态爆炸冲击波超压峰值。在对数值模拟结果处理的基础上,经过数据拟合获得了动态爆炸冲击波超压场计算模型。校验结果表明,该模型能较准确描述动态爆炸冲击波超压分布,具有普适性。     

导弹目标在破片式战斗部作用下的易损性评估

对导弹目标的功能、结构、毁伤机理进行了分析和研究，给出了导弹目标的毁伤级别、毁伤树以及各舱段的毁伤准则，在此基础上建立了导弹目标在破片式战斗部作用下的易损性评估模型，根据该模型对某导弹目标的易损性进行了计算，得到了该导弹的易损性与舱段易损特性、炸点相对目标的方位及距离的关系。     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察,结合数值模拟,分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明,舱内爆炸下,舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别,其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述;舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力,其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上;舱室板架结构主要有4种失效模式,其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生;舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加,但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度,减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

箱型结构内部爆炸破坏研究进展

结构内部爆炸破坏机理和规律是常规武器毁伤效能预测与评估、建筑物和舰船抗爆防护设计的重要支撑。基于结构内爆炸载荷、内部爆炸作用下结构塑性响应、内部爆炸作用下箱壁结构破坏模式、内部爆炸作用下多箱型结构破坏模式和分布四个方面详细论述了箱型结构内部爆炸破坏的研究现状及存在的问题,并对内部爆炸后续研究给出了建议。建议研究并建立更加复杂的结构内部爆炸载荷和破坏效应描述模型、内部爆炸作用下箱壁的动力响应机理、多箱型结构与内部爆炸波产生的耦合效应、内部爆炸作用下结构的破坏模式和破坏范围的快速准确预测方法等。     

水下爆炸对沉箱重力式码头毁伤效应

通过开展不同爆距下水下爆炸对沉箱重力式码头模型毁伤效应试验,对水下荷载进行了采集分析,对毁伤因素、毁伤模式和毁伤机理开展了研究,初步讨论了爆距的影响。结果表明:试验中未形成完整的气泡脉动过程,荷载超压主要出现在冲击波传播阶段,爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波是主要的毁伤因素;水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤程度大、模式多、机理复杂,主要毁伤部位为迎爆面外墙、迎爆侧管沟、封仓板和面板;爆距越近码头毁伤越严重;当爆距过近时,爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收,迎爆面毁伤程度大幅增大,码头其他部位毁伤程度增幅放缓。     

钢纤维钢筋混凝土板爆炸局部破坏效应

在前人的实验基础上,针对中高强钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸破坏效应进行了94炮野外化爆实验,详细介绍了实验参数设计,系统分析了不同装药量及结构参数条件下钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸破坏特征,即爆炸成坑、临界震塌、爆炸震塌、临界贯穿和爆炸贯穿。得出了钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸5种典型破坏形态及其相应的破坏参数指标值,对爆炸成坑和结构震塌的主要影响因素得出了初步结论,为爆炸局部破坏分级及结构抗局部破坏设计提供了实验依据。     

水下接触爆炸下沉箱码头毁伤效应

为研究水下接触爆炸下沉箱码头毁伤效应和毁伤机理,通过LS-DYNA有限元软件建立沉箱码头水下接触爆炸模型,进行数值模拟研究,并通过试验验证模型准确性。结果表明:运用有限元方法能够较好地模拟水下接触爆炸作用下沉箱码头的毁伤效应,沉箱码头的破坏过程可分为两个阶段:冲击波阶段,沉箱外墙产生初始破口和环状裂缝;气泡膨胀阶段,爆轰产物从破口涌入仓格加速了仓格的变形和毁伤,仓格顶部变形严重导致码头面板破坏,气泡由于冲出水面提前溃灭,码头毁伤在0.14倍的气泡第一次脉动周期基本停止。对比不同爆炸深度,水域中部接触爆炸下沉箱毁伤最为严重,近水面接触爆炸对码头面板的毁伤作用更强。     

爆炸荷载下沉箱重力式码头模型毁伤效应

在野外条件下开展了不同爆炸荷载条件下沉箱重力式码头模型毁伤效应实验,得到了沉箱重力式码头模型在1 kg TNT当量空中爆炸、水下爆炸以及结构内部爆炸后的毁伤模式,并针对不同毁伤模式给出了相应的抢修建议。实验结果表明：空中爆炸荷载下码头仅面板局部破坏形成爆坑;水下爆炸荷载下码头迎爆面及相近区域形成大量裂缝;结构内部爆炸荷载下码头仓格大变形破坏且中间面板被掀飞;从横向对比来看,在相同爆炸当量下空中爆炸荷载下码头毁伤程度最小,结构内部爆炸荷载下码头毁伤程度最大。

     

水面舰艇舰员对水下爆炸冲击响应

通过建立站立、坐姿、行走状态下的人体集中参数模型,分析水下爆炸载荷作用下舰员的冲击响应,讨论了水下爆炸冲击强度与人体冲击损伤的关系,并依据常用的损伤标准进行损伤程度的评估,为水面舰艇舰员冲击防护提供指导.     

接触爆炸作用下高聚物复合板毁伤特性分析

高聚物材料具有成型快和膨胀性能好的特点,该材料与碎石和钢筋的复合结构应用于地基处理和城市道路脱空除险加固,具有明显优势。本文中,设计并制作了高聚物碎石板和钢筋高聚物板,开展了接触爆炸冲击下的试验研究,通过毁伤尺寸和所测冲击波数据探讨了2种板的毁伤特性。基于ANSYS/AUTODYN非线性显式有限元程序,建立了试验中毁伤更严重的钢筋高聚物板的接触爆炸全耦合模型,并通过与试验结果的对比,验证了所建耦合模型的准确性和适用性。参数化分析了钢筋高聚物板对炸药量和板厚的敏感性,并利用多参数非线性回归分析方法,提出了钢筋高聚物板迎爆面和背爆面破坏直径的预测公式。结果表明：接触爆炸作用下,高聚物碎石板的毁伤模式以接触部位的局部震塌冲切破坏为主,除此之还有一些毁伤裂纹;钢筋高聚物板的破坏模式主要是迎爆面爆坑毁伤、背爆面剥落损伤和中心冲切贯穿破坏。高聚物碎石板和钢筋高聚物板对爆炸冲击波都具有良好的衰减作用,有望应用到抗爆炸冲击防护领域。     

水下爆炸载荷作用下加筋板的毁伤模式

利用有限元软件MSC.Dytran研究了不同药量和爆距水下爆炸载荷作用下加筋板结构的毁伤模式,并进行了实验验证。研究了不同参数对毁伤模式的影响,并分析了不同毁伤模式之间的临界载荷值及判别条件。从毁伤模式的角度提出了接触爆炸与非接触爆炸的判别条件。