增强后效复合药型罩结构的数值模拟

针对增强聚能射流的破甲后效问题,设计了等壁平顶锥形铜铝双层复合药型罩装药结构,采用冲击波物理显示欧拉动力学软件SPEED开展复合射流成型及对钢-铝间隔靶侵彻过程的数值模拟,分析内外双层药型罩高度比ε、药型罩锥角α等参数对复合射流成型和间隔靶侵彻性能的影响规律。研究结果表明:复合射流的头部速度随ε增大呈先减小后增加的趋势,在ε约为1/2时,可形成具有相近速度的铜铝同轴复合射流微元,利于铝射流微元与目标相互作用实现后效增强毁伤;且当α在50°~60°范围内时,复合射流中段为集中的铝射流微元,更利于侵彻后的爆炸或爆燃反应。对优化参数的复合药型罩结构数值模拟结果与文献公布的实验结果吻合较好。研究结果对增强后效聚能装药设计具有参考价值。     

含有大位移动边界的复杂流场的数值模拟

含有运动弹丸的膛口流场是典型的大位移动边界问题,同时弹丸在出膛过程中,流场的结构也会发生变化,增加了流场的复杂程度.在对该流场的数值模拟中,将它分为两个区:弹丸运动区和普通流场区,它们之间用一个特殊的分区边界联系,同时运用网格局部重构技术处理弹丸运动造成的网格变形问题,并将对称轴定义为网格变形边界,使得弹丸在对称轴上运动过程中不会导致对称轴上的网格体积为负.从计算结果可以看出整个膛口波系结构变化过程和弹丸先加速后减速的过程,从而表明该动网格处理方法是成功的.     

弹丸消融速率的理论模型及数值计算

建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m•s^-1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×10²⁶s^-1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m•s^-1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

HL-2A充气弹丸注入加料的数值模拟研究

为了提高HL-2A等离子体中弹丸加料深度和加料效率,研制了新型充气弹丸注入加料方法.忽略充气弹丸非加料包层的烧蚀过程,在HL-2A托卡马克位形下,应用Trans-neut程序对沉积在径向归一化磁通ψ=0.9位置处的充气弹丸输运特性及其与本底等离子体自洽的相互作用过程进行了二维数值模拟研究,给出了加料粒子和本底等离子体剖...     

尾翼型爆炸成型弹丸的数值模拟及实验研究

 在药型罩上粘附铝隔板是一种新的形成尾翼型爆炸成型弹丸（Explosively Formed Projectile,EFP）的实验方法。通过实验和数值模拟对该方法进行了分析,探讨了形成尾翼的机理。利用有限元分析软件LS-DYNA,对大锥角型、球缺型和弧锥结合型3种不同药型罩在采用新方法时形成的尾翼型EFP进行了三维数值模拟分析,并将模拟结果与实验结果进行对比。研究结果表明：3种药型罩均能形成比较明显的尾翼,数值计算结果与实验结果较吻合。该研究为设计尾翼型EFP提供了一种新的参考方法。     

高温等离子体中固体弹丸消融过程的研究

本文求得了弹丸消融过程的自洽解析解。结果表明:Parks的弹丸消融理论需要修正;弹丸消融速率由消融物云和表面蒸发层共同控制;入射电子通过消融物云时慢化效应并不显著;消融物离开弹丸表面时一般呈部分电离态;聚变堆条件下,弹丸表面可能会出现激波。     

拐角空间中悬浮铝粉尘爆轰后效的三维数值模拟

建立三维的铝粉-空气两相爆轰计算模型,采用时-空守恒元解元（CE/SE）方法求解,并开发了悬浮铝粉尘爆轰的三维数值模拟程序.基于消息传递接口（MPI）技术实现了程序的并行化设计.通过对激波管问题以及爆轰管中铝粉-空气两相爆轰实验的模拟验证程序的可靠性.对拐角空间中左侧浓度为368 g·m^-3的铝粉-空气混合物两相爆轰及其在拐角空间右侧和下方空气域内形成的冲击波和温压效应开展数值模拟,获得复杂空间内爆轰波或冲击波的传播、反射以及绕射过程.结果表明：两相爆轰在离铝粉尘区域2 m远的空气域内产生的后效冲击波能达到2.66 MPa的固壁反射压力,火球燃烧范围会超出初始铝粉尘区域约0.8 m,并且造成初始铝粉尘区域附近1.5 m范围内空气的温度高达1 600 K.模拟程序可用于铝粉尘爆轰的后效研究,对工业安全及其防护具有指导意义.     

新型结构炮口制退器的膛口冲击波数值研究与性能分析

面向炮口制退器综合性能设计需求,基于增材制造技术优势,提出了一种叠加冲击式内壁与反作用式外孔特征的新型小口径轻金属炮口制退器方案。基于三维无黏Euler方程,建立了后效期火药气体排空过程的有限元仿真模型,通过膛口流场仿真与流固耦合分析,研究了膛口流场发展、膛口冲击波与超压分布特征、制退器效率与其强度性能。结果表明:相比于传统结构,采用同种轻质钛合金材料的新型制退器具有较高的制退效率,对于机载平台具有较优的膛口超压分布特征和低冲击波危害效应,并且结构强度满足使用要求。     

准球形爆炸成型弹丸的形成、飞行及侵彻过程的数值模拟

 应用AUTODYN-2D软件,对准球形爆炸成型弹丸的形成、飞行及侵彻过程进行数值模拟。分析了爆炸成型弹丸的形成过程,药型罩曲率半径对其成型影响;应用拉格朗日/欧拉混合方法对飞行过程进行模拟计算,利用对速度-位移曲线拟合的方法求出衰减系数;并对弹丸侵彻靶板过程作了简要分析。     

锥头弹丸穿透薄钢板的实验研究

 为了研究延性薄靶的穿透性能,进行了90°锥头弹丸穿透薄钢板的准静态和动态实验。通过准静态实验,得到了4种不同厚度钢板的载荷-压入位移曲线及破坏模式;结合膜力理论模型及纯弯静塑性破坏模型,对实验结果进行了分析,得出：对于薄靶,大变形膜力起主导作用,随着靶厚增加,弯距在板整体变形过程中的影响逐渐增大。通过动态穿透实验,得到了弹丸穿透4种不同厚度钢板的入射速度、残余速度及靶板破坏模式,计算得到穿透耗能。最后,将准静态实验与动态实验结果进行了对比讨论。     

弹头激波诱导燃烧特性的数值模拟

为了研究弹头激波诱导燃烧,基于有限体积的考虑化学反应的Navier-Stokes（N-S）方程,对预混氢气-空气化学恰当比时的燃烧流场进行了数值模拟.时间项基于2阶隐式LU-SGS格式,对流项基于Steger-Warming进行离散,化学反应源项采用对角化隐式处理.首先,研究了网格对燃烧爆轰流场结构的影响,并利用Lehr实验结果验证了计算方法的可靠性;其次,研究了弹头的飞行Mach数（Ma=4.18,5.11,6.46）、弹头直径（D=5,10,15 mm）对燃烧流场稳定性的影响.研究表明:计算网格对氢气-空气爆轰流场结构影响很大;弹头直径一定时,氢气-空气燃烧流场稳定性随着飞行Mach数的增大而增强;弹头飞行Mach数一定时,氢气-空气燃烧流场稳定性随着弹头直径减小而增强.      

平衡炮实验弹丸膛内过载计算模型及应用

 针对平衡炮的具体结构特点,为了精确计算弹丸膛内过载变化过程,利用经典内弹道法对某口径的平衡炮进行了仿真计算,得出了内弹道诸元随时间的变化曲线,再根据膛压与过载的关系,推导出了过载随时间变化的曲线图,理论计算与实验结果相吻合,该计算方法可为此类火炮的内弹道参数评估和弹丸设计提供依据。     

高速杆式弹丸三维数值模拟

 应用LS-DYNA动力学分析软件对变球缺型罩装药结构下高速杆式弹丸的形成过程进行数值模拟研究,揭示了其成型机理,并研究了中心点起爆、四点同时起爆和环形起爆等三种起爆方式对高速杆式侵彻体的成型和性能参数的影响,得到了弹体的速度分布。数值计算结果显示：变球缺型罩装药结构能形成速度高、长径比大、质量分布合理的高速杆式侵彻体,其成型机理兼有聚能射流和翻转型爆炸成型弹丸的特点,即上半部罩微元直接向轴线压合,下半部罩微元向轴线压合时逐渐向后翻转变形。不同起爆方式下所形成的高速杆式弹丸的形状和性能参数有所不同,其中环形起爆所形成的弹体性能参数最优。实验结果所反映的起爆方式的影响规律与数值计算结果是一致的。     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。     

空竹抛体运动的数值解法和动画模拟

研究了马格努斯效应下的旋转抛体运动,考虑了空气阻力作用于质心上的情况。对于不同初速度和抛出角度,基于Mathematica的计算功能计算得到运动方程的数值解,然后利用软件的可视化功能画出运动轨迹曲线。在Mathematica高版本中还通过控件改变参数,得到动画模拟。使学生更加深入、直观地模拟空竹抛体的运动,同时提高了学习的主动性和创造性。     

Acceleration modules in linear induction accelerators

The Linear Induction Accelerator （LIA） is a unique type of accelerator that is capable of accelerating kilo-Ampere charged particle current to tens of MeV energy. The present development of LIA in MHz bursting mode and the successful application into a synchrotron have broadened LIA＇s usage scope. Although the transformer model is widely used to explain the acceleration mechanism of LIAs, it is not appropriate to consider the induction electric field as the field which accelerates charged particles for many modern LIAs. We have examined the transition of the magnetic cores＇ functions during the LIA acceleration modules＇ evolution, distinguished transformer type and transmission line type LIA acceleration modules, and re-considered several related issues based on transmission line type LIA acceleration module. This clarified understanding should help in the further development and design of LIA acceleration modules.     

钢筋混凝土靶板在弹丸冲击及爆炸载荷下响应的数值模拟

 采用HJC混凝土损伤本构模型及LS-DYNA的流固耦合算法,分别对钢筋混凝土靶板在弹丸冲击和爆炸载荷作用下的响应进行了有限元数值模拟,其中模拟参数由实验数据拟合重新获取。将模拟结果与实验结果和经验公式进行对比分析,结果表明：数值模拟再现了弹体贯穿靶板过程中的开坑、隧道及漏斗碎裂区,计算得到的弹体弹道极限及残余速度与实验数据吻合较好;此外,数值模拟也很好地再现了炸药爆炸后冲击波的传播过程以及爆炸载荷作用下混凝土的破坏情况,模拟结果与实验现象具有良好的一致性。     

前舱物对低速大质量平头弹侵彻金属薄板的影响

为了研究前舱物对低速大质量平头弹侵彻金属薄靶的影响,根据前舱物的力学特性,将前舱物等效为轻质泡沫铝材料,建立了含前舱物的平头弹结构有限元分析模型,开展了不同工况下带前舱物平头弹侵彻金属薄板的数值模拟计算,分析了带前舱物平头弹侵彻金属薄板的过程,对比了带前舱物平头弹和不计前舱物平头弹在不同工况下剩余速度的差异。数值计算结果表明:带前舱物平头弹与不计前舱物平头弹的侵彻过程存在明显差异,但靶板破坏模式相同;前舱物等效材料的屈服强度对平头弹侵彻性能的影响很小,可以忽略不计;前舱物有助于提高平头弹侵彻金属薄板的能力,但提升幅度有限。在实际工程应用中,可以忽略前舱物对平头弹侵彻金属薄板的影响。     

土介质对低速弹丸的抗侵彻性能实验研究

 通过低速条件下弹丸对硬土、中硬土和中软土不同土介质侵彻性能的实验研究,得到了弹丸对土介质垂直侵彻的弹道特点和不同弹丸速度对不同性能参数土介质的侵彻深度,拟合得到了不同土介质中侵彻深度随弹丸动压增加呈线性增加的无量纲关系式;基于低速弹丸对不同土介质具有不同侵彻性能的实验研究方法,可有效标定不同土介质抗侵彻性能和弹丸侵彻不同土介质性能;通过实验数据与Young侵彻公式计算结果的比较分析,验证了Young公式在侵彻深度小于弹丸直径3倍时的有效性。