发射药床冲击破碎过程的数值模拟

发射装药挤压破碎是导致膛炸的根本因素,发射药床的破碎动力学是发射安全性理论研究的基础之一.以离散元法为基础,模拟了发射药床的自然堆积过程,获得了发射药床的密实堆积构型;将密实构型下的发射药床离散成弹簧球单元系统,应用Mohr-Coulomb型破坏准则,对发射药床动态压缩模拟试验装置中的发射药粒在动态载荷下的挤压破碎过程进行数值仿真,并对数值计算结果进行后处理,实现了模拟药室中发射药粒挤压破碎过程数值计算的动画显示,再现了发射药床冲击破碎动力学过程,仿真结果与试验结果吻合较好,验证了论文理论与模型的正确性,为进一步研究发射药床的破碎规律提供了重要的理论基础和计算手段.     

发射药床冲击破碎过程的数值模拟

发射装药挤压破碎是导致膛炸的根本因素,发射药床的破碎动力学是发射安全性理论研究的基础之一.以离散元法为基础,模拟了发射药床的自然堆积过程,获得了发射药床的密实堆积构型;将密实构型下的发射药床离散成弹簧球单元系统,应用Mohr-Coulomb型破坏准则,对发射药床动态压缩模拟试验装置中的发射药粒在动态载荷下的挤压破碎过程...     

散体系统冲击破碎的动力学分析

针对球形粒子组成的散体系统,基于离散单元法,将球形粒子离散成弹簧-球单元系统,给出了离散单元的运动方程,建立了离散单元之间的弹性力和接触力的计算模型,并用Mohr -Coulomb型破坏准则判断粒子的破碎。运用上述方法,对圆筒内由脆性材料组成的散体系统在冲击载荷下的挤压破碎过程进行了数值模拟;计算过程中,跟踪散体系统中每个粒子在不同时刻的破碎情况;分析了散体系统冲击破碎过程数值模拟结果的主要影响因素。结果显示：数值模拟过程中需综合考虑计算精度和计算时间之间的平衡;相同的计算条件下,颗粒的初始堆积方式不同,计算得到的散体系统的破碎程度不同。

     

基于离散单元法的发射装药挤压破碎模拟实验

为了揭示发射装药破碎引起的膛炸现象,急需进行相应装药结构下发射装药挤压破碎数值模拟研究。以硝胺花边十九孔发射药为研究对象,基于离散单元法建立了发射装药挤压破碎模拟系统,同时进行了发射装药动态挤压破碎实验,通过数值模拟与实验获得了不同冲击载荷下的破碎发射装药和挤压应力;分别对获得的破碎发射装药进行了密闭爆发器数值模拟和实验。结果表明:模拟与实验获得的发射装药挤压应力时间历程、密闭爆发器压力时间曲线和起始动态活度比的一致性较好,实验验证了发射装药挤压破碎模拟系统的有效性及合理性。该模拟系统具有重大工程应用价值,为高能发射装药冲击破碎过程和发射装药发射安全性研究奠定了基础。     

破碎发射药形状特征量的计算方法

分析了发射药形状特征量与密闭爆发器试验中发射药的燃烧压力曲线之间的关系,提出了估算破碎发射药形状特征量的方法,并给出了确定发射药形状特征量的详细步骤。对通过落锤实验得到的不同破碎程度的发射药进行了密闭爆发器实验,并利用建立的方法计算了该发射药的形状特征量,计算结果与实验结果吻合较好。     

破碎带波浪的数值模拟

基于一组色散关系得到改进的完全非线性Boussinesq方程建立了一个波浪模型可以模拟近岸水域的波浪变浅、破碎以及在海滩上的爬高等多种变形。波浪破碎引起的能量衰减是在动量方程中引入一个在空间和时间上都只作用于波前的涡粘项来模拟。动海岸线边界用窄缝法处理。波浪爬高用非线性浅水方程推导的非破碎波浪在斜坡上爬高的解析解来验证。本模型还模拟了波浪在斜坡上不同类型的破碎变形过程,并将其波高和平均水位的沿程变化和物理模型实验的结果比较,两者符合良好。     

利用连接尺度方法的颗粒材料破碎数值分析

基于已有的颗粒材料连接尺度方法(BSM)[1-2],发展了在细尺度上采用离散颗粒集合体模型与离散单元法(DEM)并引入了颗粒破碎模型,而在粗尺度上采用Cosserat连续体模型与有限单元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM从细观层次关注颗粒材料破碎现象,而在全域采用储存空间和花费时间较少的FEM,同时在粗细两个尺度采用不同的时间步长。讨论了颗粒材料发生破碎时,颗粒材料结构的承载能力与微结构的演变。数值算例结果说明了所提出可模拟破碎的BSM的可用性和优越性,以及颗粒破碎对颗粒材料微观力学行为的影响。     

药粒破碎对压力异常影响的实验研究

在大口径火炮的研制与使用过程中，火药破碎是引起膛炸的主要原因。采用高低压发射装置，研究多种火药的动态力学强度；通过火炮射击试验，分析火药破碎对膛内压力异常影响的定量关系；利用新设计的点火器，可有效抑制压力异常。     

爆炸载荷下脆性颗粒体系破碎特性的数值研究

试验发现,以球形TNT为中心爆源,球形玻璃珠构成的颗粒和球壳中发生破碎的颗粒体积分数随当量比（颗粒球壳的质量与TNT炸药的质量比）的增加呈现指数衰减规律。采用有限元与离散元耦合的连续非连续数值方法,揭示了中心炸药起爆后颗粒环壳内爆炸波的传播衰减和在环壳外界面反射后的稀疏卸载过程。由于爆炸波的短脉冲特性,颗粒内部应力场始终处于应力非均衡状态,采用应力均衡状态下颗粒破碎强度的Weibull分布会得到远高于试验测得的破碎颗粒体积分数。因此采用破坏波传播特征时间内的平均诱导应力而非瞬时诱导应力作为颗粒破碎强度的应力指标,并通过试验结果确定破坏波传播特征时间。考虑了应力传播的非均匀性对于颗粒破碎的影响,得到了平均诱导应力峰值的概率分布随比例距离的变化规律,结合修正后的颗粒破碎强度Weibull分布建立了破碎颗粒体积分数随比例距离的变化模型。     

基于连续-非连续单元法的三维脆性颗粒冲击破碎特性分析

通过在连续-非连续单元法(CDEM)中引入考虑应变率效应的断裂能本构以及能量统计算法,实现了球体冲击破碎过程中损伤破裂程度及能量演化的定量分析。计算结果表明,冲击破碎过程分为接触蓄能阶段、损伤破碎阶段和碎块飞散阶段。首先,颗粒的部分动能转化为单元弹性变形能,随后这部分变形能和动能迅速转化为摩擦消耗、阻尼消耗及弹簧断裂能,破碎基本完全后碎块继续飞散。不同冲击速度下,颗粒分别出现了反弹、开裂、破碎和粉碎的现象。随冲击速度的增加,D50的变化速率逐渐放缓,破碎块度逐渐趋于稳定;破裂度、损伤度以及平均损伤因子的变化速率先增加后放缓,颗粒破坏以拉伸破坏为主。以上结论可为脆性材料冲击破碎工艺的优化设计提供依据。     

倾斜管道内圆柱状颗粒运动的数值模拟

本文采用计算流体力学–离散单元法对倾斜管道内圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别分析了颗粒密度、颗粒长径比、吸入速度、管道倾角、管道长径比等因素对颗粒输运效率的影响。结果表明,颗粒密度越大,颗粒的输运效率越低;输运效率随着颗粒长径比的增大而减小;输运效率随着进口速度的增大而增大。管道的倾角对输运效率存在影响,但二者不是单调关系;颗粒输运效率与管道长径比成反比。

     

深埋地下洞室断裂型岩爆机理的数值模拟

针对深部岩体中由断层、节理等不连续性结构面引发的岩爆地质灾害, 根据深埋地下隧洞中潜在发震断裂的分布特征和几何形态建立数值分析模型, 采用离散元单元法模拟存在刚性平直断裂的深部围岩的开挖响应, 并分别考察开挖接近并通过断裂附近时围岩应力状态的变化特征。通过探讨断裂的存在对围岩应力状态改变的作用机理, 揭示出断裂型岩爆是开挖面附近一定范围内存在的断裂构造在高应力作用下发生错动, 导致能量突然释放, 对围岩造成强烈冲击作用的结果, 基本与地震的断层“粘滑”机制相类似。     

DCD格式在破碎发射药床两相流内弹道计算中的应用

利用DCD(dispersion controlled dissipative scheme)格式,提出了一种研究发射装药发射安全性问题的两相流内弹道计算方法。将内弹道气固两相流动力学方程组中与压力有关的项进行变形,实现了用同一种格式对气相和固相统一处理,而无须分别对待,采用DCD格式无须数值粘性和人工滤波,提高了计算精度。实例计算了某榴弹内弹道两相流动力学,计算结果与实验结果吻合较好。把破碎发射药床视为混合装药结构,用DCD格式计算了发射药床不同破碎程度对发射安全性的影响。计算结果表现出了通常计算方法难以反映的破碎发射药床内弹道压力极为剧烈的变化过程和极高的危险膛压。 更多还原     

底隙对装药发射安全性影响机理的数值模拟研究

为研究底隙对装药发射安全性的影响机理,基于物质点法建立了冲击载荷下受底隙影响的热-力-固耦合装药燃烧模型。该模型模拟的PBX装药底部温度与实验结果基本一致,验证了模型的正确性。采用该模型模拟了不同底隙厚度时Composition B(COM B)装药的炮弹发射过程,分析了装药温度变化规律。结果表明：发射过程中,COM B装药温度从底部到顶部逐步降低,装药底部最可能出现点火反应;装药底部温度随着底隙厚度的增加而升高。弹底载荷峰值为324.7 MPa时,COM B装药处于安全状态的底隙厚度不超过0.062 cm。底隙中的空气在发射过程中被压缩,其温度极速升高,导致相邻的装药底部易出现点火反应。     

冲击载荷作用下韧－脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟

本文以冲击实验和有限元分析研究了韧－脆复合材料结构中脆性材料的破碎问题。材料的破碎图具有一定的分形特征，其分形维数随冲击载荷的增大而增加。基于实验结果的非线性动力有限元分析对这类破碎图样的演化给出了动态过程模拟     

冲击载荷作用下韧——脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟

本文以冲击实验和有限元分析研究了韧－脆复合材料结构中脆性材料的破碎问题，材料的破碎图具有一定的分形特征，其分形维数随冲击载荷的增大而增加，基于实验结果的非线性动力有限元分析对这类破碎图样的演化给出了动态过程模拟。     

颗粒破碎的微观力学模拟

基于颗粒尺度建立了考虑颗粒破碎过程中能量耗散的微观力学模型。为了模拟颗粒体的破碎过程和侧向应力的影响,把胶结在一起的三个等粒径的颗粒体当作颗粒破碎体。基于颗粒破碎准则和热力学原理,考虑了颗粒破碎过程中颗粒接触点之间的塑性滑移和颗粒转动以及侧向应力作用,通过颗粒破碎体内部颗粒之间的接触破碎来模拟颗粒体的破碎。计算结果表明:本文所提出的微观力学模型可以模拟胶结在一起的大颗粒的破碎过程;颗粒之间的微观力学参数对颗粒破碎过程中的力、塑性滑移、颗粒的转动角有不同程度的影响;力-位移关系曲线在破碎前是线性的,而颗粒破碎时竖向力迅速降低到较小值,并伴有颗粒的转动。     

高速冲击问题的离散元法数值模拟

以能量等效为原则,构建了新的求解弹塑性轴对称问题的离散元模型。通过引入断裂准则,使模型不仅可以应用于连续介质问题,还可以应用于从连续介质向非连续介质的动态转化过程。最后,通过模拟钢板受冲击载荷产生层裂的过程,说明模型在高速冲击问题中的适用性及其有效性。     

脆性无序介质冲击破碎过程及其非线性动力学特性的细观模拟

为了模拟脆性无序介质的冲击破碎过程以及揭示其所伴随的非线性动力学特性，提出了梁－颗粒细观数值模型。在该模型中，介质被随机地离散成Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形单元，相邻多边形采用弹脆性梁单元联结，介质的连续损伤和破坏由梁单元的断裂来模拟。算例表明，梁－颗粒细观数值模型不仅能实时给出介质的破碎图象及其分形维数，而且还能模拟介质内部应力和质点运动速度随时间的演化过程。     

爆轰加载下金属锡层裂破碎数值模拟

对爆轰加载下低熔点金属锡的层裂破碎问题开展了数值模拟。在利用实验数据对所采用数值方法和材料模型开展对比验证的基础上,通过对样品内部物理量时间及空间分布演化对比分析,剖析了冲击加-卸载中样品内部应力波与材料相互作用过程。此外,通过对比分析不同厚度锡样品在爆轰加载下的动态行为特征,进一步认识了自由面反射稀疏波、边侧稀疏波和入射稀疏波共同作用下层裂破碎演化机制。结果表明,当样品较薄时,层裂破碎行为由反射稀疏波主导;随着样品厚度的增大,反射稀疏波主导区缩小,入射稀疏波和边侧稀疏波主导区逐渐增大。