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.     

初始堆积对发射药床底部挤压应力的影响

为给发射装药发射安全性的评估提供关键数据,对不同初始堆积发射药床进行了挤压破碎实验,测得了发射药床底部的挤压应力。利用离散单元法,建立了发射装药挤压破碎动力学模型,对发射药床的挤压应力进行了计算。实验结果和计算结果吻合较好。随机堆积药床底部的挤压应力较一致,竖排堆积药床底部的挤压应力差异较大。     

发射药粒冲击破碎的数值模拟

为了研究发射药粒冲击破碎对发射装药发射安全性的影响,本文以离散单元法为基础,将发射药粒离散成弹簧-球单元系统,推导了弹簧刚度系数的理论表达公式。采用相应的破坏准则,建立了发射药粒冲击破碎的动力学仿真系统,模拟了发射药粒以不同初始角度冲击刚性边界的破碎过程,并将该方法应用于发射药床挤压破碎动力学计算中,再现了发射药床挤压破碎的动力学过程。发射药床破碎后会导致初始燃面增加,而对内弹道性能产生影响的直接因素是初始燃面的增加程度,采用统计的方法定量地获得了破碎后发射药床的表面积,结果表明破碎后的发射药床表面积增加了35.79%,而试验结果得出的发射药床表面积增加量为32.25%,说明仿真结果与试验结果较为接近,验证了本文理论与模型的正确性。本文研究为进一步研究发射装药挤压破碎对发射安全性的影响提供了重要的计算手段。     

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。     

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。     

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     

液体发射药电热化学发射内弹道一维两相流模型及数值模拟

在理论分析的基础上 ,结合实验条件建立了液体发射药电热化学发射内弹道一维两相流数学模型 ,该模型包含电弧等离子体生成和运动、等离子体卷吸液体发射药生成小液滴以及膛内多相流体的相互作用。利用该模型对电热化学发射内弹道过程进行了数值模拟 ,并将模拟结果与实验数据进行了分析比较 ,结果表明模拟结果与实验数据基本吻合。     

JH-2模型及其在Al2O3陶瓷低速撞击数值模拟中的应用

利用现有文献数据以及实验与数值模拟结合的方法得到了Al2O3陶瓷的Johnson-HolmquistⅡ (JH2)本构模型参数,并且基于这种含损伤的动态本构模型,采用LS-DYNA 显式有限元软件对Al2O3陶瓷 在低速撞击下的破碎过程进行了数值模拟,再现了试件的损伤演化与动态破碎过程。结果表明,Al2O3陶瓷 在冲击载荷作用下,主要呈轴向劈裂状破坏;随着输入压缩波加载时间的减小,试件的破碎程度加剧;利用 JH-2模型对Al2O3陶瓷在SHPB实验中的动态损伤演化过程的模拟结果与实验回收试件的破碎模式基本一 致,从而验证了JH-2模型在模拟低速撞击下陶瓷动态破碎过程的有效性和可行性。     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

不同尺度分布散粒材料砂堆形成过程的二维离散元模拟

用作者开发的离散元程序,模拟不同尺寸分布的砂堆形成过程.把散体颗粒简化为圆形颗粒,模拟过程分三步:首先利用参考网格生成颗粒的松散堆积结构;为了避免颗粒下落的冲击作用对砂堆安息角的影响,先模拟颗粒在重力作用下在圆柱容器内的自由下落与堆积,直至堆积达到稳定;最后,移除容器,只保留一个底部边界,模拟颗粒体系的散落过程,直至形成一个稳定的砂堆.模拟结果表明,在其他参数保持相同的情况下,随着颗粒尺寸的减小,砂堆的安患角逐步减小并趋向于一常值.对模拟中的两组颗粒体系进行相同条件下的砂堆形成实验,结果表明,模拟与实验所得安息角大体相当.     

两模块装药点传火过程及药粒散布特性

模块装药点传火过程中药粒堆积形态对膛内起始压力波特性有重要影响,而模块装药点传火过程中药盒破裂后药粒飞散过程决定了药粒最终堆积形态。为此设计了模块装药可视化点传火模拟试验装置,通过高速摄像系统,观测不同初始装填位置的两模块装药点传火、药盒破裂及药粒散布过程。试验结果表明,两模块初始装填位置远离底火端且两药盒装填间距增大时,药室内传火时间变长,两个模块药盒燃烧更充分,模块盒的破裂面增大。点传火试验结束后,药室内模拟药粒散布在以底火侧端面中心为起点的轴向195～500 mm区域。其中,药粒主要分布于药室右侧陡坡状堆积区域。基于试验建立了模块装药点传火过程中药盒破裂后药粒散布的三维非稳态气固两相流模型,并进行了模拟计算。计算得到的最终药粒散布与试验测得结果基本吻合,验证了模型的合理性。     

高含能颗粒床中瞬变点传火过程的三维两相流数值模拟

结合火炮工程背景，建立高含能稠密颗粒床中非定常三维两相流与点火器中非定常一维两相流的数理模型，并考虑主装药床与点火器的相互耦合作用。采用分数步法（ＦＳＭ）数值求解。发现在点传火阶段，膛内存在明显的三维效应，并伴随波动现象，火药颗粒向壁面聚集。部分计算结果与试验结果相一致。     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

Two-phase flows in gun barrel: Theoretical and experimental studies

In the paper theoretical and numerical model of two-phase flow of solid granular propellant and its products of combustion in the gun barrel during interior ballistic cycle is given. Two cases are considered: base ignition of propellant charge and ignition by igniter. The theoretical model includes the balance equations of mass, momentum and energy for both phases, as well as necessary constitutive laws. The igniter efflux in the propellant chamber is obtained by incorporation in the model the two-phase flow model of igniter function. The convergent, unconditionally stable, numerical procedure is formed to solve the system of equations of the theoretical model. An original procedure of numerical grid adaptation to the flow field increase, caused by the projectile motion down the gun bore, is developed. The TWOPIB code for the computation of whole interior ballistic cycle of ammunition is developed. Four kinds of experimental investigations were carried out:igniter function in open air, flamespreading through propellant charge in the fibreglass tube during base ignition or during ignition by igniter, and firing of 100 mm APFSDS projectile. Verification of the theoretical–numerical approach by the comparison with experimental data is carried out. The great number of computational results is presented for the parameters that can not be measured, but which are necessary for more complete understanding of examined processes. The presented theoretical–numerical access enables, not only the complete optimisation of propellant charges, but more successful solutions of many interior ballistic problems.     

Fracture of a burning solid propellant attenuated by a crack-type cavity

A plane steady problem of fracture mechanics for a burning deformable solid propellant attenuated by a crack-type cavity with a burning surface is considered. The crack-type cavity is assumed to have tip zones with bonds between the faces, and mixed boundary conditions are imposed on the propellant charge boundary. The problem of equilibrium of a propellant charge containing a crack-type cavity reduces to solving a system of nonlinear singular integrodifferential equations with a Cauchy-type kernel. Based on the solution obtained, the normal and tangential forces in the tip zones of the crack-type cavity are found. Local conditions determining stability (safety) of the solid propellant burning regime are found.