不同升温速率下AP/HTPB底排装置慢速烤燃的数值模拟

为研究在不同升温速率下高氯酸铵(ammonium perchlorate, AP)/端羟基聚丁二烯(tydroxyl-terminated polybutadiene, HTPB)底排装置的慢速烤燃特性,建立AP/HTPB底排推进剂二维轴对称非稳态传热模型和两步化学动力学反应模型。在不同升温速率下,分析底排装置的慢速烤燃响应特性。计算结果表明:在慢速烤燃的条件下,烤燃响应点发生在底排药柱与空气腔的接触面左侧,升温速率对底排药柱的着火延迟时间和烤燃响应点位置有较大影响。随着升温速率的提高,着火延迟时间变短,烤燃响应点向中心侧移动。升温速率对烤燃响应点的着火温度影响较小。     

炸药装药尺寸对慢速烤燃响应的研究

利用自行研制的烤燃实验装置,选用JB-B、TNT、R852三种炸药,研究探讨了炸药装药尺寸对慢速烤燃响应特性的影响,得出了随着炸药装药尺寸的增大炸药慢速烤燃反应的环境温度和发生反应的剧烈程度都会增大的规律,并对结果进行了分析和讨论。     

装药孔隙率对炸药烤燃响应的影响

为了探讨炸药装药的孔隙率对其烤燃响应特性的影响,利用自行研制的炸药烤燃试验系统,选用TNT和JB-B两种炸药进行试验。得出结论:随着装药孔隙率的增大,炸药从开始发生自加速分解反应到发生烤燃反应的延滞时间会增长,相应的烤燃反应温度也会提高;同时孔隙率的增大也会导致炸药发生烤燃反应剧烈性的增大。     

炸药装药密度对慢速烤燃响应特性的影响

为研究炸药装药密度对烤燃响应剧烈程度的影响,采用以RDX为主的高能炸药压制7种密度水平的试样,采用长径比为1.26的烤燃弹,以(10.2)℃/min的升温速率作了慢速燃实验。实验结果表明,当装药密度为理论最大密度的94%时出现压力胀裂,装药密度为理论最大密度的70%时产生爆燃,而在理论最大密度的80%左右时出现燃烧转爆轰现象,响应最剧烈。     

带壳JH-14C传爆药烤燃实验及响应特性数值模拟

为了探究受外部不同温度影响下带壳JH-14C传爆药的响应特性,设计了一套慢速烤燃下可测量JH-14C传爆药温度变化和壳体应变的实验装置,获取了不同升温速率下弹体内部温度随时间变化曲线、慢烤响应过程中装药壳体径向应变历程曲线,揭示了带壳JH-14C传爆药的慢速烤燃响应特性,将烤燃实验中弹体径向应变测试结果和炸药反应烈度相关联,提出了一种弹药烤燃实验反应等级的判定方法;基于热力学和装药化学反应,建立了带壳装药烤燃热传导模型和Arrhenius模型,采用BP神经网络反演了JH-14C传爆药热的热反应参数,对不同升温速率下弹体内部的温度场进行了研究。结果表明：升温速率越低,装药的响应温度越高,响应越剧烈;随着升温速率的降低,炸药的点火区域从炸药两端外缘逐渐向炸药内部转移。     

油箱明火烤燃燃爆特性实验研究

车辆在遭遇事故或高温天气时容易起火自燃,车辆油箱可能发生爆燃,威胁人员的生命安全。为研究装有油料的油箱在明火烤燃下的燃爆特性,采用摄像机、红外热成像仪和热电偶对油箱在烤燃过程中喷射火焰的表面温度和尺寸以及油箱内部温度进行测试,以76L油箱为研究对象,对比不同密闭条件和填充情况下油箱的燃爆特性。实验结果表明:油箱在出油口关闭、未填充抑爆材料时,易发生爆炸,烤燃产生的爆燃火球表面最高温度在1800K以上,火球体积约为油箱体积的1600多倍;油箱内填充抑爆球可使喷射火焰的最高表面温度和尺寸显著降低;在相同条件下,油箱内柴油蒸气的平均升温速率比汽油蒸气低36.0%,最高温度低16.2%。     

药量和升温速率对DNAN基熔铸炸药烤燃特性的影响

为了研究不同药量和升温速率条件下DNAN基熔铸炸药的慢速烤燃特性,自行设计了烤燃实验装置,采用多点测温烤燃实验方法,分别在1和0.055℃/min两种升温速率下进行了不同状态装药量的烤燃实验,分析了熔铸混合炸药的热反应特征。结果表明,装药量和升温速率共同影响烤燃弹的响应特性。相同烤燃弹在0.055℃/min升温速率下比在1℃/min升温速率下加热响应会更剧烈;烤燃弹的放置姿态及端盖厚度会影响烤燃弹的响应剧烈程度。

     

烤燃条件下HMX/TATB基混合炸药多步热分解反应计算

采用多步热分解反应动力学模型,描述单质炸药热分解反应,提出了多组分网格单元计算方法,对以HMX/TATB为基的多元混合炸药在烤燃条件下的热反应过程进行了计算。通过炸药烤燃实验测量了炸药内部温度,获得了炸药点火时间,验证了计算的准确性。分析了混合炸药组成比例的变化对炸药热反应性能的影响。在HMX/TATB混合炸药热反应阶段,主要是HMX发生分解反应释放热量,TATB的反应量很少,随着混合炸药中TATB含量的增多,炸药的点火时间逐渐增长,点火温度逐渐增高,炸药热安全性增强。

     

主控提前点火对复合推进剂慢速烤燃响应的影响

为研究主控点火对复合推进剂慢速烤燃响应特性的影响,设计并开展了典型复合推进剂装药慢速烤燃实验,结合数值计算和推进剂热分解失重及形貌演化过程,探讨了点火前推进剂内的温度分布情况及推进剂细观结构热损伤规律。研究发现：针对复合推进剂装药的慢速烤燃,在推进剂发生自热点火前温度较低时进行主控点火可以有效降低反应剧烈程度;随着加热温度的升高,推进剂中部分组分发生分解,导致推进剂内部温度高于壳体温度,同时推进剂中粘结剂及AP的分解会导致推进剂装药形成多孔状的结构,在点火后更易导致对流燃烧,加剧反应烈度;当壳体温度仅138 ℃时,推进剂温度最高点达到150 ℃,最高点首先出现在靠近喷管的尾部,考虑到粘结剂及AP部分分解导致的孔隙结构会加剧反应的响应烈度,主控点火温度应设定在138 ℃以下。

     

侵彻弹体快速烤燃安全特性实验研究

为了考核大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性,利用自行研制的快速烤燃装置开展了实验。将质量为290 kg的侵彻弹体平吊在距航空燃油液面0.4 m的高度进行快速加热,实时采集弹体表面温度并拍摄实验过程,同时测量距弹体质心水平7 m处的反射冲击波超压,最后从加热时间、弹体表面温度、实验后现场破坏情况、反射冲击波超压峰值、反应机理及响应类型等方面对大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性进行了详细分析。实验结果表明：侵彻弹体在537 ℃高温中加热16 min 4 s后开始发生剧烈反应,且弹体内腔下方炸药最先响应形成热点,逐渐积聚的高温高压气体将壳体撕裂后快速泄压,在7 m处测量得到的反射冲击波超压峰值为33.622 kPa,远小于该弹体在空气中完全爆轰产生的冲击波超压峰值。综合判断该侵彻弹体的快速烤燃响应类型为爆燃,其安全特性满足要求。

     

聚能射流三维数值模拟

研究三维多介质界面处理及数值模拟问题。采用拉格朗日法、欧拉法相结合的方法在矩形网格上离散差分基本方程组;在欧拉步中引入模糊方法处理界面,计算各输运量;编写了数值模拟程序,并对线型装药金属罩聚能射流模型进行模拟。证明模糊界面描述和模糊输运计算有效、可行。     

聚能装药的欧拉数值模拟

用二维有限差分欧拉程序MEPH2Y模拟了聚能装药的作用过程,包括爆轰波的形成、传播及与其他介质的相互作用,高温高压下射流（或射弹）的形成、延展、减压、断裂,射流（或射弹）对靶的侵彻及靶的成坑和动态响应等过程。介绍了程序所用的数学模型、数值方法,以及模拟的部分问题与实验结果的比较。结果表明,数值模拟结果与实验结果符合较好。     

子弹撞击碳化硼陶瓷复合靶试验与数值模拟研究

碳化硼陶瓷具有高硬度、低密度的特性,在装甲防护领域有广泛的应用前景,碳化硼陶瓷及其复合靶的冲击破坏特性是装甲防护领域近期的焦点问题之一。本文中基于剩余穿深方法,开展了碳化硼及复合靶抗12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻的试验研究。建立了碳化硼陶瓷复合靶抗弹数值模拟模型,根据试验研究结果验证数值模拟方法的可靠性。在此基础上,开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻碳化硼陶瓷复合靶的数值模拟研究,重点研究了靶板配置、背板厚度及种类对复合靶抗弹性能的影响。结果表明：靶板面密度相同的情况下,随着陶瓷厚度的增大,陶瓷复合靶的抗弹性能提高;陶瓷厚度相同时,陶瓷复合靶抗弹性能提升的效率随其面密度的增大而下降。陶瓷/PE (polyethylene)结构适合抵抗低速弹体的侵彻破坏,陶瓷/铝结构适合抵抗高速弹体的侵彻破坏。

     

非均匀脆性材料数值试验CA计算模型

以自动元胞机CA(Cellular Automata)理论为基础,提出了一种CA计算模型,模拟混凝土、岩石等非均匀脆性材料的开裂过程,研究分析材料的变形性质和力学性能。文中给出了空间随机杆件方向余弦常量,推导了等效杆件截面面积计算公式,并通过数值试验证明了方法的有效性。     

Comparisons and applications of numerical simulation methods for predicting aerodynamic heating around complex configurations

Numerical simulation methods of aerodynamic heating were compared by considering the inuence of numerical schemes and turbulence models,and attempting to investigate the applicability of numerical simulation methods on predicting heat flux in engineering applications. For some typical cases provided with detailed experimental data,four spatial schemes and four turbulence models were adopted to calculate surface heat flux. By analyzing and comparing,some inuencing regularities of numerical schemes and turbulence models on calculating heat flux had been acquired. It is clear that AUSM+-up scheme with rapid compressibilitymodified high Reynolds number k-ω model should be appropriate for calculating heat flux. The numerical methods selected as preference above were applied to calculate the heat flux of a 3-D complex geometry in high speed turbulent flows. The results indicated that numerical simulation can capture the complex flow phenomena and reveal the mechanism of aerodynamic heating. Especially,the numerical result of the heat flux at the stagnation point of the wedge was well in agreement with the prediction of Kemp-Riddel formula,and the surface heat flux distribution was consistent with experiment results,which implied that numerical simulation can be introduced to predict heat flux in engineering applications.     

计算机模拟升降法试验随机序列产生与统计检验

阐述了计算机模拟升降法试验中随机序列产生的基本原理。从参数分布、均匀性和不相关性三个方面对该随机序列进行了统计检验 ,并以该随机序列为基础 ,通过计算机模拟升降法试验 ,求得了感度分布标准差估计值的纠偏因子表 ,实例证明该纠偏因子表是有效的。     

SPH 方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用

采用有限元软件LS-DYNA中的SPH 算法实现聚能装药射流形成过程的三维数值模拟。将SPH方法和FEM 方法与理论计算结果相比较。研究结果表明:SPH 数值模拟计算过程十分稳定,避免了有限元数值模拟过程中的网格扭曲、缠绕和物质穿透等问题,而且计算精度比有限元方法更高;采用SPH 方法计算的射流速度、射流长度与有限元计算结果和理论计算结果的误差均小于5%,因此该方法对于模拟诸如聚能装药等多介质、大变形问题十分有效;初始相邻粒子数N 的最佳取值范围为600~1800,在该范围内计算结果的误差小于3%,且计算效率高。     

An experimental and numerical investigation of different shear test configurations for sheet metal characterization

Simple shear tests are widely used for material characterization especially for sheet metals to achieve large deformations without plastic instability. This work describes three different shear tests for sheet metals in order to enhance the knowledge of the material behavior under shear conditions. The test setups are different in terms of the specimen geometry and the fixtures. A shear test setup as proposed by Miyauchi, according to the ASTM standard sample, as well as an in-plane torsion test are compared in this study. A detailed analysis of the experimental strain distribution measured by digital image correlation is discussed for each test. Finite element simulations are carried out to evaluate the effect of specimen geometries on the stress distributions in the shear zones. The experimental macroscopic flow stress vs. strain behavior shows no significant influence of the specimen geometry when similar strain measurements and evaluation schemes are used. Minor differences in terms of the stress distribution in the shear zone can be detected in the numerical results. This work attempts to give a unique overview and a detailed study of the most commonly used shear tests for sheet metal characterization. It also provides information on the applicability of each test for the observation of the material behavior under shear stress with a view to material modeling for finite element simulations.     

不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟

采用浸入边界法对细长柔性圆柱在线性剪切流条件下的涡激振动进行三维数值模拟。细长柔性圆柱振动采用三维索模型模拟,其两端铰接,质量比为6,长细比为50,无量纲顶张力为496。来流为线性剪切流,剪切率从0到0.024变化,最大雷诺数为250。研究发现:剪切流作用下柔性立管横流向振动表现为驻波模式,而顺流向振动表现为行波-驻波混合模式。随着剪切率增大,振动频谱呈现多频响应,振动能量逐渐向低频转移。阻力系数平均值随着展向变化,脉动阻力系数和升力系数的均方根值均表现为“双峰”模式。流固能量传递系数沿立管轴向的分布表明,振动激励区集中于高流速区,而振动阻尼区多位于低流速区。剪切率较小时,圆柱的泻涡为平行交叉模式;剪切率较大时,圆柱的泻涡为倾斜泻涡模式,且由于泻涡频率沿立管轴向变化,尾流发生涡裂现象,形成泻涡频率不同的胞格结构。