约束空间内壳装炸药殉爆及防护

为研究壳装炸药在包装箱内的殉爆响应和防护方法,开展了壳装聚黑铝炸药在包装箱内的殉爆试验,通过被发装药残留炸药和壳体破碎情况,判断被发装药的反应情况。建立了壳装炸药箱内殉爆计算模型,采用非线性有限元计算方法,对壳装聚黑铝炸药殉爆试验进行了数值模拟。并对包装箱进行防殉爆设计及试验验证。数值模拟结果表明,在包装箱内装药发生殉爆的主要原因为高速破片的撞击。试验结果显示,在无防护条件下,主发装药箱内2发、下层箱内1发被发装药发生爆轰反应,下层箱内1发被发装药未发生反应;在相邻装药间设置20 mm木隔板,在箱底设置2 mm铝板后,仅有与主发装药相邻的被发装药发生爆燃至爆炸等级的反应,其余3发被发装药未发生反应。说明在箱内设置隔板可有效降低殉爆反应等级。     

含能破片引爆带壳炸药过程的数值模拟

将引爆模拟战斗部等效为带铝壳炸药,设计了一种新型含能破片作为毁伤元,利用非线性有限元LS -DYNA软件对该含能破片侵彻、引爆带壳炸药的作用过程进行了数值模拟。用“升降法”得到了该“含能破片”对不同盖板厚度带壳炸药的引爆速度,同时与普通破片引爆同规格带壳炸药进行了对比,并进行了实验验证。结果表明,通过控制含能破片的撞击速度和含能物质的延迟起爆时间,可有效引爆盖板厚度为8~16mm的带铝壳炸药。

     

椭圆封头圆柱形爆炸容器动力响应的数值模拟

采用显示非线性动力有限元软件LS-DYNA,在不同TNT当量下对椭圆封头圆柱形爆炸容器进行了数值模拟。模拟结果表明:对椭圆封头与圆筒组合而成的理想结构,爆心环面的应变在初始响应阶段就达到了最大值,并且其值大于筒体上其他点的最大应变;实际结构中法兰对爆炸容器的动力响应有很大的影响,当法兰的质量超过一定值之后,容器爆心环面会产生应变增长现象。在容器的设计工作中要加强容器的爆心环面并适当地选择法兰。     

金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。

     

激光辐照下充内压柱壳动态爆裂的数值模拟

采用动力有限元显式积分程序,对承受内压、在侧面受到激光辐照的圆柱壳的热 力学响应进行了数值模拟,展现了圆柱壳热软化、鼓包和爆裂的动态失效过程。获得的柱壳失效方式与实验现象基本吻合;还给出了不同内压作用下柱壳的破坏时间,获得一些定性的认识。     

聚碳酸酯弹丸穿甲实验与数值模拟

利用空气炮为加载设备,开展了不同头部形状聚碳酸酯弹丸的穿甲实验,获得了弹体穿甲时靶板 的变形时间历程曲线及弹靶相互作用时间,观察到不同弹体在穿甲过程中产生的断裂、内部损伤及头部塑性 变形等失效特征。采用光塑性方法,分析了截锥型聚碳酸酯弹丸穿甲后的变形特征,通过用户子程序将DSGZ 模型引入商用有限元程序,对截锥型聚碳酸酯弹丸的穿甲过程进行了数值模拟,获得了不同时刻聚碳酸 酯弹丸应力分布及靶板的变形特征,模拟结果与实验结果吻合较好。     

轴压圆柱壳后屈曲的有限元分析

采用流动的曲线坐标建立了大位移下的样条曲壳元，利用它分析了轴压圆柱壳的后屈曲问题。一个跨越和求取分支点的技巧和对弧长法的一个改进在文中提出。计算所得的载荷－轴向缩短曲线较解析解更接近于实验结果，所得的后屈曲波形也和实验相当符合。     

垫层对破片冲击起爆带壳炸药影响的数值模拟

将战斗部简化为带钢壳和垫层的炸药组件,用3种不同厚度的材料作垫层,利用非线性有限元软件AUTODYN对高速破片侵彻、引爆带壳炸药的作用过程进行了数值模拟,得到了高速破片冲击起爆带壳带垫层炸药的波后压力剖面。对不同厚度多种材料作为垫层时带壳炸药的冲击到爆轰距离进行了对比分析,结果表明,通过控制垫层的材料和厚度,可以对破片冲击起爆带壳炸药进行有效抑制。研究结果对战斗部破片起爆的防护设计具有指导意义。

     

破片撞击装药点火实验和数值模拟

实验中采用升 降法得到了破片撞击装药点火的临界速度范围,数值模拟中采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程描述了炸药的破坏行为和点火反应。实验结果与数值模拟结果吻合较好。研究结果表明,采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程可以有效地描述装药在破片撞击作用下的破坏行为和点火反应。     

损伤围岩中爆炸应力波动的数值模拟

应用有限元方法分析了硐室损伤围岩中爆炸应力波的传播和应力分布特征,通过引入JHC本构模型和岩石损伤变量D探讨了应力波作用下岩体的损伤演化模式。研究表明：围岩初始损伤对后续爆炸应力波的波动性质、作用范围和围岩应力分布具有不同程度的影响。当初始损伤超过某临界值后会显著地影响应力波的波动范围和围岩应力分布;在一定爆炸当量下,爆炸应力存在一个有效作用范围Lp,该范围塑性区以内,爆炸应力对岩体的损伤随围岩初始损伤增大而增大;有效作用范围Lp以外,围岩初始残余非弹性变形积累和单元残余拉应力可以平衡爆炸应力波动产生的损伤叠加效应,耗散了爆炸应力作用和波动能量。分析了产生在这种现象的原因。给出了有效作用范围Lp与围岩初始等效应力p之间的经验关系。     

松弛方法在计算凝聚炸药爆轰问题中的应用

利用松弛近似,将非线性的凝聚炸药爆轰控制方程转化为线性的松弛方程组,并采用五阶WENO格式和五阶线性多步显隐格式对线性松弛方程组进行空间方向和时间方向的离散,由此建立具有高精度和高分辨率性质的计算凝聚炸药爆轰的松弛方法。建立的松弛方法可以避免求解Riemann问题及计算非线性通量的Jacobi矩阵,同时无需分裂处理反应源项。通过对凝聚炸药的平面一维定常爆轰波结构及球面一维聚心、散心爆轰起爆和传播过程的数值模拟,验证了所建立的松弛方法能够很好地计算凝聚炸药爆轰问题。     

对碰波作用下金属圆管材料参数对其运动特征影响的数值模拟

基于两点起爆实验,采用动力学有限元程序,在不考虑圆管破裂的前提下,详细分析了同一炸药爆轰下金属圆管各材料力学参数对其运动的影响规律。计算结果表明:弹性模量越大,泊松比越大,金属圆管的膨胀速度越大,但它们对圆管膨胀的位移和速度影响极小,在工程中可以忽略;屈服应力对金属圆管的运动有一定影响,屈服应力越大,对碰部位的鼓包范围越宽,鼓包峰值越小,但圆管各处的膨胀量均落后于屈服应力较小的情况;密度对圆管运动有较大影响,密度越大,受鼓包影响范围越宽,鼓包峰高越小。     

PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数的数值模拟

用吉布斯自由能最小原理,通过解化学平衡方程组,求解PETN、RDX和HMX炸药爆轰产物系统的平衡组分,计算结果与用BKW和LJD方法计算的结果相近。用自编的程序从碳的石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态中确定出炸药爆轰产物中游离碳更可能存在的相态,并用此相态计算碳的吉布斯自由能。以WCA状态方程作为爆轰气相产物的物态方程,对PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数作了预言,爆轰CJ点的爆速、爆压和爆温的计算结果与实验值吻合得很好。     

金属壳体装药水下爆炸的冲击波特性

为了研究装药壳体厚度对水下爆炸冲击波特性的影响,对1kg柱形含铝炸药分别在厚6mm 的钢壳或硬铝壳装药下进行了水下爆炸实验与数值模拟研究。实验结果表明,相对硬铝壳,钢壳装药的冲击波冲量、衰减时间常数以及冲击波能都偏大,而冲击波峰值相差不大。针对不同厚度钢壳装药的数值模拟表明,随着壳体厚度的增加,冲击波参数明显增强,当壳体厚度超过最优值时这种效应减弱;金属壳的存在导致冲击波峰值爬升产生滞后效应;对一定质量的炸药,存在可有效提高冲击波压力峰值的最优壳厚,填装比可以作为衡量效果的重要指标。     

一点起爆半球形装药装置中散心爆轰波传播的数值模拟研究

运用自行研制的二维流体动力学程序TDY2D,对一点起爆半球壳装药装置中散心爆轰波的传播过程进行数值模拟计算.对冲击波到达炸药和飞层各界面的波形的计算值与实验值进行了对比,两者符合较好,从而验证了该程序的准确性和有效性;对爆轰波的传播过程进行了分析研究,获得了一些散心爆轰波传播的规律性认识,为进一步研究散心爆轰波特性提供了数值分析基础.     

JOB-9003和JB-9014炸药平面爆轰驱动飞片的对比研究

采用双灵敏度激光速度干涉仪(VISAR)测量了JOB-9003和JB-9014两种炸药平面一维爆轰驱动飞片的速度历史,比较了二者的做功能力;并用DYNA2D程序进行了数值模拟。在有JO-9159炸药的条件下,实验和计算结果表明,JB-9014炸药的做功能力可以达到JOB-9003炸药的75.0%;无JO-9159炸药条件下的计算结果表明,JB-9014炸药的做功能力约为JOB-9003炸药的71.2%     

爆轰产物组成和爆轰参数计算方法的理论研究

为实现爆轰产物组成和爆轰参数的计算,采用拉格朗日乘数法和牛顿迭代的方法预测爆轰产物组成,利用BKW状态方程预测爆轰参数,在0~600 GPa和300~15 000 K压力温度范围内选取金刚石作为碳的生成相;对爆轰产物系统采用最小自由能原理,结合牛顿迭代法求解爆轰产物的化学平衡方程组;对BKW状态方程参数提出修订,取α=0.5,β=0.298,θ=6 620,κ=9.50;采用自编程序实现计算过程。使用此方法和Hugoniot关系计算密度为1.77 g/cm3的PETN爆轰CJ点爆轰参数验证计算精度,结果显示计算与实验结果的误差均小于1%。利用此方法结合Hugoniot关系预测出爆轰CJ点的产物密度为2.43 g/cm3。     

高-低爆速圆板炸药串联爆轰引起平面爆轰波的变凸现象

为分析高-低爆速圆板炸药于空中串联爆轰时平面爆轰波在传播过程中演变成凸面波的现象,分别对平面爆轰波阵面后爆轰产物状态参数的分布、有效药量与柱面装药几何尺寸的关系、爆轰产物的状态方程及强爆轰关系式进行了讨论。并以100 mm50 mm的TNT与RC炸药串联爆轰为例,描述了平面爆轰波演变为凸面爆轰波的过程,预估了爆轰波的平面范围和波形差。预估结果与实验结果基本符合。     

计算钝感炸药爆轰过程的一种新反应率模型

根据钝感炸药爆轰过程中含有激化过程和慢反应,建立了一种新的反应率模型。与其他反应率模型相比,这种反应率模型可以应用于较粗的网格。在每厘米50个网格条件下,炸药驱动铝飞片和钽飞片的自由面计算结果与实验结果很接近。同时,应用此反应率模型计算了钝感炸药驱动LiF过程,在每厘米50个网格的条件下,炸药与LiF间速度的计算值同实验值接近,且误差随网格尺寸变小而变小。这些表明,此反应率模型能够在较粗的网格条件下,比较准确地描述钝感炸药驱动飞片过程,有利于在工程实际中应用。     

一类爆轰合成用乳化炸药的爆轰反应特征

结合热分解特性、爆轰产物状态及数值计算探讨所制备的含Fe、Mn(Zn)元素乳化炸药的爆轰反 应特征。对该系列乳化炸药及其爆轰产物分别进行DSC和DTG实验、XRD检测和TEM 表征,通过比较不 同类型炸药及其爆轰产物的热分解特征、爆轰产物的成分和形貌、晶型畸变度等研究该类炸药爆轰反应特征; 并通过数值计算研究和佐证了不同温度和压强状态下,爆轰固体产物可能存在状态。结果表明:硝酸铵有利 于炸药爆轰时形成相对比较均匀和平稳的爆轰反应结构,而这种结构有利于可重复性合成比较单一和均匀 的爆轰产物。高密度炸药的爆轰产物比低密度炸药的相对纯净。低密度炸药不完全爆轰,导致了爆轰产物杂 质较多;数值计算结果表明,爆轰固体产物分布相图可以辅助分析爆轰固体产物可能存在状态及Mn(Zn)的 爆轰合成机制。