爆炸荷载下不同壁厚圆柱壳动力学行为的研究

对爆炸荷载下圆柱壳的动力学行为进行了实验研究及数值模拟。将外径均为100mm的3种壁厚的Q235钢质圆柱壳置于由TNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,系统分析了在不同装药高度及壳壁厚度参数条件下圆柱壳的冲击变形模式,即迎爆面局部凹陷变形模式(ModeⅠ)、迎爆面局部凹陷与壳整体弯曲变形耦合模式(ModeⅡ)、整体变形失效模式(ModeⅢ)及局部穿透与整体变形失效耦合模式(ModeⅣ)。采用LS-DYNA有限元程序及Lagrangian-Eulerian流固耦合算法,对圆柱壳的非线性动力响应过程进行了数值模拟,分析了圆柱壳的变形历程及最终残余变形的情况,计算结果与实验现象吻合较好。研究结论可为圆柱壳结构爆炸破坏分级及抗爆技术设计提供科学依据。     

内部爆炸载荷作用下混凝土动力响应的数值模拟

 目前,采用实验方法对爆炸载荷破坏效应进行全面、准确描述仍是一个难题。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,采用流固耦合算法,对混凝土在内部爆炸载荷作用下的空腔形成和发展规律等动力响应问题进行了数值模拟。通过实际算例,比较研究了混凝土敷设钢板与否对成坑大小、损伤区、压力云图以及应力时程曲线等的影响,进一步研究了有钢板加固时混凝土在爆炸荷载作用下的破坏机理。研究表明：采用流固耦合算法可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和网格消蚀等问题,提高了计算效率;很好地模拟了混凝土内部爆炸时,中心爆炸空腔压缩面和自由面的拉伸层裂破坏过程,且与理论计算值吻合较好;通过表面敷设钢板,可以减小混凝土的拉应力峰值,抑制混凝土中裂纹的发展,从而提高其防震塌能力以及结构的完整性。     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。     

爆炸冲击波对玻璃幕墙破坏作用的多物质ALE有限元模拟

应用LS-DYNA显式程序,基于多物质的ALE有限元法,利用罚函数实现了爆炸冲击波与玻璃幕墙结构间的耦合作用,重现了玻璃幕墙防爆炸实验中爆炸荷载的产生及其与玻璃幕墙相互作用的三维动态过程。研究了爆炸冲击波作用下幕墙结构的动态响应行为,分析了幕墙内外层玻璃的破坏情况。研究表明,数值模拟结果与实验结果一致,这为玻璃幕墙的抗爆设计及改进提供了重要的参考依据。     

材料动态响应的多尺度数值模拟研究

冲击作用下材料的动态力学行为是工程力学、材料、武器物理和空间物理中的重要课题,其位错的产生和演化、绝热剪切带的形成、界面的冲击熔化和微层裂等,是我们研究的热点。以上材料的动力学效应,大都发源于原子尺度的微观缺陷,跨越了多个空间尺度和时间尺度,最后发展为宏观损伤效应。迄今为止,损伤形核、长大和汇合、界面的冲击熔化等效应的理论研究仍然存在许多空白。受限于现有实验技术,损伤从微观、细观至宏观尺寸的成核和演化等诸多中间环节均没有原位实验观测,这给加载过程中材料的动力学响应分析带来很大困难。因此,数值模拟研究材料微损伤演化是理解冲击作用下材料动力学行为的有效途径之一。     

循环爆炸作用下地下洞室的动态响应及损伤累积

为研究循环爆炸对地下洞室的影响,基于相似模型试验,采用通用有限元软件ABAQUS对比研究了洞室拱顶高水平单次爆炸和低水平10次循环爆炸作用下地下洞室围岩的应力波衰减规律、损伤累积规律及洞壁位移和环向应变分布特征。结果表明:循环爆炸中,洞室围岩的应力波衰减速度随着爆炸次数的增加先减小后增大。单次爆炸中,洞壁环向峰值应变从拱顶至直墙脚由拉应变转为压应变;循环爆炸中,随着爆炸次数的增加,拱顶环向峰值应变由压应变转为拉应变。爆炸荷载总水平相同时,低水平循环爆炸中洞室围岩的损伤面积和程度比高水平单次爆炸大。循环爆炸中,围岩的损伤累积呈现不可逆的逐级增加趋势,且累积损伤和爆炸次数之间呈明显的非线性关系。     

水中障碍物爆炸毁伤效应的二维数值模拟

 建立了水下障碍物的爆炸毁伤效应的物理模型和计算模型。建立了守恒方程组、混凝土的动态弹塑性本构关系和破坏准则,并确定了其在大应变、高应变率及高压条件下的的屈服准则。基于多物质流体的Euler算法,用面向对象的C++语言自行编制了NM-MMIC通用多物质二维流体弹塑性程序,对不同炸点位置、不同炸药量对轨条砦爆炸破坏过程进行数值模拟,并采用自行开发的后处理软件VISC2D实现了可视化,定量地反应了障碍物迎爆面所承受的压力变化过程,确定了轨条砦毁伤的最佳药量,并对毁伤程度进行了评价,得到了爆炸破障的毁伤规律。研究结果对设计和评价反水中障碍物的弹药具有一定的参考价值。     

点起爆炸药驱动平板飞片运动的数值模拟研究

 为研究点起爆发散爆轰波驱动飞片的运动特性,自行研制了二维流体动力学程序TDY2D,采用由实验所标定炸药的状态方程参数,对3种长径比相差较大的点起爆炸药驱动平板飞片运动的模型进行了数值模拟计算,并对结果进行了分析。计算所得的飞片运动历史和击靶波形均与实验符合较好,具有较高的计算精度,从而验证了该程序的准确性和有效性。     

炸药条加载圆柱壳的数值模拟（Ⅰ）：流固耦合模拟

 对炸药条加载圆柱壳模拟X射线力学效应的试验进行了流固耦合数值模拟。首先建立了包括圆柱壳、两层缓冲橡胶、炸药条和空气在内的二维数值模型,其中,两层橡胶采用Ogden超弹性本构模型描述,炸药条及其爆轰产物采用高能炸药燃烧（High Explosive Burn）模型和JWL状态方程描述,空气采用多项式状态方程描述。然后采用多物质ALE流固耦合算法进行计算,获得了爆炸加载的物理图像、载荷传递与结构响应。结果表明,采用19条炸药条加载265 mm的圆柱壳模拟X射线余弦载荷作用,特征点应力响应基本等效;试验附加的两层橡胶对结构响应特征具有影响,在壳体质量较小和（或）刚度较低的情况下,紧密粘接会引起结构响应失真。     

圆柱形水下爆炸实验容器壁部强度设计研究

 基于薄壁壳理论和水下爆炸理论,对圆柱形水下爆炸实验容器在爆炸冲击波作用下弹性范围内的壁部应变进行了理论分析和实验研究。导出了圆柱形水下爆炸实验容器在爆炸冲击波作用下壁部弹性应变与容器直径、壁厚及内部爆炸药量之间的关系,并对计算结果进行了实验验证。实验表明公式求解结果与实验结果具有较好的一致性。     

爆炸作用驱动液体抛撒初始阶段数值仿真

 针对灭火战斗部引战配合设计,研究爆炸作用驱动液体（水基灭火剂）抛撒初始阶段的特性。依据典型灭火战斗部的结构建立数值仿真模型,采用LS-DYNA软件进行仿真计算,分别获得了加载系数（驱动装药与液体的质量比）对壳体破裂时间和壳体破裂初期液体/空气界面运动速度的影响规律,以及液体/空气界面后续的运动特性。进行了同条件下爆炸驱动水基灭火剂抛撒实验,得到了不同加载系数条件下壳体破裂初期液体/空气界面的运动速度。实验结果与数值仿真结果吻合良好,表明所采用的数值仿真方法具有正确性和有效性,对相关问题的研究具有重要参考价值。     

自适应光学系统的数值模拟：动态控制过程和频率响应特性

对自适应光学系统的动态控制过程进行了数值模拟。与自动控制理论的解析分析相比,动态控制过程的数值模拟有其优越性。系统的频率响应特性与动态控制性能密切相关,对自适应光学系统的频率响应特性也进行了数值模拟。模拟计算的结果与实验测量结果符合得很好。还实现了多频率成份的同时计算,可以大大提高计算效率。其结果与单频率结果只在低频下有小的差别,可以满足得到带宽和裕量等参数的实用要求。将频率响应特性的模拟计算与长时间曝光斯特列耳（Strehl)比的数值模拟结合,可得到对自适应光学系统性能的有效评估。     

Numerical Simulation of SRS of Cylindrical Wave Beams

A method for numerical simulation of stimulated Raman scattering of cylindrical wave beams in a nonlinear medium has been developed. The features of the spatial structure formation of interacting wave fields in the regime of conservation of azimuthal angular distributions of amplitudes have been investigated. The radial intensity profiles of diffracting light beams in the near-field zone and their angular spectra in the far-field zone corresponding to different stages of energy exchange in the process of amplification from the noise in the barium nitrate crystal have been calculated. It has been shown that in the field of Bessel beams waveguide structures of the soliton type with a peak intensity of the self-channeling Stokes component significantly exceeding the initial pumping intensity are formed. A comparison of the conversion efficiencies under pumping by Gaussian and Bessel light beams has been made.     

导弹动爆对模拟船舱毁伤效果试验研究

 设计了基于火箭橇的导弹动爆试验,介绍了模拟船舱的结构尺寸、测试点的布设情况及测试仪器性能。通过获取的断线、光、压力、加速度信号得出如下结论：测试方法有效;冲击波在舱室内传播不均匀,导弹运动方向反射冲击波很大,反方向较小,两者比例可达3.5∶1,舱室的角隅部位冲击波压力高于壁面正反射压力;导弹穿甲时舱壁的冲击振动高达10 000 g,且穿甲舱壁的冲击远大于其它舱壁,被破片击中会加大舱壁的振动幅值。     

强爆炸早期火球现象的一维数值研究

采用一维球对称辐射流体力学方程组,构建直接求解辐射输运方程的一种数值方法,得到强爆炸早期火球发展过程中火球阵面、弹壳冲击波的形成发展过程.计算结果与Brode结果进行对比,二者一致,证明数值方法的合理性.数值模拟爆炸源区不同当量、不同密度以及不同爆炸高度等条件下强爆炸早期火球发展过程中火球阵面、弹壳冲击波的形成发展过程,对计算结果进行比较分析.