椭圆截面侵彻弹体爆炸特性试验研究

为研究椭圆截面侵彻弹体的爆炸特性,设计并开展了静爆威力外场试验。将质量为255 kg的弹体竖立于木质托弹架上,质心距地面高度为2 m,采用试验引信起爆弹体装药。通过航拍无人机实时拍摄整个爆炸过程,在长轴和短轴方向布置扇形效应钢板以获取破片数量及穿甲率,采用超压传感器测量距弹轴7、10和12 m处的冲击波超压,并对弹体爆炸后的宏观景象以及火球、破片和冲击波超压特性进行了详细分析。结果表明,火球演化形貌与破片散布区域关于弹体长轴和短轴呈对称分布;火球演化过程分为快速成长阶段、高温稳定阶段以及自由扩散阶段,火球尺寸在爆炸后41.7 ms达到最大,短轴和长轴方向的最大尺寸分别为21.86、19.29 m,且火球在长轴方向发生了明显的二次膨胀;短轴方向的破片尺寸小、数量多、穿甲能力强,而长轴方向的破片特性恰好相反;冲击波超压峰值、冲量及速度均随传播距离增大而不断减小。综合试验结果对比分析,认为椭圆截面侵彻弹体的非轴对称结构和非均匀壁厚对爆炸特性影响较大,是造成火球形貌及破片非轴对称分布的根本原因。     

新型发射药爆炸TNT当量系数的实验研究

TNT当量系数是危险品工程抗爆设计和安全距离确定的重要依据。为确定H1和H2两种新型高能发射药的TNT当量系数,分别开展了10 kg TNT和新型发射药的空气自由场静爆实验。基于修正的当量系数计算方法和测量得到的不同爆心距离处冲击波超压时程曲线,确定了不同比例距离处两种高能发射药的超压和比冲量TNT当量系数。研究结果表明,发射药爆炸产生的冲击波传播规律与TNT炸药爆炸产生的冲击波传播规律相同,符合爆炸相似律,相同质量发射药爆炸产生的冲击波超压和比冲量都显著高于TNT的。随着比例距离的增大,H1的超压当量系数先增大后减小,最大值为1.34;H2的超压当量系数逐渐减小,最大值为1.26。两种新型发射药的比冲量TNT当量系数均随比例距离的增大先减小后增大,H2的比冲量TNT当量系数大于H1的,最大值为1.38。本文中修正的计算方法能更准确计算被试样品的TNT当量系数,实验结果可为提高抗爆结构安全性设计提供参考。     

PELE贯穿薄靶后外壳破片径向速度计算方法与影响因素分析

基于横向效应增强型弹丸(PELE)侵彻金属薄靶板过程分析,将弹体前端在撞击作用下的变形过程分解为轴向一维压缩和径向自由膨胀两个变形阶段;依据冲击波理论,给出了弹体前端的冲击波压缩势能,由功能转化原理,给出了PELE前端外壳在靶后形成破片的最大径向飞散速度计算公式。计算结果在多种工况下均与文献的实验结果较为一致。计算结果表明:PELE靶后外壳破片的最大径向飞散速度与外壳和内芯材料的体积模量和泊松比有关,且随二者的增大而增大;PELE外壳破片的最大径向飞散速度是壳体和内芯在冲击波压缩作用下共同径向膨胀的结果,且外壳膨胀能在弹体整体膨胀能中所占比例较大,计算中应当同时考虑弹体外壳和内芯材料的横向膨胀效应对弹体破片径向飞散速度的影响。     

钢筋混凝土排架结构的抗爆破坏等级

为了研究钢筋混凝土排架结构在大当量爆炸冲击波下的破坏规律,依据最大TNT当量为3 t的爆炸试验,对排架主体结构的抗爆破坏等级进行数值模拟研究。通过量纲分析得到1/2缩比模型的荷载参数和结构尺寸。基于Abaqus有限元软件,利用CONWEP方法实现爆炸加载,分别计算装药0.5 t爆距33 m和装药3 t爆距33 m两种工况下排架结构的破坏形态,并与试验结果进行对比。进一步通过控制药量和距离,计算不同超压和冲量下缩比模型的破坏形态。研究结果表明,排架的关键破坏特征为中间承重柱的倾覆转动;数值计算与试验破坏形态吻合较好,特征位移和特征转角的最大相对误差分别为5.6%和4.6%。以承重柱的倾覆角作为划分依据,将计算结果分为3种破坏等级,拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度预估。     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察，结合数值模拟，分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明，舱内爆炸下，舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别，其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述；舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力，其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上；舱室板架结构主要有4种失效模式，其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生；舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加，但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度，减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

POZD涂层方形钢筋混凝土板抗接触爆炸试验研究

为研究聚异氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料（polyisocyanate oxazodone,POZD）涂层方形钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的破坏模式和抗爆性能,对POZD涂层方形钢筋混凝土板进行接触爆炸条件下试验研究。试验中采用建筑结构中楼面设计常用的钢筋混凝土板为研究对象,通过11次独立的爆炸试验,分析了不同POZD涂层厚度对抗爆性能的影响,观测了钢筋混凝土板在不同装药量和不同POZD涂层厚度条件下的破坏模式和破坏特征,研究结果表明:涂层POZD钢筋混凝土板的主要破坏模式为钢筋混凝土板正面爆炸成坑,背面POZD涂层的圆锥状鼓起。POZD涂层鼓起主要是在爆炸冲击波作用下POZD涂层从基体板脱离并出现较大塑性变形所致。当冲击波荷载强度超过POZD材料的极限抗拉强度时,在涂层锥尖处形成较小的圆孔装剪切破坏,涂层的其他区域保持完好,从而让钢筋混凝土板不会产生较大范围的震塌破坏。在强冲击波荷载作用下利用POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性,可以通过自身的大变形很好地延长爆炸荷载的作用时间和耗散时间,吸收较大冲击波能量,从而约束混凝土震塌碎片,提高钢混混凝土板的抗爆性能。随着POZD涂层厚度增加,板的抗接触爆炸作用下的抗爆能力越强,临界震塌破坏装药量越多。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

空气冲击波作用下人的安全距离

为了解决空气冲击波作用下人的安全距离问题,我们进行了1～10~5kg梯恩梯炸药爆炸情况下动物(羊、狗、兔)的试验。同时根据试验求得的各种爆炸条件下空气冲击波的传播规律,通过对炸药爆炸事故人伤亡情况的调查及对动物试验数据的分析,确定出人在空气冲击波作用下的安全距离。     

基于爆能等效原理大型模爆器燃气爆炸冲击加载的数值模拟

运用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA,基于多物质Euler算法,对TNT炸药和乙炔-空气混合气体两种爆炸源在自由大气场中爆炸产生的冲击波荷载特征参数进行数值模拟,比较两种爆源产生的冲击波压力传播规律。基于爆能等效原理,按超压相等的原则给出了气体爆炸名义比例距离计算公式。结果表明,基于Euler算法可以较好地描述乙炔-空气混合气体爆炸空气冲击波传播规律,爆炸压力随着距爆源距离的增大而迅速衰减,且两种爆源产生的冲击波超压峰值误差随着冲击波传播距离的增大而逐渐减小。采用名义比例距离公式修正后,气体爆炸与炸药爆炸冲击波计算误差可以得到有效控制。当爆炸冲击波超压小于0.5MPa时,可以采用乙炔-空气混合气体代替化学炸药进行模爆器内爆炸实验加载。     

预制孔靶板在爆炸冲击波载荷作用下的动态响应

对四边固定带预制孔靶板在爆炸冲击波载荷作用下的动态响应问题进行了实验研究。通过设计 爆炸冲击波载荷对2种材料不同孔数、不同孔径的靶板的冲击工况,获得了各靶板的中心点挠度。通过分析, 得到了预制孔靶板中心点挠度与预制孔数、孔径的相关规律,结合无孔平板在爆炸冲击波载荷下的挠度公式, 建立了广义的靶板中心点挠度公式,可用于计算不同孔靶板的中心点挠度。研究结果可作为平板材料在破片 冲击波联合毁伤研究的基础,为杀爆战斗部威力评估提供一些依据。     

爆炸实验水池防护性能及动力学响应分析

针对爆炸实验水池强度设计问题,利用非线性动力学程序LS-DYNA对10 kg TNT爆炸后的水中冲击波传播规律及爆炸水池结构动态响应情况进行了数值模拟, 对空气桶和气泡帷幕削弱水中冲击波的能力进行了定量计算,结果表明:空气桶对冲击波峰值压力削弱作用接近50%,对比冲量削弱作用达到16.2%;气泡帷幕对壁面反射冲击波的削弱作用高达86.2%,对比冲量削弱作用达到75.6%。在此基础上进一步分析了冲击载荷作用以及结构响应机理,指出了内衬钢板和混凝土围堰的危险区域,对爆炸能量在各物质间的分配和传递规律进行了初步探索,为相关爆炸水池的工程设计提供参考。     

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应 (Ⅰ):冲击波在地面的传播

城市地下浅埋管沟燃气爆炸事故会造成严重的灾害后果,然而目前针对长直空间内的爆炸荷载通过泄爆口向外传播规律的研究较少。以此类事故为基础,基于前期进行的长直泄爆空间可燃气体爆炸试验,利用FLACS软件,对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波超压通过泄爆口到达地面后的分布进行了数值模拟,揭示了管沟内燃气爆炸冲击波在地面的传播规律。结果表明:传播到地面的爆炸冲击波会产生2个特征超压峰值Δp₁和Δp₂;Δp₁较小,主要由压缩波引起,Δp₂为最大超压峰值,主要由火焰波引起;Δp₂随着与泄爆口之间的距离d的增大而逐渐减小,且各方向上数值的差异性较大,其中在沿管沟截面的短边方向上,呈对称衰减的趋势;Δp₂与d大致满足指数函数关系,且拟合度均高于98.8%。     

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。     

GFRP加固RC双向板抗爆性能试验研究

为探讨化爆条件下玻璃纤维对钢筋混凝土结构的加固效果,对粘贴玻璃纤维条带钢筋混凝土复合板以及普通钢筋混凝土板同时进行了抗爆性能试验,并将两者的结果进行了对比分析。结果表明,玻璃纤维能够有效阻止混凝土裂缝的发展,提高钢筋混凝土板的抗爆能力,研究结果可为玻璃纤维加固机理研究及复合结构的抗爆设计提供依据和参考。     

桁架式钢筋混凝土叠合板式墙抗爆性能实验

为研究桁架式叠合板式墙的抗爆性能,进行了2块桁架式叠合板式墙和2块现浇板式墙在多次冲击荷载作用下的对比实验,分析了各试件的破坏过程、变形(刚度)、承载力、强度及裂缝分布形态。结果表明:桁架式叠合板式墙与现浇板式墙相比,爆炸破坏过程相似;爆炸荷载小时,试件处于弹性状态,两者刚度基本一致;开裂后,现浇板式墙比叠合板式墙刚度降低明显快,桁架钢筋能有效抑制裂缝扩展,且试件并未出现剪切破坏。说明桁架式叠合板式墙的整体性能较好,叠合板式墙的抗爆性能优于现浇板式墙。     

爆炸驱动典型活性材料能量释放特性研究

为了研究活性材料爆炸驱动反应特性，基于粉末压制成型工艺，制备了Al/PTFE、Al/Ni两种典型的活性材料及Al₂O₃/PTFE、Al₂O₃/PTFE/W惰性材料。通过爆炸驱动试验，并结合高速摄影、远红外热像仪以及峰值超压测试技术，分析了不同活性材料壳体装药爆炸火球、温度场分布及空气冲击波峰值超压等特性。同时，在炸药爆炸空气冲击波峰值超压经验计算模型中考虑了活性材料释放的化学能，分析了反应释放能量对空气冲击波的影响规律。结果表明:活性材料在爆炸驱动过程中经历了强加载条件下反应、产生碎片并向四周飞散、撞击钢板及后续反应等阶段。活性材料对炸药爆炸产生的空气冲击波具有强化作用，爆炸加载瞬间材料仅发生了部分化学反应。     

聚奥-9C装药的传爆管殉爆

为了研究冲击波作用下引信传爆装置的响应规律,进行了以主发炸药为RDX-8701、被发装置为聚奥-9C（JO-9C）装药的传爆管（含导爆药柱）的殉爆实验。通过观测残留传爆药、壳体和见证块变形,判断传爆管的爆炸程度,分析了殉爆过程中JO-9C爆轰波的成长历程及传播规律。采用AUTODYN软件建立了殉爆实验有限元模型,计算模型中主要考虑了主发炸药产生的爆炸冲击波对传爆管的冲击响应。基于流固耦合方法,通过调整距离模拟计算得到了传爆管的临界殉爆距离和殉爆安全距离。结果表明,传爆管上端的侧角受到爆炸冲击后产生的爆轰波沿斜下方传播,使传爆药柱完全爆轰,并引起导爆药柱发生殉爆;数值模拟结果显示,JO-9C装药的传爆管临界殉爆距离为5.7 mm,殉爆安全距离为8.8 mm。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用,开展室外爆炸破坏实验,分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究,并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照,验证了模型的可行性,对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律,并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态;泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形,降低试件的破坏程度;泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好;增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。     

切缝药包爆炸作用机理数值模拟

为研究切缝药包定向控制爆炸机理,基于双缝/耦合切缝药包爆轰行为高速纹影实验,建立"炸药-切缝管-空气"模型,采用数值模拟方法研究切缝药包爆炸过程中冲击波相互作用、爆炸流场压力时空分布和切缝管形态变化。研究结果表明:切缝药包爆炸过程中切缝管能够有效控制爆炸能量释放和爆生气体动力学行为;切缝方向压力超前且高于非切缝方向;在爆炸冲击波及爆生气体共同作用下,切缝管曲率不断变小且从起爆点处以相同的变形特征沿切缝管轴向发展;数值模拟结果与实验结果吻合。     

Active flow control on the 25°Ahmed body using a new unsteady jet

A numerical simulation based on the Large eddy simulation method is carried out on the near wake flow behind a 25° slant angle Ahmed body to analyze and establish a new method to control the near wake flow. An active flow control using a new unsteady jet derived from the traditional synthetic jet is applied to reduce the aerodynamic drag. The control devices are distributed along the separation edges on the rear part of the body. Their effects on the near wake and the rear body by influencing the flow topology and the static pressure distribution are examined respectively. The control frequency of the jet as the key forcing parameter is taken into consideration as well. The different actuation set-ups lead to a max drag reduction of up to 13.6%, which demonstrates a good correlation with the static pressure distribution at the rear end of the body.