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。     

TiH2含量对Al/PTFE动态力学性能和撞击感度的影响

采用混合压制烧结法制备了4种不同TiH₂含量的铝/氢化钛/聚四氟乙烯(Al/TiH₂/PTFE)试件,并基于分离式霍普金森杆和落锤冲击实验,对反应材料的动态压缩力学性能、撞击感度及反应特性进行了研究。实验结果表明,4种材料均存在应变硬化和应变率硬化效应,随加载应变率的提高,材料屈服强度和硬化模量增大。相同加载应变率下,材料屈服强度随TiH₂含量的增加而增高,材料压缩强度则先增高后降低,TiH₂质量分数为5%时材料压缩强度达到最大值166.4 MPa,比Al/PTFE强度提高6.8%。在一定含量范围内(小于5%),加入TiH₂有助于提高Al/PTFE材料撞击感度和能量释放水平,而TiH₂质量分数大于10%时,材料撞击感度和反应剧烈程度则逐渐降低。与Al/PTFE相比,含TiH₂试件反应火光周围有明显的火星喷溅现象,且此现象TiH₂含量越高越显著。     

温压炸药坑道内爆炸冲击波的数值模拟研究

基于二次反应理论,采用AUTODYN程序对温压炸药(RDX/AP/AL/粘合剂=20/43/25/12,质量比)坑道内爆炸冲击波进行了数值模拟研究。将温压炸药与传统炸药TNT的计算结果进行了比较,结果表明:①在爆炸近区,温压炸药比TNT的爆炸冲击波超压峰值低。但在爆炸远区,温压炸药的爆炸冲击波超压峰值则逐渐超过了TNT,最高达到了TNT的1.48倍;温压炸药爆炸冲击波的冲量峰值始终高于TNT,约为TNT的1.33～1.43倍。②最小二乘拟合得到了温压炸药坑道内爆炸冲击波超压峰值随距离衰减的计算公式,具有一定参考价值。     

宽温域环境中聚四氟乙烯及其复合材料摩擦学性能研究

对比研究了?100~100 ℃范围内聚四氟乙烯(PTFE)及三氧化二铝/聚四氟乙烯(Al₂O₃/PTFE)复合材料的摩擦学性能. 研究结果表明,PTFE因为蠕变,在升温过程中摩擦系数逐步降低,磨损率逐步升高. 而引入Al₂O₃填料会显著影响PTFE的摩擦学行为,Al₂O₃/PTFE的摩擦系数普遍比PTFE高,而磨损率比PTFE低. 摩擦学机理表明,滑动过程中形成的摩擦膜是决定摩擦学行为的关键因素. 这对极端工况条件下高分子复合材料的设计具有重要的指导意义.      

Al/PTFE活性材料冲击载荷作用下响应特性研究

为了研究铝（Al）/聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）活性材料冲击载荷作用下响应特性,制备了具有反应活性的Al/PTFE块体材料,设计了拉氏实验,采用不同厚度的铝隔板控制入射冲击波幅值,利用锰铜压阻计测量了冲击波在材料中传播过程压力演化过程。同时,基于AUTODYN有限元软件,采用Lee-Tarver三项式点火模型对Al/PTFE活性材料拉氏实验进行数值模拟,并探讨了冲击波在500 mm长的Al/PTFE活性材料中长距离传播行为。研究结果表明,冲击波压力在Al/PTFE活性材料内短距离传播过程中存在明显的衰减,但是,当冲击波传播到远距离时,冲击波压力幅值和冲击波速度趋于稳定,分别为1.3 GPa和2 180 m/s;同时,距离铝隔板越远的材料,其反应度越低并最终趋于0.17。正是由于材料化学反应释能,导致了冲击波压力传播过程最终趋于稳定状态。     

低温和低压环境下炸药爆炸冲击波的传播特性

针对高海拔或高空的低温、低压环境对炸药爆炸冲击波传播的影响,利用量纲分析理论和AUTODYN有限元软件,研究了低温、低压及海拔高度对炸药爆炸冲击波参量（峰值超压、比冲量和波阵面运动轨迹）的影响规律,建立了相应的计算公式,并通过数值模拟和实验数据进行了对比验证。结果表明,该计算公式可以有效预测低温和低压环境下炸药爆炸冲击波参量。环境压力降低,爆炸冲击波峰值超压和爆炸远场（比例距离Z>0.2 m/kg1/3）比冲量减小,冲击波传播速度增大。环境温度降低,冲击波比冲量增大,传播速度降低,峰值超压影响不大。海拔高度在0～9 000 m范围内,每升高1 000 m冲击波峰值超压和爆炸远场比冲量分别平均降低约3.9%和3.2%。海拔升高,爆炸近场冲击波传播速度升高,爆炸远场冲击波传播速度则降低。高海拔环境下低压对冲击波峰值超压和比冲量的影响大于低温,爆炸近场冲击波传播速度取决于低压的影响,爆炸远场冲击波传播速度取决于低温的影响。     

无约束条件下甲烷/空气预混气体燃爆特性研究

为研究无约束条件下甲烷(CH₄)/空气(air)预混气体的燃爆特性,以乳胶气球为反应容器开展了甲烷爆炸实验,结合Chemkin模拟和改进的比色测温技术,研究了不同当量比下甲烷/空气预混气体的火焰传播速度、爆炸超压及温度场分布等特征以及静置时间对预混气体燃爆特性的影响。实验结果表明：甲烷/空气预混气体的爆炸火焰传播速度呈振荡分布,当量比为0.83、1.06、1.30和1.55时的平均火焰传播速度分别为1.554m·s^-1、2.122m·s^-1、1.892m·s^-1和1.428m·s^-1;峰值超压随当量比的增加呈先增大后减小的趋势,当量比为1.06时基元反应CH₃·+O₂?O·+CH₃O·的敏感性系数最大,从而加速了生成二氧化碳(CO₂)的链反应,使得燃烧化学反应最彻底,峰值超压值最大;静置时间对火焰传播速度和爆炸峰值压力影响显著,最佳静置时间为6min;随着当量比的增大,爆炸火焰的平均温度呈现...     

激光驱动复合飞片冲击起爆HNS-Ⅳ实验研究

激光驱动飞片冲击起爆技术具有很强的抗电磁干扰能力和可以直接起爆钝感炸药等优点,能够满足现代战场对火工系统的高安全性和高可靠性要求。HNS-Ⅳ是最适合激光驱动飞片冲击起爆技术的药剂。本文中在6种不同激光能量下,测试了Al/Al₂O₃/Al复合飞片和Al单层飞片对HNS-Ⅳ药剂(装药密度为1.5 g/cm3)的冲击起爆情况。实验实现了激光驱动飞片对HNS-Ⅳ的成功起爆。在217~245 mJ激光能量范围内,激光驱动Al/Al₂O₃/Al复合飞片均可成功完全起爆HNS-Ⅳ药柱。Al单层飞片均未成功起爆HNS-Ⅳ药柱。飞片冲击压力对激光驱动飞片冲击起爆HNS-Ⅳ起决定作用。     

CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响

为了研究CO₂和超细水雾对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性的影响,采用高速纹影系统和定容燃烧弹对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性进行了研究。分别改变CO₂稀释体积分数和超细水雾质量浓度,分析在二者单独和共同作用下球形火焰传播过程、火焰传播速度和爆炸超压的变化规律。结果表明:58.3 g/m3超细水雾增强了火焰不稳定性,促进了火焰加速和爆炸超压增加,表明超细水雾不足能产生促爆作用,只有当超细水雾充足时才会抑制甲烷爆炸;CO₂和超细水雾共同作用时能避免因超细水雾带来的促爆现象,可以明显减弱火焰不稳定性,减小火焰传播速度,降低爆炸超压和平均压升速率,以及明显推迟超压峰值来临时间。     

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%。     

不同迎爆面结构的泡沫金属对甲烷气体爆炸传播阻隔性能的实验研究

通过自行设计的爆炸管网设备进行实验,提出通过改变泡沫金属迎爆面的结构来增大与爆炸火焰的接触面积,结合爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度等参数来评价不同迎爆面设计结构的泡沫金属的阻隔爆性能。结果表明,在相同厚度的前提下,在材料迎爆面增加一定的锯齿形波纹会使整体的阻隔爆性能有所提升,爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度的衰减率随着迎爆面锯齿角度的减小而增大。当泡沫金属迎爆面锯齿角度为30°时,爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度的衰减率分别为74.0%、76.18%和91.93%,爆炸超压下降速率为30.76 MPa/s,材料后端熄爆参数为17.68 MPa·℃,阻隔爆效果较好。     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。     

Optical measurement and scaling of blasts from gram-range explosive charges

Laboratory-scale experiments with gram-range explosive charges are presented. Optical shadowgraphy and high-speed digital imaging are used to measure the explosive-driven shock-wave position as a function of time. From this, shock Mach number-versus-distance from the explosion center can be found. These data then yield the peak overpressure and duration, which are the key parameters in determining the potential damage from an explosion as well as the TNT equivalent of the explosive. Piezoelectric pressure gage measurements of overpressure duration at various distances from the explosive charges compare well with theoretical calculations. A scaling analysis yields an approach to relate the gram-range blast to a large-scale blast from the same or different explosives. This approach is particularly suited to determining the properties and behavior of exotic explosives like triacetone triperoxide (TATP). Results agree with previous observations that the concept of a single TNT equivalence value is inadequate to fully describe an explosive yield, rather TNT equivalence factor and overpressure duration should be presented as functions of radius.      

固态燃料小型FAE装置空中爆炸场效应分析

通过一次引爆固态复合粉尘燃料小型FAE装置与等质量TNT在自由空间的爆炸对比实验,获得了不同距离的峰值超压值,并运用粉尘爆炸下极限浓度对云雾爆轰区半径进行了估算。结果表明,固态燃料小型FAE装置空爆峰值超压分布规律不同于TNT,云雾爆轰区内的峰值超压不呈现单调减的特征,而是在有限范围内呈现波动趋势;云雾爆轰区外的峰值超压随距离增大迅速衰减,但固态燃料小型FAE装置的峰值超压大于相同距离处等质量的TNT。高速摄影观测结果显示,固态燃料小型FAE装置爆炸的化学反应持续时间大于等质量TNT。     

近距离爆炸比例爆距的界定标准及荷载模型

如何准确界定“近距离爆炸（close-in explosion）”一直是防护工程研究领域的热点。本文中基于已被充分验证的精细化有限元模型,研究了TNT球形装药自由场爆炸冲击波传播与爆轰产物高速膨胀共同作用的特点和规律,发现在比例爆距小于0.80 m/kg1/3的范围内,爆轰产物对刚性壁面的爆炸荷载影响显著,提出球形装药近距离爆炸的比例爆距界定标准为0.30～0.80 m/kg1/3。研究发现,在近距离爆炸下,爆炸波在入射角为0°～5°范围内的刚性壁面反射荷载峰值会出现急剧下降的现象,这是由爆轰产物喷射的不均匀性和随机性导致的;近距离爆炸下,刚性壁面反射超压出现了两个峰值的现象,这是由冲击波和爆轰产物分别与刚性壁面相互作用导致的。提出了近距离爆炸情况下两个荷载峰值的计算公式,以及适合工程结构响应计算的简化荷载模型;揭示了近距离爆炸下刚性壁面反射超压的分布规律。     

添加Ag2Nb4O11的NiAl基复合材料的高温摩擦学性能及高温润滑机理研究

首先采用高温固相反应法合成了由纳米球状结构紧密堆积的微米级粉体Ag₂Nb₄O₁₁,然后通过粉末冶金技术制备了添加铌酸银(Ag₂Nb₄O₁₁)的NiAl基复合材料(NABO20,NiAl-20%Ag₂Nb₄O₁₁),考察其对复合材料显微结构、力学及摩擦学性能的影响. 结果表明:热压烧结过程中,Ag₂Nb₄O₁₁发生高温分解及与C发生氧化还原反应,形成了NbC和Ag相. 铌酸银(Ag₂Nb₄O₁₁)的添加使得复合材料的密度略有增加,并且显著改善了NiAl基复合材料的显微硬度. 在高温摩擦条件下(800 ℃),由于NABO20磨损表面和Al₂O₃对偶球表面均形成完整光滑的润滑膜(Nb₂O₅、Al₂O₃、Ag₂Nb₄O₁₁、AgNbO₃和AgNb₃O₈),两层膜的存在阻隔了对偶球和复合材料的直接接触,抑制了磨损进程,从而有效地提高了复合材料的耐磨性能.      

Simplified modeling of blast waves from metalized heterogeneous explosives

The detonation of a metalized explosive generates a complex multiphase flow field. Modeling the subsequent propagation of the blast front requires a detailed knowledge of the metal particle dynamics and reaction rate. Given the uncertainties in modeling these phenomena, a much simpler, 1D compressible flow model is used to illustrate the general effects of secondary energy release due to particle reaction on the blast front properties. If the total energy release is held constant, the blast pressure and impulse are primarily dependent on the following parameters: the proportion of secondary energy released due to afterburning, the rate of energy release, the location the secondary energy release begins, and the range over which it occurs. Releasing the total energy over a longer time period in general reduces the peak blast overpressure at a given distance. However, secondary energy release reduces the rate of decay of the shock pressure, increases the local gas temperature and hence increases the velocity of the secondary shock front. As a result, for certain values of the above parameters, the peak blast impulse may be increased by a factor of about two in a region near the charge. The largest augmentation to the near-field peak impulse results when the secondary energy is released immediately behind the shock front rather than uniformly within the combustion products.