炮孔水耦合装药爆破应力分布特性试验研究

以水泥砂浆试块为试验模型,采用超动态应变测试和数据采集处理系统进行空气不耦合装药和水耦合装药爆破试验,测定几种不耦合系数下炮孔周围介质中爆炸应力的分布特性。通过对试验结果分析研究表明,水耦合装药与空气不耦合装药相比爆炸峰值压力高、作用时间长,即表明水耦合装药的爆破作用强度大、能量利用率高。试验结果还进一步证明了不耦合装药能够明显降低炮孔周围介质中的压应力,且不耦合系数越大,压力降低越显著。在实际工程爆破中应根据工程要求和岩石性质及作业条件,合理选择装药结构。     

爆炸塔内120kgTNT当量爆炸载荷的数值分析

爆炸塔设计中常采用等当量集中装药估算爆炸塔内部载荷。为研究该方法的合理性,本文采用有限体积方法离散求解积分型Euler方程组;利用瞬时爆轰模型描述炸药爆炸初场,分别计算了乳化炸药和TNT集中装药爆炸对爆炸塔的内部加载情况;给出了塔体及封头内壁面9个特征点的压力时间曲线。结果表明:可以采用集中装药模拟乳化炸药对爆心截面处的超压作用,但不可以采用集中装药模拟乳化炸药对封头中心处的超压作用。因为在封头中心处乳化炸药爆炸会聚产生的超压极值约为TNT集中装药的2倍;塔体柱段的爆心截面处与封头中心处为超压作用最强的部位,两处冲量大致相当;压力最大值出现在封头中心处,由反射冲击波会聚产生。建议塔体建筑设计时对封头中心处和塔体爆心截面处采取相应的防护措施。     

球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型

为获得球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型,对静态爆炸冲击波超压Baker计算公式加入修正因子进行修正,并建立了构造包含装药运动速度、对比距离和方位角的修正因子函数的方法。为获得修正因子的函数表达式,采用高精度显式欧拉流体动力学软件SPEED针对具有典型运动速度的球形装药空中爆炸过程进行了数值模拟,得到了沿装药不同对比距离和方位角处的动态爆炸冲击波超压峰值。在对数值模拟结果处理的基础上,经过数据拟合获得了动态爆炸冲击波超压场计算模型。校验结果表明,该模型能较准确描述动态爆炸冲击波超压分布,具有普适性。     

地面和埋置爆炸土中地冲击作用分区数值模拟及试验研究

为研究爆炸条件下土中应力波的时空分布,基于黄土中接触爆炸和半埋爆炸试验,验证了ANSYS/AUTODYN软件建立的计算模型,并在此基础上开展了土中爆炸地冲击效应研究。结果表明:随着土介质深度的增加,感生地冲击峰值减小,而直接地冲击峰值增大,最终,压力和竖向应力时程曲线中的2个峰值减少为1个峰值,据此特征可将土中应力波场分为3个区域,即地表区、近地表区和中心区;当装药比例埋深为-0.05～0.075 m/kg^1/3时,随着装药比例埋深的增大,中心区迅速扩大,地表区迅速缩小,近地表区逐渐扩大;当装药比例埋深为0.1～0.4 m/kg^1/3时,地冲击作用区的分布趋于稳定;爆炸耦合进入空气和土介质中的动能受炸药类型影响,但在一定范围内,地冲击作用区角度与地面空气冲击波超压冲量和直接地冲击应力冲量之比呈线性相关关系。     

一种水下爆炸冲击波压力调控方法

起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力有较为显著的影响,这使得利用小当量装药在局部方向形成与大当量装药一定程度等效的冲击波成为可能。为了能够在小当量装药条件下开展舰船结构及设备抗水下爆炸冲击实验,基于细长装药结构和参数优化设计,设计了一种冲击波压力幅值和持续时间可调的装药方法。首先,基于简单波理论给出了水下爆炸冲击波压力调控的原理,以及装药参数优化设计的目标函数和约束条件;然后,采用自主数值模拟软件研究了细长装药的水下爆炸能量输出规律,通过实验验证了数值模拟的置信度,研究发现起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力峰值和持续时间的影响是显著的,在炸药爆速一定的情况下,长药柱水下爆炸冲击波压力的持续时间可通过几何近似确定;最后,为了进一步考察该方法的有效性,以1 000 kg TNT和100 m爆距的水下爆炸冲击波压力-时间曲线作为原型,设计了2种与该原型冲击波压力等效的装药方案,并通过数值模拟进行了验证。研究结果表明:设计的装药能够在预定的持续时间内,在装药起爆端一侧形成与原型等效的冲击波压力-时间曲线。由于没有考虑对气泡载荷的等效,因此该调控方法仅适用于中远场爆炸冲击问题。     

浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟研究

根据试验模型和试验结果,进行了浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟;通过与水中单个装药爆炸,以及无限水中两个装药同时爆炸的数值模拟结果的对比分析,研究了水底水面对沉底的两个装药同时爆炸产生的冲击波传播与相互作用的影响。结果表明:水底对冲击波压力峰值有削弱作用,水面使冲击作用冲量明显减小,冲击波相互作用压力叠加或多次冲击作用可提高爆炸威力。     

柱状装药爆炸条件下厚壁圆筒爆室内 流场及结构动力响应分析

借助非线性动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA,采用基于罚函数的流固耦合算法,对厚壁圆筒爆 室在柱状装药爆炸作用下的动态响应过程进行了数值模拟研究。分析了厚壁圆筒爆室内柱状装药爆炸非定 常流场的演化过程以及筒体的动力响应特征。给出了爆炸流场的压力云图、筒壁受到的爆炸压力峰值及冲量 的分布规律、筒体的等效应力云图以及等效应力的分布规律等。流场压力及筒体应变的计算结果与实测结果 吻合较好,并将动力响应的有限元计算结果与理论解进行了比较,证明轴对称平面应变假设下的理论解可以 给出问题的保守估算。分析表明,该厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下在弹性范围内工作,爆室的强度设 计是安全的。     

空气自由场中强爆炸冲击波传播二维数值模拟

编写了适用于模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维柱对称多介质流体计算程序。利用有限体积方法求解流体的Euler方程组,采用level set方法捕捉爆炸产物与空气的运动界面,并通过求解物质界面两侧Riemann问题的精确解来计算爆炸产物与空气之间的数值通量。研制了三角形网格自适应技术来实现网格的自动加密和粗化,在保证捕捉激波峰值的前提下有效地提高了计算效率。利用计算程序对1 kt TNT当量的空气自由场强爆炸问题进行数值模拟,计算得到的峰值超压、冲击波到达时间等物理参数与点爆炸理论结果基本一致。     

不同耦合介质爆破爆炸能量传递效率研究

不耦合装药爆破可有效降低孔壁峰值压力,改善爆破效果。针对不同耦合介质爆破时爆炸能量的传递问题,考虑岩体应变率效应,理论分析了爆炸作用下岩体变形及破坏特征,得到不同耦合介质爆破时理论爆炸能量的传递效率,并结合数值模拟研究了岩体性质、炸药类别及不耦合装药系数对不同耦合介质爆破时爆炸能量传递效率差异的影响。研究结果表明,爆炸能量传递效率与耦合介质相关,装药结构相同时,水耦合爆破比空气耦合爆破爆炸能量传递效率高;不同耦合介质爆破爆炸能量传递效率的差异受爆破岩体、炸药性质及不耦合装药系数等因素影响;装药系数相同耦合介质不同的爆破,岩体强度越高,不同耦合介质爆炸能量传递效率差别越大;岩体性质相同时,不同耦合介质爆破间能量传递效率差异随不耦合装药系数的增大而增大,对于乳化炸药在粉砂岩中的爆破,不耦合装药系数由1.28增至3.44时,水耦合爆破传递入周围岩体的能量由空气耦合爆破的1.45倍增至6.52倍。研究结果可对优化爆破设计、改善爆炸能量分布提供参考。     

锥形长药柱水下爆炸冲击波参数计算方法

为了计算锥形长药柱水下爆炸冲击波压力,以及研究长脉宽冲击波的传输特性,基于叠加原理建立了冲击波压力-时间曲线的计算方法,通过实验验证了该方法的有效性,在此基础上分析了锥形长药柱不同方位冲击波压力的分布规律。研究结果表明:锥形长药柱产生的冲击波压力具有各向异性,在起爆端一侧形成的是具有厚波头特征的低幅值长脉宽冲击波,在装药径向形成的是接近指数衰减的高幅值冲击波,而在远离起爆端的冲击波压力幅值和脉宽则介于前两者之间。锥形长药柱与球形装药冲击波分布的差异是由于装药形状和起爆方式的改变所导致的,由于装药不同部位起爆的时间差,导致水下爆炸冲击波在不同位置的叠加效果存在明显差异,药柱周围流场中形成的冲击波压力具有方向性。利用提出的计算方法得到的计算结果与实验结果和数值模拟结果吻合较好,研究结果可为锥形长药柱水下爆炸冲击波威力场和毁伤评估提供参考和依据。     

钙质砂介质中爆炸波传播规律的试验研究

开展了一系列钙质砂和石英砂的地面爆炸试验，主要对比分析了两种砂土介质中爆炸波的传播规律，包括峰值压力、弹塑性波速及升压时间、爆坑尺寸等。试验结果表明，爆炸波在钙质砂中的传播与在石英砂中存在较大差异：地面爆炸作用下钙质砂爆坑较石英砂爆坑的直径和深度更小，且成坑形状为两阶同心圆；钙质砂中弹性波速为236～300 m/s，石英砂中弹性波速为218～337 m/s，弹性波速和塑性波速均随炸药质量增加而增大；爆炸波在钙质砂中的升压时间随比例距离的增加而增加，而在石英砂中升压时间随比例距离变化不明显，且较钙质砂中升压更迅速；在地面爆炸作用下，低含水率钙质砂的衰减系数为2.86，石英砂为2.79。     

土中爆炸波与地下结构相互作用计算方法研究综述

土中爆炸波与结构相互作用是地下工程结构抗爆计算的理论基础,理论研究中通常在宏观试验基础上,引入合理的介质动力本构模型分析波动问题。针对工程防护中的计算模型和解析方法,综述了岩土介质中爆炸波与结构相互作用的现状和研究进展,内容包括土的动力本构模型,自由场中爆炸波的传播、爆炸波与箱型、圆柱形和直墙圆拱型等地下结构的相互作用等。重点阐述了常用的非饱和土和饱和土的动力本构模型、考虑松弛效应的土的综合弹塑性模型,一维平面波在不均匀介质和分层介质中的传播及地下结构爆炸荷载计算方面的研究成果,分析了各种模型和计算方法的适用范围和存在问题。     

炸药水中爆炸冲击因子的新型计算方法

针对水中爆炸冲击因子在近场范围内的一些不足,利用水中爆炸冲击波的最大峰值压力与正相冲量的乘积推导了冲击因子的表达式。通过水中爆炸实验,得到了几种典型炸药的冲击波参数及其相似方程。利用该公式计算了水中爆炸冲击因子及其装药指数,并与基于平面波的水下爆炸冲击因子进行了对比。结果表明:冲击因子中的装药指数n＝0.5不仅适合所有以TNT为基本组分的炸药,也适合于RDX、HMX基的炸药。在修正冲击波形状的基础上,由峰值压力与冲量的乘积推导的冲击因子计算公式,从冲击波的毁伤作用的角度表述了水中爆炸冲击因子的物理意义,在计算近场冲击因子时具有更高的准确性。     

装药动爆冲击波特性研究

导弹、炮弹等战斗部爆炸时具有一定的速度,较大的运动速度会使爆炸冲击波场分布发生变化,进而对弹药的毁伤威力产生影响。本文中采用AUTODYN软件对速度分别为0、272、340、680、1 020和1 700 m/s的TNT球形裸装药在空气中爆炸的冲击波场进行了仿真计算,定量研究装药在动爆条件下的峰值超压、比冲量和正压作用时间等威力参数特性。结果表明,方位角小于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成正相关,与正压作用时间成负相关;方位角大于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成负相关,与正压作用时间成正相关。超压峰值大小沿方位角成正弦变化。最后,分析了冲击波峰值超压数据,建立了动爆冲击波超压的计算模型,该模型计算结果与仿真和实验结果吻合较好。     

Numerical simulation of blast wave interaction with structure columns

Accurate estimation of blast loads on structures is essential for reliable predictions of structural response and damage. Current practice in blast effect analysis and design estimates blast loads primarily based on empirical formulae obtained from field blast tests. Due to the limited availability of test data, those empirical formulae are usually applicable to the case that the reflection surface of the structure is big enough so that no wave diffraction around the structure exists. They will overestimate the blast loads on structure columns without infill walls around them, which are very common in the modern buildings, especially for the ground floor columns. For a standalone column, the initial reflected pressure may be quickly relieved at the edge of the column, and the column will be engulfed with the blast wave due to diffraction. Therefore, the interaction between the blast wave and structure is important for such columns. The blast loads on such columns will be different from those obtained in field blasting tests on walls. There is no method in the open literature to estimate blast loads on standalone columns. In the present study, interactions between blast waves and structure columns are simulated using AUTODYN 3D. The influence of the scaled distance of the blast, column stiffness, ratio of the supported mass to the column mass, and column dimension and geometry, on the blast wave–column interaction is investigated. Based on the numerical simulation results, some formulae are proposed to estimate the blast pressure, impulse, and the reflected pressure time history on standalone structure columns.      

Macro-mechanical modelling of blast wave mitigation in foams. Part I: review of available experiments and models

Multiphase flows, which involve compressible or incompressible fluids with linear or nonlinear dynamics, are found in all areas of technology at all length scales and flow regimes. In this contribution, we discuss application of aqueous-foam barriers against blast wave impact. The first experiments demonstrating this behaviour were conducted in the early 1980s in free-field tests. Based on structural requirements, various foams with different blast energy contents were tested with the aim of characterizing the time history of the blast pressure reduction. A number of consistent methodologies for calculating this pressure reduction in foam are based on the effective gas flow model. For estimating the uncertainties of these methodologies, we briefly demonstrate their comparison with existing experimental data. Thereafter, we present various modifications of modelling approaches and their comparison with new results of blast wave experiments.     

A numerical scheme for strong blast wave driven by explosion

After the detonation of a solid high explosive, the material has extremely high pressure keeping the solid density and expands rapidly driving strong shock wave. In order to simulate this blast wave, a stable and accurate numerical scheme is required due to large density and pressure changes in time and space. The compressible fluid equations are solved by a fractional step procedure which consists of the advection phase and non‐advection phase. The former employs the Rational function CIP scheme in order to preserve monotone signals, and the latter is solved by interpolated differential operator scheme for achieving the accurate calculation. The procedure is categorized into the fractionally stepped semi‐Lagrangian. The accuracy of our scheme is confirmed by checking the one‐dimensional plane shock tube problem with 10³ times initial density and pressure jump in comparison with the analytic solution. The Sedov–Taylor blast wave problem is also examined in the two‐dimensional cylindrical coordinate in order to check the spherical symmetry and the convergence rates. Two‐ and three‐dimensional simulations for the blast waves from the explosion in the underground magazine are carried out. It is found that the numerical results show quantitatively good agreement with the experimental data. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

船体水下近距非接触爆炸损伤计算之两步迭代法

船体水下近距非接触爆炸产生的破口计算过程复杂,涉及船体板架、武器装药和爆距方位等诸多因素,工程实践中通常应用经验公式求解。基于舰船遭受定向型战斗部攻击、毁伤面近似垂直于毁伤轴和爆炸过程瞬时发生满足近似能量守恒基本条件,根据爆炸冲击波初始动能与爆炸作用区域结构塑性变形能等量传递的假设,给出了计算方法。考虑了附着加强筋的船体壳板等效厚度对抵御冲击波毁伤的影响,运用爆炸冲击波作用下船体壳板产生的极限应变超过板材动态极限应变导致壳板开裂这一基本原理,设计了两步迭代法计算流程,给出了简捷易用的迭代计算表格。针对4种典型装药当量冲击波作用下,5～20 m长度舱段,11 m以内爆炸距离,6和8 mm这2种典型厚度船体壳板遭受爆炸冲击受损情况进行了768组数据计算。引入平面拟合方程,通过判断截平面相似度分析,给出了计算方法的适用性判据,探讨了计算参数的适用范围,以保证两步迭代法能够客观反映水下近距非接触爆炸的实际破坏效果。结合经验公式计算结果和破损舰船受损实测数据,对该方法进行了检验,实践表明：两步迭代法易于工程实践且具有较好的准确性。     

轴向分布式药包激发地震波场模型

炸药震源激发地震波场幅频特性直接影响地震勘探精度,本文通过计算研究轴向分布式药包激发地震波场幅频特征规律:以球形空腔震源模型为基础,采用叠加方法获得轴向分布式药包激发地震波场计算方法,并与数值模拟结果进行对比。研究表明:该方法误差在7%以内;在爆心距大于药柱总长度9.8倍时轴向分布式药包所激发地震波速度场与球形药包基本一致,但地震波的频率更高。     

Evolution of blast wave profiles in simulated air blasts: experiment and computational modeling

Shock tubes have been extensively used in the study of blast traumatic brain injury due to increased incidence of blast-induced neurotrauma in Iraq and Afghanistan conflicts. One of the important aspects in these studies is how to best replicate the field conditions in the laboratory which relies on reproducing blast wave profiles. Evolution of the blast wave profiles along the length of the compression-driven air shock tube is studied using experiments and numerical simulations with emphasis on the shape and magnitude of pressure time profiles. In order to measure dynamic pressures of the blast, a series of sensors are mounted on a cylindrical specimen normal to the flow direction. Our results indicate that the blast wave loading is significantly different for locations inside and outside of the shock tube. Pressure profiles inside the shock tube follow the Friedlander waveform fairly well. Upon approaching exit of the shock tube, an expansion wave released from the shock tube edges significantly degrades the pressure profiles. For tests outside the shock tube, peak pressure and total impulse reduce drastically as we move away from the exit and majority of loading is in the form of subsonic jet wind. In addition, the planarity of the blast wave degrades as blast wave evolves three dimensionally. Numerical results visually and quantitatively confirm the presence of vortices, jet wind and three-dimensional expansion of the planar blast wave near the exit. Pressure profiles at 90° orientation show flow separation. When cylinder is placed inside, this flow separation is not sustained, but when placed outside the shock tube this flow separation is sustained which causes tensile loading on the sides of the cylinder. Friedlander waves formed due to field explosives in the intermediate-to far-field ranges are replicated in a narrow test region located deep inside the shock tube.