水下爆炸柱形高压气泡膨胀过程的RGFM和高精度格式数值模拟

为了对柱形装药水下爆炸高压气泡膨胀过程进行三维数值模拟,用level set方法追踪气水界面,详细描述了精确对柱形气泡进行level set建模;对于流场,使用Euler方程描述,并用高精度格式(五阶WENO和四阶R-K法)离散空间项和时间项;对于level set方程,使用五阶HJ-WENO离散;用RGFM处理气水界面附近网格节点。给出了水下流场不同时刻的压力云图、柱形高压气泡的形状演变以及流场中几个指定点的压力峰值。通过三维建模和计算验证,用RGFM结合高精度格式可以很好地对柱形高压气泡膨胀问题进行三维数值模拟,同时也可以较精确地追踪高密度比、高压力比的三维气水界面。计算结果表明,柱形高压气泡在膨胀过程中,形状逐渐向椭球形变化;位于固壁附近的柱形高压气泡受固壁反射波的影响,在固壁法线方向上的膨胀会受到抑制;双圆柱形高压气泡膨胀产生的冲击波,可以彼此抑制对方的膨胀。

     

蜂窝夹层板撞击极限方程预测能力的提升

蜂窝夹层板撞击极限方程是空间碎片撞击航天器风险评估的关键技术,目前描述其预测能力的指标主要有总体、安全预测正确率和绝对、相对误差。基于131个蜂窝夹层板的实验数据,分别描述各个预测指标在方程系数空间的变化特征,并采用层次化思路进行方程预测指标提升的探讨。结果发现,进行方程优化时,预测概率型指标可精确优化,而预测误差型指标可快速优化;总体预测正确率作为首要预测指标可优先用于研究航天器的在轨防护特性,而安全预测正确率作为首要指标则可优先用于其设计安全性。

     

小口径膛口射流噪声的数值模拟

为了研究小口径武器的膛口气动噪声特性,采用CFD-CAA耦合算法对7.62 mm枪的射流噪声场进行了数值模拟。由于膛口流场结构复杂,在目前的计算发展水平下还不足以采用CAA直接法,因而本文中采用混合方法,即首先采用CFD方法计算7.62 mm枪的膛口流场,然后利用所得结果,采用声学方程计算射流噪声,具体为膛口近场采用LES进行计算,远场声场采用FW-H声拟法计算。通过对比验证实验,验证了该计算方法的可行性。然后,对7.62 mm枪射流噪声进行了数值模拟,分析了噪声指向性,绘制了声压级云图。研究表明：在本文的计算条件下,射流噪声强度主要集中在近膛口区域;且射流最大噪声主要分布在与轴线方向成30°~60°范围内。

     

砌体填充墙的抗爆性能

为了揭示砌体填充墙的抗爆破坏机理,在野外实验中,测得了爆炸条件下砌体填充墙上的爆炸荷载及位移,得到了墙的抗爆性能、破坏模式以及碎片的飞散和分布情况。实验结果表明,墙体的破坏模式与荷载的大小有关,其破坏主要由灰缝的破坏引起。结合实验现象,采用分离式建模的精细化数值模拟方法,得到了不同荷载条件下裂缝的发展过程、墙体的边界条件对墙体的破坏模式的影响,确定了墙体不同破坏等级时的药量,进一步说明本文中数值模拟方法的合理性。

     

包覆板材料为陶瓷时平板装药的防护性能

运用口径36mm的精密成型装药实验,研究了等效厚度相同的碳化硅和氧化铝陶瓷平板装药的防护性能,并与包覆材料为钢的平板装药进行了对比。运用LS-DYNA3D软件,对平板装药与聚能装药的作用过程进行了三维数值模拟。实验结果显示,对于此结构的平板装药,碳化硅和氧化铝陶瓷平板装药使聚能装药侵彻能力分别下降了88%和82%,优于钢板的防护性能。数值模拟结果显示,陶瓷包覆板从边缘至中心依次出现断裂和粉碎现象,钢板与射流后部作用为断续干扰,而陶瓷板为连续干扰。

     

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。

     

爆炸压涂制备铜涂层的性能

利用爆炸压涂技术在铜基板上制备了较大面积的铜涂层,详细阐述了爆炸压涂技术的工艺。利用光学显微镜、扫描电镜观察了铜涂层的微观组织结构,涂层的厚度为280μm,用截线法在涂层的显微结构图上测得其孔隙率为约2%,利用显微硬度计测量了涂层的显微硬度h_V0.05=114,还利用能谱分析测量了粉末和涂层中各元素的质量分数,实验前后元素的组成成分基本没有发生变化。爆炸压涂制备的铜涂层具有较好的均匀性和致密性,铜粉末在形成涂层的过程中不会发生氧化现象。

     

自毁装置的安全性和可靠性

为了研究集束弹药自毁装置的安全性与可靠性,分析和评价自毁装置设计,对自毁装置进行了理论抽象,建立了自毁装置安全性失效模型; 引入信息论方法,建立了抽象自毁装置顺序控制起爆信息输出量和顺序时间窗控制起爆信息输出量模型; 对典型的M85子弹药引信、XM1161引信、M230SD引信安全性及可靠性进行了分析。理论分析表明,M230SD引信安全性及可靠性优于XM1161引信、M85子弹药引信,与实验结果一致。

     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应,对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象,通过4次爆炸试验,观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征,分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明：接触爆炸荷载作用下,RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式,爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上,将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级,采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。

     

氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力,设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验,采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa,爆炸开始后喷射氮气,爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明,单喷头距泄压口20 cm时,各压力下喷出的氮气都未能阻爆,但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小;单喷头距泄压口35 cm时,喷气压力0.5 MPa下成功阻爆,其他喷气压力下未能阻爆;双喷头喷气时,喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆,且喷气压力越大,火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现,需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下,因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时,喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时,氮气区扩大,阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。