浅水爆炸特性数值模拟研究

为对浅水爆炸的荷载特性进行研究,首先采用LS-DYNA建立的浅水爆炸三维数值模拟模型对浅水爆炸的冲击波传播与气泡脉动进行了模拟,通过与经验计算公式对比验证了模型的可信性;然后,对浅水爆炸的荷载特点和分布规律进行了分析,并初步探究了水面及水底的影响规律,得到如下结论:LS-DYNA可实现浅水爆炸的有效模拟,模拟结果符合理论形态,且计算得到的荷载峰压和比冲量等特性参数与经验公式吻合良好。浅水爆炸荷载峰压在冲击波传播阶段出现,气泡脉动阶段荷载的比冲量则明显高于冲击波传播阶段,在浅水爆炸毁伤效应研究中,以上两个阶段均需考虑。炸药起爆深度附近及其以下水域为浅水爆炸荷载的主要作用区域。水面反射稀疏波和水底反射冲击波的峰压和衰减时间与冲击波相近;随着爆深增加,反射波对水面及水底附近位置影响增大,对水域中间位置的影响先减小后增大。     

数值模拟方法对浅水爆炸荷载的影响

采用LS-Dyna和MSC.Dytran分别建立了浅水爆炸的三维数值仿真模型,通过仿真现象和与经验公式的对比验证了模型的可信性。对二者的仿真结果进行了对比研究,得到如下结论:MSC.Dytran的边界设定和流固耦合能力更强,气泡脉动速度和周期衰减更快且最大半径较大,对气泡脉动峰压和冲击波比冲量的仿真更为精确;LS-Dyna仿真水底的反射作用更加明显,对冲击波峰压和气泡脉动比冲量的仿真效果更好,且仿真荷载的主要分布位置比MSC.Dytran仿真更接近水底。二者仿真气泡溃散形态有所区别,且待进一步开展试验研究以验证。     

改进的固定边界上方气泡射流方向判定准则

前人应用开尔文冲量理论得到了判断固定边界上方气泡射流方向的Blake准则,但其预测精度在特定参数范围内不足。为此,通过考虑气泡内压力变化并引入边界效应,提出了改进的气泡射流方向判断准则,使用边界元方法模拟结果对其进行验证,比较了改进模型与传统Blake准则的预测结果,并分析了无量纲强度参数对改进模型预测结果的影响。研究表明,改进的模型比传统Blake准则具有更高的预测精度。改进的理论模型能够为水下爆炸、海底资源勘探等领域提供理论参考。     

液体推进剂爆炸冲击波数值计算及实验误差分析

液体推进剂爆炸危害后果的精确计算需要对爆炸当量进行精确估算,实验测量存在高成本、高风险的缺点,而数值计算成本低、时间快、可重复性强,因而成为爆炸冲击波危害性研究的一种重要手段。基于爆炸相似律,利用LS-DYNA有限元软件对开放空间N_2O_4/UDMH爆炸模型进行了数值计算,研究了液体推进剂爆炸冲击波在无限空气域的传播规律。通过仿真值和实验值的对比分析,将引起实验误差的主要原因总结为测量点布置高度、测量装置加固情况和推进剂混合不均匀,并给出了相应的建议。     

潜艇上浮运动数值计算方法的研究与验证

预报潜艇上浮运动是探索研究潜艇上浮运动控制规律以及潜艇安全上浮的前提。就潜艇上浮运动的数值计算方法和计算流程进行了详细介绍,对数值计算方法中的湍流模型及离散格式等进行了优选。基于模型上浮试验结果,对数值计算的不确定度进行了分析且对数值计算结果进行了验证。证明了该数值计算的可靠性,并发现数值计算结果与试验结果很接近,验证了该数值计算方法的可行性,说明该数值计算方法和试验可为潜艇上浮运动的研究提供参考和借鉴。     

条形装药爆炸条件下地下结构的动力数值分析

军事地下工程多采用直墙拱结构形式，实战中美军大量使用的精确制导炸弹装药可视为条形装药。为研究近区爆炸条件下条形装药对直墙拱结构的动力响应影响问题，利用LS—DYNA程序进行了条形装药爆炸条件下地下直墙拱结构的动力数值分析。通过对比集团装药的数值模拟结果，发现在条形装药垂直入射结构拱项时，直墙拱顶的有效应力峰值高于集团装药达25％。因此，如果按传统方法将精确制导炸弹装药视为集团装药，进行防护工程结构计算和设计偏于不安全，根据数值计算结果提出了防护工程结构设计参考建议。     

地面爆炸条件下框架底层柱的破坏公式推导及数值模拟分析

由于常规武器地面爆炸时在地面附近形成了较为复杂的爆炸冲击波,该冲击波对附近军事目标的破坏非常严重.为便于对地面军事工程结构进行防护研究,有必要对军事工程结构的破坏距离进行预测和评估.在前人研究的基础上采用理论分析和数值模拟方法研究了常规武器地面爆炸条件下对框架底层柱的破坏作用.从理论上推导框架底层柱在遭受地面爆炸冲击荷载时的破坏程度预测公式,同时建立了炸药、空气、土壤和结构于一体的全耦合数值模型对推导公式进行了验证.结果表明理论推导和数值模拟计算结果较为一致,该公式可以为地面军事工程结构防常规武器打击提供一些建议和参考.     

不同边界条件下水下爆炸气泡的数值模拟

采用有限元程序MSC.Dytran对不同边界条件下水下爆炸气泡的脉动过程进行了数值模拟。对数值模拟中的一些重要问题,如炸药药包的建模、网格密度、状态方程和静压力场的设定等问题进行了探讨。对无限水域中的水下爆炸气泡以及自由面边界、水平刚性面边界和垂直刚性面边界三种边界条件下的水下爆炸气泡进行了数值模拟,分析了水下爆炸气泡的半径、外形变化、气泡脉动压力、流场中的速度分布,结果发现边界的存在对气泡外形的影响较大,刚性边界面会使气泡脉动压力增大较多,而自由面边界对气泡脉动压力的影响较小。将数值模拟的结果与理论模型、经验公式和试验结果进行了比较分析,结果吻合较好。     

单个球形装药浅层水中爆炸的试验研究

装药浅层水中爆炸研究是一个分复杂的问题。本文支用爆炸相似律对浅层水中爆炸冲击波参数进行了分析,并测试了水中冲以压力值。根据试验结果,本文对空间流场压力分布进行了分析并建立了模型进行了试验范围内冲击波压力的经验公式。     

水下爆炸中自由场压力和船体壁压的测量与分析

对水下爆炸中自由场压力的水面截断效应及冲击裁荷与船体相互作用的船体壁压进行了分析,得出了自由场压力的水面截断效应及早期的船体壁压计算近似公式.测量结果表明,球形装药中心起爆后形成的冲击波一般不是一条光滑曲线,而是会有多个振荡峰;当自由场压力测点离水面较近时,测量的自由场压力会出现明显的水面截断现象;船板在水中爆炸冲击渡的作用下产生的运动和变形对水中压力场有很大影响,舰体壁压反射系数与冲击波的入射角度有关.     

火炮装药温度分布的数值模拟

针对火炮弹药的特点,建立了弹药的二维轴对称模型,并在圆柱坐标系下,用控制容积积分法导出一组差分离散格式。采用收敛速度快的块迭代法解代数方程组。实验数据表明数值计算的结果和实测值基本一致,经进一步研究可以用于火炮装药的温度测量。     

舰船局部结构在水下爆炸气泡载荷作用下的塑性变形分析

在水下爆炸载荷作用下的舰船局部结构塑性变形计算中,往往只考虑冲击波载荷的影响而忽略气泡载荷的影响。为研究气泡载荷在舰船局部结构塑性变形中所占的比例,利用通用有限元软件Abaqus,对舰船局部结构典型形式加筋板模型在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行了数值仿真。其中,载荷计算采用了Geers-Hunter模型,材料本构采用了Johnson-Cook模型。分析仿真结果发现,模型中点变形挠度明显分为两个阶段,很容易区分冲击波载荷引起的变形和气泡载荷引起的变形。将最终变形挠度仿真计算结果与试验结果进行对比,两者吻合较好。计算结果表明:由气泡载荷引起的加筋板塑性变形挠度超过总变形挠度的30%,所以在计算中气泡载荷的影响不容忽视。     

装药长径比对爆炸成型弹丸形成影响的数值模拟

采用LS-DYNA软件对带有外壳的爆炸成型弹丸(EFP)形成过程进行数值模拟。研究了装药长径比对EFP成形的影响规律,并对比分析了不同模型的计算结果差异,得出形成理想EFP外形和装药长径比之间的关系。研究结果可应用于EFP战斗部结构设计。     

坑道内爆炸冲击波的三维数值模拟与试验验证

采用多物质ALE算法,利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了坑道内爆炸冲击波的三维数值计算模型。通过与试验实测数据对比,分析了网格尺寸、人工黏性系数、坑道长度等对数值计算结果的影响规律。结果表明:网格尺寸和人工黏性系数对计算结果的影响较大;坑道出口产生的稀疏波会使数值计算结果失真,数值计算时坑道长度宜为所研究测点到爆炸源距离的1.5倍。冲击波超压峰值和冲量计算值与试验实测值的最大误差分别为8.9%和3.1%。     

近场爆炸作用下简支钢筋混凝土梁冲剪破坏的预测方法

爆炸作用下钢筋混凝土梁会呈现多种破坏模式,针对近场爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的冲剪破坏,联合等效单自由度模型和临界剪切裂纹理论,提出一种预测钢筋混凝土梁冲剪破坏的方法,并通过开展两发球形梯恩梯装药近场爆炸试验,观察了钢筋混凝土梁的破坏形态,验证了冲剪破坏的预测方法.结果表明:提出的预测方法可用来评估钢筋混凝土梁在近场爆...     

驱动管中柱状装药爆轰过程的数值模拟

数值模拟了爆炸驱动管中柱状装药内爆轰波的传播过程.计算采用欧拉型有限体积方法,炸药及爆轰产物均采用JWL状态方程,空气采用理想气体状态方程,采用"点火-生长"模型计算化学反应速率.计算得到了驱动管内波系结构的发展过程,爆速与经验公式符合得较好.计算表明,驱动管侧壁的压力峰值在800MPa以上,而在管底中心处,由于激波的汇聚,压力峰值高达12.4GPa.     

垂直刚性面边界条件下水下爆炸气泡运动的理论研究

为研究垂直边界面对水下爆炸气泡脉动的影响,根据势流理论建立了垂直边界面条件下水下爆炸气泡运动的理论模型,编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度及压力的分布、气泡引起的载荷形式进行了分析,结果表明,此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律,并能进行定量的计算。     

水面平板下方非球状爆炸气泡运动数值模拟

基于势流假设,采用线性三角形单元直接边界元法对气泡外的水流流场进行计算,并采用二阶龙格-库塔法追踪气泡形状变化。同时,为了保证数值计算稳定,采用弹性网格技术对气泡表面网格进行光滑处理,并对近距离情况水下爆炸进行了计算,得到了气泡外形和作用于平板表面上压强随时间变化的规律。将计算结果与已有结果进行了比较分析,两者吻合较好,证明了该计算方法和计算程序的可信性。     

双原子分子气体的定常隐式全流域多尺度算法

巨大的计算资源需求极大地阻碍了统一气体动理学格式的应用。采用宏观预估技术,基于Boltzmann-Rykov模型方程发展全流域适用的保守恒定常隐式算法,协同求解宏观方程和微观方程以加速收敛。在单元界面,通过模型方程特征差分解构造简单高效的多尺度数值通量,并结合非均匀非结构速度空间和速度空间自适应技术进一步降低计算需求、提升计算效率。超声速和高超声速平板绕流和圆球绕流的数值结果验证了算法的准确性与高效性。结果表明,算法能够准确求解二维和三维双原子气体多尺度流动问题,且相比于显式离散统一气体动理学格式可加速一个量级。     

大型水面舰艇在重型鱼雷水下近距爆炸作用下的毁伤效应

以单发某重型鱼雷击沉DD973驱逐舰的实船打靶试验为例,揭示了船体梁结构在船中底部近距离水下爆炸作用下最终呈现中垂破坏现象.建立了该问题的物理仿真模型,再现了船体梁在水下爆炸近场冲击波正压和负压交替作用下的中垂破坏过程.与实船打靶试验情况进行对比的结果验证了数值计算结果的有效性.在此基础上,分析了船体梁结构在水下爆炸近场球面冲击波和动态气泡作用下的内力和变形规律.