后燃烧效应对约束空间内爆炸载荷的影响规律

[目的]为了研究后燃烧效应对约束空间内炸药爆炸载荷的影响规律,[方法]将反应率模型耦合到可压缩欧拉方程中,并以源项的方式进行后燃烧能量的添加。采用五阶WENO有限差分格式和三阶TVD-RK格式对耦合方程空间项和时间项进行离散求解,自主编写约束空间内炸药爆炸后燃烧过程的二维数值计算程序。基于自主程序开展不同工况下内爆炸后燃烧效应数值计算,探讨内爆炸过程中反应速率及后燃烧能量大小对爆炸载荷的影响规律。[结果]研究表明:在后燃烧能量大小一定的情况下,反应速率常数增大时,冲击波到达时间提前,冲击波峰值、冲量均增大,准静态超压峰值保持不变;在反应速率常数一定的情况下,随着后燃烧能量的增大,冲击波峰值、冲量及准静态超压峰值均增大;后燃烧能量的加入能显著增强爆炸载荷强度。[结论]研究成果可为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

舱室内爆载荷燃烧增强效应试验及仿真研究北大核心CSCD

[目的]TNT炸药在密闭空间中发生爆炸时,其爆轰产物的燃烧效应不可忽视,为准确分析TNT炸药在密闭空间中的爆炸载荷,需要探究爆轰产物燃烧释放的能量与药量体积比的关系。[方法]首先开展5种不同质量的TNT分别在空气和氦气环境密闭空间中的爆炸试验,然后基于化学反应分析、能量守恒、等熵假设3种不同的方法计算5种不同药量体积比对应的爆轰产物燃烧能量,并基于有限元分析软件ANSYS/AUTODYN开展考虑燃烧效应的密闭空间内爆炸数值计算。[结果]准静态压力仿真结果与试验结果的对比表明:3种方法中,通过化学反应计算得到的燃烧能量理论值可作为上限值,能量守恒法的准确性依赖爆炸后混合气体的绝热指数,等熵假设法仿真值与试验值误差稳定在4%~7%之间;不同的燃烧能量释放历程会影响反射冲击波压力,但不改变最终的准静态压力。[结论]研究结果可为舰船抗爆结构设计及毁伤评估提供更精确的输入载荷。     

舰船舱内爆炸载荷特征与板架毁伤规律分析

[目的]炸药在自由场、舱室内爆炸时,载荷特征存在很大差别。[方法]模拟不同药量炸药在自由场、密闭舱室与开口舱室中爆炸的过程,并对比数值计算载荷与亨利奇公式计算结果,分析炸药在密闭舱室以及开口舱室内的载荷特征。[结果]研究表明,在密闭舱室中,冲击波在角隅处形成汇聚压力,其在角隅处的冲击波总冲量约为板架中心处冲击波总冲量的1.45倍,而开口舱室角隅处的压力并不明显;与密闭舱室相比,开口舱室的反射压力峰值与准静态压力值均较小;开口舱室的冲击波总冲量约为密闭舱室的20%;密闭舱室板架的失效模式为板架沿加强筋发生塑性变形,沿角隅发生撕裂;开口舱室角隅处并未发生撕裂,但开口边缘处发生了外翻变形;只考虑冲击波作用时,采用数值模拟方法得到的板架中心最大变形值与简化计算方法得到的值比较接近,但在同时考虑冲击波、准静态压力作用时,误差较大。[结论]研究结果可为舱室内爆载荷的特征与板架毁伤规律提供较为合理的预报。     

JWL状态方程及其等效多方状态方程在内爆炸计算中的应用分析

[目的]为研究JWL状态方程及其等效多方气体状态方程对内爆炸参数的影响规律,[方法]利用自主开发的程序开展舱室内炸药爆炸过程数值计算。首先,探讨JWL状态方程中ω参数及环境气体绝热指数的不同取值对内爆炸参数计算的影响规律;然后,基于JWL状态方程提出确定其等效多方气体状态方程中参数的方法,并通过算例对其可行性及可靠性进行验证。[结果]研究结果表明,ω参数及环境气体绝热指数的增大均可使最终的混合物绝热指数及冲击波峰值增大,并使冲击波到达舱室壁面的初始时间提前;ω参数的增大加快了爆炸初期爆轰产物的膨胀速率,最终使准静态压力峰值增大;而环境气体绝热指数的增大减缓了爆炸初期爆轰产物的膨胀速率,对最终准静态压力峰值影响很小。[结论]该等效方程具有一定的可靠性,研究结果可为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律研究

舰船舱室内爆炸载荷主要包含瞬态多峰值冲击波和持续时间较长的准静态超压,为了研究WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律,基于Fortran平台,采用3阶、5阶、7阶WENO有限差分格式,开发了高精度舱室内爆炸载荷三维数值计算程序。采用Sod激波管、双爆轰波碰撞、激波与熵波相互作用等经典算例初步考察了各数值格式的计算性能。开展了封闭舱室、泄压舱室内爆炸载荷数值计算,探讨了WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律。研究表明:WENO格式精度对舱室内爆炸冲击波载荷影响较大,对舱室内爆炸准静态超压载荷影响较小。     

约束空间内爆超压载荷影响因素二维数值模拟

[目的]为了研究炸药运动、初始界面扰动及网格尺寸对舱内爆炸超压载荷的影响规律,[方法]采用五阶WNEO有限差分格式、三阶TVD龙格—库塔法对二维可压缩欧拉方程的空间项和时间项进行数值离散,并基于Fortran平台,自主开发约束空间内爆炸波高精度数值计算程序,利用所开发的程序对舱内爆炸超压载荷的影响因素进行初步探讨。[结果]研究表明,增大炸药运动速度、选取特定的初始界面扰动、减小网格尺寸均能较明显地提高舱内爆炸冲击波峰值,但对准静态超压载荷的影响较小。[结论]研究结果可为抗爆结构设计及舱内爆炸毁伤评估提供一定的参考和指导。     

舱内爆炸准静态压力形成机理的研究

舱内爆炸准静态压力载荷是反舰导弹半穿甲战斗部最重要的破坏载荷之一。基于炸药爆炸过程中的化学反应过程和状态方程开展了准静态压力的理论分析与预测,并通过模型试验验证预测公式的正确性,讨论了在有无氧气环境下的准静态压力。研究结果表明:(1)舱内爆炸与自由场爆炸有较大的不同,除了多次反射的冲击波外,还存在准静态压力;(2)基于状态方程提出的准静态压力计算方法具有一定的预测能力;(3)需要氧气支撑的后续燃烧效应对准静态压力的形成至关重要。研究结果能为舱内爆炸作用下的舱室毁伤防护机理的揭示和防护设计提供有效支撑。     

内爆炸后燃烧反应率时间历程理论预估及能量释放常数确定方法

[目的]约束空间内爆炸后燃烧效应涉及复杂的多组分化学反应燃烧过程,采用简化的反应率模型近似描述后燃烧效应具有一定的合理性和工程应用价值。然而,如何预估模型中的反应率时间历程及确定能量释放常数,仍是需要进一步解决的问题。为此,[方法]提出一种后燃烧反应率时间历程的理论预估方法,在此基础上采用化学反应动力学方法确定内爆炸化学反应时间,进而确定能量释放常数。[结果]研究表明:虽然在爆炸初期和爆炸后期理论预估公式与数值计算结果存在一定的差异,但总体趋势吻合较好;按照化学反应动力学分析方法近似确定化学反应结束时刻具有一定的合理性和可靠性。[结论]研究结果可为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性

[目的]为研究典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性,将舱内爆炸载荷分为初始爆炸冲击波载荷和准静态气压载荷,利用有限元分析软件LS-DYNA开展爆炸载荷下固支单向加筋板毁伤特性的数值模拟。[方法]主要模拟载荷冲量相等和载荷峰值相等时固支单向加筋板的变形特性,以及加筋板分别在初始爆炸冲击波载荷、准静态气压载荷及2种载荷联合作用下的毁伤特性,并分析上述载荷作用下加筋板的变形特点。[结果]结果表明:当作用在加筋板上的冲量相等、载荷作用时间小于0.05倍垂向一阶自振周期时,加筋板的最终挠度值处于最大值附近;当载荷峰值相同时,存在饱和冲量值,达到饱和冲量值以后,载荷作用时间不再影响加筋板的最终变形。[结论]在舱内爆炸载荷作用下,加筋板的最终变形不是2种载荷作用下的简单叠加,2种载荷的联合作用会增强毁伤效果。     

水下爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟研究

运用AUTODYN程序对水下爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟研究.首先模拟了无限水域中的水下爆炸冲击波,然后将深水爆炸简化为一维问题,采用一维方法对深水爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟,并将模拟结果与经验公式和实验结果进行了比较.模拟结果表明,AUTODYN能准确模拟近场水下爆炸冲击波和深水爆炸气泡脉动过程,计算得到的近场水下爆炸冲击波峰值压力和比冲量、水质点速度、气泡最大半径、脉动周期、二次压力波的峰值压力和比冲量等特性参数均与经验公式、理论公式和实验结果吻合良好.远场的冲击波峰值压力的计算值小于经验值,而且计算误差随着爆距的增加而增大.最后总结了模拟结果,得出了对工程应用有益的结论.     

实尺度舰船舱内炮弹静爆试验方法

[目的]为提高舰船在舰炮攻击下舱室损伤特性的等效性,更好地反映实船舱内炮弹爆炸对船体结构、设备和人员的毁伤特性,[方法]采用实船舱室模型进行炮弹舱内静爆试验,以得到舱内静爆冲击波的超压、准静态超压、结构应变等数据处理方法,最终得到实验爆源、舱室结构、设备和人体模型的简化方法及设计制作要求。[结果]根据试验结果,总结出局部花瓣破口(Ⅰ)、边界剪切断裂(Ⅱ)和板架大变形(Ⅲ)3种舱室结构的损伤模式及其判据。其中,新提出的损伤模式Ⅰ的判据为爆距小于0.25倍板架宽且爆源能量大于板的弯曲塑性变形能。[结论]该研究将前人总结的矩形板架爆炸变形破损模式进行了拓展,所得结果可为舰船抗爆校核评估与防护设计提供参考。     

饱和冲量及其等效方法在舱室内爆炸中的应用

[目的]对于受到爆炸脉冲载荷冲击作用的船体结构,基于饱和冲量现象的相关研究表明,仅根据最大载荷幅值和脉冲总冲量来设计船体结构是不合理的,需探究工程应用中的饱和冲量现象。[方法]首先,总结饱和冲量概念的提出及研究发展;然后,以舱室内爆炸为典型算例,分析内爆炸载荷的曲线特性及结构响应特征;最后,基于饱和等效方法将复杂的内爆炸载荷等效为矩形脉冲载荷,采用理论及数值方法对等效载荷进行计算。[结果]结果表明:在舱室内爆炸准静态超压情况下普遍存在饱和冲量现象,实际工程应用中爆炸载荷会对结构造成较大的塑性变形,通常超过10倍板厚;而运用基于饱和冲量的等效方法分析,所得结果与数值仿真结果的误差小于10%。[结论]运用此方法可更准确地得出结构塑性动力响应结果,在结构抗冲击设计优化时,还可减少繁琐的复杂非线性数值计算,使设计更高效。     

舱室内爆冲击波载荷特性及影响因素分析

战斗部爆炸产生的冲击波载荷是舰船舱室结构的主要载荷之一,舰船舱室内爆炸载荷准确与否是正确计算板架响应的关键。舰船舱室内爆冲击波在舱室内部多次反射,舰船舱室内部形成持续时间较长的准静态压力过程,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷。本文采用实验验证数值程序计算舱室内爆炸冲击波的可靠性,在此基础上采用数值方法研究舱室内爆冲击波壁面反射特性及爆点位置对舱室内爆载荷的影响。计算结果表明舱室内爆各壁面反射冲击波明显,爆点位置仅对爆点附近区域冲击波特性有影响,对远离爆点区域的冲击波特性无明显影响。     

船舶在远场水下爆炸载荷作用下动态响应的数值计算方法

提出了一个利用MSC／DYTRAN数值模拟水面船舶在远距离水下爆炸载荷作用下动力响应的方法。用FORTRAN语言编译用户子程序，在近场水域边界处加上冲击波载荷以模拟远场爆炸效应，进而利用DYTRAN中强大的流固耦合计算功能，计算船体在水下冲击波作用下的动态响应。同时研究了边界定义和单元划分对冲击波传播的影响。该方法弥补了DYTRAN计算远场水下爆炸的某些不足，计算所得到的船体附近的自由场压力与经验公式的结果基本一致，船体的冲击响应与相关实验结果比较表明本文计算结果可信。     

冲击波和破片联合作用下舱段毁伤效应分析

为了研究冲击波和破片联合作用下船舶舱段的毁伤效应,首先在ANSA中建立舱段的有限元模型,设定材料模型、模拟舷侧破口、建立战斗部模型和耦合模型;之后在AUTODYN中对比分析了爆炸冲击波单独作用以及冲击波、破片联合作用2种情形下,船舶舱段的舱内爆炸载荷特性、舱室结构等效塑性应变及位移等数值结果的差异。结果表明：考虑冲击波和破片的联合作用时,冲击波压力曲线的前期趋势与冲击波单独作用下大致相同,但由于冲击波从破口发生泄漏,舱室内压力会较早达到准静态压力状态。同时,爆炸当舱的更多区域出现了大破口,毁伤主要表现为角隅大塑性变形以及边缘大面积撕裂,甲板和舷侧的最大位移和等效塑性应变也较冲击波单独作用大得多。     

舱室内爆冲击波载荷特性及影响因素分析

战斗部爆炸产生的冲击波载荷是舰船舱室结构的主要载荷之一,舰船舱室内爆炸载荷准确与否是正确计算板架响应的关键.舰船舱室内爆冲击波在舱室内部多次反射,舰船舱室内部形成持续时间较长的准静态压力过程,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷.本文采用实验验证数值程序计算舱室内爆炸冲击波的可靠性,在此基础上采用数值方法研究舱室内爆冲击波壁面反射特性及爆点位置对舱室内爆载荷的影响.计算结果表明舱室内爆各壁面反射冲击波明显,爆点位置仅对爆点附近区域冲击波特性有影响,对远离爆点区域的冲击波特性无明显影响.     

天然气发动机曲轴箱爆炸模拟及分析

为了验证船用天然气发动机曲轴箱的设计强度能否承受最恶劣爆炸工况下的超压,利用CFD计算软件对曲轴箱内燃料-空气混合气体爆炸后果进行了数值模拟。现有的CFD计算方法普遍采用等效气体云模型,其中最新的Q9模型能够综合考虑气体膨胀率和层流燃烧速率对爆炸后果的影响,应用广泛。然而在曲轴箱等高拥塞度受限空间内发生的气体爆炸,火焰传播猛烈且燃烧状态复杂,对于这种情况采用Q9模型来进行模拟会造成结果的不准确,为此基于荷兰应用科学院(TNO)多能法在现有模型的基础上推导了适合曲轴箱内爆炸模拟的等效气体云模型。通过与试验数据的验证对比发现,新模型在高拥塞度较小容积受限空间中的计算结果精度较高,误差在20%以内,且混合气体越接近理想状态(化学计量浓度),该模型的计算精度越高。以某典型船用天然气发动机曲轴箱为例,采用新的等效气体云模型计算了最恶劣爆炸工况下曲轴箱内的超压分布,并导入有限元软件进行了强度评估。评估结果表明：曲轴箱内最大应力的位置发生在结构强度较弱的油底壳处,应力峰值为361.257MPa,油底壳采用Q235材料,该应力已超过其许用应力,该部分结构无法承受最恶劣爆炸工况下的超压,因此如不安装防爆阀,需在设计时对曲轴箱油底壳结构进行适当加强。     

水幕衰减爆炸冲击波数值研究

舰船上发生爆炸时,将对舱室设备、舰上人员造成严重伤害,在舱室内喷洒细水雾形成水幕是冲击波防护的有效措施之一。为了分析水幕对爆炸冲击波的衰减作用,建立冲击波在布置有水幕的舱室中传播的模型,采用Eulerian-Lagrangian方法描述冲击波与水雾颗粒的两相流动,考虑液滴碰撞、破碎、蒸发等因素的影响。计算结果表明,水幕可有效衰减冲击波的超压峰值,并对波后气体有明显的降温效果。     

水幕衰减爆炸冲击波数值研究

舰船上发生爆炸时,将对舱室设备、舰上人员造成严重伤害,在舱室内喷洒细水雾形成水幕是冲击波防护的有效措施之一。为了分析水幕对爆炸冲击波的衰减作用,建立冲击波在布置有水幕的舱室中传播的模型,采用Eulerian-Lagrangian方法描述冲击波与水雾颗粒的两相流动,考虑液滴碰撞、破碎、蒸发等因素的影响。计算结果表明,水幕可有效衰减冲击波的超压峰值,并对波后气体有明显的降温效果。     

表征外部爆炸作用下舱段破坏的新型冲击因子研究（英文）

基于结构遮挡的冲击波能量提出了一种新型冲击因子。为验证该冲击因子在外部爆炸问题中的适用性,使用CONWEP算法对典型三舱段模型在不同装药工况下的响应进行非线性有限元数值仿真,并采用准静态法计算受损舱段的剩余极限强度。计算结果表明新型冲击因子相比传统冲击因子更适合用于表征外部爆炸作用下结构的整体破坏。对于远场爆炸工况,强力甲板最大位移、舱段塑形应变能和剩余极限强度在新型冲击因子衡量下均显示出较高的一致性。在近场爆炸工况中,由于结构局部变形的影响,计算结果存在一定的离散。