密闭空间内爆炸准静态压力理论计算研究

[目的]密闭空间内爆炸过程不仅涉及冲击波的传播和反射,还包含复杂的后燃烧效应。后燃烧效应既增强了冲击波强度,还会对最终准静态压力产生较大影响。为对约束空间内爆炸准静态超压进行预测,[方法]基于化学反应分析及能量守恒定律,推导给出一种考虑后燃烧效应内爆炸准静态超压峰值的计算模型,并将模型计算得到的准静态超压与相关文献的实验测量结果及经验公式的结果进行对比分析,以验证所提理论模型的可靠性和准确性。[结果]结果表明:理论模型计算的准静态超压峰值与文献的实验测量及经验公式的结果吻合较好;Anderson经验公式在药量体积比小于0.5 kg/m~3的爆炸工况下并不适用,文献[8]的拟合公式不能外推至药量体积比大于8.87 kg/m~3的爆炸工况下使用。[结论]研究结果可为更好地了解内爆炸后燃烧效应对准静态压力贡献的物理机制,以及为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

舱内爆炸作用下固支方板的变形与破坏模式

舱内爆炸与自由场爆炸载荷特点明显不同,威力比同等当量下的自由场爆炸大得多.本研究制作了内爆炸载荷发生装置,开展了不同方板在舱内爆炸作用下的动态响应与损伤特性试验,对比了舱内爆炸载荷特点、板的塑性变形、板的损伤特点,讨论了无量纲数的适用性.研究表明:(1)舱内爆炸作用下角隅处的冲击波压力峰值明显大于其他区域,但各测点的冲量趋于一致;(2)炸药相对泄爆孔位置的不同,主要通过影响准静态压力改变方板的变形,初始冲击波的影响相对较小;(3)舱内爆炸作用下固支方板的破坏模式主要为Ⅰ类破坏和Ⅱ类破坏,即整体大塑性变形破坏和边缘拉伸失效.     

船舶进气装置冲击波试验

为评估船舶进气装置承受爆炸冲击波的能力,进行冲击波试验研究。通过对比各爆室的不同装药量,发现冲击波超压峰值与爆室1的装药量成正比关系;冲击波波形与爆室2~爆室7的装药量有关,爆室2的装药量决定了冲击波的完整性。通过分析试验数据,结果表明:爆炸冲击波的冲击波冲量最大值滞后于冲击波超压峰值的最大值;进气装置可以承受超压峰值84.45 k Pa爆炸冲击波产生的15 260.84 k Pa·ms冲击波冲量的作用力。     

船舶进气装置冲击波试验北大核心CSCD

为评估船舶进气装置承受爆炸冲击波的能力,进行冲击波试验研究。通过对比各爆室的不同装药量,发现冲击波超压峰值与爆室1的装药量成正比关系;冲击波波形与爆室2-爆室7的装药量有关,爆室2的装药量决定了冲击波的完整性。通过分析试验数据,结果表明：爆炸冲击波的冲击波冲量最大值滞后于冲击波超压峰值的最大值;进气装置可以承受超压峰值84.45 k Pa爆炸冲击波产生的15 260.84 k Pa·ms冲击波冲量的作用力。     

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。     

爆炸波高精度数值计算程序开发及应用

[目的]当爆炸发生在约束空间内部,由于壁面的约束限制,爆炸冲击波的传播和演化特性将更加复杂,其对结构、内部设施及人员的损伤也更加严重。为了研究约束空间内部的爆炸特性,[方法]基于FORTRAN平台,采用三阶WENO有限差分格式,自主开发约束空间内部爆炸波高精度三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞、空中爆炸等经典算例,验证所开发程序的可靠性。基于验证的程序,开展约束空间内部爆炸波数值计算,研究密闭空间、泄压空间及连通空间内部的爆炸波传播规律与爆炸载荷特性。[结果]研究表明,所开发的程序能较好地模拟约束空间内的爆炸过程。[结论]该开发工作可为后续研究复杂空间内部爆炸波传播路径、评估爆炸载荷以及合理设计抗爆结构奠定基础。     

爆炸波高精度数值计算程序开发及应用北大核心CSCD

[目的]当爆炸发生在约束空间内部,由于壁面的约束限制,爆炸冲击波的传播和演化特性将更加复杂,其对结构、内部设施及人员的损伤也更加严重。为了研究约束空间内部的爆炸特性,[方法]基于FORTRAN平台,采用三阶WENO有限差分格式,自主开发约束空间内部爆炸波高精度三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞、空中爆炸等经典算例,验证所开发程序的可靠性。基于验证的程序,开展约束空间内部爆炸波数值计算,研究密闭空间、泄压空间及连通空间内部的爆炸波传播规律与爆炸载荷特性。[结果]研究表明,所开发的程序能较好地模拟约束空间内的爆炸过程。[结论]该开发工作可为后续研究复杂空间内部爆炸波传播路径、评估爆炸载荷以及合理设计抗爆结构奠定基础。     

舱内爆炸载荷作用下加筋板动态响应试验研究

相对于敞开环境来说,发生在封闭舱室内的爆炸将对舰船结构造成更加严重的毁伤。论文对四边夹持约束的方形加筋板在舱内爆炸载荷作用下的动态响应进行了试验研究,分析加筋板结构的塑性大变形特征和舱室封闭程度对爆炸载荷作用效果的影响。试验结果表明:加筋板在舱内爆炸载荷作用下主要是发生整体塑性变形,中心变形挠度远远大于板厚值,中面膜力在板变形过程中起主要作用。与敞开环境爆炸载荷作用效果相比,舱内爆炸载荷作用在加筋板上的"等效损伤冲量"提高了6~8倍。结构变形主要取决于舱室壁面的反射冲击波和舱内准静态压力载荷。舱壁开孔降低了舱室壁面的封闭限制效果,导致舱内准静态压力载荷衰减速度加大,从而降低了爆炸载荷对结构的破坏能力。     

泄爆薄板厚度对舱室破坏及舱内载荷影响的数值仿真

[目的]为了研究DDG 1000驱逐舰所采用新型舷侧泄爆结构中泄爆薄板厚度对泄爆效果的影响,[方法]首先,通过实验数据验证仿真方法的可靠性;然后,运用有限元分析软件建立泄爆舱室的仿真模型,分析薄板泄爆结构的泄爆原理,研究不同薄板厚度下舱室破坏及舱内载荷的变化情况;最后,通过函数拟合,得到比冲量和挠度随泄爆薄板厚度变化的二次函数模型。[结果]结果表明:舱室的破坏失效最先发生在薄板和舱壁的连接处,并逐渐向舱壁边角扩大,且薄板厚度越小,越容易形成泄爆口;泄爆口的形成表现为薄板整体飞出舱体;泄爆结构的存在对初始冲击波超压的影响不大,但能有效降低舱内的准静态压力和比冲量;造成防护舱壁变形的主要因素是前期的初始冲击波和反射冲击波,而造成防护舱壁最终破坏的主要因素是长时间作用的准静态压力。[结论]研究结果可为舰船舷侧舱室等结构开展泄爆设计提供一定的参考。     

带壳有隙TNT炸药包的水下爆炸

裸炸药和有壳炸药空中爆炸的对比研究相当多,并且有了一致的结论;但对于水下带壳药包的爆炸少有研究,水中兵器水下爆炸破坏力都采用裸药的533公式.本文研究了这样的问题,并也研究了当柱形装药与壳体间留有间隙的情况.结论是水下爆炸时采用裸药的公式来计算一次冲击波峰值压力会带来一定的偏差,并且留有间隙虽然削弱了一次冲击波能量,但并不见得明显地增大了气泡脉动能量.     

改进的3阶WENO-N3格式及其在内爆炸载荷计算中的应用

[目的]高分辨率激波捕捉格式对含激波流场的数值模拟具有重要意义,其不但可以降低网格的规模,而且能较好地分辨出流场中复杂的波系结构。[方法]通过在权函数公式中增加额外项的方式构造出WENO-N+3格式,并采用泰勒级数展开的方法对WENO-N3和WENO-N+3格式在极值点处的精度进行理论推导和精度数值测试。选用激波与熵波相互作用、双爆轰波碰撞、瑞利—泰勒不稳定性等问题验证改进格式WENO-N+3与WENO-JS3,WENO-Z3和WENO-N3格式的区别。最后,将改进格式WENO-N+3应用于内爆炸载荷的数值计算。[结果]研究表明,改进格式WENO-N+3相较其他格式耗散低,并且在相同的计算网格下能给出较高的冲击波峰值。[结论]该方法可用于内爆炸载荷的数值计算。     

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。