• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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当期目录

爆炸物理
增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响
饶飞雄, 雷知迪, 丁珏, 翁培奋
2019, 39(2): 022101-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0284
摘要:
在激波、火焰及射流同时存在的流场中,组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器,采用C2H2/O2/Ar反应,数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性,并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性,产生漩涡,加速能量、质量的交换。流场产生热点,促进火焰速度加快,追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内,前导激波速度越大,碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。
战斗部近距爆炸下夹芯复合舱壁结构防护能力的理论评估模型
李典, 侯海量, 朱锡, 陈长海, 李茂
2019, 39(2): 022201-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0351
摘要:
为改善当前战斗部近距爆炸下基于单纯抗爆或抗穿甲载荷开展防护结构设计的不足,本文中建立了战斗部近距爆炸下夹芯复合舱壁结构防护能力的理论评估模型,提出了联合作用下夹芯复合舱壁结构的防护能力需同时满足抗弹性能和整体变形破坏两方面要求。具体步骤为:首先计算战斗部爆炸后的联合毁伤载荷,然后基于抗弹理论模型评估夹芯复合舱壁结构的抗弹性能。若满足要求,则进一步根据联合作用理论模型校核夹芯复合舱壁结构在冲击波和破片群联合作用下是否满足整体变形破坏要求,判据为后面板是否产生撕裂、破口破坏。与有关实验结果进行了计算比较,结果吻合良好,证明了此理论评估模型的合理性。
柱状含铝炸药水下爆炸近场的特征线法研究
李晓杰, 杨晨琛, 闫鸿浩, 王小红, 王宇新, 张程娇
2019, 39(2): 022301-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0412
摘要:
基于之前提出的一种含熵变项的特征线法,通过控制非等熵流中的能量释放来刻画铝粉燃烧的影响,结合简单Chapman-Jouguet模型和JWL-Miller状态方程,计算了柱形含铝炸药水下爆炸的近场参数。对比模拟结果与实验数据,发现这种特征线法可以较好地预测近场冲击波的传播迹线、爆轰产物的膨胀轨迹以及内部压缩波的反射过程。结果表明,这种特征线法可用于含铝炸药水下爆炸的近场计算,进一步可用于评估含铝炸药性能或计算水下能量输出。
冲击动力学
泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能
高海莹, 刘中宪, 杨烨凯, 吴成清, 耿佳莹
2019, 39(2): 023101-1. doi: 10.11883/bzycj-2018-0284
摘要:
为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用,开展室外爆炸破坏实验,分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究,并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照,验证了模型的可行性,对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律,并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态;泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形,降低试件的破坏程度;泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好;增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。
基于晶体塑性理论研究铝材料高压高应变率下的强度特性
潘昊, 王升涛, 吴子辉, 胡晓棉
2019, 39(2): 023102-1. doi: 10.11883/bzycj-2018-0084
摘要:
为了了解金属材料在极端加载下复杂动态响应过程中的多种机制和效应,重点针对Al材料在高压、高应变率加载下的塑性变形机制,在经典晶体塑性模型的基础上,对其中的非线性弹性、位错动力学和硬化形式进行改进,建立适用于高压、高应变率加载下的热弹-黏塑性晶体塑性模型。该模型可以较好地描述单晶铝和多晶铝材料屈服强度随压力的变化过程,相比宏观模型,用该模型还获得了多晶Al材料在冲击加载下的织构演化规律,揭示了织构择优取向行为和压力的关系。
混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区
牛振坤, 陈小伟, 邓勇军, 姚勇
2019, 39(2): 023301-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0368
摘要:
利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟,以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据,对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分,得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外,还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响,以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明,随着弹体侵彻速度的增大,混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大,粉碎区半径增大,而破裂区半径却减小;当侵彻速度达到某一特定值时,破裂区将会消失。
高速破片撞击充液容器时容器壁面的损伤
马丽英, 李向东, 周兰伟, 蓝肖颖, 宫小泽, 姚志军
2019, 39(2): 023302-1. doi: 10.11883/bzycj-2018-0009
摘要:
为研究高速破片(钨球)撞击充液容器(贯穿前后壁面)时容器壁面的毁伤情况,利用ANSYS/LS-DYNA对该过程进行了数值模拟,分析了破片撞击动能对充液容器前后壁面毁伤程度的影响,并进行实验验证。结果表明:高速破片撞击充液容器形成的液压水锤对充液容器前后壁面的破坏程度可分为3个等级,即前后壁面均未出现裂纹、前壁面没有出现裂纹后壁面出现裂纹和前后壁面均出现裂纹且后壁面呈花瓣式开裂;破片撞击充液容器过程中,前后壁面的最大变形量和前后壁面的裂纹总数随破片撞击动能的增加而增大。
舷侧水对船舶抗碰撞性能的影响
胡锦文, 尤小健, 闻心怡, 彭晓钧, 李天鹞
2019, 39(2): 023303-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0319
摘要:
为了评估舷侧液舱在大型撞击物下的抗碰撞特性,采用有限元法和简化理论法对典型球鼻艏在不同撞击速度和液舱水线工况下的舷侧外板和内板的抗破坏性能进行了分析。结果表明:舷侧水效应可以显著提升双舷侧结构的抗破坏性能,但是提升的幅度是有限的,而且水效应对外板的破坏作用力影响较小,对舷侧内板的破坏作用力影响较大;当球鼻艏撞击速度逐渐增高时,舷侧外板和内板的破坏作用力也逐渐增大,但增大速率逐渐降低,其中舷侧外板较舷侧内板的增大速率更快趋于平缓。对不同液舱水线的分析表明:舷侧液舱水线在受撞击的强框架以上时,对抗碰撞性能影响较小;当舷侧液舱水线在受撞击的强框架以下时,对舷侧外板的抗碰撞特性影响较小,但对舷侧内板的抗碰撞特性影响很大,并且随着球鼻艏碰撞速度的增高,不同水线位置对船舶抗碰撞性能的影响也随之增大。
小尺寸破片对单兵防护装备的侵彻研究
周捷, 智小琦, 徐锦波, 岳中豪
2019, 39(2): 023304-1. doi: 10.11883/bzycj-2018-0023
摘要:
为了探究了小尺寸破片是否能有效穿透普通单兵防弹衣与防弹头盔,以球型破片为对象,利用试验得出了0.2 g钨合金球型破片侵彻Ⅲ级防弹衣与Ⅳ级防弹头盔的极限穿透速度;通过数值模拟的方法得出了防弹衣与防弹头盔的等效Q235靶板厚度,并探究了质量变化对破片极限穿透速度的影响规律。上述研究结论对新型高效反步兵武器与单兵基本防护装备的研制与开发都有重要的参考价值。
实验技术与数值方法
强脉冲载荷作用下端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法
程帅, 张德志, 刘文祥, 殷文骏, 师莹菊, 陈博, 李焰
2019, 39(2): 024101-1. doi: 10.11883/bzycj-2018-0007
摘要:
为研究承受强脉冲载荷的端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法,利用实验室霍普金森杆平台,基于液压原理设计了一套实验装置,并结合数值模拟结果,对强脉冲载荷下端盖法兰结构的动态响应进行研究。通过研究发现:由预紧力和脉冲载荷引起的螺栓总拉伸应变随载荷峰值变化的曲线上存在最小极值点,并总结了最小极值点随载荷峰值、载荷脉宽的变化规律,为强脉冲载荷下法兰结构和预紧力设计提供了依据。
离心机和密闭加压容器中水下爆炸相似关系
宋歌, 龙源, 钟明寿, 王敏, 吴建宇
2019, 39(2): 024102-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0321
摘要:
水下爆炸冲击波和气泡脉动的共同作用不能仅依据几何相似条件进行模型试验,相关的尺寸缩比模型试验可以借助密闭加压罐或离心机进行。通过量纲分析和π定理对模型试验的相似理论进行了推导,分别探讨了密闭加压容器和离心机中水下爆炸的相似关系及其适用范围,并对原型工况和尺寸缩比为1/20和1/30的模型工况基于LS-DYNA进行了数值模拟。结果表明:加压模型试验中水下爆炸冲击波、气泡脉动半径和周期可以满足相似关系,但是气泡迁移和射流不符合相似关系;离心模型试验中水下爆炸冲击波和气泡脉动基本完全相似。
小比距离密闭空腔爆炸爆后气体温度和压力测量技术研究
张继军, 张东亮, 赵建伟, 张宝国, 崔云霄
2019, 39(2): 024103-1. doi: 10.11883/bzycj-2018-0039
摘要:
为实现空腔爆炸温度、压力变化趋势的准确测量,基于铠装K型热电偶和压力变送器,建立密闭空腔爆后气体温度、压力测量系统。设计密封隔热防护装置,将传感器的敏感端与信号调理模块分别安装在两个密封腔内,有效提高了传感器在大当量爆炸冲击条件下的存活率。在0.86 m/kg1/3比距离密闭空腔大当量爆炸条件下,对传感器及防护装置的性能进行考核验证,爆后测量采集到了有效的气体温度及压力变化历程,且传感器状态能够最终恢复至正常状态。测试结果表明,使用密封隔热安装的K型热电偶和压力变送器可以满足小比距离密闭空腔爆后气体静态温度、压力测量需求。
基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟
冯春, 李世海, 郑炳旭, 崔晓荣, 贾建军
2019, 39(2): 024201-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0393
摘要:
爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节,数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段。利用连续-非连续单元方法(continuum-discontinuum element method,CDEM)对露天矿的三维台阶爆破过程进行了模拟,通过朗道爆炸模型实现了爆炸作用力的精确计算,通过弹性-损伤-断裂本构实现了岩体损伤破裂过程的描述,通过半弹簧-目标面及半棱-目标棱的联合接触算法实现了破碎岩块碰撞、飞散及堆积过程的高效模拟。开展了小尺度单自由面爆破过程的数值模拟,计算给出的块度分布曲线、爆破漏斗体积等参数与文献中模型实验的结果基本一致,证明了CDEM及本文所述各类模型在模拟爆炸破岩方面的精确性。以鞍千矿南采区的露天铁矿爆破开采为研究对象,建立了3排21炮孔的三维台阶爆破概化模型,模拟了从炸药起爆、岩体损伤破裂到最后爆堆形成的全过程;计算结果表明,除后缘拉裂槽外,数值计算给出的爆堆形态、顶部鼓起高度等与现场的测试结果基本一致,证明了利用CDEM开展三维露天台阶爆破全过程模拟的可行性。
一种考虑界面不连续的改进的有限粒子法
王璐, 杨扬, 徐绯
2019, 39(2): 024202-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0390
摘要:
有限粒子法(finite particle method,FPM)作为SPH(smoothed particle hydrodynamics)方法的重要改进,有效提高了边界区域粒子的近似精度,但是当FPM处理多物理场时,在不连续界面附近的计算精度会大大降低,并且FPM必须满足的矩阵非奇异性也提高了对界面处理的要求。本文中基于DSPH(discontinuous SPH)方法,提出了一种考虑界面不连续的改进FPM—DSFPM(discontinuous special FPM)法,旨在改善FPM在界面不连续处的计算精度,从而进一步提高其计算效率和稳定性。首先,分析了DSFPM的核近似精度。其次,根据不同的工程问题,给出DSFPM处理小变形和大变形问题的算法流程。利用DSFPM、DSPH和FPM等3种方法对弹性铝块小变形碰撞冲击算例进行了模拟,通过对比分析铝块的速度和应力以及计算时间验证了DSFPM算法在非连续界面处计算精度和计算效率的优势。最后,通过结合DSFPM和DFPM(discontinuous FPM)实现了对于大变形问题的模拟。
应用爆炸力学
某型飞机机翼前缘抗鸟撞结构设计与试验验证
任冀宾, 王斌, 王振, 刘军, 索涛, 李玉龙
2019, 39(2): 025101-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0407
摘要:
针对某型飞机机翼前缘抗鸟撞性能不满足适航要求的问题,采用"数值仿真-试验验证-再仿真"的研究思路,对该结构进行了抗鸟撞优化设计。首先,通过有限元数值仿真,分别对具有三角板结构和前墙结构的两种新型前缘结构抗鸟撞能力进行了分析。仿真结果表明:具有前墙结构的机翼前缘抗鸟撞能力优于原始结构和带三角板结构的机翼前缘;在鸟撞过程中,这种具有前墙结构的机翼前缘通过利用破损蒙皮继续变形吸能的方式提高了结构的抗鸟撞性能。基于此,对带前墙结构的机翼前缘进行了抗鸟撞试验,一方面验证了数值模拟方法的准确性,另一方面验证了前墙结构的抗鸟撞效果。最后,采用数值仿真方法对带前墙结构的机翼前缘结构进行了参数分析,得到了前缘蒙皮厚度和前墙厚度与结构抗鸟撞性能的关系,并基于结构承载和抗鸟撞能力的综合要求,确定了最终结构参数。分析表明,优化后的机翼前缘结构不仅满足抗鸟撞要求,而且实现结构减重30%。
冷却塔爆破拆除倾倒解体及振动研究
费鸿禄, 张超逸, 吕金齐, 张龙飞
2019, 39(2): 025201-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0414
摘要:
针对采用复式切口的冷却塔爆破拆除,利用塑性铰理论对冷却塔整个倒塌过程中的运动状态进行深入分析。通过建立塔体触地瞬间的数学模型,以最大线应变理论作为塔壁破碎的力学依据,利用MATLAB数值软件进行分析,得到在塔体触地瞬间,除切口处塔壁发生破碎外,塔壁上部也将发生破碎解体,这与冷却塔实际倒塌过程中的破碎现象相吻合。当被爆物确定后,破碎截面坐标值随塑性铰转动极值的增大而减小。另外,对冷却塔爆破过程中对周围建筑危害最严重的塔体连续塌落进行分析,得出塔体连续塌落诱发的振速峰值随保留区截面塑性铰转动极值的增大而增大。鉴于此,提出对于今后冷却塔爆破应避免整体延期时间过大的建议,从而控制塔体转动角度,降低冷却塔爆破对周围建筑的危害。
基于雷管实际延时范围的逐孔爆破振动合成计算与应用
吴昊骏, 龚敏
2019, 39(2): 025202-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0415
摘要:
计算多段微差起爆合成振速对城市隧道低振速爆破设计具有非常重要的意义,因普通雷管实际每段都有延时误差,这些误差对低振速指标下微差合成振动影响不能忽略,但各段延时范围将形成海量的多孔微差合成振动曲线导致难以计算。为解决这一问题,将现场单孔爆破曲线作为震源波形,利用傅里叶级数拟合曲线,根据实测各段雷管延时范围特点,采用多级循环嵌套的逻辑语言编写MATLAB计算程序,成功获取8段微差爆破全部可能的合成振动曲线;分析了同段延时误差、不同段之间延时误差对爆破合成振动的影响;以计算合成振动曲线和实测爆破振动曲线对比判定第二临空面形成时间;计算其形成前各段延时范围内所有可能振动曲线后,选择峰值振速不超标的最大药量为设计掏槽药量。在某隧道工程应用表明:第二临空面出现在60 ms,在1.0 kg设计药量下最大计算合成振速0.62 cm/s,与现场实测值吻合较好。
爆炸压力积聚工况下石松子粉尘爆炸火焰传播特性
喻健良, 纪文涛, 闫兴清, 于小哲, 侯玉洁
2019, 39(2): 025401-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0436
摘要:
搭建了一套兼具承压和可视性能粉尘爆炸实验平台,在压力积聚工况下实验研究了石松子粉尘爆炸火焰传播特性。实验结果表明:压力积聚工况下的石松子粉尘爆炸火焰呈现空间离散的束状结构,火焰锋面呈齿状。随着粉尘浓度的提升,火焰连续性增强,锋面趋于平滑,亮度增加,并在750 g/m3达到最佳。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰在传播过程中均呈现明显的速度脉动特征,但脉动频率随粉尘浓度的增大而减小。爆炸火焰平均传播速度随粉尘浓度的增大先增大后减小,并在750 g/m3达到最高。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰前期传播速度均高于后期传播速度。
CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响
裴蓓, 韦双明, 陈立伟, 潘荣锟, 王燕, 余明高, 李杰
2019, 39(2): 025402-1. doi: 10.11883/bzycj-2018-0147
摘要:
为了研究CO2和超细水雾对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性的影响,采用高速纹影系统和定容燃烧弹对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性进行了研究。分别改变CO2稀释体积分数和超细水雾质量浓度,分析在二者单独和共同作用下球形火焰传播过程、火焰传播速度和爆炸超压的变化规律。结果表明:58.3 g/m3超细水雾增强了火焰不稳定性,促进了火焰加速和爆炸超压增加,表明超细水雾不足能产生促爆作用,只有当超细水雾充足时才会抑制甲烷爆炸;CO2和超细水雾共同作用时能避免因超细水雾带来的促爆现象,可以明显减弱火焰不稳定性,减小火焰传播速度,降低爆炸超压和平均压升速率,以及明显推迟超压峰值来临时间。
催化重整单元氢气气团爆炸超压分析
姜楠, 秘义行, 吕东, 王璐, 慕洋洋
2019, 39(2): 025403-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0371
摘要:
基于计算流体力学分析软件(FLACS),以催化重整反应单元为例建立事故模型,研究不同形状障碍物、泄漏位置,对不同泄漏时间和泄漏监测点的氢气爆炸超压的影响情况。通过研究,建立了与气体燃烧热与爆炸监测点距气团中心距离相关的最大爆炸超压模型。研究结果表明,在研究设计的遮挡物条件下,气体爆炸最大超压与折合距离在对数坐标系中均呈近似线性关系;对于不同的遮挡物,爆炸超压模型需进行修正;在反应器中部发生的事故场景,泄漏5 min后最大爆炸超压明显增大。
甲烷浓度对PMMA/甲烷混合爆炸下限及预热区厚度的影响
甘波, 高伟, 张新燕, 姜海鹏, 毕明树
2019, 39(2): 025404-1. doi: 10.11883/bzycj-2017-0252
摘要:
为探索甲烷体积分数对聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)/甲烷混合爆炸下限及预热区厚度的影响,采用半封闭可视化实验装置研究甲烷/PMMA粉尘混合爆炸火焰传播过程。结果发现,随着甲烷体积分数增加,平均粒径为28和54 μm的粉尘爆炸下限逐渐降低,平均粒径为54 μm的粉尘混合爆炸预热区厚度增大,28 μm粉尘混合爆炸预热区厚度基本不变。爆炸下限的降低是由于甲烷与PMMA粉尘存在协同作用;28 μm粉尘混合爆炸的预热区厚度不变表明28 μm粒子在预热区中完全裂解气化与甲烷气体形成均相的气体预热区。此外,在甲烷体积分数相同时,粉尘质量浓度的增加使得火焰传播速度增大。而在组合当量比一定的条件下,粉尘质量浓度的增加并未使得混合爆炸火焰传播速度增大,而是出现一定的波动变化。