2013年 33卷 第5期
2013, 33(5): 449-455.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0449-07
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本文被引
摘要:
为了探索高温高压双股燃气射流在整装式液体工质中的扩展特性，设计了五级圆柱渐扩型观察室和圆柱型观察室，借助数字高速录像系统，观察了双股燃气射流在充液室中的扩展过程，对比了不同的观察室边界以及不同的参数条件对双股燃气射流扩展过程的影响。实验结果表明，圆柱渐扩型观察室结构更有助于改善气液的掺混特性，通过参数的合理匹配可以一定程度上控制双股燃气射流在三维充液室中的扩展过程。
2013, 33(5): 456-462.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0456-07
摘要:
实验中采用升降法得到了破片撞击装药点火的临界速度范围，数值模拟中采用节点约束分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程描述了炸药的破坏行为和点火反应。实验结果与数值模拟结果吻合较好。研究结果表明，采用节点约束分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程可以有效地描述装药在破片撞击作用下的破坏行为和点火反应。
2013, 33(5): 463-470.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0463-08
摘要:
针对时间尺度为1~100 s的爆炸冲击加载，忽略低频Maxwell体的松弛效应，同时为简化分析，忽略非线性弹簧效应项，推导了三维应力状态下的线黏弹性ZWT本构关系。基于球面波的基本动力学方程，结合ZWT线黏弹性本构关系，得到了以位移u表征的三阶波动方程。利用该方程分析固体介质中线黏弹性球面波传播过程中的吸收和弥散现象，得知：高频球面波的衰减因子趋于常数，相速趋于高频下的纵波速度；低频球面波的衰减因子和圆频率的平方成正比，其相速趋于低频下的纵波速度；低频球面波的纵波波速低于高频球面波的纵波波速，两者的比值和介质的泊松比、弹性模量及Maxwell体弹性模量相关。
针对时间尺度为1~100 s的爆炸冲击加载，忽略低频Maxwell体的松弛效应，同时为简化分析，忽略非线性弹簧效应项，推导了三维应力状态下的线黏弹性ZWT本构关系。基于球面波的基本动力学方程，结合ZWT线黏弹性本构关系，得到了以位移u表征的三阶波动方程。利用该方程分析固体介质中线黏弹性球面波传播过程中的吸收和弥散现象，得知：高频球面波的衰减因子趋于常数，相速趋于高频下的纵波速度；低频球面波的衰减因子和圆频率的平方成正比，其相速趋于低频下的纵波速度；低频球面波的纵波波速低于高频球面波的纵波波速，两者的比值和介质的泊松比、弹性模量及Maxwell体弹性模量相关。
2013, 33(5): 471-478.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0471-08
摘要:
分别对单发破片和双发破片同时穿透液舱的过程进行了数值计算，提出了破片穿透液舱的5个典型过程，分析了破片速度的衰减规律、液舱内板的响应及舱内液体中冲击波压力的叠加效应。结果表明：破片穿透液舱的过程中产生的冲击波和局部压力将作用在液舱内板上，双发破片打击时液体内部产生的冲击波有明显的叠加效应，高压区域的位置与破片间距有关，冲击波压力峰值和液舱内板受到的压力大于2倍的单发破片打击情况。
分别对单发破片和双发破片同时穿透液舱的过程进行了数值计算，提出了破片穿透液舱的5个典型过程，分析了破片速度的衰减规律、液舱内板的响应及舱内液体中冲击波压力的叠加效应。结果表明：破片穿透液舱的过程中产生的冲击波和局部压力将作用在液舱内板上，双发破片打击时液体内部产生的冲击波有明显的叠加效应，高压区域的位置与破片间距有关，冲击波压力峰值和液舱内板受到的压力大于2倍的单发破片打击情况。
2013, 33(5): 479-486.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0479-08
摘要:
以Hopkinson压杆实验装置作为火工品抗过载实验中的高g值加速度发生器，通过数值模拟分析了子弹（形状）、波形整形器（材料、直径、厚度）对加载脉冲的影响规律，并获得了所需的加速度脉冲，实现了有效控制和改善火工品冲击实验中的加载环境。研究结果可为检验火工品在冲击环境下或经冲击后性能可靠度的实验设计、测试等提供依据。
以Hopkinson压杆实验装置作为火工品抗过载实验中的高g值加速度发生器，通过数值模拟分析了子弹（形状）、波形整形器（材料、直径、厚度）对加载脉冲的影响规律，并获得了所需的加速度脉冲，实现了有效控制和改善火工品冲击实验中的加载环境。研究结果可为检验火工品在冲击环境下或经冲击后性能可靠度的实验设计、测试等提供依据。
2013, 33(5): 487-493.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0487-07
摘要:
采用拉伸涡亚格子尺度应力模型对湍流输运中的亚格子作用项进行模式化处理，发展了适用于可压多介质黏性流动和湍流的大涡模拟方法和代码MVFT（multi-viscousflow and turbulence）。利用MVFT代码对低密度流体界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了数值模拟。详细分析了扰动界面的发展，流场中冲击波的传播、相互作用、湍流混合区边界的演化规律，以及流场瞬时密度和湍动能的分布和发展。数值模拟获得的界面演化图像和流场中波系结构与实验结果吻合较好。三维和二维模拟结果的比较显示，两者得到的扰动界面位置、波系及湍流混合区边界基本一致，只是后期的界面构型有所不同，这也正说明湍流具有强三维效应。
采用拉伸涡亚格子尺度应力模型对湍流输运中的亚格子作用项进行模式化处理，发展了适用于可压多介质黏性流动和湍流的大涡模拟方法和代码MVFT（multi-viscousflow and turbulence）。利用MVFT代码对低密度流体界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了数值模拟。详细分析了扰动界面的发展，流场中冲击波的传播、相互作用、湍流混合区边界的演化规律，以及流场瞬时密度和湍动能的分布和发展。数值模拟获得的界面演化图像和流场中波系结构与实验结果吻合较好。三维和二维模拟结果的比较显示，两者得到的扰动界面位置、波系及湍流混合区边界基本一致，只是后期的界面构型有所不同，这也正说明湍流具有强三维效应。
2013, 33(5): 494-500.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0494-07
摘要:
利用物质点法求解三维远场水下爆炸冲击响应问题时，爆炸冲击波到达结构物之前传播过程的计算会消耗大量的计算资源，影响求解效率。针对这一问题，并考虑到水下爆炸冲击波在自由场中的传播特点，提出了一维球对称形式的物质点法，对球形炸药水下爆炸过程进行了数值模拟，并与Cole公式以及DYNA计算结果进行了比较，结果吻合较好，验证了一维球对称形式物质点法的正确性。在此基础上，提出了基于物质点法的重映射算法，将爆炸冲击波在自由场中的传播过程在一维球对称模型中进行计算，并将计算结果映射到三维模型中，以便继续完成计算过程，有效避免了计算资源在冲击波传播过程计算上的消耗。
利用物质点法求解三维远场水下爆炸冲击响应问题时，爆炸冲击波到达结构物之前传播过程的计算会消耗大量的计算资源，影响求解效率。针对这一问题，并考虑到水下爆炸冲击波在自由场中的传播特点，提出了一维球对称形式的物质点法，对球形炸药水下爆炸过程进行了数值模拟，并与Cole公式以及DYNA计算结果进行了比较，结果吻合较好，验证了一维球对称形式物质点法的正确性。在此基础上，提出了基于物质点法的重映射算法，将爆炸冲击波在自由场中的传播过程在一维球对称模型中进行计算，并将计算结果映射到三维模型中，以便继续完成计算过程，有效避免了计算资源在冲击波传播过程计算上的消耗。
2013, 33(5): 501-506.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0501-06
摘要:
为探求金属爆炸索在水下爆炸声源研究领域的应用前景，设计了一种可以连续产生若干个脉冲冲击波的装置，称之为水下连续脉冲冲击波发生装置。利用小波分析对该装置产生的连续脉冲冲击波信号进行分解与重构，考察其频谱特性，并进一步分析了信号的声压级特性。结果表明：该装置产生的信号声压级较高，具有很强的声功率；信号包含频率十分丰富，雷管和金属爆炸索由于装药结构及传爆方式的不同，爆炸所产生的冲击波频谱特性也有所差异。雷管爆炸产生的冲击波主要分布在15.6 kHz以下的频带内，金属爆炸索爆炸产生的脉冲冲击波信号则主要分布在62.5 kHz以下的频带内；脉冲冲击波的个数和声持续时间可由爆炸索的排列方式和长度控制，脉冲冲击波间的时间间隔可调，发生装置稳定易控
为探求金属爆炸索在水下爆炸声源研究领域的应用前景，设计了一种可以连续产生若干个脉冲冲击波的装置，称之为水下连续脉冲冲击波发生装置。利用小波分析对该装置产生的连续脉冲冲击波信号进行分解与重构，考察其频谱特性，并进一步分析了信号的声压级特性。结果表明：该装置产生的信号声压级较高，具有很强的声功率；信号包含频率十分丰富，雷管和金属爆炸索由于装药结构及传爆方式的不同，爆炸所产生的冲击波频谱特性也有所差异。雷管爆炸产生的冲击波主要分布在15.6 kHz以下的频带内，金属爆炸索爆炸产生的脉冲冲击波信号则主要分布在62.5 kHz以下的频带内；脉冲冲击波的个数和声持续时间可由爆炸索的排列方式和长度控制，脉冲冲击波间的时间间隔可调，发生装置稳定易控
2013, 33(5): 507-512.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0507-06
摘要:
为了解双基推进剂在冲击载荷下的力学特性及本构行为，利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）对双基推进剂进行了单轴压缩实验，并对实验数据的有效性进行了检验。用二波法对实验数据进行处理，得到了双基推进剂的应力应变曲线。实验结果表明：双基推进剂具有明显的应变率相关性，动态下屈服应力与静态下相比明显提高，且屈服应力表现为应变率对数的双线性关系；双基推进剂屈服应变表现为延脆转换特性，在低应变率下表现为延展性，高应变率下表现为冲击脆化特性。利用含损伤朱王唐（ZWT）本构模型对实验结果进行了拟合，得到了模型中的本构参数，并对损伤因子项进行了分析。通过模型预测曲线与实验曲线的对比，发现含损伤ZWT本构能较好地描述双基推进剂在0～0.14应变范围内的力学特性。
为了解双基推进剂在冲击载荷下的力学特性及本构行为，利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）对双基推进剂进行了单轴压缩实验，并对实验数据的有效性进行了检验。用二波法对实验数据进行处理，得到了双基推进剂的应力应变曲线。实验结果表明：双基推进剂具有明显的应变率相关性，动态下屈服应力与静态下相比明显提高，且屈服应力表现为应变率对数的双线性关系；双基推进剂屈服应变表现为延脆转换特性，在低应变率下表现为延展性，高应变率下表现为冲击脆化特性。利用含损伤朱王唐（ZWT）本构模型对实验结果进行了拟合，得到了模型中的本构参数，并对损伤因子项进行了分析。通过模型预测曲线与实验曲线的对比，发现含损伤ZWT本构能较好地描述双基推进剂在0～0.14应变范围内的力学特性。
2013, 33(5): 513-518.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0513-06
摘要:
为了探讨电子雷管在降低爆破振动和改善岩石破碎效果方面的作用机理，基于地震波传播过程中的能量变化，给出了孔间毫秒延时时间的计算公式。根据目前国内露天矿生产实际，设计并开展了模型实验。实验结果表明，合理的孔间延时控制能够降低爆破振动。在本文的模型实验中，12 ms延时间隔下爆破振动瞬时能量最大值分别是2、7和9 ms延时间隔下爆破振动瞬时能量最大值的19%、25%和36%，4和12 ms延时间隔下爆破振动速度峰值最大值是其他延时间隔下爆破振动速度峰值最大值的50%左右。提出的计算公式在实际工程中获得了良好的应用效果，同时验证了该计算公式的可行性。
为了探讨电子雷管在降低爆破振动和改善岩石破碎效果方面的作用机理，基于地震波传播过程中的能量变化，给出了孔间毫秒延时时间的计算公式。根据目前国内露天矿生产实际，设计并开展了模型实验。实验结果表明，合理的孔间延时控制能够降低爆破振动。在本文的模型实验中，12 ms延时间隔下爆破振动瞬时能量最大值分别是2、7和9 ms延时间隔下爆破振动瞬时能量最大值的19%、25%和36%，4和12 ms延时间隔下爆破振动速度峰值最大值是其他延时间隔下爆破振动速度峰值最大值的50%左右。提出的计算公式在实际工程中获得了良好的应用效果，同时验证了该计算公式的可行性。
2013, 33(5): 519-524.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0519-06
摘要:
利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流固耦合计算方法，对炸药在地下拱形结构上方岩石中垂直爆炸过程进行数值模拟，借助波动理论p-u Hugoniot线对爆炸冲击波在围岩与结构之间的传播和加卸载过程进行理论分析；得到了不同跨度拱形结构与围岩之间的最大相互作用力及相互作用力分布图。研究结果表明：冲击波由高阻抗围岩向低阻抗混凝土传播时，围岩卸载，应力减小；反向传播时，岩石加载，应力增大；爆距为5 m时爆炸冲击波对40 m跨度拱形结构整体产生拉压震荡，引起的震动效应显著。
利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流固耦合计算方法，对炸药在地下拱形结构上方岩石中垂直爆炸过程进行数值模拟，借助波动理论p-u Hugoniot线对爆炸冲击波在围岩与结构之间的传播和加卸载过程进行理论分析；得到了不同跨度拱形结构与围岩之间的最大相互作用力及相互作用力分布图。研究结果表明：冲击波由高阻抗围岩向低阻抗混凝土传播时，围岩卸载，应力减小；反向传播时，岩石加载，应力增大；爆距为5 m时爆炸冲击波对40 m跨度拱形结构整体产生拉压震荡，引起的震动效应显著。
2013, 33(5): 525-530.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0525-06
摘要:
针对轴向随机载荷作用下超空泡射弹结构的动力不稳定问题，建立超空泡射弹结构动力偏微分方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算。考虑射弹结构参数随机性的影响，采用随机因子法求出随机参数射弹结构的动力不稳定区域边界，利用求解随机变量数字特征的代数综合法，推导出动力不稳定区域边界的均值和方差。在此基础上，对结构的非概率可靠性进行了分析，并讨论了参数的随机性对射弹结构动力不稳定性和非概率可靠性的影响。数值模拟结果表明，参数的随机性对射弹动力不稳定区域边界和非概率可靠性有一定的影响，其中，几何参数的随机性对射弹结构动力稳定性及可靠性影响较大。
针对轴向随机载荷作用下超空泡射弹结构的动力不稳定问题，建立超空泡射弹结构动力偏微分方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算。考虑射弹结构参数随机性的影响，采用随机因子法求出随机参数射弹结构的动力不稳定区域边界，利用求解随机变量数字特征的代数综合法，推导出动力不稳定区域边界的均值和方差。在此基础上，对结构的非概率可靠性进行了分析，并讨论了参数的随机性对射弹结构动力不稳定性和非概率可靠性的影响。数值模拟结果表明，参数的随机性对射弹动力不稳定区域边界和非概率可靠性有一定的影响，其中，几何参数的随机性对射弹结构动力稳定性及可靠性影响较大。
2013, 33(5): 531-536.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0531-06
摘要:
冲击加速度计校准的传统方法有绝对法、相对法和比较法。综合相对法和比较法的优点，提出了一种校准冲击加速度计的新方法类比法。其标准加速度传感器可采用绝对法直接溯源到国家基准，并在同条件冲击作用下通过标准加速度传感器和被校加速度传感器互换，根据冲击力或动应变测量结果对被校加速度传感器幅值灵敏度、线性度与频率响应等技术参数进行校准，从而弱化了冲击力或动应变测量结果对冲击加速度校准的影响，测量准确度高。
冲击加速度计校准的传统方法有绝对法、相对法和比较法。综合相对法和比较法的优点，提出了一种校准冲击加速度计的新方法类比法。其标准加速度传感器可采用绝对法直接溯源到国家基准，并在同条件冲击作用下通过标准加速度传感器和被校加速度传感器互换，根据冲击力或动应变测量结果对被校加速度传感器幅值灵敏度、线性度与频率响应等技术参数进行校准，从而弱化了冲击力或动应变测量结果对冲击加速度校准的影响，测量准确度高。
2013, 33(5): 537-543.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0537-07
摘要:
基于电磁轨道炮的发射特点，分析了轨道炮刨削形成机理，并利用有限元软件ABAQUS对刨削的形成过程进行了数值模拟。结果表明：非均匀温度分布导致的瞬态微凸体，确实可以引起刨削的发生；刨削的数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性；刨槽的损伤程度主要与电枢速度和枢轨间的有效损伤接触面积有关，而枢轨界面载荷对刨削的影响较小；高温材料更容易受到损伤，将缩短其使用寿命；选用硬度高的金属作为轨道材料，在一定程度上可以抑制刨削的发生，但是这将降低轨道的导电性能和轨道炮的发射效率。因此，根据自身实际的需求，确定材料硬度和导电性之间的平衡点，并通过轨道结构上的创新，克服现有金属加工技术的限制将是抑制轨道炮刨削的关键。
基于电磁轨道炮的发射特点，分析了轨道炮刨削形成机理，并利用有限元软件ABAQUS对刨削的形成过程进行了数值模拟。结果表明：非均匀温度分布导致的瞬态微凸体，确实可以引起刨削的发生；刨削的数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性；刨槽的损伤程度主要与电枢速度和枢轨间的有效损伤接触面积有关，而枢轨界面载荷对刨削的影响较小；高温材料更容易受到损伤，将缩短其使用寿命；选用硬度高的金属作为轨道材料，在一定程度上可以抑制刨削的发生，但是这将降低轨道的导电性能和轨道炮的发射效率。因此，根据自身实际的需求，确定材料硬度和导电性之间的平衡点，并通过轨道结构上的创新，克服现有金属加工技术的限制将是抑制轨道炮刨削的关键。
2013, 33(5): 544-550.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0544-07
摘要:
为了更好地研究电磁膨胀环实验加载技术，利用带有电磁模块的LSDYNA三维动力学有限元程序对电磁膨胀环加载过程进行三维数值模拟。分析了螺线圈绕法、加载电流波形、膨胀环截面尺寸和轴向位移对电磁膨胀环实验结果的影响。计算结果表明，连接带缺口螺线圈的圆圈绕线方法优于均匀过渡绕法，加载电流峰值与膨胀环径向速度峰值近似成线性关系，适当增加膨胀环截面轴向的宽度可提高膨胀环运动稳定性，双螺线圈模型可有效减小膨胀环轴向位移。
为了更好地研究电磁膨胀环实验加载技术，利用带有电磁模块的LSDYNA三维动力学有限元程序对电磁膨胀环加载过程进行三维数值模拟。分析了螺线圈绕法、加载电流波形、膨胀环截面尺寸和轴向位移对电磁膨胀环实验结果的影响。计算结果表明，连接带缺口螺线圈的圆圈绕线方法优于均匀过渡绕法，加载电流峰值与膨胀环径向速度峰值近似成线性关系，适当增加膨胀环截面轴向的宽度可提高膨胀环运动稳定性，双螺线圈模型可有效减小膨胀环轴向位移。
2013, 33(5): 551-555.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0551-05
摘要:
采用计算流体力学方法对燃烧轻气炮膛内燃烧过程进行数值模拟，分析不同的点火点数目和点火能量以及初始温度和压力对燃烧轻气炮内弹道特性的影响。结果表明，采用合理的点火点数目、初始温度和压力条件可以有效控制氢气的燃烧过程，减弱燃烧室内的压力波动。模拟结果对燃烧轻气炮膛内燃烧过程控制具有重要参考价值。
采用计算流体力学方法对燃烧轻气炮膛内燃烧过程进行数值模拟，分析不同的点火点数目和点火能量以及初始温度和压力对燃烧轻气炮内弹道特性的影响。结果表明，采用合理的点火点数目、初始温度和压力条件可以有效控制氢气的燃烧过程，减弱燃烧室内的压力波动。模拟结果对燃烧轻气炮膛内燃烧过程控制具有重要参考价值。
2013, 33(5): 556-560.
doi: 10.11883/1001-1455(2013)05-0556-05
摘要:
以10 kg TNT爆炸装置在开阔无风地带爆炸为背景，使用Autodyn计算得到爆炸后1 ms时的爆轰产物状态，为爆炸烟云中粒子运动的数值模拟研究提供了可靠的源项几何模型和物理参数；而后使用GAMBIT建立了双层源项模型；最后将模型网格导入Fluent软件，建立离散粒子模型，计算得出了1、10、50、100 m粒径的粒子运动轨迹，系统分析了烟云在上升过程中各粒径粒子的分布和运动趋势，给出了不同高度的粒子浓度，为源项分析提供了理论基础。
以10 kg TNT爆炸装置在开阔无风地带爆炸为背景，使用Autodyn计算得到爆炸后1 ms时的爆轰产物状态，为爆炸烟云中粒子运动的数值模拟研究提供了可靠的源项几何模型和物理参数；而后使用GAMBIT建立了双层源项模型；最后将模型网格导入Fluent软件，建立离散粒子模型，计算得出了1、10、50、100 m粒径的粒子运动轨迹，系统分析了烟云在上升过程中各粒径粒子的分布和运动趋势，给出了不同高度的粒子浓度，为源项分析提供了理论基础。
