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[硕士论文] 曹祝
力学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:气体爆炸现象广泛发生在日常生活、工业生产以及军事作战等场景中,研究气相爆炸冲击问题对于预防以及减少生活中、工业生产运输中的爆炸灾害,提高相关军事武器的威力等方面具有重要意义。随着计算机科学技术和数值计算的快速发展,数值模拟已然成为研究气体爆炸的一种重要方式。
  物质点法(Material Point Method,MPM)采用拉格朗日质点和欧拉网格双重描述,兼具拉格朗日法和欧拉法的优点,避免了拉格朗日网格方法计算大变形问题时的网格畸变问题,解决了欧拉网格方法耦合困难、数值耗散的问题。鉴于物质点法在冲击、接触、流固耦合等涉及大变形和材料破坏的问题中具有明显的优势,本文在较深入地研究了物质点法后,编写了一套关于气体爆炸冲击的物质点法计算程序,将物质点法拓展到可燃性气体爆炸冲击问题的数值模拟中。
  本文推导了物质点法控制方程;映射函数选用线性插值函数;为了避免插值函数不连续导致的数值噪声问题,引入了广义插值物质点法(GIMP);基于物质点法和气体爆炸的相关知识编写了一套计算程序来模拟可燃性气体的爆轰。可燃性气体的爆轰模型选用点火增长模型,状态方程选用理想气体状态方程,并引入了人工体积粘性起到光滑间断面的作用。运用物质点法程序对乙炔-空气混合气体的爆轰过程进行了计算,数值计算的结果与实验值误差在10%以内,吻合较好,说明了物质点法在计算气体爆轰问题时具有较高的可行性。为了更准确的描述可燃性混合气体的状态,将理想气体状态方程改为阿贝尔状态方程进行计算,结果表明,阿贝尔状态方程具有更高的准确性。随后根据气体爆炸相关知识编写Fortran小程序来计算不同成分的混合气体爆炸参数,如甲烷-空气,乙烷-空气等,得到的参数代入物质点法程序中计算了4种混合气体的最大爆炸压力,与实验值的误差均在10%以内,说明物质点法在计算不同的可燃性混合气体时具有很好的适应性。运用物质点法计算了不同浓度的乙炔-空气混合气体爆炸的情况,结果表明,浓度为9.7%(约为化学当量浓度的1.25倍)时,该混合气体的最大爆炸压力最大。运用物质点法对比了有无障碍物两种情况对于气体爆炸威力的影响,结果表明,爆轰波传播到障碍物附近时,爆炸压力增长很大。最后建立了固体材料的本构模型、状态方程和损伤模型,进行结构动力响应分析,物质点法计算时,固体和流体在同一求解域内,流固耦合算法十分简便,适用于求解与气体爆炸相关的流固耦合问题。
  物质点法的研究尚处于起步阶段,还有许多地方有待完善。目前,以物质点法为算法的数值分析软件相当罕见,开发爆炸冲击方面的物质点法程序具有重要意义。本文将物质点法扩展到气体爆炸计算问题中,进一步完善和发展物质点法,也为气体爆炸方面的计算研究提供一种新思路。
[硕士论文] 庞跃钊
力学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着各国经济实力和军事力量的加强,各国均加大了对海洋和海洋资源的的利用和开发。在这种趋势下,各国也加大了对海军力量的建设。水下爆炸是当今舰船面临的主要威胁,研究水下爆炸冲击波对舰船防护有着重要的意义,冲击波在流固界面的传播规律作为其重要组成部分,研究其在流固界面的冲击动力学行为显得尤为重要。目前,随着计算机技术的飞速发展,对水下爆炸冲击波的数值仿真研究取得了较大进展。同时,水下爆炸冲击波的实验研究也取得了较大突破,已由传统的水下炸药爆炸冲击波实验转化为非药式等效爆炸冲击波实验装置的研究,极大地缩减了实验成本,同时具有较高的可重复性和可操作性。本文在已有水下爆炸冲击波等效加载装置研究基础上,提出了一种新型的水下爆炸冲击波等效加载装置,并针对该装置进行了几部分研究:
  1.根据一维弹性应力波基础和冲击动力学基本理论对本文所提出的装置建立了简单的理论模型,提出了流固界面衰减系数k;
  2.利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件ALE算法对本文提出的装置建立了数值模型,讨论了多种变量因素对生成等效水下爆炸冲击波波形的影响,同时通过多组数值分析得到了衰减系数k的取值范围;
  3.对本文所提出的新型的水下爆炸冲击波等效加载装置进行了实验研究,详细分析了实验误差来源,并将实验结果与仿真研究结论进行对比,证明了实验值的准确性,同时验证了本文选用仿真方法的可行性;
  4.对SHPB生成水下冲击波装置进行了改进仿真研究,考虑了活塞锥角、厚度以及扩张水道张角的影响,为将来的大尺寸装置设计提供了指导思路。最终,对比了本文提出的水下爆炸冲击波等效加载装置与已有水下爆炸冲击波等效加载装置的优缺点。
[硕士论文] 徐兴
力学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:水下爆炸与结构在水下爆炸载荷作用下的动力学响应问题涉及爆轰物理学、冲击动力学、大变形、非线性流固耦合多相介质问题。采用传统的基于网格算法的数值求解方法显然具有很大的挑战,本文应用一种新型的无网格算法——物质点法。它结合了拉格朗日质点算法和欧拉网格算法的优点,所有的物质信息均由物质点携带,克服了传统计算方法的网格畸变问题,对物质交界面可以准确的描述,这些优点使物质点法在爆炸冲击等涉及大变形领域的分析得到了广泛的关注,但是对物质点法求解随机性问题的研究很少,而实际工程问题中必然存在不确定性。因此,本文将随机分析理论引入物质点法,发展出随机物质点法,考虑爆轰产物状态方程和水的状态方程参数的随机性问题,与Monte-Carlo模拟结果进行对比,说明随机物质点法的适用性和高效性。
  首先介绍了物质点法控制方程的空间离散形式、映射函数、时间离散形式等物质点法基本理论,然后介绍了随机变量和Monte-Carlo模拟基本理论。在此基础上运用随机物质点法和Monte-Carlo模拟对高能炸药在水下爆炸冲击波压力的随机性问题进行了数值模拟计算。通过选取不同的变异系数对爆炸冲击波压力的均值和方差进行了计算比较,结果表明随机物质点法和Monte-Carlo模拟计算结果吻合较好,说明了随机物质点法的正确性。
  随后研究了水下爆炸过程问题,考虑水的状态方程参数的随机性问题,通过随机物质点法和Monte-Carlo模拟对水的冲击波压力的均值和方差进行了计算。选取不同的变异系数对水的冲击波压力的均值和方差进行了比较,结果表明随机物质点法和Monte-Carlo模拟计算结果吻合较好,且比较了计算时间,表明随机物质点法的计算时间大大低于Monte-Carlo模拟计算时间,说明了随机物质点的正确与高效性。
[硕士论文] 庞丁赫
工程力学 江苏科技大学 2017(学位年度)
摘要:点阵结构作为一种新型的轻型结构,具有比强度高、比刚度大、吸能效率高和隔音降噪等优异的特点,在航空航天、汽车和船舶等领域受到广泛地应用。虽然点阵结构的力学行为已经得到了工程领域和学术界的极大关注,但关于点阵结构的研究工作开展较少,特别是针对不同形式的点阵结构的抗扭刚度及抗爆性能的综合分析文献较少。因此,非常有必要对其开展相应的研究工作,这将具有重要的理论意义和实用价值。
  本文研究揭示了两类点阵结构(直柱型和斜柱型,共九种,六种不同参数的直柱型点阵结构,三种不同参数的斜柱型点阵结构)在扭转载荷作用下的扭转刚度和空中近场爆炸载荷作用下的动态响应特征和变形机理,同时对这些点阵结构进行了综合比较分析,为点阵结构在船舶领域的工程应用提供了有价值的参考。主要研究工作包括:
  (1)通过数值模拟爆炸物在空气中的爆炸压力波传播过程,将模拟结果与经验公式值对比,以验证数值模拟方法的可靠性及精确性;在此基础上,进一步模拟钢板遭受爆炸波时的变形情况,其结果与相应的试验结果对比,为后文计算点阵结构在爆炸载荷作用下的动态响应打下一定的基础。
  (2)对ANSYS耦合计算进行了实例验证,其次对点阵结构进行抗扭刚度分析。随后对点阵结构的抗扭刚度进行了详细的参数研究,详细分析了点阵结构在扭转载荷作用下的变形、应力场和失效情况,为点阵结构的应用提供理论指导。
  (3)运用LS-DYNA建立炸药、空气和点阵结构的有限元模型,对空中爆炸载荷下点阵结构的动态响应进行分析。同时,研究了结构几何尺寸对点阵结构的塑性变形、变形模式及失效机理的影响。
  (4)在数值计算基础上,继而展开了点阵结构塑性变形及吸能影响的相关参数研究。重点分析了支柱型式、支柱直径、支柱倾斜角度和面板配置等参数对点阵结构塑性变形及吸能效率的影响,为点阵结构在不同工况下的应用和优化提供理论计算基础。
[硕士论文] 易生泰
工程力学 大连理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,炸药在爆破、材料合成、机械加工等方面的应用越来越广。在材料合成和机械加工中,为了更好的发挥材料性能,达到加工目的,需要准确了解材料的相关爆轰参数。而现在爆轰参数已知的材料非常有限,远远不能满足实际要求。针对这种情况,本文期望研究出一种可靠、准确的测量任意材料爆轰参数的方法。
  本文以现有的爆轰波、冲击波连续测量探针为基础,通过对其进行改进(改进屏蔽方法、更改核心部件、选用有机玻璃和水作为介质),成功的对大直径炸药(?=100mm)中的爆轰波和介质中的冲击波进行了连续测量,得到了真实有效的数据。再由美军军标LASL shock Hugoniot data以及爆轰波的C-J模型、守恒定律推导得到炸药爆压和两种介质中冲击波压强的计算公式;将原始信号处理后代入得到炸药和介质的相关参数如爆速、爆压、冲击波初始压强以及介质冲击波后质点速度等。
  通过 HandTrap和高频示波器这两种采样率不同的仪器分别进行测量,均得到真实有效的数据。理论计算结果与通过实验测得的炸药爆压和有机玻璃、水中冲击波的实验结果基本吻合,说明该试验方法准确有效,能很好地计算出被测介质的爆轰参数。
[硕士论文] 江坤
机械工程 贵州大学 2017(学位年度)
摘要:舰船作为水面各种作战装备的平台,非常容易遭受到来自各种反舰兵器的攻击,同时舰船在海战中也必然会面临各种非接触性爆炸引起的舰船结构的冲击破坏问题。本文旨在保障舰船生命力和战斗力,探究超弹性周期空腔结构覆盖层对舰船抗冲击能力的影响。目前国内外研究者对于在水下爆炸作用下超弹性周期空腔结构覆盖层的抗冲特性研究方法主要有解析法、实验法和数值仿真方法三种。众所周知,水面舰船在爆炸载荷作用下的瞬态响应过程属于大变形、强非线性问题,水下爆炸问题的相关研究极其复杂,涉及多门基础学科,更为困难的是涉及到流体力学、固体力学和结构冲击动力学等学科以及多物理场耦合问题。而近年来,以数值仿真为技术的研究方法成为科研人员对舰船抗冲击研究的有效有段,所以本文拟采用数值仿真的研究方法对于超弹性周期空腔覆盖层结构的抗冲特性进行了深入的研究。
  本研究主要内容包括:⑴对各种超弹性本构模型进行详细的阐述,介绍了实验样品的制备过程,同时进行了橡胶材料的单轴拉伸实验;⑵提出了2种不同超弹性蜂窝覆盖层结构,利用非线性有限元软件ABAQUS数值模拟的方法研究了其在不同的初速度加载下的力学性能和动态压缩行为,并总结其动态响应特征和宏观变形模式,揭示了超弹性周期空腔蜂窝覆盖层结构的抗冲机理;⑶为了研究阻抗失配机制对声学覆盖层结构在水下爆炸作用下的抗冲特性影响,选用实心橡胶覆盖层和带有圆柱空腔的橡胶覆盖层作对比,研究结果表明由于橡胶的阻抗和空气阻抗的不匹配,造成了应力分布不均,影响了应力波的传播,同时也吸收了一定的冲击能量,起到良好的抗冲击效果;⑷研究了六韧带手性覆盖层结构在水下非接触爆炸作用下的抗冲特性,归纳和总结覆盖层结构的动态响应特点和抗冲击性能,重点分析了不同超弹性材料的密度对覆盖层结构抗冲击性能的影响,旨在为舰船抗冲设计的选材提供一定的参考。
[硕士论文] 夏涌凯
建筑与土木工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:现代工程当中,岩石爆破技术已经被应用的越来越广泛。但是传统的爆破方法不容易控制,效率低下,安全性也不足。而定向爆破能够精确的控制爆破后裂纹缝隙的产生、延伸、拓展方向和岩石断裂面的形成。为了研究不同装药结构形式刻槽药柱的定向爆破断裂能力,设计了竖向单缝刻槽药柱、横向刻槽药柱以及竖向双缝刻槽药柱三种形式药柱,开展三种药柱的砂浆爆破模型试验研究。通过对三种不同形式的刻槽药柱爆炸后的模型进行取芯、切片处理,得到不同位置处的切片试件上的裂纹分布形式,根据模型迎爆侧和背爆侧的裂纹几何特征的不同,分析出对岩石定向断裂爆破最有效果的一种刻槽形式。同时,在模型体内预埋电阻应变片,对爆破过程模型体内爆炸应力波进行测试,根据不同位置的应变片测得应力波值的大小,进一步分析了定向断裂爆破作用机理。
  在三种不同的装药结构刻槽药柱中,竖向单缝刻槽药柱在三种刻槽药柱中在对模型定向断裂的效果最佳。除去炮孔偏上部分的爆破冲孔作用,在竖向刻槽药柱的模型试验中,试件上的裂纹形成很明显的规律,迎爆侧的裂纹要比背爆侧的裂纹更加明显,长度也有所增加。形成的裂纹也比较集中,在各个方向形成的都是单个集中裂纹。横向刻槽药柱所形成的裂纹效果在定向爆破上要差了很多,不仅形成裂纹的模型区域要小很多,在裂纹的分布上也不集中,迎爆侧没有任何优势可言,不适合应用于定向的断裂爆破。对于竖向双缝刻槽药柱,模型中几乎不存在可观测的裂纹痕迹,效果不明显。
  竖向单缝刻槽药柱模型迎爆侧的应变片数值要大于同一高度的背爆侧的应变片数值。迎爆侧的三个应变片,二号中间位置的数值最大,上部数值最小。将所测得的应变片数值大小与试验中的切片裂纹分布进行对照分析,进一步验证了竖向单缝刻槽药柱在岩石的定向断裂爆破中的优越性。
[硕士论文] 胡廷勋
机械工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:抗爆容器是限制爆炸冲击波的辐射空间及对设备和人员有效近距离保护的设备,具有可灵活移动的优点,其应用范围很广。针对容器内爆问题,很多学者在实验测试方面做了大量的工作,但费用昂贵,而且受到实验条件的限制,能测得的数据极为有限,测试精度也不高。另外,由于涉及到爆炸冲击波与结构的相互作用等复杂过程,获得解析解比较困难。因此,借助数值模拟的方法求解炸药的爆轰过程以及容器的动力响应对于获得更加合理的结构设计非常重要。
  对于容器内爆问题的爆轰过程以及在内爆载荷下容器的动力响应过程,虽然目前已有相关的数值算法被应用于这些问题的求解,但这些算法都还存在各种缺陷:基于欧拉网格的数值方法往往难于追踪移动边界和物质界面,且很难给出材料点上物理量的时间历程;基于拉格朗日网格的有限元法常会遇到网格扭曲或畸变;很多无网格方法则有搜索耗时导致计算效率过低的缺陷。FEM-SPH自适应耦合算法通过将等效塑性应变达到一定值的有限元单元转化成SPH粒子,能有效克服大变形相关问题,也有效提高了计算效率。FEM-SPH自适应耦合算法能很容易地描绘出物质交界面、自由表面以及运动交界面,能直观地描绘出爆轰过程。
  本文针对抗爆容器的研究现状以及 FEM-SPH自适应耦合算法的研究现状进行了调研;介绍了SPH算法以及FEM-SPH自适应耦合算法;采用三维 FEM-SPH自适应耦合算法程序对含预制孔容器在内爆载荷作用下的动态响应过程进行了模拟,并与实验所得到的破坏特征以及 LS-DYNA软件中ALE算法得到的计算结果进行比较,分析了 FEM-SPH自适应耦合算法模拟容器内爆问题的有效性;针对装药形状、起爆方式对爆轰过程和容器动力响应的影响进行了研究;研究了金属/陶瓷结构抗爆容器和金属/高分子聚乙烯复合材料抗爆容器在内爆载荷下的动力响应;模拟了水介质密闭内爆容器的动力响应过程,定性分析了考虑开口和封头连接密闭内爆容器的气密性和局部应力集中。
  本文的研究成果对于炸药的爆轰过程以及内爆载荷下容器的动力响应研究具有一定的指导意义,能为抗爆容器的设计提供参考,有着一定的工程应用价值。
[硕士论文] 蔡正宇
工程力学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:梯度多胞金属材料由于其可设计性受到广泛关注,引入密度梯度可望获得更加优异的抗爆炸、抗冲击性能,在工程防护领域有着广阔的应用前景。多胞牺牲层是一种多胞材料夹芯复合结构,通过多胞材料的压溃行为大量地吸收爆炸/冲击能量。已有多胞牺牲层抗冲击行为的研究中,多采用形式简单的刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)冲击波模型来表征多胞材料的动态压溃行为,其与实际的应力-应变曲线还存在较大的差异。此外,在梯度多胞材料的能量吸收和消波性能优越性的问题上尚有争议。本文运用一维非线性塑性冲击波模型和细观有限元模型研究密度梯度多胞牺牲层的抗爆炸性能。通过量纲分析方法得出影响临界厚度的主导因素。针对临界厚度偏于保守的设计,发展了考虑反射波二次加载的分析方法,有效减小芯层厚度以提高多胞金属材料的利用率。
  基于率无关的、刚性-塑性硬化(R-PH)模型,建立了描述冲击波在梯度多胞牺牲层中传播的控制方程,得到了密度线性分布的梯度多胞金属在指数型爆炸脉冲下的响应特性。多胞牺牲层的临界厚度为爆炸能量恰好被吸收时的芯层最小厚度,在工程上是一个重要的设计指标。分析了临界厚度与载荷强度、覆盖层质量、多胞材料的密度梯度等参数之间的关系,给出了以临界厚度和支撑端应力峰值为指标的密度梯度设计图。结果表明,吸收同等强度的爆炸载荷,正梯度牺牲层需要的厚度小于负梯度牺牲层。通过增大梯度参数值,正梯度能够有效地降低芯层厚度,但是会带来更大的支撑端应力峰值;实现应力峰值最小,均匀密度和负梯度是较理想的选择。本文还进一步给出了特定的支撑端应力峰值下,负梯度牺牲层临界厚度与相关参数的设计图。
  通过量纲分析的方法,建立梯度多胞牺牲层无量纲临界厚度与三个无量纲参数之间的关系,利用控制变量法给出了无量纲临界厚度的经验公式,并且满足一定的精度要求。分析结果表明,冲击增强因子的平方根S1/20是影响无量纲临界厚度的主导因素,密度梯度参数对其影响相对较小,进而给出临界厚度的一阶近似解。
  动态加载下,多胞材料的压实应变对冲击速度具有依赖性,依据冲击波衰减设计出的牺牲层临界厚度偏于保守。研究了反射波在有初始变形的正梯度多胞金属中的传播规律,数值求解得到牺牲层响应特性。结果显示,在支撑端应力不超过被保护许可应力的前提下,进一步缩短芯层厚度使得反射波后方的应变从0.4增加到0.7附近,提高了材料的利用率。最后,采用二维Voronoi技术构建了梯度多胞金属的细观有限元模型,检验了一维非线性塑性冲击波模型的抗爆炸分析的有效性。
[硕士论文] 张帆
化工过程机械 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:飞机是当今世界上最重要的交通运输工具之一,也是最重要的军事装备之一。航空轮胎是飞机的重要起落部件,起着支承飞机重量和起飞着陆滑跑的作用。航空轮胎是否安全可靠,直接关系着飞机的安全和机上人员生命财产的安全。
  目前航空适航标准中对于轮胎爆破模式的定义已经相对成熟,但是也存在缺陷。比如航空轮胎爆破时受内压释放的影响,爆破碎片的速度会有明显增加,而非适航标准规定的与轮胎降落时的胎速相同;轮胎爆破高压气体射流模型的压力衰减公式不具普适性,缺乏真实起落舱环境下的模拟并且危害分析中对于动压危害的认识不足。此外轮胎爆破实验过程复杂、不易操作,公开文献很少报道。综上所述,本文针对航空轮胎爆破问题,完成了如下工作:
  (1)针对碎片危害模型,利用Fluent中用户自定义函数(UDF)编写动力响应程序,采用动网格和用户自定义函数相结合的方法,展开基于内压释放作用下的轮胎爆破碎片动力响应特性的数值模拟研究。将碎片受冲击后的动态过程分解为内压释放冲击加速阶段和以一定初速度在空气阻力下减速运动两个阶段,提出仅考虑碎片两侧实时压力差作为动力源的简化物理爆破模型,来分析碎片的速度受内压作用的响应,整个流场压力以及速度变化情况,弥补了数学模型未考虑内外压平衡过程的不足,为预测轮胎爆破后碎片获得能量、爆破气流能量等提供数值参考。
  (2)对于高压气体射流模型,针对真实飞机起落舱以及轮胎几何模型,通过计算流体力学方法,建立了起落舱内空气流场中轮胎内压释放产生高压气体射流的模型,计算方面采用RANS混合方法,湍流模型采用工程上广泛使用的标准k-e模型,近壁面处理采用壁面函数法,利用Fluent的流场分析功能来求解轮胎爆破后流场中气体的压力分布、速度分布等物理响应,实现了轮胎爆破过程中舱内流体各项物理指标的数值模拟,预测轮胎爆破后轮胎内部气体衰减规律,得到高压射流运动状态和所具备的能量,评估其破坏能力,为提出有效预防起落舱内轮胎爆破而引发的事故对策提供理论依据。
  本文主要有三个方面的创新:第一,数值模拟中通过应用局部网格重构法和弹簧变形法相结合以及动网格技术与UDF二次开发相结合的方法成功克服了算例中碎片飞行中的因大位移问题而产生的网格质量差,出现负体积,结果不收敛等弊端;第二,针对实际的飞机轮胎几何模型,通过计算流体力学方法,建立了起落舱内空气流场中轮胎内压释放产生高压气体射流的模型;第三,通过数值计算结果与文献数据的对比,讨论了数值结果的合理性并提出了适航安全性建议。
  本研究结果为航空领域轮胎爆破碎片危害以及起落舱内高压气体射流危害研究提供理论和技术支撑。轮胎爆破研究结果将有望进一步运用于飞机数字警报系统,为适航安全提供更有力支撑。
[博士论文] 杨杰
工程力学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:梯度多胞金属继承了均匀多胞金属优异的力学性能,具有良好的抗冲击能力和吸能效果,且由于包含密度的变化,具有很强的可设计性,受到了越来越多的关注。梯度多胞金属通常可以分为连续密度梯度多胞金属和层级密度梯度多胞金属。由于制造技术的限制,目前大部分实验研究选用的试样为层级密度梯度多胞金属,即用具有不同密度的均匀多胞金属热压或粘接而成,无法准确描述梯度多胞金属的力学行为。研究人员转而采用理论分析或有限元分析,如基于冲击波模型的理论分析和基于Voronoi技术的有限元分析。此外,研究人员还对梯度多胞金属进行了耐撞性设计研究,但大都是在一系列的密度分布组合或不同的密度梯度中筛选耐撞性能较好的密度分布,并没有充分利用梯度多胞金属的可设计性。本文主要基于Voronoi技术发展了梯度多胞金属的三维细观模型,用以更加准确地开展梯度多胞金属的有限元分析,并且率先提出了基于冲击波模型反向设计梯度分布的耐撞性设计方法,以期实现吸能材料从传统的被动选择过渡到主动设计。
  用实验方法考察了梯度泡沫铝的基本力学性能。由于难以按照特定密度分布制造闭孔连续梯度多胞金属,先用间接测量的方法估算出选用的梯度泡沫铝试样的密度分布,采用线性拟合得到密度分布的近似表达式,并开展梯度泡沫铝的准静态单轴压缩实验。在实验中发现了试样由胞元较大的一端开始渐近压溃的现象。根据这一现象通过建立理论模型推导了压缩载荷-位移关系,并用刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)模型近似材料的应力-应变关系,对实验数据进行了拟合,得到了R-PP-L模型的力学参数。然后,用改造过的霍普金森压杆开展了梯度泡沫铝的动态实验,结合文献中提出的“双应变片”测量法,通过计算得到了试样支撑端的反力;利用高速摄影机和数字图像相关技术求得子弹的速度历史曲线,发现4组实验的结果吻合得较好。
  基于应力波理论,建立了质量块撞击梯度多胞杆的冲击波模型,考察了密度梯度对梯度多胞金属抗冲击特性的影响。考虑一系列具有相同平均密度、不同密度梯度且密度分布线性增加的梯度多胞金属杆,推导出了质量块冲击下质量块的速度和波阵面位置对时间的微分方程组,并采用R-PP-L模型的材料参数,利用经典龙格-库塔法对微分方程组进行数值积分求解。结果表明,密度梯度对梯度多胞金属试样的冲击响应有着很大的影响,并发现存在质量块的减速历史振荡非常小的情形,且此时最大减速度的值最小。对比理论分析的结果与实验结果,发现在冲击过程的前期,理论和实验的结果吻合得非常好;随着速度的下降,实验得到的支撑端反力明显大于理论分析结果,而质量块的速度下降比理论分析结果更快。推测其主要原因是R-PP-L模型对于材料特性的模拟较为简化,并未考虑材料的硬化,且压实应变是固定的,影响了理论分析的结果。
  基于三维Voronoi技术发展了梯度多胞材料的细观模型并开展力学行为的研究。基于变胞元尺寸法和三维Voronoi技术,构造了一系列具有相同平均密度且密度分布为线性的梯度多胞试样,并通过验证胞元的相对密度和统一修正壁厚的方法得到具有准确密度分布的三维Voronoi模型。然后利用ABAQUS/Explicit软件进行有限元分析,考察梯度多胞结构在准静态压缩下的力学行为和动态冲击下的抗冲击特性和吸能效果。发现梯度多胞试样在准静态压缩下存在应变持续增加应力逐渐增加的阶段,这不同于均匀多胞试样的平台段,从变形图上可以观察到由一端开始逐渐压溃的现象。在动态冲击下,观察到密度梯度对梯度多胞金属的动态力学性能同样有着很大的影响,当梯度多胞金属密度大的一端靠近支撑端时可以更好地保护撞击物,而密度小的一端靠近支撑端时对于支撑端处的结构有很好的保护作用。从能量吸收的角度看,密度梯度对梯度多胞金属的能量吸收同样存在较大的影响。
  提出了根据耐撞性要求反向设计梯度多胞材料的密度梯度的方法。基于冲击载荷的历史曲线,应用非线性塑性冲击波模型,反向推导出了梯度多胞杆的密度分布,并考察冲击力历史为线性变化的耐撞性情形,得到了当冲击力历史分别为恒定、线性增加和线性减少时的密度分布表达式。根据理论分析结果设计出的三种密度分布,构建了相应的三维细观有限元模型,通过数值模拟验证反向设计得到的冲击力响应的结果。通过对比发现,当冲击力历史为恒定或线性增加时,在有限元分析中梯度多胞杆的变形模式与假设的相同,得到的冲击力历史曲线与设定的值吻合得较好;当冲击力历史为线性减少时,冲击过程中试样两端均发生了变形,这和理论分析中的假设冲突,两者的结果也存在一定的差别。从变形图样中还发现,初始的设计中梯度多胞杆靠近支撑端的一部分材料几乎未发生压溃,即设计是偏保守的。针对这样的情况,提出了优化设计的方法,即通过限制波阵面第一次到达支撑端时靠近支撑端处材料的波后应变来缩短梯度多胞杆的长度。所以,根据耐撞性反向设计梯度多胞材料的密度分布的设计方法能够实现。
[硕士论文] 潘顺吉
机械工程 宁波大学 2017(学位年度)
摘要:金属柱壳外爆碎裂是一个强冲击(~10sGPa)作用下材料和结构经历了高应变率塑性变形导致断裂的复杂物理现象,破坏过程及断裂机制均呈现多种形式,由于其在工业及军事武器设计、分析中有重要意义,一直受到研究关注。本文设计开展不同装药的金属柱壳爆炸实验研究,通过对回收碎片的微观分析,探讨载荷特性对金属柱壳的变形、碎裂破坏过程及碎片特征的影响。并采用有限元对金属圆管内的冲击波传播、应变演化发展及应力状态等规律的分析,探讨载荷特性对碎裂及断裂机制的影响。结果显示:
  (1)在较高爆炸压力作用下, TA2钛合金柱壳试样厚度中部首先形成损伤带,碎裂破坏从试样壁厚中部起始沿45°或135°方向向内外表面剪切扩展,并随载荷脉宽减小,试样厚底中部损伤带却更趋于严重。而在较低爆压时,断裂裂纹首先从内壁起始,沿45°或135°方向剪切扩展。在更低爆压下,柱壳发生明显的膨胀断裂,出现部分拉伸、剪切混合破坏形态;
  (2)有限元数值分析显示:在较高爆压下,由于波反射卸载引起二次塑性区使得试样壁厚中部区域等效塑性应变较大,裂纹最先在加载阶段从试样壁厚中部起始,沿45°或135°向内外表面扩展断裂。而在较低爆压下,破坏发生在自由膨胀阶段,断裂却从内表面起始向外壁剪切扩展;
  (3)不同爆压下,柱壳近内表面变形组织特征不同。较高爆压下内表面组织可见交叉的剪切滑移带束分布,由不同取向拉长晶粒及沿剪切方向分布的细晶粒组成。在较低爆压下,裂纹从内表面变形集中处起始扩展,一些裂纹尖端可见绝热剪切带,带内呈现一定取向的动态再结晶产生极细晶粒。柱壳外表面区域晶粒尺寸与原始晶粒相近,但晶内可见大量孪晶结构。
[博士论文] 杜洋
化工过程机械 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:可燃气体管道爆炸由于其工程应用及科学研究价值得到越来越多的关注,其涉及的结构动力学、流体力学、断裂力学、化学反应动力学等不同领域的多种力学行为密不可分地相互交织在一起,是多学科交叉的复杂问题。且爆炸冲击波与管道间存在强烈的非线性流固耦合作用:爆炸超压促使管道变形进而断裂,变形后的管道及其破口反之制约爆炸流场的发展。这使得准确可靠地预测可燃气体管道爆炸的动态断裂行为与爆炸后果成为目前国际上最具挑战性的工作之一。
  本研究主要内容包括:⑴基于光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FEM)方法与根据绝热剪切理论推导的适用于高应变下材料的双变量失效准则开展爆炸冲击波-管道流固耦合作用研究。研究表明:冲击波会多次反射并轰击管道壁面,但轰击强度随次数增加迅速衰减;裂纹从管道内壁面沿管道轴向和壁厚方向同时开始扩展,进而贯穿壁厚造成爆轰产物迅速泄放;管道变形断裂对爆炸冲击波强度有明显削弱影响,在管道爆炸后果评估中应予以考虑。⑵根据CJ爆轰理论简化化学反应率函数进而建立一种高效气体爆轰模拟算法,以罚函数接触算法为基础发展一种计及稳定性的流固耦合算法,进而开展气体爆轰作用下管道动态断裂行为数值预测研究。研究发现:仿真较好重现了不同初始缺陷长度下管道裂纹动态扩展及分叉行为,且模拟的应变响应、裂纹扩展速度、爆轰产物泄放等均与试验结果有较好的吻合程度。与现有公开文献相比,本文方法可更为准确地预测气体爆轰下管道的断裂过程及断裂形貌。⑶提出一种爆炸冲击波超压与比例距离关系式用于描述管道外超压衰减,建立基于流固耦合的管道爆炸后果评估方法,采用该方法开展可燃气体管道爆炸后果评估研究。研究表明:管道外超压随初始缺陷长度增加近似呈线性增加;管道内等能量TNT爆炸时管道破坏及爆炸后果更为严重,分叉裂纹与轴向裂纹相交是碎片形成的直接原因;相比经验方法及传统CFD方法,基于流固耦合的管道爆炸后果评估方法充分计及了管道变形断裂所吸收的爆炸冲击波能量,可更为合理地评估管道爆炸后果。
[硕士论文] 苏云鹏
热能工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:激光推进作为一种相对新颖的推进技术,集高载荷比、无污染、比冲高、可重复发射利用率高等优点于一体。气液两相工质激光推进具有较好的综合推进性能,逐渐引起了国内外学者的关注,其能量转换主要由激光支持爆轰波来实现。因此,研究气液两相工质中的激光支持爆轰波具有重要意义。
  气液两相工质激光推进属于大气呼吸模式的激光推进。主要进行了三个方面的研究。理论方面,研究了影响工质击穿阈值的因素,并分析了这些因素对击穿阈值发展趋势的影响。通过对气液两相工质激光作用下能量沉积以及热力循环的分析,得到了循环效率的表达式,并得出结论,冲压比和定容增压比是影响能量转化效率的因素,并且能量转化效率随着冲压比和定容增压比的增大而增大。最后,对激光能量作用的控制方程和数学模型进行了分析。数值模拟方面,通过对物理模型的简化,分别分析了不同液相占比下气液两相工质激光支持爆轰波的流场情况,并给出了分析。然后,结合抛物形光船模型模拟了实际情况下气液两相工质激光推进中流场与光船耦合情况。实验方面,对比了纯空气与两相工质以及不同液相占比情况下的击穿阈值,发现两相工质能够降低击穿阈值,击穿阈值大小与液相占比无关,但是液相占比越高,击穿概率越大。利用高速相机得到了激光支持爆轰波的等离子体发光图像,并对比分析了纯空气和两相工质的击穿情况。最后,通过冲击摆实验,得到了激光推进中光船所获得的冲量,进而可以得到冲量耦合系数与能量转化效率。
[硕士论文] 袁佳艳
测试计量技术及仪器 南京理工大学 2017(学位年度)
摘要:冲击波超压峰值是衡量弹药毁伤效果的一项重要指标,通过实测方法得到冲击波压力参数值是最为重要的途径。针对冲击波超压测量值稳定性及一致性差这一难题,开展了地面冲击波压力测试方法关键技术研究。
  仿真分析了冲击波与测试装置之间的耦合关系,探讨了复杂地面环境对冲击波压力测试的影响,获得了测试装置的安装平板尺寸、传感器安装高度、安装间隙以及近距离障碍物对冲击波压力测量的影响规律;设计了验证性实验,实验与仿真结果较为吻合;分析了爆炸冲击波压力测试过程中常见的干扰因素,提出了相应的抑制措施以及补偿方法。
  设计了近地爆炸地面冲击波无线存储测试装置,搭建了实验测试系统。选用高阻抗输出的电荷型压电式压力传感器作为冲击波测量传感器,并设计了对应的信号调理电路,实现了对传感器输出信号的转换、滤波以及放大。基于STM32芯片设计了主控电路,基于Nand Flash芯片设计了存储模块,并设计了USB通讯接口电路、触发电路,集成了4G无线模块、定位授时模块以及电源管理模块。基于C语言编写了下位机触发、数据采集存储以及USB接口通讯程序,基于libusb生成了上位机USB驱动程序,编写了上位机USB通信程序,并基于Labview设计了上位机实时控制以及显示界面。
  分别对调理模块、数字模块及上位机软件进行了性能测试分析,并对整个装置进行了模拟实验,实现了上位机对下位机采样参数的无线设置、对下位机状态的实时监测、对冲击波信号特征参量的实时获取,并实现了连发采集功能;建立了近地爆炸冲击波压力测试系统的误差模型,分别计算了各分项测量标准不确定度,并给出了该装置总的测量不确定度。
  对近地爆炸地面冲击波无线存储测试装置进行了爆炸实验验证,装置在爆炸现场测试中工作正常,实现了所有预期功能。针对近地爆炸地面冲击波超压信号干扰严重问题,提出了测量和剔除振动信号的方法,验证了其有效性。并利用仿真得到的干净冲击波信号及噪声信号模拟实测冲击波信号,对剔除其它干扰信号的三种方法进行了对比分析。采用去噪效果较好的EMD去噪方法对实测冲击波进行了去噪处理,提高了冲击波压力峰值提取和比冲量计算的准确性。
[硕士论文] 谢雪腾
兵器发射理论与技术 南京理工大学 2017(学位年度)
摘要:本文主要对不同海拔高度下爆炸冲击波的传播规律进行研究。从一维球面爆炸空气冲击波的特性出发,分析了空气冲击波的传播变化规律。基于奥尔连科提出的云爆公式,推导至高原环境,比较在不同海拔高度下的冲击波参数(超压、超压冲量、正压作用时间)以及动压冲量的变化规律,定量给出了爆炸冲击波传播特性的高原影响程度。计算结果显示,冲击波的超压峰值随着海拔高度的增加而降低,并且随着海拔高度的增加,冲击波超压峰值下降程度加剧。冲击波正压冲量随着海拔高度的增加而降低,研究发现冲击波的正压冲量随距离增大而下降程度几乎一致。冲击波动压冲量则随着海拔高度的升高而增加。正压作用时间在近场差异不大,在远场则随着海拔高度的增加而延长,固定海拔高度,正压作用时间随着距离的增大而增大。
  通过海拔200m和海拔4500m的静爆试验与适用于高原环境下的修正公式理论值进行分析对比,为不同海拔高度下的冲击波毁伤元的变化规律提供了试验数据支撑,证实了高原效应对爆炸冲击波传播特性的重要性。同时运用LS-DYNA和AUTO-DYN数值模拟软件还原试验场景,再现了不同海拔环境下球形装药爆炸冲击波传播的全过程,通过数值模拟结果观察到了冲击波的绕流、拐角效应、马赫反射等物理现象。静爆试验与仿真模拟的结果对比表明了数值模拟的有效性,为爆炸冲击波高原传播特性的研究进一步提高了说服力。此问题的研究对于爆炸防护及利用具有重要参考意义。
[硕士论文] 罗玉娟
动力工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:激波与障碍物的相互作用广泛存在于超音速气固两相流中。比如航空发动机固体燃料推进剂喷嘴中存在激波与固体颗粒之间的相互作用。超音速喷涂中,也存在激波与颗粒的相互作用。在反应介质中,激波通过障碍物时可能导致可燃物发生自燃。因此,需要了解相关原理,采取合理的措施来保障储存或运输过程中的安全。另外,一定条件下,激波通过障碍物可能诱发爆轰,掌握其规律对于脉冲爆轰发动机的研制具有十分重大的意义。
  本文开发了基于高精度激波捕捉格式 WENO格式和内嵌边界算法的直接数值模拟平台,分别对激波与圆柱、圆球、三角楔形等相互作用过程中流场结构及物体受力的变化规律进行了研究。进一步地,本文还将研究拓展到可反应气体介质中,探究了三种不同障碍物形状(半圆柱形、正三角楔形和方柱形)对于激波诱导自燃过程、火焰加速过程及爆燃到爆轰转变过程的影响。
  本文分别对激波与静止圆柱与运动圆柱相互作用的全过程进行了模拟,探究了流场结构和圆柱受力的变化,分析了入射激波马赫数和圆柱直径的影响。研究发现在高度的非线性系统中存在一些线性的变化规律。对激波与静止圆柱相互作用的分析发现,在给定入射激波马赫数的情况下,上三波点轨迹及反射激波最高点距圆柱中心线的距离(反射激波最高点高度)随时间的变化呈现线性特征。对于激波与运动圆柱的相互作用过程,在给定入射激波马赫数和圆柱直径的情况下,上三波点变化轨迹、激波脱体距离和反射激波最高点高度随时间的变化都能用线性拟合关系式描述。圆柱运动的情况下,圆柱直径对上三波点轨迹和激波脱体距离有影响,但反射激波最高点高度基本不随圆柱直径变化。观察圆柱受力变化,发现对于静止圆柱,当入射激波马赫数较小时,可能出现负曳力系数的情况;而对于运动圆柱,曳力系数始终保持为正值。综合考虑入射激波马赫数和圆柱直径的影响,本文提出了用于预测圆柱最大曳力系数的关联式,其呈现类指数形式。
  本文在激波与静止圆球相互作用的全过程中观察到了“激波聚焦”现象。当入射激波马赫数固定时,上三波点轨迹和反射激波最高点高度随时间的变化都能用线性关联式表达。而对于激波脱体距离,只有入射激波马赫数较小的时候才呈现出线性变化特征。通过分析入射激波马赫数的影响发现,在同一时刻,激波脱体距离和反射激波最高点高度都随入射激波马赫数的增大而减小,而随着入射激波马赫数的增大,上三波点在垂直方向上的运动速度呈现出先增大后减小的变化趋势。
  本文对激波与正三角楔形相互作用的全过程进行了直接数值模拟,发现在三角楔顶点附近产生两个旋转方向相反的旋涡,主涡涡核的运动轨迹大致呈现“V”型。研究发现入射激波马赫数对弓形激波的形状及涡结构有明显的影响,但是涡核运动轨迹发生“V”型转折的时间几乎与入射激波马赫数大小无关。
  本文对可压缩流体绕流 NACA0012机翼进行了数值模拟研究,发现翼型表面受力随着来流马赫数的增加而增加。当来流为亚音速时,翼型表面受力随来流速度的变化比较明显;当来流达到超音速时,来流速度对翼型表面受力的影响明显削弱。另外,本文还观察到了与圆柱绕流类似的现象,即当来流雷诺数较小时,增加来流雷诺数,在翼型下游出现“卡门涡街”,再进一步增加雷诺数,该现象消失。
  本文还将研究拓展到反应气体(乙烯)中激波与障碍物的相互作用,探究管道中障碍物形状(半圆柱形、正三角楔形、方柱形)对化学反应的影响。发现在入射激波较弱时,三种形状的障碍物都不能引起化学反应,但不同形状障碍物造成的流场有较大差异。当入射激波马赫数中等时,方柱形障碍物相对来说最容易引起化学反应。当入射激波马赫数较大时,三种形状的障碍物都能引起强烈的燃烧化学反应,并且都能观察到火焰加速过程及爆燃到爆轰的转变过程。相较而言,当障碍物的形状为三角楔形时,气体自燃发生的时间最晚。但是,所有算例中发生爆燃到爆轰转变的时间大致相同。火焰一旦形成,其传播速度也基本与障碍物形状无关。火焰面都呈现明显的褶皱状。
[博士论文] 肖有才
固体力学 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:高聚物粘结剂炸药(PBX)广泛的应用于国防、航天等工程领域,例如武器弹药、火箭推进剂等。由于在运输、制造和发射等过程中,均处于不同加载速率、应力状态和温度环境,并且会产生孔洞和微裂纹等各种形式的损伤,所以PBX炸药的抗过载特性决定了装药的安定性。另外这些损伤一方面使得PBX炸药的力学性能劣化,另一方面影响了PBX炸药的感度、燃烧甚至爆炸的性质,是PBX炸药发生起爆的源头,严重影响了武器弹药的安全性和可靠性。因此,开展PBX炸药动态力学性能及其冲击损伤行为研究是非常必要的,对于指导PBX炸药配方和结构件设计,以及进行安全性和可靠性评估具有重要的意义。
  本文以高粘结剂PBX炸药为研究对象。首先基于霍普金森杆技术,系统研究了该类PBX炸药及其聚合物粘结剂的动态压缩和拉伸力学性能的测试,为了得到合理的PBX炸药的动态压缩和拉伸力学性能,利用应力波传播理论对霍普金森实验技术的基本假设和测试过程中的应力均匀性和常应变率做了详尽的研究,得到合理的试件厚度,和适合于该类炸药材料的整形器。获得了该PBX炸药的动态压缩和拉伸力学行为,结果表明,随着应变率的增加PBX炸药的强度逐渐增强。另外,采用铝套筒和PBX炸药,应用SHPB被动围压试验方法,研究了PBX炸药在围压下的动态力学响应,得到了该PBX炸药不同应变率下的多轴力学行为。结果表明,随着应变率的增加,该PBX炸药试样轴向应力和围压应力均提高;围压状态下PBX炸药承受的应力远高于无围压状态,变形由韧性向塑性转变,试样未发生明显的破坏。
  其次,建立了PBX炸药的宏观本构关系,研究了不同温度下PBX炸药及其聚合物粘结剂的压缩和拉伸应力松弛模量曲线,利用时间-温度等效原理得到了PBX炸药的主松弛模量曲线,拟合得到了PBX炸药的松弛模量参数,利用数值模拟方法,验证了所建立的宏观本构关系的正确性,结果表明,广义Maxwell模型适合预测高粘结剂PBX炸药的动态力学行为,不同应变率对应不同频率的Maxwell单元,在高应变率下主要是高频Maxwell单元响应。
  再次,研究了PBX炸药动态力学行为的粘弹性细观力学问题,建立了PBX炸药的细观力学模型,通过利用时间-温度等效原理得到了聚合物粘结剂的主松弛模量曲线,利用基于Prony级数的数据拟合法得到粘结剂的松弛模量参数,利Mori-Tanaka模型,通过Laplace变换,将问题线性化,预报了PBX炸药在高应变率下的力学性能,研究表明,PBX炸药的粘弹性能主要取决于聚合物粘结剂的粘弹性能,与夹杂形状、体积分数和应变率密切相关,夹杂含能颗粒起到了增强PBX炸药动态力学性能的特性。
  然后,提出了PBX炸药冲击损伤观测和表征方法,基于一级轻气炮装置,利用单轴和三轴加载冲击对PBX炸药的宏细观损伤进行研究,设计了一种可回收PBX炸药试件的三轴冲击加载装置,对照了单轴和三轴冲击加载条件下损伤形式和机制,结合SEM电子显微镜,分析了PBX炸药在单轴和三轴加载条件下的主要的损伤形式,进一步认识了 PBX炸药的主要细观损伤机理。研究表明,在单轴冲击加载下,PBX炸药的主要损伤形式为沿晶断裂和大颗粒破碎;在三轴冲击加载下,PBX炸药的主要损伤形式为颗粒破碎和脱湿,PBX炸药的主要损伤形式为微裂纹的扩展,随着冲击载荷的增加,PBX炸药的裂纹半径愈长。
  最后,建立了PBX炸药的损伤本构模型,利用广义能量释放率建立了微裂纹的稳定扩展准则和失稳扩展准则。假设微裂纹的平均半径的增长率基本上依赖于应力强度,结合动态断裂理论中微裂纹扩展的速度公式建立了微裂纹的损伤演化方程。最后通过利用应变率叠加原理,将广义Maxwell模型和微裂纹体串联耦合起来,建立了PBX炸药的广义粘弹性统计损伤本构模型。利用有限元ABAQUS中VUMAT模块,基于建立的损伤本构模型,开发了子程序,模拟了PBX炸药的SHPB动态压缩和三轴冲击损伤试验,验证了所建立的损伤本构模型的有效性。
[硕士论文] 程宇腾
安全工程 南京理工大学 2016(学位年度)
摘要:本文主要通过理论分析、数值模拟、敞开空间静爆试验、有限空间静爆试验四种方法,研究了不同配方的温压炸药在不同环境中的爆炸冲击波特性。通过理论研究,阐述分析了温压炸药在敞开空间中作用机理及其冲击波的传播规律;结合数值模拟软件AUTODYN,阐述分析了温压炸药在有限空间中的作用机理,以及准静态压力的经验计算公式。通过对不同装药参数的温压炸药在敞开空间中的爆炸过程进行数值模拟研究,确定能够使温压炸药爆轰较为完全的中心传爆药比例、中心传爆药密度与主装药装药密度。装药参数对爆炸近场的冲击波超压值有一定影响,而对爆炸中远场的影响较小。当中心传爆药比例为8%、中心传爆药装药密度为1.753、主装药装药密度为1.95时,温压炸药在爆炸近场冲击波超压值最高。通过对不同壳体约束强度的温压炸药进行野外静爆试验,运用AUTODYN软件对该过程进行数值模拟,得到了壳体约束强度对温压炸药爆炸特性的影响规律。裸装药爆炸冲击波参数值、冲击波衰减速率和后燃峰压力值大于带壳装药,铝壳体装药爆炸冲击波参数值、冲击波衰减速率和后燃峰压力值较钢壳体装药高;数值模拟得到的冲击波曲线形态、峰值及冲量与试验结果吻合较好,且裸装药爆炸冲击波的后燃峰到达时间较带壳装药早,铝壳体装药爆炸冲击波的后燃峰到达时间较钢早;初始冲击波超压值受壳体厚度影响较大,壳体的存在使冲击波的传播滞后。通过有限空间中的静爆试验,研究密闭条件下铝氧摩尔比对温压炸药爆炸性能的影响,在有限空间中测量了不同铝氧摩尔比温压炸药的冲击波峰值超压、冲量与准静态压力值,并用AUTODYN软件对该过程进行数值模拟。当温压炸药铝氧摩尔比在0.5~0.8之间时,冲击波峰值超压、冲量与准静态压力值较高,能量输出效应较佳;数值模拟得到的冲击波曲线形态、峰值超压、冲量及准静态压力与试验结果吻合较好;采用Miller余项能较为合理地描述温压炸药的后燃特性。
[硕士论文] 朱恺波
工程力学 安徽理工大学 2016(学位年度)
摘要:近些年可燃气体爆燃事故频发,给国民经济带来巨大损失。为了预防可燃气体爆燃事故,编制突发事故应急预案,及时有效处置可燃气体爆燃事故,对爆燃火焰传播特性参数与噪声、振动破坏耦合效应的研究显得迫在眉睫。
  本文主要对甲烷-空气预混气体在方形有机玻璃管道内爆燃反应的火焰特性参数与噪声、振动参数进行对比研究。主要做了以下方面的工作:
  (1)本文首次探讨了管道内甲烷-空气预混气体爆燃火焰特性参数与噪声、振动的耦合关系,它们的参数变化存在高度一致性。当火焰传播速度快时,管壁压力大,噪声和振动幅度也大;当火焰传播速度减小时,管壁压力也减小,噪声振动幅度也减小。并且发现它们都存在三个区域:成长区(约10ms),剧烈反应区(约15ms),衰弱区(约40ms)。
  (2)吸音棉使得噪音的瞬间峰值降低了15-18dB,有很明显的降噪效果,无吸音棉实验组噪声明显要大于有吸音棉实验组。
  (3)无吸音棉时的振动速度峰值是有吸音棉时振动速度峰值的7倍左右,说明吸音棉带来的振动减速效果非常明显。两者的主振频率分别是23.19Hz、25.64Hz,两者相差不大,说明有机玻璃管道的振动频率近似为固有低频频率。
  (4)无吸音棉时的振动是瞬时能量高强度的集中释放,而有吸音棉的情况,能量是缓慢分布式的释放,可以起到缓冲减震的效果。
  (5)噪声原始信号的Hilbert谱,从颜色标尺看,能量从上到下递减。爆燃发生前环境中有高能量噪音传入传感器,在爆燃发生后高能量噪声部分频率主要分布在500Hz以下;对边际谱分析,也得到了管中的甲烷预混火焰频率是低频的。
  (6)对噪声、振动信号进行了HHT分析,得出管内甲烷预混火焰无论是噪声还是振动频率都是低频的,但噪声的频率带更宽,而振动频率小到只有30Hz左右,振动的幅值更大携带的能量更多。
  本文运用HHT方法对甲烷爆燃火焰进行分析具有创新性,可以加深我们对火焰能量释放中噪声、振动的传播特性的认识。
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