空中炸药爆炸后冲击波传播及球壳动力不稳定性数值分析

论文摘要

随着科学技术的发展,爆炸在国防工业、国民经济建设中应用愈来愈广泛,近年来,各类建筑结构与工业产品在爆炸载荷作用下动力响应已经越来越受到人们的重视,结构的动态响应也是固体力学领域内一个重要的内容。结构的反直观现象是一种特殊的动力响应,即结构受瞬时强动载荷作用时,其最终的变形与载荷作用方向相反。自从20世纪80年代著名学者P. S. Symonds等在研究冲击载荷作用下两端铰支梁的动力响应时发现了反直观现象后,愈来愈多的科技人员给予了关注并进行了相关的研究,在脉冲载荷,弹体冲击,爆炸载荷等方式作用下结构都可能出现反直观现象,这在数值模拟与实验中都得到了证实。在相关研究中,人们很少考虑炸药形状对爆炸冲击波的影响,球壳在爆炸载荷下反直观响应也是研究甚少。本文首先对结构反直观行为与近年来关于爆炸方面的模拟情况进行了综述,描述了爆炸过程中的物理化学现象,介绍了任意拉格朗日与欧拉(ALE)算法特点。运用数值模拟的方法做了以下工作:1、对比了爆炸冲击波超压峰值的几个经验公式,在比距离Z较大时,数值模拟与经验公式比较符合。对几种形状炸药在空气中起爆后爆炸冲击波传播进行了数值模拟,对比了几种形状炸药起爆后传播特性以及在两个垂直方向超压峰值,炸药起爆后在较大表面的法线方向具有较大的冲量且传播速度较快。2、研究了相同质量的几种形状炸药起爆后对球壳的动力响应,得到了各种形状炸药起爆后产生的超压峰值与冲量,同等质量的炸药,长方体炸药产生的产生冲量与超压峰值最大,球体炸药产生的最小,这与文献给出实验结果是一致的。3、运用ALE流固耦合方法对炸药起爆后球壳动力响应进行了数值模拟,得到了球壳在爆炸载荷下产生反直观现象的爆心距区域。数值模拟结果表明,球壳的矢高与壳厚对反直观影响较大。给出了炸药起爆后爆轰产物的扩散示意图,研究了空气中的超压分布。对比了球壳附近某些点的压力时程曲线,球壳前方区域会出现两次峰值,可以得到球壳对爆炸冲击波有反射作用。本文最后分别从动态内力耦合,塑性变形,能量转换等方面说明了产生反直观现象的特点,阐释了球壳产生反直观现象的机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 空中爆炸冲击波效应及结构反直观行为研究现状
• 1.2.1 结构反直观行为的研究现状
• 1.2.2 爆炸冲击波的数值模拟
• 1.3 本文主要研究工作
• 第二章 几种形状炸药爆炸后冲击波的传播
• 2.1 空中爆炸的物理现象及ALE 算法特点
• 2.2 空中炸药起爆后爆炸载荷公式与数值模拟
• 2.2.1 空中爆炸载荷常用经验公式
• 2.2.2 数值模拟与经验公式的对比
• 2.3 几种形状炸药起爆后爆炸冲击波的特点
• 2.3.1 球体炸药爆炸后的冲击波传播数值模拟结果
• 2.3.2 长方体炸药爆炸后的冲击波传播数值模拟结果
• 2.3.3 圆柱体炸药爆炸后的冲击波传播数值模拟结果
• 2.4 等质量炸药不同形状炸药起爆后球壳的动力响应
• 第三章 球壳在爆炸载荷作用下反直观行为的数值模拟
• 3.1 球壳、炸药、空气模型及参数
• 3.2 球壳在爆炸载荷下的反直观行为
• 3.3 球壳在爆炸载荷下响应的影响因素
• 3.3.1 应变率效应对球壳在爆炸载荷下响应的影响
• 3.3.2 球壳尺寸变化对爆炸载荷下球壳反直观现象的影响
• 3.4 球壳对爆炸冲击波传播的影响
• 第四章 球壳发生反常动力响应的分析
• 4.1 弹塑性系统的动力不稳定性
• 4.2 爆炸载荷下球壳产生反直观现象的特性
• 4.2.1 动态内力耦合效果
• 4.2.2 塑性变形
• 4.2.3 能量关系
• 第五章 总结及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文