为研究铝粉含量对黑索今基含铝炸药能量输出特性的影响,开展铝粉含量为20%、30%、40%含铝炸药的自由场静爆试验。采用超压传感器测试自由场、地面冲击波超压-时间曲线,采用高速摄影仪捕获入射波、反射波及马赫波传播过程及爆炸火球变化过程,基于试验结果标定含铝炸药的Jones-Wilkins-Lee(JWL)-Miller参数。试验结果表明:铝粉含量由20%增加到30%,含铝炸药的地面反射波超压峰值和比冲量影响较小;铝粉含量由30%增加到40%时,地面反射波超压峰值降低幅度为2.17%~7.81%,比冲量降低幅度为0.29%~12.17%;铝粉含量由20%增加到40%,爆炸火球最大直径由6.48m增大到7.12m,爆炸火球出现减小趋势的时间由20ms延长到60ms;30%、40%含铝炸药的JWL-Miller参数预测爆炸冲击波参量(超压峰值、比冲量)与试验结果的最大误差分别为16.75%、-8.51%,平均绝对百分比误差分别为6.76%、4.14%。该研究成果可为含铝炸药的威力场预估提供参考与借鉴。

人员是舰艇抗冲击系统的短板,明确人体冲击响应特性有助于提升防护设计。以不同姿态舰员冲击响应规律为研究重点,借助实船水下爆炸试验首次开展卧姿真人冲击响应特性研究;基于Taylor流固耦合原理,构建远场水下爆炸载荷-结构-不同姿态人体一体化响应模型,横向对比分析典型冲击因子(0.30、0.45、0.60)条件下不同姿态人体典型器官垂向响应差异。研究结果表明:坐姿人体盆骨、站姿人体足部和卧姿人体头部为易损区域,应重点防护;人体由坐姿转变为站姿时,人体上半身器官载荷显著变小,腰椎与盆骨不再是易损伤区域;由坐姿转变为卧姿时,人体易损器官存在由盆骨向头部转移的趋势;相同冲击因子下,各姿态人体与甲板直接接触器官的响应程度对甲板质量的改变较为敏感,呈负相关。研究结果可为舰员抗冲击防护设计提供技术支撑。

为探究不同聚类算法在处理有限元结果应力云图时的表现,研究建立单层Twaron^®平纹织物弹道冲击有限元模型,以其应力分布结果图像为例,采用k-means、高斯混合模型(Gaussian Mixture Model,GMM)、均值漂移(Mean-shift)、基于密度的带有噪声的空间聚类(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)共4种不同的聚类算法对应力云图进行聚类处理和结果对比分析。研究结果表明:Mean-shift和DBSCAN聚类算法并不适用于处理大量有限元应力云图;k-means和GMM聚类算法相较于传统手动处理效率提升了74.24倍和172.64倍,但GMM聚类算法在图像色彩无明显区分时会产生误差;k-means聚类算法在保证高效的同时,误差仅在0.85%以内,因此k-means聚类算法是这4种算法中最适用于大量应力云图的快速、客观、定量的分析。使用k-means聚类算法测量出单层Twaron^®平纹织物在受到冲击的1~15μs内,0~600MPa应力区间面积减小,应力面积变化速率为5.61×10⁷mm²/s;600~1200MPa应力区间面积增大,应力面积变化速率为5.27×10⁷mm²/s。

为研究不同黏结剂体系下HMX基温压炸药的爆炸释能特性，选择2种具有相似配方的HMX基温压炸药进行爆热、爆速、爆轰驱动性能、内爆炸性能等测试，分析了黏结剂的差异对温压炸药中铝粉反应速率、爆炸能量释放过程的影响。结果表明，不同黏结剂体系下温压炸药中铝粉的反应及释能过程有较大差异。其中，热固型浇注炸药的铝粉反应速率快于热塑型浇注温压炸药，热塑型浇注温压炸药参与有氧燃烧的铝粉较热固型浇注温压炸药多，其热作用转换的膨胀机械能弥补了冲击波转换机械能的不足。本研究为相关战斗部的装药选型、毁伤性能预估等提供依据或支撑。

负泊松比结构因其拉胀变形行为,在冲击载荷下展现出优异的能量分散与应力均匀化能力,在军事防护领域具有广阔应用前景。然而,传统网格类数值方法(如有限元法)在模拟大变形时易因网格畸变导致计算精度下降甚至中断。采用物质点法系统研究了三种典型胞元(正六边形蜂窝、内凹六边形和波浪形手性)夹层结构在冲击载荷下的动态响应与能量耗散机制,并通过网格独立性检验和实验验证,证实该方法具有良好的网格收敛性与物理保真度。结果表明,负泊松比结构抗冲击性能显著优于常规结构:相较于正六边形蜂窝结构,内凹六边形和波浪形手性结构的峰值反力分别降低27.9%和61.9%。机理分析表明,波浪形手性结构通过“环链旋转-韧带延展-孔隙闭合”的多级耗能机制,促使能量沿胞元网络均匀耗散,从而有效抑制应力集中与结构失效。本研究为舰艇防爆、单兵装甲等防护装备的轻量化抗冲击设计提供了理论依据与仿真工具。

为研究氟聚物基活性材料冲击点火和爆燃反应行为,基于实验观察分别提出累积温升点火机理及瞬态热扩散反应机理,开展活性材料Taylor杆冲击破碎、点火过程的热力耦合模拟,给出对应机理下的局部热点域温升。在此基础上,利用键基近场动力学热扩散理论并结合局部热点信息构建冲击碎裂材料的传热-化学反应模型,通过红外测温实验对求解结果进行验证分析。研究结果表明:点火反应前的杆件变形、碎裂模拟特征与实验记录图像基本吻合,较好地体现了活性材料的惰性响应;通过叠加绝热剪切温升和摩擦温升,杆件局部区域形成了满足点火阈值的热点域热点域与首次火光位置基本对应,绝热剪切温升和摩擦温升呈现不均匀分布,起始位置差别明显,绝热剪切温升在冲击总温升的累积中发挥了主要作用,表明累积温升点火机理模拟反映材料的冲击点火特征;爆燃反应过程模拟证明反应火光温度的不均匀分布状态受到冲击碎裂材料的质量、形态分布的直接影响;相比于热传递效应,随活性粒子反应度增加而不断释放的反应热对维持高温区域状态起到了关键性作用。

不同入射角下爆炸冲击波与典型材质作用后的反射压力会造成严重的毁伤,目前关于冲击波与不同典型材质作用后反射压力计算尚不完善,因此研究不同入射角下冲击波与典型材质的相互作用具有重要意义。为了探究爆炸冲击波与不同典型材质作用后的反射超压,获取入射压力、不同入射角对反射压力的影响,利用冲击波波阵面上的质量和动量守恒基本关系式,以及花岗岩、空气和45^#钢的状态方程,推导出不同入射角下爆炸冲击波不同典型材质间反射压力的大小。针对上述问题开展了炸药在不同炸高下爆炸试验,测量空气自由场和冲击波遇到典型材质(45^#钢和花岗岩)反射后压力值。通过将理论计算结果与试验数据进行比对验证,对比结果表明:该理论模型预测结果与试验结果一致,能有效的预测不同入射角下,冲击波作用到不同典型材质下的反射压力值的大小,为后续爆炸冲击波与不同典型材质的反射计算提供理论支撑。

以具有抗冲击应用潜力的亚稳态面心立方晶格(Face-Centered Cubic,FCC)/体心立方晶格(Body-Centered Cubic,BCC)双相Al₁₅(CoCrFeNi)₈₅高熵合金为研究对象,旨在系统研究其动态压缩力学行为并揭示微观变形机制。采用万能试验机、霍普金森压杆、电子背散射衍射、分子动力学模拟研究了其静动态压缩力学性能,分析了其塑性应力-应变响应特性、应变率敏感性及微观变形机制,阐明了其动态压缩强化机理,建立了其动态压缩本构模型。结果表明,动态压缩加载下该合金表现出明显应变率强化效应,且流动应力随应变先缓慢增长后显著上升;初始微观结构为FCC(71.4%)/BCC(28.6%)双相结构,单轴压缩加载下发生FCC相向BCC相转变,且受应变率影响较大,准静态压缩下FCC相与BCC相比值约为1∶1,动态下约为3∶7,该相变直接导致流动应力突变;MD模拟进一步证实了应变率效应显著,塑性变形机制以相变主导,且随BCC相增多由全位错滑移主导BCC相变形;基于Johnson-Cook模型,建立了亚稳态双相Al₁₅(CoCrFeNi)₈₅合金动态压缩本构模型。本研究为其在抗冲击结构材料设计与应用提供了重要理论依据。

烧结纤维网络材料作为一种新型爆炸防护材料,体现出了横观各向同性的力学特性,给工程化设计和应用带来了挑战。为了实现烧结纤维网络材料的准确数值模拟,建立了横观各向同性的唯象动态本构模型,并基于用户子程序实现了相关的本构算法。基于开展的不同加载方向应力-应变曲线,进行了本构参数的拟合,获得烧结纤维网络的材料参数。为验证所建本构模型和材料参数准确性,开展了纤维网络的爆炸模拟加载试验和相应的数值模拟分析,得到了该材料对冲击压力的衰减规律。结果表明,不同冲击加载方向下,数值模拟得到的冲击压力衰减和试样冲击压缩量与试验结果吻合良好,纤维网络材料可降低冲击压力达57.4%。所建立本构模型和参数可较好地反映纤维网络材料力学特性,可为其工程化应用提供重要仿真分析工具。

四足无人作战平台凭借其卓越的机动性和复杂地形适应能力,在未来战争中具有重大的军事应用价值。为探究冲击载荷对四足无人作战平台振动特性和射击精度的影响,建立了无人作战平台刚柔耦合发射动力学模型,通过数值仿真分析了不同冲击载荷下枪口中心点绕x轴和z轴振幅、角位移及角速度变化规律,结合六自由度外弹道模型评估了射击散布特性,开展了有/无双向缓冲装置的无人作战平台实弹射击实验。结果表明:安装双向缓冲装置后,5连发射击时枪口中心点绕x轴和z轴方向振幅显著减小,振动量降低,角速度趋于稳定,未出现固定连接工况中持续增大现象,弹着点全数散布圆半径R₁₀₀减至86.4mm,降幅34.6%。实弹测试数据显示,单发和5连发R₁₀₀分别为75.7mm、94.5mm,降低21.1%、32.8%,实验数据与仿真结果一致性较好,验证了数值仿真的准确性,证实了所设计的缓冲装置能有效抑制射击振动,大幅提高四足无人作战平台射击稳定性和精度,研究成果为无人作战平台结构优化设计提供了技术支撑。

针对模拟和再现爆炸冲击试验的三维场景可视化需求,基于虚拟仿真技术,结合爆炸场相关计算模型,搭建了一个用于研究和预测爆炸冲击波对目标的毁伤过程及毁伤效应的虚拟仿真系统。系统采用分层架构,涵盖场景管理、交互设计、威力表征与可视化仿真等层级,支持爆炸参数灵活配置、目标模型动态加载及多视角交互分析,能够适应不同类型和规模的爆炸场景。此外,基于Niagara粒子系统与物理引擎实时渲染技术,系统精准表征了火焰、烟雾、冲击波传播及目标毁伤效果如混凝土破碎、车辆结构变形等,并通过动态烟雾浓度调节功能优化观测清晰度。仿真系统以高度逼真的图形界面观察爆炸冲击的动态过程及物理现象,并支持用户在三维场景中的多视角及可缩放观察,从而提升研究的直观性和理解深度,大幅减少了实际试验的时间和成本,提供了一种安全、可靠且经济的研究手段。

针对爆炸场数值模拟中的计算规模大和并行效率低的问题,基于Euler方法提出了一种基于分布式共享内存的并行计算策略。该策略通过构建非一致性内存访问架构的集群系统,并结合消息传递接口以及无限宽带高速网络,对pMMIC-3D程序的并行化策略进行了优化,进而提升了程序的大规模计算能力。通过炸药在空中爆炸问题的仿真算例,测试了并行程序的准确性、加速比、并行效率和计算规模,测试结果表明所提出的并行策略准确有效,并显著降低了通信开销且提高了计算效率。此外,为进一步验证该并行策略在复杂场景下的适用性,选用炸药在混凝土建筑结构内部爆炸算例进行测试并与实验结果进行了对比,计算结果表明,该并行策略具备了处理复杂大规模爆炸场数值模拟的能力,适用于实际工程应用。

三明治夹芯结构在抗爆炸领域应用广泛,然而传统结构的芯层往往存在载荷稳定度不足的问题,进而限制了其防护性能。为了解决上述问题,以墨鱼骨为设计灵感,结合多孔结构的动态增强效应,提出了一种仿生梯度双波纹夹芯结构,并采用梯度多胞子弹作为加载手段对其抗冲击性能进行了系统性研究。结果表明,相比于无梯度设计的仿生双波纹夹芯结构,仿生梯度双波纹夹芯结构的压溃力效率提高了26.4%,表现出优异的抗冲击性能。当梯度分布参数和上轴率分别控制在0.1~0.15和0.5~0.75范围时,结构的压溃力效率稳定维持在80%左右,为新型防护结构设计和测试提供了新的思路和方法。

在均匀二维/三维笛卡尔网格上,数值离散和求解基于爆轰冲击波动力学(Detonation Shock Dynamics, DSD)理论的level set方程,得到的炸药稳定传播爆轰波阵面到达时刻,可用于流体动力学数值模拟的程序燃烧算法。简化和改进了DSD边界条件算法,包括边界节点模板选取方法,及边界节点排序方法。研制了消息传递接口与共享存储多线程混合并行程序DSDLS,可高效求解大规模爆轰问题。利用一系列解析解、半解析解,以及爆轰实验,对算法及程序进行了验证与确认。数值模拟得到的爆轰波走时结果与精确解、实验数据相符。超10亿节点网格大规模并行测试表明,DSDLS程序具有良好的并行效率及可扩展性。

针对自然破片战斗部爆炸事故风险评估中的关键问题,提出了一套完整的参数化综合分析方法。通过系统整合破片形成有限元模拟、破片远距离精确弹道计算、三维命中概率评估和人体损伤量化等关键环节,建立了多尺度耦合的风险评估体系。在破片运动学建模方面,开发了基于人工神经网络的气动力代理模型,通过引入破片球形度参数和马赫数双变量,大大提升了自然破片随机翻滚状态轨迹计算的精度;在危害效应评估方面,创新性提出三维饼状靶板模型,结合人体几何参数,将弹道轨迹及人员的相对位置引入破片命中人员的概率计算中;在风险量化方面,构建了融合简明损伤定级标准(Abbreviated Injury Scale,AIS)中损伤等级与破片动能分布的多层级概率评估框架。以155mm弹体为典型案例验证表明:该方法不仅可以通过环形均匀安全距离来描述破片危险性,还可以生成破片危险概率的二维空间分布。研究实现了破片初始随机性、运动复杂性与损伤渐进性的全过程量化表征,为弹药储运安全距离动态划定、靶场安全区优化设计以及工业爆炸防护提供了新的分析工具和决策支持。

为研发一种模拟空爆冲击波的压缩空气驱动变截面激波管试验装置,首先基于商用计算流体动力学软件Ansys Fluent,对经典一维Sod激波管问题、压缩空气驱动等直径和变截面激波管试验进行数值仿真分析,通过对比仿真结果与解析解和试验数据,验证了材料模型参数、边界条件和数值仿真分析方法的适用性和可靠性。其次对等直径和变截面激波管内压力脉冲演化过程进行分析,得出:稀疏波追上激波的位置为空爆冲击波的形成位置,不同扩展角的变截面激波管末端均可生成指数衰减的空爆冲击波荷载,且扩展角对冲击波波形影响很小。进一步开展了激波管几何尺寸和高压段初始压力对空爆冲击波形成位置和相应反射冲击波超压峰值的参数影响分析。结果表明:空爆冲击波形成位置与上述参数呈非线性关系,反射超压峰值随高压段直径和压力的增大而增大,随高压段长度和扩展角度减小而增大。最后,基于仿真结果和量纲分析分别建立了空爆冲击波形成位置和相应反射冲击波超压峰值的预测公式,给出了压缩空气驱动变截面激波管设计流程,并与经典Kingery-Bulmash空爆冲击波计算公式对比确定了三种典型变截面激波管的试验加载能力。

为探究纳米多孔材料液体系统(Nanoporous Material Liquid Systems,NMLS)在提升纤维围栏抗爆性能中的应用价值,针对纳米多孔二氧化硅水悬浮液的削爆效应开展了实验与数值模拟研究。通过内爆炸实验对比了空腔-围栏、水填充腔体-围栏以及NMLS填充腔体-围栏三种环形复合结构的抗爆性能,结果显示三者纤维断裂情况差异较小,水和NMLS均未表现出明显的削爆效果。建立了与实验工况对应的数值模型,采用经动态冲击实验校验的压实状态方程描述NMLS的力学行为,模拟结果表明:水和NMLS反而显著增强了围栏内壁上的爆炸载荷,压力峰值分别达到了无液体层时的1.7倍和1.9倍;NMLS引起更加严重的载荷增强是因为冲击波传入NMLS时在追赶加载作用下经历了更高幅度的初始压力增长。进一步开展了更宽参数范围的数值分析,发现:水层始终表现出爆炸增强效应,而NMLS对爆炸载荷的影响随着爆距增大、装药量减小或液体层增厚,由增强效应逐渐转化为削弱效应,这源于NMLS的吸能能力与爆炸载荷实现了匹配,导致冲击波穿过NMLS层后压力发生更大幅度的衰减。

为研究含能材料受激发后的能量释放特性并确保试验的安全性,设计了1kg TNT当量双层非对称圆柱形爆炸防护装置。通过结构设计、LS-DYNA有限元软件仿真分析和1kg TNT全当量爆轰动态响应试验,对比理论预测、实验数据及仿真结果,评估了该爆炸防护装置的安全性。仿真分析与试验结果显示:1kg TNT当量双层非对称圆柱形爆炸防护装置结构设计合理,安全系数具有较大裕度;1kg TNT全当量爆轰动态响应试验中,实测典型位置外壁面应变对应应力低于防护装置壳体材料屈服强度,实测典型位置内壁面反射超压峰值在经验公式计算值范围内,防护装置抗爆强度满足试验要求。该设计、分析和实验方法可为类似爆炸防护装置的设计与验证提供有益参考。

陶瓷/纤维防弹板广泛应用于单兵防护装备,研究其抗多发冲击性能对于减少士兵伤亡有重要意义。以Al₂O₃/超高分子量聚乙烯拼接防弹板为研究对象,针对弹着点不同位置开展了数值模拟,并与实验结果进行对比分析,验证数值模拟结果的可靠性。基于陶瓷和纤维破坏结果得出防弹板吸能与损伤特征的关系,有效计算下一次冲击的穿透概率。研究结果表明:第1发弹着点位于陶瓷片中心、两片接缝或四角拼接时,防弹板的破坏模式大致相同,接缝处陶瓷层抗冲击性能降低;第1发弹着点位于陶瓷片中心时,第2发子弹在两片接缝处穿透防弹板;随着两发弹着点距离越近陶瓷层吸收的能量越少,纤维层吸收能量越多;两发弹着点位于平行相隔和对角相隔时,中间陶瓷片未产生宏观破坏;当第1发弹着点位于陶瓷片中心时,第2次冲击的穿透概率为1.04%;当前第1发弹着点位于陶瓷片中心时,第2次冲击分别位于水平相邻中心、四角拼接、对角相邻中心时,第3次冲击防弹板穿透概率分别为5.45%、7.35%、5.05%;该方法可快速评估受损装备的抗多发侵彻能。

为研究不同聚能装药水中冲击引爆靶后炸药的性能,选择爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)、杆式射流(Jetting Projectile Charge,JPC)、聚能射流(Shaped Charge Jet,JET)3种聚能装药结构,开展水中侵彻和水中冲击引爆试验,得到不同聚能装药侵彻体入水前、着靶前和穿靶后的实测速度及对弧形靶板的侵彻效果和对靶后B炸药冲击引爆效果,并对比分析不同聚能装药水中冲击引爆机理及其在不同水介质长度下的冲击起爆系数k值的变化规律。研究结果表明:随着水介质长度的增加,3种聚能装药在水中冲击引爆靶后炸药的性能均呈非线性减小变化,且JPC的性能优于JET和EFP;3种聚能装药在穿透0~100cm水介质长度和2cm厚度的金属靶板后隔水冲击引爆B炸药的临界冲击起爆系数为18.22mm³/μs²。

为了开展复合材料雷达罩在远场爆炸载荷作用下的厚度等效研究,以纤维增强聚合物(Fiber-Reinforced Polymer,FRP)复合材料层合板为研究对象,提出一种基于挠度等效原则的串联人工神经网络(Serial Artificial Neural Network,S-ANN)模型,用于预测不同性能玻璃纤维雷达罩之间的厚度等效关系。建立爆炸载荷作用下FRP层合板动态响应有限元模型,通过批量计算有限元模型,获得不同比例距离、层合板厚度、密度及纵向弹性模量条件下的FRP层合板最大挠度,基于此建立S-ANN厚度等效模型,实现不同种类FRP材料在远场爆炸载荷作用下的厚度等效。采用\overline{A}\overline{B}\overline{C}\overline{D}传输矩阵和数值仿真方法,分析玻璃纤维等效雷达罩的频率响应特性。研究结果表明:远场爆炸载荷作用下,纵向弹性模量对玻璃纤维雷达罩的抗爆性能和等效厚度的影响最大;等效厚度对雷达罩传输效率幅值的影响很小,但会改变雷达罩传输效率的谐振频率。所得研究成果能够为雷达罩厚度等效研究及相关优化设计提供参考。

为研究带空穴柱形装药壳体破片爆炸驱动特性,揭示空穴装药结构对壳体破片初速的影响机理,利用数值仿真研究不同空穴锥角下壳体破片爆炸驱动过程和初速分布规律。通过分析稀疏波传播路径、速度损失系数和破片加速过程,拟合了壳体破片初速沿轴向分布函数,计算结果与数值仿真结果之间的相对误差不超过15%。研究结果表明:稀疏波的提前产生和横截面装填比的降低是破片初速下降的主要因素;非起爆端破片初速随空穴锥角的减小和空穴锥顶高度的增大而减小;非起爆端反射稀疏波为近似平面波且与空穴表面呈一定角度,稀疏波到达壳体的时间与壳体的轴向位置呈线性正相关关系;横截面装填比与k呈二次函数关系,k为该横截面距非起爆端的长度和锥顶高度之间的比值,速度损失系数随比值k的减小呈指数形式衰减;研究成果可对破甲杀伤复合战斗部和带空穴结构的可变形破片战斗部的总体结构设计、材料选型及结构优化提供有益参考。

研究舰艇附近水下爆炸问题对船体结构设计、爆炸冲击损害预测及人员安全保障至关重要。为此,提出改进扩散界面法中的六方程可压多相流模型以解决冲击波条件下热力学状态预测偏差,并为相关抗冲击机理研究与数值方法优化提供支撑。通过引入混合能量校正方程及更精确的气体状态方程改进模型,在非结构网格系统构建数值算法程序,采用基于最小二乘重建和 Barth-Jespersen 限制器的二阶守恒定律的单调上游中心方案(Monotonic Upstream-centered Scheme for Conservation Laws,MUSCL)-Hancock 格式、两相流带接触的Harten-Lax-van Leer(Harten-Lax-van Leer Contact,HLLC) 黎曼求解器求解齐次双曲型方程,以 Newton-Raphson 迭代法求解瞬时压力松弛方程。研究结果表明:混合能量方程校正后,模型模拟流体冲击波速度和界面的结果与欧拉方程精确解高度吻合,解决界面附近数值振荡问题;相较于实验数据,改进型模型相对误差 1.13%,准确度提升 0.33%,且通过拟合冲击 Hugoniot 曲线获得更精确的刚性气体状态方程(Stiffened Gas Equation of State,SG-EOS)参数,同时可清晰呈现水下爆炸的冲击波传播、气泡胀缩及坍塌水射流现象,但在气泡界面清晰度、射流精细度上存在缺陷,主要受数值格式极端梯度下耗散特性限制。综上,改进型六方程可压多相流模型有效提升了舰艇附近水下爆炸模拟准确性,为深入研究舰艇抗冲击机理提供重要支撑,也为后续相关数值方法的优化奠定了坚实基础。

爆炸地震波以其波长长、振幅强、传播速度快等特征,成为诱发建筑物坍塌和基础设施损毁等爆炸次生灾害的主要因素。基于2种典型防爆装备开展不同TNT药量的静爆试验,研究空爆(Free-Air Blast,FAB)、钢质防爆(Steel Explosion-Proof,SEP)和柔性防爆(Flexible Explosion-Proof,FEP)3种不同防护条件下爆炸地震波的传播衰减规律,分析SEP和FEP 2种典型防爆装备的振速时域响应与主振频率特性。构建SEP和FEP防护下的三轴峰值振速矢量和衰减模型,并据此划分建筑物破坏等级,细分为安全、轻微破坏、严重破坏三级判据准则。研究发现:三轴峰值振速矢量和随着TNT药量的增加而增大,随着爆距的增大而减小;三轴主频对于爆距或TNT药量的增大并无明显变化规律,相较于FAB,SEP和FEP均展现出对爆炸地震波三轴峰值振速的大幅度防护性能。所得研究结果可为相关防爆装备结构设计和爆炸地震波防护效能评价提供参考。

为开发既具有防/除冰功能又可以满足承载性能要求的电热复合材料,基于定制纤维铺放工艺设计制备3种镍铬合金丝并联间距(6.67mm、4.00mm和2.86mm)的电加热织物及其增强复合材料,在25W功率下,3min内复合材料表面温度最低可达87.2℃。采用落锤冲击试验机、红外热像仪和万能强力试验机测试,并分析复合材料试样在7J下的低速冲击性能、冲击后电热性能和冲击后压缩性能。研究结果表明:引入镍铬合金丝电热层后复合材料冲击吸能至少增加23.6%;电热复合材料在未发生穿孔的情况下,冲击后损伤区域的表面温度仍然可以达到72.4℃以上,冲击后压缩模量和压缩强度保留率分别可达到88.73%和94.97%以上;与玻纤/环氧复合材料相比,随着镍铬合金丝并联间距减小,电热复合材料在冲击后压缩载荷下电热层处分层现象更为显著,这一结果为飞行器防/除冰用电热复合材料兼顾力学性能的设计提供实践意义的指导。

为了研究PTFE/Al/W氟聚物基活性材料冲击加载下的力-化学响应行为,开展氟聚物基活性材料落重冲击试验,提出弱耦合跨尺度数值计算方法,基于此方法建立宏观-细观氟聚物基活性材料落重冲击加载反应过程的跨尺度数值仿真模型。结合跨尺度数值仿真对落重冲击试验的宏观、细观结构力化响应行为及冲击激活机理进行讨论分析。分析结果表明:W含量对氟聚物基活性材料冲击激活反应影响显著,随着W含量增加,材料体系冲击激活阈值降低;弱耦合跨尺度数值仿真分析模型有效模拟了氟聚物基活性材料的力-化学响应过程;X型剪切带是氟聚物基活性材料破碎、激活引发反应的主要机制,其形成、演化和分布受W含量影响较大。

为探究典型椭圆截面柱形炸药在空间中爆炸冲击波特性,开展变截面柱形炸药自由场静止爆炸实验,并建立相应的数值模拟模型,通过与实验结果进行对比验证数值模拟的可靠性;开展不同截面形状的柱形炸药在自由场爆炸的数值模拟计算,以探究截面形状对爆炸冲击波威力特性的影响。研究结果表明:椭圆截面柱形炸药产生的爆炸冲击波产生与圆截面柱形相似的波系结构,但不同方位角的冲击波传播特性存在差异,短轴方向的超压峰值、最大冲量与冲击波速度均大于长轴方向;不同长短轴比的椭圆截面炸药,长短轴比越大,这种差异性越明显。通过引入等效半径拟合得到含有长短轴比作为变量的超压峰值及超压峰值形状因子计算公式,且公式计算结果与数值模拟的结果偏差小于10%。

城市建筑的交错布局提高了爆炸冲击波传播路径的复杂性,从而增加了对毁伤效应进行全面准确评估的难度。基于计算流体动力学的数值模拟方法虽然能够精确模拟爆炸产生的冲击载荷,但所需的计算量大且计算时间长。为实现在密集城市建筑群场景下爆炸冲击波载荷的快速预测,提出基于神经网络的快速预测方法。分析训练样本数量对模型预测精度的影响,研究区域划分对模型预测性能的作用。为满足神经网络模型训练的数据需求,使用爆炸模拟软件在一个典型密集城市建筑群场景下进行网格敏感性分析,在兼顾模拟速度和精度情况下产生了80组爆炸情况的数据;为确定合适的模型结构,构建不同层数的全连接神经网络进行对比实验与分析;通过对比实验,分析训练样本数量、区域划分以及构建双模型对模型预测精度的影响。实验结果表明:新方法在训练数据以外未见过的16组测试数据上预测误差达到10%以内,推理时间只需2s,为实现城市建筑群爆炸载荷快速预测提供了一种新的途径和视角。

为清晰阐明钝性弹道冲击下人体头部的受损机理,基于THUMS(Total Human Model for Safety)模型,通过材料参数优化、比例缩放及流固耦合方法,构建符合中国50百分位成年男性头部特征的有限元模型。以LS-DYNA(Livermore Software Technology Corporation's Dynamic Analyzer)软件为仿真平台,采用任意拉格朗日-欧拉算法定义脑脊液流体特性,优化颅骨与脑组织的弹塑性材料参数,并通过网格变形技术实现头部尺寸与解剖结构的本土化适配。选取前额、顶壁、枕部及后窝等典型易损区,对比Nahum尸体实验及THUMS模型数据,验证模型的生物力学响应。研究结果表明:改进模型在易损区域的颅内压峰值分别为150kPa、75kPa、53kPa及69kPa,与实验数据误差为4%~10%,且动态响应曲线形态一致;脑组织最大von Mises应力(29.5kPa)与颅骨主应力(18.7kPa)均接近Marjoux和Yoganandan仿真实验阈值,证实模型可有效预测颅脑损伤风险。结合北约AEP-103标准评估表明,典型冲击下前额颅内压峰值达511.1kPa,远超颅骨骨折阈值(150kPa),凸显现有防护装备的优化需求。该模型应用性强,可为钝性弹道冲击下的头部损伤评估与安全防护提供方法参照和理论支撑。

沉底雷是一种布设在水底、常采用原地爆炸方式毁伤水面舰船和潜艇等水中目标的水雷。壳体是影响装药水下爆炸冲击波载荷的关键因素。采用耦合欧拉-拉格朗日方法建立近海底带壳装药数值模型,开展带壳装药水下爆炸冲击波载荷特性研究,揭示装药形状、起爆方式、壳体设置、外壳厚度比、壳药质量比等因素对沉底装药水下爆炸冲击波载荷特性的影响规律,提出一种适用于近海底条件下的新型变壁厚装药壳体,该设计在近海底条件下对冲击波载荷具有显著的增强效应。研究结果表明:壳体的约束特性会导致沉底装药水下爆炸冲击波随距离衰减放缓;变壁厚壳体对装药水下爆炸冲击波载荷具有增强效应,800mm处冲击波峰值压力随δ的增大增长最多,增长率可达9.74%;所得研究成果可为水下兵器设计提供参考。

履带车辆行星式综合传动系统换挡过程产生的动态冲击,严重影响传动系统的服役性能和可靠性。针对某行星式综合传动系统,建立齿轮传动部件、离合器和制动器等扭转动力学模型,构建传动系统换挡过程动力学模型。开展综合传动系统换挡过程仿真与台架试验,仿真与试验结果的变化趋势基本一致,验证了动力学模型的正确性。研究换挡过程典型构件的冲击载荷,揭示油门开度和冲放油特性曲线等对操纵件动态转矩的影响规律。研究结果表明:随着放油延时的增加,分离操纵件的反向动态转矩逐渐增大,结合操纵件的最大冲击转矩逐渐增大;随着放油时间的延长,分离操纵件的反向动态转矩逐渐增大,结合操纵件的最大冲击转矩先减小后增加;第4个升压阶段冲油越快,结合操纵件的最大冲击转矩越大,最大值较最小值增加了11%;随着油门开度的增大,操纵件最大动态转矩逐渐增加,最大值较最小值增加了73.8%。

超高分子量聚乙烯因其轻质和超强的机械性能而广泛应用于防护领域,可以有效抵御弹丸冲击,然而其细观抗侵彻机理及弹道冲击破坏模式还有待进一步研究。主要以二维机织和单向超高分子量聚乙烯复合材料为研究对象,建立了考虑纤维复合材料细观结构特征的弹道冲击有限元分析模型,针对不同厚度、不同纤维铺层数的复合材料板开展了正/斜侵彻数值模拟,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值模拟结果的可靠性。在此基础上,研究了复合材料板在不同冲击条件下的破坏模式与能量吸收特性。结果表明,不同速度下复合材料板的破坏模式大致相同,速度越低靶板的变形区域越大,靶板吸收的能量越少,这反映了材料在低速冲击下更趋向于发生大范围塑性变形而非局部脆性断裂;随着侵彻角度的减小,弹丸与目标材料的相互作用时间显著增加,促进了能量的传递与吸收。研究不仅深入探讨了超高分子量聚乙烯复合材料的弹道冲击力学响应,还明确了不同冲击条件下材料的破坏模式与能量吸收机制,为设计具有高效抗侵彻性能的复合材料靶板提供了坚实的理论基础。

含有裂纹缺陷的固体推进剂在服役周期内受到冲击波载荷影响易引发裂纹扩展,严重影响固体推进剂的结构完整性。为探究端羟基聚丁二烯推进剂在不同冲击波强度下的动态力学响应和缺陷损伤演化行为,采用激波管装置,结合纹影成像和3D-DIC技术,在0.3~0.9MPa的压力范围内,对无裂纹缺陷推进剂试样及含十字裂纹缺陷推进剂试样进行了冲击波加载实验,捕捉了推进剂的动态变形及损伤演化过程。结果表明,无裂纹缺陷试样变形呈抛物线形状,试样变形随冲击压力增大而增大。不同裂纹缺陷深度试样在0.9MPa冲击压力下,呈现出不同程度的裂纹扩展,多重冲击会叠加损伤,临界失效裂纹深度比例为50%~75%。残样分析显示基体裂纹、颗粒脱粘和颗粒断裂是惰性推进剂主要的失效机制。该结果对评估点火冲击条件下固体火箭发动机的结构完整性具有一定的参考价值。

为研究聚脲涂层对抗爆结构防护性能影响,提出了一种聚脲增强多层复合抗爆结构,分析了抗爆结构在冲击波与破片联合载荷作用下的防护特性。计算并获取了炸药的超压拟合公式,采用激光三维扫描仪测量了抗爆结构在联合载荷作用下的离面位移,超压与位移的实验结果与模拟结果吻合较好。研究结果表明,聚脲涂层所在的位置极大地影响抗爆结构的防护效果。涂层位于夹芯钢板迎爆面时的防护效果比涂层位于面板以及夹芯钢板的背爆面更好,可以有效减少破片的穿透率与着靶数,削弱联合载荷最终作用于背板的能量,降低背板中心的振动幅度与振动加速度。这项研究可以为多层抗爆结构的设计提供参考。

珊瑚砂因其在远洋岛礁中获取的便利性及对爆炸冲击的良好防御作用,被广泛应用于岛礁军事防护工程,而研究珊瑚砂的高压冲击状态方程需获得其冲击Hugoniot数据。为此,基于压导式连续电阻探针设计多介质冲击波测试系统,通过化爆试验以获得炸药、标准材料和待测材料的爆轰波和冲击波时程曲线,结合阻抗匹配原理可最终反演待测材料的冲击Hugoniot线;以水作为待测材料开展可行性试验,验证了方法的可靠性;采用该法测定了珊瑚砂冲击波压力与粒子速度的冲击Hugoniot曲线,并与石英砂数据进行对比。试验结果表明:基于多介质冲击波连续测试系统和阻抗匹配原理可方便可靠地测定待测材料的冲击Hugoniot曲线。为大尺度非均质材料冲击状态方程的研究提供了方法补充。

为探究不同机油柴油配比对现场混装乳化炸药爆炸性能的影响,使用数字黏度计、激光粒度分析仪、光学显微镜测试了不同机油柴油配比的乳胶基质的黏度和粒径分布,观察了炸药试样内相结构; 使用PVC管模拟孔内装药方式测量了基质及炸药试样的密度; 使用爆速仪和铅柱压缩法,分别测试了炸药的爆速和猛度。结果表明,当炸药配方中机油柴油质量比由0:5.5增加至5.5:0时,基质黏度由1.5×10⁵mPa·s增至3.7×10⁵mPa·s; 炸药敏化气泡浓度增加,气泡尺寸减小,均一性更佳; 分散相液滴粒径分布宽度从86.19μm缩小至6.33μm,平均粒径由13.85μm减小至2.78μm,分散指数由6.23减小至2.27,内相液滴分布更趋向集中均匀; 敏化剂质量分数为0.3%时,炸药密度由0.95g/cm³增大至1.10g/cm³,炸药密度呈增大趋势; 炸药的爆速、猛度也随之增大。炸药的爆速由3155m/s增至3915m/s,增幅为24.08%; 猛度由9.05mm增至12.17mm,增幅为34.48%,爆速的变化趋势与B-W法计算得出的理论值变化趋势一致; 随着敏化剂质量分数增加(0.3%、0.5%、0.7%),炸药试样显微观察下气泡数量增加,密度减小; 当机油柴油配比≤3:2.5时,炸药爆速和猛度呈先增大后减小趋势,机油柴油配比≥4:1.5时,炸药爆速和猛度呈减小趋势。

高超声速战斗部飞行时表面通常承受严重的气动加热,并经过结构传热影响内部装药的热安全性。为此,整体采用有限体积法,流固边界上采用双向耦合,模拟高超声速战斗部气动加热和结构传热问题。结合炸药化学反应动力学模型,开展了不同速度和攻角下的高超声速战斗部气动加热温度场分布规律和装药热-点火响应分析。研究结果表明:高超声速气动加热和结构传热下战斗部飞行时弹体和装药温度最高处主要集中在头部,并向后、向内递减,不同攻角下温度呈现不对称分布,迎风面温度随攻角的增大而升高,背风面温度随攻角的增大而降低;引入化学反应动力学模型,马赫数6高超声速战斗部装药约35.4s在装药顶部发生点火,温度为574K,战斗部飞行速度越快,所受气动加热越严重,其装药点火时间越短;设计了一种典型热防护结构,使得战斗部在以高超声速飞行100s的过程中,外壳和装药温度平均降低79.12%和71.45%,并保证内部装药不点火;研究结果可为高超声速战斗部热安全性评估提供技术支撑。

为了解决现有拼接式陶瓷防弹插板陶瓷片之间缺乏结构协同、对冲击能量耗散差等问题,设计一种基于铁定甲虫骨质结构的仿生拓扑互锁构型陶瓷拼接方案,开展其在枪弹冲击下对人体的防护性能数值模拟研究。基于生物材料的微观结构和工程结构中的拓扑互锁原理,设计仿铁定甲虫骨质结构的异型防弹插板陶瓷面板。基于3D-DIC试验验证仿真模型的准确性,开展DBP 10式5.8mm步枪弹侵彻正方形、六边形和仿生拓扑互锁构型陶瓷拼接防弹插板的数值模拟,发现仿生拓扑互锁构型陶瓷块能有效地让周围陶瓷参与到对冲击能量的耗散中,仿生拓扑互锁构型陶瓷防弹插板受到侵彻后的背面鼓包高度比六边形陶瓷防弹插板减少约8%。设计基于仿生拓扑互锁陶瓷构型的新型单兵防护插板,开展M80枪弹对穿新型单兵防护人体躯干的钝击效应数值模拟,结果表明:钝击能量主要被肌肉和胸肋骨承担,胸肋骨的应力峰值达到30.7MPa,可能会出现骨裂;心脏最大应力为930.2kPa,肺部最大应力为777.5kPa,可能会造成心肌损伤和肺部软组织挫伤。