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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    • 一、专题概述,发展现状
      1. 爆炸力学概述
       爆炸力学是力学的一个分支,主要研究爆炸的发生和发展规律,以及爆炸力学效应的利用和防护的学科。从力学角度研究化学爆炸、核爆炸、电爆炸、粒子束爆炸(也称辐射爆炸)、高速碰撞等能量突然释放或急剧转化的过程,以及由此产生的强冲击波(又称激波)、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。自然界的雷电、地震、火山爆发、陨石碰撞、星体爆发等现象也可用爆炸力学方法来研究。
      2. 爆炸冲击的特点
       爆炸过程一般分为以下三个阶段:能量积聚,形成高能量密度状态,属于慢过程;能量的爆炸式释放,释放状态界面以超声速推进,属于快过程;释放能量的扩散和传播,与周围介质相互作用,属于快过程。
       爆炸力学的一个基本特点是研究高功率密度的能量转化过程,大量能量通过高速的波动来传递,历时特短,强度特大。其次,爆炸力学中的研究,常需要考虑力学因素和化学物理因素的耦合、流体特性和固体特性的耦合、载荷和介质的耦合等,因此,多学科的渗透和结合成为爆炸力学发展的必要条件。
       爆炸研究促进了流体和固体介质中冲击波理论、流体弹塑性理论、粘塑性固体动力学的发展。爆炸在固体中产生的高应变率、大变形、高压和热效应等推动了凝聚态物质高压状态方程、非线性本构关系、动态断裂理论和热塑不稳定性理论的研究。爆炸的瞬变过程的研究则推动了各种快速采样的实验技术,其中包括高速摄影、脉冲x射线照相、瞬态波形记录和数据处理技术的发展。爆炸力学还促进了二维、三维、具有各种分界面的非定常计算力学的发展。
       爆炸现象十分复杂,并不要求对所有因素都进行精确的描述,因此抓住主要矛盾进行实验和建立简化模型,特别是运用和发展各种相似律或模型律,具有重要意义。
      二、爆炸冲击分析在工程分析方面的应用
       爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一门交叉学科,在武器研制、交通运输和水利建设、矿藏开发、机械加工、安全生产等方面有广泛的应用。
       爆炸冲击分析与工程应用直接相联系的工程爆破理论和技术,如爆炸加工的理论和工艺,抗核爆炸防护工程中结构动力学和岩土动力学问题,同常规武器设计相联系的内弹道学与终点弹道学。   爆炸力学在军事科学技术中起重要作用。在发展核武器、进行核试验、研究核爆炸防护措施方面,爆炸力学是重要工具。在各种常规武器弹药的研制、防御方面,炸药爆轰理论、应力波传播理论和材料的动态特性理论等都是理论基础。
       激光武器和粒子束武器也需要从爆炸力学的角度进行研制,爆炸力学研究还为航天工程提供多种轻便可靠的控制装置。爆炸力学实验技术(如冲击波高压技术)为冲击载荷下材料的力学性能的研究提供了方法和工具。
       在矿业、水利和交通运输工程中,用炸药爆破岩石(爆破工程)是必不可少的传统方法。现在光面爆破、预裂爆破技术的应用日益广泛。在城市改造、国土整治中,控制爆破技术更是十分重要。爆炸在机械加工方面也有广泛的应用,如爆炸成型、爆炸焊接、爆炸合成金刚石、爆炸硬化等。
       爆炸防护在工业安全方面有特殊重要的地位。井下瓦斯爆炸、天然气爆炸、粉尘爆炸(例如铝粉、煤粉、粮食粉末等),煤井中的瓦斯和二氧化碳突出等都是生产上十分关心的问题。对于上述问题,爆炸力学的任务是探明现象,查清机理,提供工程方法。
       

       

    • 1、舰船水下爆炸分析方面

      随着近年来计算技术的长足进步,国际上相继出现很多种大型有限元动力分析软件(例如ABAQUS、ANSYS/LS-DYNA、MSC/DYTRAN等),这使得有限元仿真成为计算舰船冲击响应的切实可行的办法。ABAQUS被广泛地认为是功能超强的非线性有限元软件,它可以分析复杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS对于舰船水下爆炸数值计算方面有一些独到的分析能力,分析内容包括准确地模拟水下爆炸对船体的影响、水下噪声分析、潜艇的整体结构和各部件的设计和鱼雷导弹的发射研究等诸多的线性和非线性的问题,以及核动力及核安全装置的安全性问题。ABAQUS在处理水下爆炸冲击载荷时,采用经验或理论公式来计算流场中冲击波传播过程中最先到达结构表面的点处的压力或加速度时历曲线,然后ABAQUS自动计算流场中的压力分布,而不是通过流场单元进行计算,所以就没有远场爆炸压力衰减的问题出现。同样在计算气泡压力时也是如此,ABAQUS绕过了水下爆炸载荷的复杂计算,直接把压力场加载到所关心的水下结构物上。所以这种方法计算速度快,结果比较可信。

      2、弹体战斗部爆炸分析方面

      现代战争,常规武器已经成为主要的作战攻击方式。在弹头接近建筑物或者侵入工程内部爆炸时,产生空气冲击波的同时,由于弹壳的破碎将产生大量的高速弹片,与空气冲击波一起对结构共同产生破坏作用。弹片与冲击波到达结构物表面的先后顺序,直接影响结构的破坏程度,冲击波与弹片同时到达或者冲击波首先到达时,二者的作用效应有叠加的效果弹片先于冲击波到达时,弹片对结构的冲击作用会首先削弱结构断面,随后而来的冲击波遇到的是强度降低了的结构其作用效应会增强。为此,需要对弹片及空气冲击波的共同作用进行分析。弹体战斗部的爆炸型式多种多样,如炸药燃耗的爆冲反应,射流反应等,冲击波、应力波对结构表面的冲击等。

      3、核爆、核反应堆混凝土安全壳内爆炸分析

      当前,内爆炸效应的研究大多限于金属爆炸容器的动力响应分析。鉴于问题的复杂性,对内爆炸过程普遍采用分段解耦的思路进行研究。在现代高技术战争和反恐怖战争中,作为重要经济目标的核电站极有可能遭受精确制导弹药的打击。弹药侵彻进入安全壳内爆炸作用下,安全壳能否保持其防止放射性泄露的主要功能,是评估其安全性的重要内容。随着计算方法、技术的发展,利用软件对结构进行计算,能较好地完成弹药爆炸产生的爆炸冲击波与结构的相互作用及结构破坏形态的理论分析。采用数值模拟方法,对预应力钢筋混凝土安全壳结构进行弹药内爆炸作用下的分析,对于核爆、核反应堆的爆炸冲击分析具有重要的意义。

      4、建筑、桥梁等爆炸冲击方面

      高层建筑、桥梁、交通设施、地铁隧道的爆炸恐怖袭击,其危害性不单在于爆炸瞬间对人员和设备的伤害。由于上述设施结构有可能被炸塌、各种通讯信号线路被毁、附近各类流体管道发生较大位移后的泄漏,特别是建筑物倒塌引起的次生灾害,水下隧道遇袭导致江河水倒灌等原因引起的次生灾害极难控制会造成很大的损失。  近年来,国内外学者围绕隧道结构的抗爆防爆问题进行了深入系统的研究。在波动力学中邻近爆破对隧道影响的问题,可以看作应力波在半无限介质中孔洞周边绕射。研究人员通过理论分析得到了稳态波作用下隧道周边的动应力集中因子(即孔洞周边的应力与无孔洞情况下相应位置、时刻的入射应力之比)的分布及其变化规律。通过应用有限元方法对爆炸荷载作用下地下拱形结构与土介质的动力相互作用进行了研究,并讨论了影响结构应力场的因素。此外研究者各种软件对各种不同爆炸工况进行了数值模拟计算探明隧道衬砌结构的动力响应规律并找出了隧道结构的薄弱部位。

       
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