工程分析中爆炸冲击载荷的计算方法

针对工程分析中爆炸冲击载荷计算的Conwep方法进行研究,根据爆炸冲击波传播特点,基于流动动力学数值模拟,总结和分析了爆炸冲击波从产生到传播的各个阶段中,压力、冲量、持续时间等影响参数的理论和经验公式,获得不同比例的入射压、反射压等冲击波参数,计算了Kingery和Bulmash经验模型参数,重构了爆炸波模型。并通过该方法对爆炸载荷作用下1050A-H14铝板的计算数据和试验结果进行了对比分析,验证了本文的ConWep算法的准确性,为工程分析爆炸冲击载荷计算提供了参考。     

减弱冲击波场对搭载设备冲击作用的实验研究

火箭发动机喷流时产生的起始冲击波超压会使受冲击体发生破坏性的形变,这对火箭弹与载弹设备的相容性形成了不利的影响。弹体在新设备上进行搭载时必须考虑对起始冲击波超压的抑制以保护搭载设备不受破坏。采用电测技术和光学流场显示技术可以研究冲击波的作用情况。笔者就是在对冲击波超压实验研究的基础上,探索抑制起始冲击波超压以减小它对设备表面的危害的途径。通过在喷管尾设置抑制装置削弱了起始冲击波超压的峰值压力,改变了冲击波的形态,提高了火箭弹与其载体的相容性。笔者还对抑制的效果进行了分析     

防护超高速碰撞破坏的材料设计

概述了超高速碰撞对空间飞行器的破坏效应，简述了防护超高速碰撞的薄板屏蔽方法。从冲击波传播规律出发，阐述了抗超高速碰掸破坏的防护材料的理论设计方法，提出了防护材料的基本结构模型。     

非线性薄梁结构对冲击波载荷的大挠度响应分析

采用大挠度弹性梁理论和中心差分法分析计算了非线性薄梁结构对冲击波载荷作用的大挠度响应，模型包括了纵向变形和横向变形之间的弹性耦合。算例给出了拉－弯耦合、拉／弯刚度比和冲击波冲量对挠度响应的影响。     

金属板料的激光冲击变形分析及其实验研究

介绍了激光冲击变形机理和冲击波产生原因,并建立了激光冲击下的板料变形模型,且推导了板料变形量计算公式。根据爆轰波和爆炸气体动力学理论,建立了激光冲击成形中激光-能量转换体-靶材系统爆轰波压力的估算式,并根据冲击波压力估算式估算所需激光脉冲能量,从而探讨了板料变形与激光能量、冲击波压力之间的关系,并进行实验研究。实验结果表明,板料厚度对变形量的影响与变形理论模型的分析基本相同,其变形量随厚度的增加而呈指数曲线减小,其轮廓形状也由小圆锥形逐渐向小球冠状变化。     

水下环境爆炸对方形水池冲击载荷数值模拟研究

水下环境爆炸问题属于较为复杂、较难进行试验的科学研究,理论公式对水下环境爆炸相关问题分析能力有限,随着数值仿真技术准确性和精确性的提高,利用数值仿真技术对水下环境爆炸问题进行分析显得尤为重要。开展了爆炸冲击对水池壁面作用力数值仿真,采用流固耦合算法和remap技术,将一维楔形爆炸模型映射到三维球体模型中,以较小的计算规模模拟3kg TNT药包在较大水池（9000mm×5000mm×5000mm）内爆炸冲击过程,揭示了爆炸冲击波在水池中发生多次反射机制,得出了水池壁面受力规律,仿真计算与分析验证了本文提出的模型方法的有效性。     

电探针保护气体的优选原则

为了研究强冲击波作用下不同气体对电探针保护能力的差异,通过化爆加载实验分别观察了氦气、氩气和甲烷气体在不同冲击波强度下电探针电路的导通现象,实验发现冲击波马赫数在7.5～12.1范围内,氦气和甲烷气体均能有效地保护电探针,而氩气环境下的电探针电路产生提前导通现象。并用一维流体动力学理论分别计算了在相同的初始条件和3～8km/s范围内的六种不同飞片速度下氦气、氩气和甲烷的冲击状态参数。通过对这些状态参数和相关物性的分析,提出了电探针保护气体的优选原则。     

Ahmed 模型的流固耦合数值计算方法探索与实验验证

流固耦合效应会影响汽车行驶安全性,对该效应的数值模拟方法的可信度需要验证。以 Ahmed 模型作为数值仿真和实验验证的对象,数值计算是流体计算与结构计算两部分耦合,配合风洞实验的位移、压力测量技术与流场显示技术(烟流法、丝线法)与之比较,数值模拟与实验所得位移结果之间的差异始终在20%以内。从流场结构角度分析得到流固耦合效应影响气动力的机理主要在于流场中涡的拓扑结构变化。为将来数值研究时变侧风下车辆的流固耦合问题提供实验及理论依据。     

SOFC多孔电极有效导热系数的实验和模型研究

固体氧化物燃料电池（SOFC）内部流动传热和化学反应复杂,容易产生热不平衡区。获取高精度的多孔电极有效导热系数对于建立多物理场耦合数值分析模型和电池热管理具有重要的意义。基于稳态法设计并搭建了多孔材料有效导热系统实验平台和测量系统,在372.1~932.4 K温度范围内详细测量了多孔电极实验样件温度分布,通过多孔材料内传热理论分析,基于现有EMT和ME1数学模型,利用比例因子t构造了温度修正的SOFC多孔电极综合有效导热系数的计算模型。同时通过对比孔隙率为0.2349~0.4178的3个实验样件表面温度的计算值和实验测量值,验证了该有效导热系数模型的有效性和高精度。     

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

利用粒子图像测速技术(PIV)捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12.0进行的数值模拟方法.所研究的叶片为典型的GE-E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布.数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型.通过与实验数据的比较发现:RNG k-ε模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合.此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响.计算结果显示:通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6.12%的主流泄漏.     

基于人工神经网络的混凝土类材料SHPB动态压缩性能预测

针对混凝土类脆性材料高应变率下本构行为,结合ABAQUS有限元仿真与反向传播（Back propagation,BP）人工神经网络技术,对分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson pressure bar,SHPB）实验过程中关键波形参数进行仿真和机器学习,建立了混凝土类材料SHPB高应变率下力学性能预测的机器学习模型,极大地提升了复杂脆性材料受冲击状态下变形行为与本构参数之间关联机制的计算效率。利用商业有限元软件ABAQUS的动态分析模块,通过在入射杆自由面设置4种不同的应力波,得到在不同应变率下材料应力-应变曲线,通过对比数值模拟结果和SHPB实验,验证了基于有限元分析的计算结果准确性。以20组ABAQUS仿真结果作为训练样本,其中入射波作为输入层,透射波和反射波作为输出层,建立相应的机器学习预测模型。研究结果表明：基于BP人工神经网络技术的机器学习预测模型具有良好的适用性,可代替量大且耗时的有限元仿真建模、分析及后处理流程,实现了高应变率下混凝土类材料应力-应变曲线形式本构行为的高效准确预测,同时可以预测给定训练样本以外更大应变率范围下材料应力-应变曲线。     

复合相变蓄热材料传热特性计算与实验研究

复合相变材料（PCM）作为一种固/液相变材料与多孔高导热泡沫等材料复合而成的新型材料体系,具有潜热大和热导率高等优异性能。因此,基于复合相变材料的蓄热装置成为新一代飞行器热管理技术的研究热点。以碳化硅（SiC）泡沫填充石蜡类相变材料为研究对象,采用有限容积法与等效热容法相结合的方法,建立了考虑材料细观与宏观传热特性的复合相变材料传热特性数值预测方法,搭建了实验平台并开展了材料传热特性的实验研究,验证了计算模型与方法的有效性。相关方法可为材料孔隙率、微结构等特征对复合相变材料传热特性的影响规律研究以及材料蓄热性能的优化提供参考。     

2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究

以2.5维编织复合材料细观几何结构的深入研究为基础,详细分析了其单元体模型。采用圆形纤维束截面和经纱沿正弦曲线分布的假设,建立了基于刚度平均的2.5维编织复合材料弹性性能分析预报模型,并采用M atlab编程用于计算该类材料的力学性能。在材料经向纱线密度不变的情况下,预测了弹性性能随纬向纱线密度的变化规律。通过理论计算结果与实验值对比,验证了该方法的正确性。     

飞机典型结构累积毁伤效应及毁伤机理

飞机在高速武器攻击下的生存力是至关重要的。这一仿真研究的主要目的就是研究某型飞机在未来空中可能遇到的武器威胁。通过模拟研究典型战斗部爆炸产生的冲击波和破片对飞机典型部位的高速冲击毁伤,得出一些有应用价值的结论。本研究针对冲击波单独加载、先冲击波加载-后破片侵彻、先破片侵彻-后冲击波加载3种混合作用模式,分析不同作用模式对结构整体变形和局部破坏的影响规律,探明破片与冲击波混合作用下的典型结构累积毁伤效应。本研究基于FEM-SPH自适应耦合算法,建立了高拟真度飞机典型结构的数值毁伤模型,并开展试验对模型进行了有效性验证。数值仿真研究中,以某典型战斗部为背景,进行了球形破片杀伤元和不同爆炸比距离冲击波杀伤元下飞机典型结构损伤的对比;讨论了钛合金结构不同的损伤情况;最后分析了飞机结构典型毁伤模式、损伤转化条件以及损伤机理。结果表明：在高速破片和冲击波联合毁伤情况下,飞机结构战斗损伤与交会条件高度相关;在冲击波的预先加载下,金属结构出现大范围塑性变形区,后破片侵彻损伤形式多表现为剪切损伤和撕裂损伤。随着冲击波比距离增加,金属结构出现大范围撕裂分离现象。经过冲击波加载下的金属结构强度明显降低,破片...     

模型表面温度对光电特性影响的实验研究

对在JF-10氢氧爆轰驱动高焙激波风洞中开展烧蚀材料模型表面温度对光电特性影响的实验方法进行了探索.风洞实验状态的驻室总压约为20MPa,驻室总温约为6000K,自由流速度约为4km/s.实验以锑化铟多单元红外成像系统与电离列阵测试装置为测量手段,用以烧蚀材料为头部的球头钝锥体模型,实验测量激波层中红外辐射的横向剖面分布和壁面附近电离密度的剖面分布,并在烧蚀材料加热和不加热两种情况下进行了对比实验.实验结果表明:烧蚀材料的加热加强了模型头部激波层中的红外辐射,同时也增大了模型表面的电子密度.     

高超声速球头激波脱体距离研究综述

从理论研究和实验研究2个方面介绍了国内外高超声速球头激波脱体距离研究的概况。理论研究方面,理论和工程算法能够用于激波形状和脱体距离的快速计算,数值计算则主要关注了高温非平衡流动下气体模型对数值计算结果的影响。由于计算方法都是针对特定理论或特定实验条件下推导并归纳总结得到的,在公式的适用范围方面存在较大的局限性。在实验研究方面,利用高焓设备进行非平衡流下的实验是目前的重点之一。由于实验、测量设备和实验条件各自的特点,实验数据的推广应用仍然是值得研究的,另外针对非空气环境(如 CO2)的球头激波脱体研究数据相对匮乏。通过调研,认为可对下列问题做进一步研究:以高超声速球头激波脱体距离为对象考虑真实气体效应时理论和工程计算的改进方法,不同化学反应和气体模型对数值计算结果准确性的综合影响,提高弹道靶发射能力以及发展高精度流场显示技术等。     

高超声速摩擦阻力直接测量实验研究

介绍了在中国航天空气动力技术研究院(CAAA)的高超声速风洞 FD-03和 FD-07中进行的摩擦阻力直接测量实验。实验目的是测量高超声速流场中模型表面的摩擦阻力。研制了应变型两分量和单分量天平,分别应用这2种天平进行了压缩拐角运动实验和乘波体模型变迎角实验。实验中的总压1MPa,总温360K,马赫数5。每个模型各布置2个天平。在压缩拐角实验中,测量了平板区的摩擦阻力,观察到压缩拐角运动对流场的干扰,并测得了压缩拐角运动干扰区的摩擦阻力。在乘波体实验中测量了模型表面摩擦阻力及其与模型迎角的关系。实验的数据中处理引入温度修正。整体实验测量不确定度良好,优于12%。     

龙脊风帆模型气动特性风洞实验

通过风洞模型实验 ,利用六分量高频底座天平技术 ,测量了称为龙脊风帆的一种单帆模型在均匀来流中各个风向角和俯仰角下的时均升力系数和时均阻力系数以及脉动升力系数和脉动阻力系数 ,可为工程中类似帆形结构的设计和受力计算提供参考     

冲击波负压确能使动物致伤

冲击波负压对机体有无致伤作用,或它对物体的破坏作用有多大,至今还没有确切的认识。本文着重研究不同水平的冲击波负压峰值对大白鼠的影响,冲击波负压通过负压发生装置来模拟调节,该装置可产生化爆、核爆和爆炸性减压条件下的各种参数。负压峰值范围为-13～-90kPa,负压下降时间为1～90ms,持续时间为14～2000ms。本文研究的负压持续时间为1OOms 左右。将 Wistar 系大白鼠分为5组,每组10只,其中一组为正常对照组,余5组分别暴露于平均负压峰值为-53.7kPa 至-85.9kPa 的环境中,立即解剖动物,重点观察肺病变,同时用6只家兔暴露于冲击波负压环境中。实验结果显示,在上述负压环境中,肺可出现从无伤至极重度伤,出血充血以及肺表面压痕与肺冲击伤的表现非常相似。随着负压峰值的变化,各组肺伤情亦随着变化,且相关非常显著,负压的降压倍数(P_0/P_ab)分别与肺伤率和动物死亡率相关显著或非常显著。本实验提示,一定条件下的冲击波负压具有明显的致伤作用,在注意冲击波超压的同时,也不应忽略冲击波负压的破坏作用,应综合考虑二者的共同破坏效应。     

用能量优化法选取细分网格顶点

分析了混合曲面初始细分网格的特点,将网格线进行分类。在这一基础上．利用曲面光顺的网格能量法,给出了计算网格顶点的优化模型。针对优化模型的特征,优先计算网格中的关键点,并把优化模型转化为线性方程组求解。这个计算网格顶点的方法实现了初始细分网格中顶点选取的自动化。实验表明,用文中方法选出的顶点能使混合曲面具有良好的光顺性,且有较高的计算效率。