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                《電子技↘術應用》
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                密閉立方體爆炸沖擊波數值模而平静擬分析
                2020年▓電子技術小巷摆在那應用第4期
                郭 濤1,2,張啟威1,2,原景超1,2
                1.中北大學 電子□ 測試技術國家重點實驗室,山西 太原030051; 2.中北大學 儀器科學與動態測試教育●部重點實驗室,山西 太原030051
                摘要: 針對爆炸沖擊卐波對密閉立方體結構的毀傷效果展開研究,在自由場爆炸沖擊波理論的基礎上,分析了密閉立方體內爆炸沖擊波的傳播規↘律及特性,並Ψ 推算出傳導公式;通過采用對立方∏體模型的特征點進行理論計算和LS-DYNA有限元分析軟件數值模擬仿真的方法,對比了不同測點的首個沖擊波超壓的理論計算值和數值模▅擬仿真值。結果表明,在密閉Ψ 立方體內3個特征測點仿真值均與理論計算值相符,可為书友120316103938441實際測量時傳感器的選型與測⊙點的布置提供理論參考依據。
                中↓圖分類號: TN011;TH73
                文獻標識碼: A
                DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190974
                中文引用格式: 郭濤,張啟威,原景超. 密閉立方體爆炸沖擊波數值琪皓牛牛模擬分析[J].電子技術應用,2020,46(4):57-60.
                英文ζ 引用格式: Guo Tao,Zhang Qiwei,Yuan Jingchao. Numerical simulation analysis of shock waves in closed cube explosion[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(4):57-60.
                Numerical simulation analysis of shock waves in closed cube explosion
                Guo Tao1,2,Zhang Qiwei1,2,Yuan Jingchao1,2
                1.State Key Laboratory of Electronic Test Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Key Laboratory of Instrument Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education, North University of China,Taiyuan 030051,China
                Abstract: In this paper, the damage effect of shock wave on the closed cubic structure is studied. Based on the free-field shock wave theory, the propagation law and characteristics of the explosion shock wave in the closed cube are analyzed, and the conduction formula is derived. By adopting method of the theoretical calculation of the feature points of the cube model and the numerical simulation of LS-DYNA finite element analysis software, the theoretical calculation values and numerical simulation values of the first shock wave over-pressure of different measuring points were compared. The results show that the simulation values of the three characteristic points in the closed cube are consistent with the theoretical calculation values, which can provide a theoretical reference for the selection of the sensor and the arrangement of the measuring points in the actual measurement.
                Key words : explosion shock wave;closed cube;propagation law;LS-DYNA;numerical simulation

                0 引言

                    如今,在開放的空間內對爆炸毀傷效果〓的研究已經十分也不等李冰清回话就挂断了电话成熟,但是關於密閉空間內的研究,由於試驗條件和環境等因素的原因,還需要進一步的探索。在密閉空間內爆炸所ζ 產生的沖擊波由於空間限制無法及時向外擴散,沖擊波在○密閉的結構中形成反射,並且入射波和反射波之【間會相互疊加並匯聚在一起,從而呈現出復雜的響應特性和規律,產生復雜的沖擊波,並且反復作用於結構壁︽面,加劇了對密◇閉空間的結構和設備的毀傷[1-2]

                1 密閉空間傻弟弟沖擊波理論分析

                    密閉空間爆炸產生的沖擊波作用〖在結構壁面上會發生多種形式的反射現象,如:正反射、斜反射等[2],使得整個空間變得復雜,因此對爆︽炸時所產生的沖擊波的定性分析變得尤為重要。考慮到試驗環境和條件的¤限制,本文基於自由場爆炸沖擊波理論,針對密閉空間內爆炸沖擊波在剛性結構面上的反射◣做定性分析。

                    當入射沖擊波垂直於目標表面∩進行傳播時,沖擊波發生正反射[3],如圖1所示,圖1(a)為沖擊入☆射波,圖1(b)是正反射的示意圖。D1、D2為沖擊波波陣面的傳播速度,P1為入射波的超壓,P2是反射波的超▅壓,P0為標準①大氣壓。將沖擊波視為高速膨脹的空氣質點,當其遇到剛性面後,在接觸的瞬間,沖擊波波陣面的速度突變為零,從而產生質點的堆積,則該№處壓力和密度急劇升高,隨後波陣面即向①相反方向運動[4]

                ck3-t1.gif

                    在自♂由場中,正反射沖擊波的超壓公式為:

                ck3-gs1.gif

                ck3-t2.gif

                    沖擊波在剛性壁面發生斜反射時,反射沖擊波超壓計算公式為:

                    ck3-gs2.gif

                    馬赫波→是由於反射波與入射波疊加產生的[6]。在水平面上方空間中,當沖擊波由爆照中心以球面的形狀在周圍空氣中傳播時,此過程中會發生正反射、斜反射,隨著距離的增加,在近距離的反射波會遇到遠距離的入射波,當入射角達到某個極↑限值後,反射波※與入射波疊加形成馬赫波[7]。馬赫波是一種匯聚我和你一起去波,其強度會隨著距爆心距離的】增大而減弱,高度隨著距爆心距離的增大而增大[8]。圖3為反射波與入射波的疊加效應示意圖。

                ck3-t3.gif

                    當測點處於馬赫反射區時,計算超壓的經驗公式為:

                ck3-gs3.gif

                    ck3-gs4.gif

                2 有限元模型的建」立及特征點選取

                    根據研究需求,建立了2.2 m×2.2 m×2.2 m的立體空間模型,選取特征點爆心垂直中環面中心A、長側邊中點B以及頂角C點3個特征點來考量我可是真密閉空間內壁超壓的最大點。選取的特征點位置和各點截面的示意圖如圖4所示。

                ck3-t4.gif

                    測點A是爆心的垂直投影點,該測點首個沖■擊波會發生正發射,測點B和測點C的首個沖擊波入射角分別為45°和42.3°。藥量為75 g時,藥量大小與炸藥炸高的關系式為W1/3/H=0.0751/3/1.1=0.38,沖擊波反射類型臨界角約為50°[9],兩個測點的沖◤擊波入射角都小於臨界角,故測□點均發生正規斜反射。特征點C處於3個內壁面交匯處,且3個面與爆心的距離对着天际旭阳相等,多個波陣面反射匯聚到C點的時間基本相同,此時該測點的沖擊波超壓急劇變大。

                    采用75 g TNT當量裝藥內部①爆轟數值模擬,使用LS-DYNA軟件展開爆轟ω過程的動態加載作用。

                    數□ 值模擬過程中采用LS-DYNA軟件中的Lagrangian、ALE、多物質Euler等算法,以滿足不同工況時的數值模擬分析。TNT裝藥采用高能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,裝藥密度ρ=1.46 g/cm3,爆速度D=0.743 cm/μs。用狀態方程Jones-Wilkins來描述爆轟後的結構體內壓壓力與①模型體積的關系,建設空材料模型並利用◣狀態方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來描述環境空氣[10]。采用歐拉網格建模來描述炸藥和空氣,單元使用多物質算法,建模如圖5所示。

                ck3-t5.gif

                3 爆炸沖擊波的數值模擬分析

                    炸藥在模↓型幾何中心爆炸後,不同時刻流場的超壓演化雲圖如圖◆6所示。

                ck3-t6.gif

                    從演化雲圖中可以觀察到,當炸藥引¤爆後,沖擊波在未到達結構壁面前可以視為自由場爆炸模型,隨著傳播的↑持續,沖擊波波陣面超壓逐漸衰減。在0.453 ms時,沖擊波波陣『面到達模型底面中心並形成正反射,如圖6(a)所示,波陣面向外擴散到達內壁形成正規斜反射;在1.212 ms處可以在圖6(c)看到波陣面交匯在兩個壁面的交線處,使得該區域的沖擊波超壓迅速上升,並向頂『角方向擴散;在2.945 ms時可以從圖6(d)中看到波陣面在一些區域發生了馬▓赫波反射,整個流場愈發變得復雜;在5.127 ms時可以看到頂角處由於匯聚了從3面交加過來的沖擊波,在頂角附∑ 近發生了沖擊波的疊加和交匯,使得此處沖擊波超壓急劇升▼高。最後沖擊波變化減緩,並最終穩定成為在自己山穷水尽靜態壓力。

                    從圖7特征點超壓時程曲線圖中可以看出,C點由於匯聚☆了3個垂直面傳播來的沖擊波,波陣面發生了劇烈的〗疊加交匯效應,使得該特征點的超壓峰峰值最▼大;其次是爆心垂直㊣投影的A點,由於該測點發生了正發射,入射波和反射波正面相遇,使A點處超壓迅速升高;B點是兩個垂直面的交ㄨ匯處,波陣面在測點内腑震荡發生了2個正規斜◥反射,反射波以近似45°方向交匯,故該處超壓也有一個突變,其超壓峰峰值為最小。對比測點A和測點B,測點B第一個波陣面峰值♀正壓作用時間比測點A大,故比ぷ沖量亦大於測點A的首個峰值比沖量。

                ck3-t7.gif

                    A、B、C 3個測點的首個波陣面的超壓峰峰值理論值↑可以利用式(1)、式(2)和式(4)計算得到,並與模擬仿真的數值進行對比,數據如表1所示。

                ck3-b1.gif

                4 結論

                    本文在理論分析和數值模擬的基礎上,針對密閉ぷ空間環境下爆炸所產生的沖擊波的規律和特性進行了研究,針對立方體模型的特征點進行∩理論計算和LS-DYNA軟件數值模擬分析,得到了爆炸後模型內部壓力場张牙舞爪的演化過程和特征點超壓時程曲線,得出結論:通過對比3個特【征點的首個沖擊波超壓理論計算值和數值模◤擬值,驗證了√在密閉空間內爆炸沖擊波的傳播規律,說明了特征點的超壓時程曲線的合理性,為下一步實際測試中傳感器參☆數的選取提供了理論依據,對於2.2 m×2.2 m×2.2 m的密閉立體空間中測點的選取提供了理論支撐。

                參考文獻

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                作者信息:

                郭  濤1,2,張啟威1,2,原景超1,2

                (1.中北大學 電子測試技術國家重※點實驗室,山西 太原030051;

                2.中北大學 儀器科他知道这样學與動態測試教育部重點實驗室,山西 太原030051)

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