水下爆炸冲击问题的物质点法研究
水下爆炸冲击波的数值模拟研究
图 @ 冲击波压力时程曲线结果的比较 $%&’ @ =05I4)%+01 02 I)*++,)* .%5* J%+.0)K /*.3**1 *LI*)%*1M* 20)5,>4 41- 789:;<
图 H 比冲量时程曲线比较 $%&’ H =05I4)%+01 02 %5I,>+* J%+.0)K /*.3**1 *LI*)%*1M* 20)5,>4 41- 789:;<
6 6 为了便于以后研究潜体结构在水下爆炸冲击波作用下的动态响应， 应该重点对 789:;< 程序与 =0>* 经验公式的冲击波峰值压力、 比冲量以及水质点速度的计算结果进行比较。 =0>* 的关于冲击波峰 值压力 ! 5 和比冲量 " 的经验公式如下
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SPH方法模拟水下爆炸研究进展
SPH方法模拟水下爆炸研究进展杨文山;孟晓宇;王祖华【摘要】The main technical problems and research status of SPH method in simulating warship underwater explosion are analyzed. The results show that the treatments of multiphase flow of larger density ratio, three dimensional or three dimensional simulations based on symmetric algorithms, non-reflecion ' boundary and other boundary problems are the main bottleneck technologies of SPH applications in the engineering of warship underwater explosion. Finally, the key research directions of SPH method to solve the problems of warship underwater explosion are put forward.%对SPH方法模拟舰船水下爆炸的主要技术问题及其研究现状进行分析.结果表明,大密度比多相流模拟、三维或基于对称算法的三维模拟、无反射边界等边界的处理是SPH方法实现舰船水下爆炸工程应用的主要技术瓶颈.提出SPH方法实现舰船水下爆炸工程应用的重点研究方向.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2012(034)012【总页数】5页(P3-6,14)【关键词】SPH;水下爆炸;多相流;边界【作者】杨文山;孟晓宇;王祖华【作者单位】武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064【正文语种】中文【中图分类】U661.720 引言随着SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法在具有材料强度的动态响应问题和具有大变形流体动力学问题上的成功应用，许多学者开始考虑用其模拟水下爆炸的可行性。
物质点法在冲击动力学中的应用研究
物质点法在冲击动力学中的应用研究冲击动力学是动力学的一个重要研究方向，涉及到航天航空工业等关键国防领域。
研究的难点包括了材料的冲击波传播、弹塑性本构、屈服准则、物态的状态方程、材料的损伤失效破坏等。
所以要完整的研究一个冲击动力学的动态响应过程在理论上是一个时间相关的强非线性体系，会遇到很大的困难。
本文采用一种新的无网格算法——物质点法，研究了冲击动力学中几个关键性的问题，包括：固体的高速碰撞、超高速冲击成坑、层裂、碎片云现象、气体的激波、空气中炸药爆炸响应。
并与传统的数值算法、实验结果和理论结果进行了一系列的对比，证明了物质点法在冲击动力学中巨大的优势。
具体内容包括：1.系统总结了冲击动力学的两类数值研究方法——传统的基于网格的数值方法和无网格数值方法，重点对物质点法的提出、发展、创新过程进行了论述。
对物质点法的应用和挑战做出了一个清晰的阐述。
2.引出物质点法的基本方程。
对物质点法的空间离散、时间离散、映射函数、边界条件、应力更新格式、人工体积粘性和时间步等关键问题进行了归纳。
对物质点法的三种基本形式：标准物质点法（MPM）、广义物质点法（GIMP）、对流域物质点法（CPDI）的本质差别进行了论述。
3.研究了物质点法在固体高速、超高速问题中的动态模拟能力。
采用Mie-Grüneisen状态方程研究了强冲击波，用Johnson-Cook本构方程研究了高温、高压、高应变率情况下的屈服应力，采用几种典型的损伤失效模型研究了最大等效塑性应变失效、最大拉应力失效、熔化失效等，研究了大变形框架下的Jaumann率增量型本构积分算法，研究了应力、状态方程的更新算法，考虑了绝热情况下的温升效应。
综合以上因素计算了Taylor杆冲击问题、厚板高速成坑现象、中板高速冲击层裂现象、超高速冲击碎片云现象。
并和已有的实验或相关文献结果对比发现，物质点法的精度和效率均提高不少。
4.针对气体中的激波问题，用广义物质点法进行了研究，其精度相对标准物质点法提高很多，但在二维问题中精度有所下降。
水下钻孔爆破的爆炸冲击波测试与分析
ｐ （ ｔ １ ＝０ ． ３ ９ ３ ６ ｅ 一
由上 述 公 式 得 出 ， 直 击 波 衰 减 的 时 间 常 数 是
：
孔上端 直接冲 出，作为水中冲击波并在水中传播 。 上述两种传播途径 中，冲击波在岩层的传播速度要 比水 中的传播速度 快，所 以，在岩层转播的冲击波 会最快 到达 ，这种 波就是所谓的前驱波 ，需要注意 的是前驱波通过岩层面的折射，能量大大减弱。
１ ． 水 下 爆 炸 冲击 波 基本 方 程
即 ：Ｋ ６ ０ １ ． ８ ５ ：ａ － １ ． ４ ２９ 。
根 据试 验 数据 ，可 以得 出 １ ｇ与 ２ ｇ条 件 下 ，随 着 距 离 的 变 化 ， 冲 击 波 压 力 峰 值 的规 律 ，通 过对 衰 减 规 律 的 分 析 ，得 出 ：随 着 爆 心距 的增 加 ， 峰 值 压
１ ． 爆 破 冲 击 波 测 试 系 统 爆 破 冲 击 波 测 试 的组 成 主 要 有 三 部 分 ： 传 感 部 件 ，而 是信 号 放 大 部件 三 是 数 据 采 集 及 图 形 显 示 部 件 。该 系 统 的运 行 机 理主 要 是 冲 击 波 的 信 号 通 过 传
感 器 部 件 ，将 其 转 换 成 微 弱 的 电 信 号 ，然 后 通 过 信
在 本 次 试 验 中 ，一 共 测 得 的 有 效 数 据 有 ７组 ，
水深均为 １ ． ５ ｍ 。其中炸药 的位置与传感器 的距离应 该在 ０ ． ５ ｍ的地方确保 药量为 １ ｇ与 ２ ｇ各一次：１ ｍ 处 的药 量 各 一 次 ，分 别 为 ｌ ｇ与 ２ ｇ ，２ ． ４ ｍ 处 的药
会越大。 同理 ，可 以得 到 １ ｇ与 ２ ｇ的条 件 下 ，二 次 压 力 波 压 力 峰 值 变 化 规 律 在 距 离 的变 化 下 与冲 击 波 的 变
CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究
第38卷第4期爆炸与冲击V o l.38,N o.4 2018年7月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S J u l.,2018D O I:10.11883/b z y c j-2017-0093文章编号:1001-1455(2018)04-0855-08C L-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究*冯凇1,饶国宁1,彭金华1,汪斌2(1.南京理工大学化工学院,江苏南京210094;2.中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室,四川绵阳621999)摘要:为研究C L-20基炸药㊁C L-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2mˑ2mˑ2m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生㊁膨胀和收缩过程㊂拟合得到气泡脉动过程中气泡半径㊁速度㊁加速度对时间的变化曲线,对比分析了C L-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律㊂在实验条件下,首次直观地拍摄到C L-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象㊂实验表明:C L-20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段㊂关键词:气泡脉动;高速摄影;C L-20;含铝炸药;二次反应中图分类号:O381国标学科代码:13035文献标志码:A六硝基六氮杂异伍兹烷(C L-20)是一种高能量密度炸药[1],其爆压㊁爆速等参数均优于奥克托今(HM X)[2],在C L-20炸药中加入金属粉(铝粉)可以大幅度提高其爆炸能量[3-5]㊂随着当代水下武器的发展,提高炸药的水中爆炸威力一直是各国科研人员的研究热点㊂目前,C L-20基及其含铝炸药已经陆续应用到水下武器战斗部中[6]㊂炸药水中爆炸后,首先在水介质中产生初始冲击波并向四周传播,随后爆炸产物在水介质中形成气泡,开始不断的收缩与膨胀[7]㊂冲击波载荷与气泡脉动载荷对于水下舰船㊁潜艇将产生一定程度的损害,但二者引起的毁伤却并不相同㊂虽然气泡脉动的压力要远小于冲击波压力,但其作用时间却远大于冲击波,尤其当爆炸中心距离附近目标物较近时,会产生 鞭状效应 [8],造成目标物结构的破坏,这对于研究炸药水中气泡脉动过程具有重要的战略意义㊂在实验室条件下,汪斌等[9]采用高速摄影技术得到P E T N水下爆炸的气泡脉动过程以及水射流过程㊂王树山等[11]利用高速录像技术得到R D X水下爆炸气泡脉动过程与水幕形成过程㊂马坤等[12采用1.2m爆炸容器模拟深水爆炸过程,利用高速相机拍摄小当量T N T深水下爆炸气泡脉动过程,拟合得到气泡脉动周期与气泡最大半径随爆炸深度增大的衰减系数㊂然而,前人的研究主要针对理想炸药气泡脉动情况,关于含铝炸药的气泡脉动实验鲜有报道㊂在此基础上,本文中利用高速摄影技术,观测C L-20基炸药和C L-20基含铝炸药水中爆炸气泡脉动过程,对比分析二者水下爆炸气泡运动时的不同现象;分析铝粉对于气泡脉动过程的影响规律,为计算炸药的能量输出规律提供实验数据,为水下爆炸武器㊁水下爆炸气泡动力学提供数据研究基础㊂1实验部分1.1实验样品实验样品包含2种配方圆柱形压装药柱,每种配方2发,共4发,实验药柱的具体状态如表1所示㊂图1为水中爆炸实验时所用药柱㊂*收稿日期:2017-03-27;修回日期:2017-06-02基金项目:国家自然科学基金项目(11102091);高等学校博士学科点专项科研博导类基金项目(20113219110010)第一作者:冯凇(1989- ),男,博士;通信作者:饶国宁,n j r a o g u o n i n g@163.c o m㊂表1实验药柱参数T a b l e 1P a r a m e t e r s o f e x pl o s i v e g r a i n 工况炸药公式炸药尺寸/(mmˑmm )密度/(g㊃c m -3)1C L -20/E s t a n e /G /W ⌀15ˑ14.681.929295/3.5/0.5/1⌀15ˑ14.681.9293C L -20/A l /E s t a n e /G /W ⌀15ˑ14.211.993480/15/3.5/0.5/1⌀15ˑ14.201.994图1实验药柱F i g .1C h a r ge c o l u m n 1.2 实验装置实验在2mˑ2mˑ2m 的水箱中进行,水箱由5mm 厚的钢板焊接而成,内装自来水,水面高度为1.6m ,炸药位于水箱水平面的中心位置,实验时利用细线将装配好的待测药柱悬挂在水中,药柱距离水箱底部的距离为0.8m ,距离水面的距离也为0.8m ㊂药柱中心㊁压力传感器和高速摄像机处于同一条水平直线上,实验选用P C B 138系列水下爆炸压力传感器,传感器的灵敏度为0.1445V /M P a,传感器敏感部位与炸药中心位于同一高度,药柱中心与传感器的距离为0.7m ,与高速摄像机的距离为1.4m ,高速摄像机为A P X -R S 数字式高速相机,拍摄频率为10000s -1,在1m s 内能够得到10幅气泡脉动图像,实验采用L E D 冷光源作为外照明光图2爆炸水箱示意图F i g .2I l l u s t r a t i o no f e x pl o s i o nw a t e r t a n k 源,其发出的光线亮度高㊁显色好,满足实验要求㊂ 炸药在水箱中爆炸时,为了避免来自界面处反射波对冲击波以及气泡脉动信号的影响[13],实验设计时,在水箱内壁周围粘贴一层白色吸波材料,当冲击波波阵面传至水箱界面时,消除强反射冲击波,保证测量数据不受干扰[14],装置如图2所示㊂1.3 实验过程如图3所示,实验中以同步脉冲发生器为高压起爆台,由高速摄影机及示波器提供触发信号,以实现实验控制台和各类数据的记录同步㊂药柱起爆后,高速摄相机获得气泡脉动图像,P C B 传感器测得冲击波压力㊂图3测试系统示意图F i g .3I l l u s t r a t i o no f t h e t e s t s ys t e m 658爆 炸 与 冲 击 第38卷2 结果与讨论2.1 C L -20基理想炸药气泡脉动1号药柱与2号药柱,为平行实验,实验结果重复性较好,此处我们以2号药柱为例㊂实验得到的C L -20基理想炸药气泡脉动过程,如图4所示,从图中可以清晰地观测到2号药柱水下爆炸气泡的产生㊁膨胀和收缩过程㊂炸药起爆后,高温高压的爆炸产物剧烈压缩周围水介质,并迅速向外膨胀,形成爆炸气泡,此时气泡内压力最大,且不均匀分布,气泡内有少量的爆轰产物从气泡表面溢出(t =0.2m s);随着气泡膨胀增大,气泡内部压力逐渐减小,由于惯性的作用,气泡过度膨胀,t =22.5m s 附近时,气泡膨胀到最大半径为59.9c m ,此时气泡内压力最小,气泡膨胀过程基本呈球形,膨胀过程中气泡的中心位移很小,几乎保持不动㊂由于气泡的过度膨胀,气泡在静水压力作用下收缩,气泡半径迅速减小:t =41.0m s 时,气泡仍为球形;t =45.1m s 时,气泡下表面收缩速度更快,底部先开始坍塌,向气泡内部凹陷,产生竖直向上的射流;t =46.4m s 附近时,气泡收缩至最小半径并迅速上浮,从气泡收缩过程开始,图42号药柱水中爆炸后气泡脉动过程图像F i g .4E x p e r i m e n t a l p i c t u r e s o f b u b b l e p u l s e f o r c a s e 2u n d e r w a t e r e x pl o s i o n 图5距离2号药柱0.7m 处压力时程曲线F i g.5P r e s s u r e h i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a t 0.7mo f c a s e 2c h a r ge c o l u m n 气泡表面爆炸产物溢出时产生清晰迹线,此时气泡内的压力远高于周围流体压力,气泡将再次膨胀;t =47.1m s 时,气泡上表面开始向上凸起;t =50.2m s 时,气泡继续膨胀,同时不再是规则的球形,随着爆炸产物的溢出,气泡表面也不再是光滑的表面㊂随后,气泡又开始新一轮的脉动,随着脉动过程中能量的消耗,各气泡脉动周期和气泡半径极大值逐渐减小,直至气泡能量被消耗殆尽㊂ 实验得到距药柱0.7m 处压力时程曲线,如图5所示㊂从图5中可以清晰地分辨出冲击波㊁第一次气泡脉动㊁第二次气泡脉动压力及周期,实验数据没有明显的干扰信号㊂由图5可知,首先传播的是初758 第4期 冯 凇,等:C L -20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究始冲击波,冲击波峰值压力高,压力为15.49M P a ,持续时间短,波形陡峭㊂冲击波过后,当气泡半径达到最大值时开始收缩,水中压力将低于静水压力,出现负压;而后当气泡半径邻近最小值时,水中的压力又逐渐上升,出现二次压力波,二次压力波的峰值压力虽远低于冲击波的峰值压力,但持续时间长,基本呈对称形状㊂因此其作用不容忽视,如图6所示㊂二次压力波之后还会出现三次压力波,二次压力波和三次压力波之间也会出现负压,但是二次压力波过后的气泡能量所剩无几,其作用可忽略不计,在此不作相关讨论㊂图6距离2号药柱0.7m 处冲击波压力与气泡第一次脉动压力时程曲线F i g .6P r e s s u r eh i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a n db u b b l e p u l s e s a t 0.7mo f c a s e 2c h a r ge c o l u m n 2.2 C L -20基含铝炸药气泡脉动实验得到的C L -20基含铝炸药气泡脉动过程如图7所示㊂以3号药柱为例,与理想炸药相比,二者的气泡脉动规律大体一致㊂当t =25.3m s 附近时,气泡膨胀到最大(半径为68.1c m );t =50.2m s 附近时,气泡半径收缩至最小㊂对于含铝炸药,C o o k 等[15]提出了二次反应理论,首先是单质炸药和其他组分的爆轰,其次是在C -J 面之后,铝粉与爆轰产物间的二次氧化反应㊂二次反应放热发生时刻为炸药爆轰后的十几到几十微秒,铝粉相对于炸药是惰性物质,在反应动力学上对反应物的浓度起稀释作用,因而导致爆速㊁爆压及波阵面上的化学能降低㊂C L -20基含铝炸药达到气泡半径最大的时间以及气泡半径都比理想炸药大一些,这些都充分说明了含铝炸药二次反应放热的特点㊂图8反映了含铝炸药二次图73号药柱水中爆炸后气泡脉动过程图像F i g .7I m a g e s o f b u b b l e p u l s e f o r c a s e 3u n d e r w a t e r e x pl o s i o n 858爆 炸 与 冲 击 第38卷图83号药柱水中爆炸后气泡脉动过程铝粉二次反应图像F i g .8B u b b l e p u l s e f o r c a s e 3s e c o n d a r y r e a c t i o n p r o c e s s o f a l u m i n u mu n d e r w a t e r e x pl o s i o n 反应放热的现象:炸药爆轰结束后,铝粉与爆炸产物的二次反应放出大量的热,使气泡内的反应产物温度不断升高;在气泡收缩至最小半径时,此时气泡内压力最大,在持续的高压与高温作用下,气泡内部高图9距离3号药柱0.7m 处压力时程曲线F i g.9P r e s s u r eh i s t o r i e s a t 0.7m o f c a s e 3c h a r ge c o l u m n 温的二次反应产物产生火球㊂摄像机以幅频10000s -1拍摄,在1m s 内能够得到10幅气泡脉动图像,而气泡内部捕捉到49.5~49.8m s 四张图片,时间间隔只有0.4m s ,这也充分体现了高幅频摄像机在观测水下爆炸气泡实验中的优势㊂实验得到距C L -20基含铝炸药0.7m 处压力时程曲线,如图9~10所示㊂对比图5,C L -20基含铝炸药与C L -20基理想炸药水下爆炸冲击波传播规律大体相同,峰值压力为15.20M P a ,略低于C L -20基理想炸药;此外,从2幅图中可以直观地看出,2种炸药的脉动周期㊁二次压力波的大小及区别㊂4发实验水下爆炸参数如表2所示,1与2,3与4为平行实验,从实验结果来看,重复性较好㊂图10距离3号药柱0.7m 处冲击波压力与气泡第一次脉动压力时程曲线F i g .10P r e s s u r eh i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a n db u b b l e p u l s e s a t 0.7mo f c a s e 3c h a r ge c o l u m n 表2实验药柱参数T a b l e 2P a r a m e t e r s o f e x pl o s i v e g r a i n 工况脉动周期/m s气泡半径/c m压力峰值/M P a146.7560.615.52246.7659.915.49349.9768.115.20450.4367.615.12958 第4期 冯 凇,等:C L -20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究2.3 C L -20基理想炸药与含铝炸药气泡脉动对比由图4和图7可以看出,气泡在膨胀阶段基本为球形,气泡收缩阶段为不规则球形,为了对比C L -20基理想炸药(2号药柱)与含铝炸药(3号药柱)的气泡脉动情况,对气泡半径进行近似处理㊂图11为2号药柱与3号药柱水下爆炸气泡半径随时间的变化曲线㊂与理想炸药相比,含铝炸药爆轰后气泡脉动周期较长,气泡半径较大:对于2号药柱非含铝炸药,气泡的脉动周期为46.76m s ,气泡最大半径为59.9c m ,3号药柱含铝炸药,气泡的脉动周期为49.97m s ,气泡最大半径为68.1c m ;C L -20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%㊂ 将气泡脉动过程中的直径-时间变化关系对时间微分,可以得到气泡膨胀㊁收缩速度随时间变化的关系曲线[16](图12)㊂图12中纵坐标为正值的曲线段对应气泡膨胀过程,炸药爆轰结束后,对应气泡膨胀速度最大,2号药柱起始膨胀速度约为132m /s ,3号药柱起始膨胀速度约为138m /s ,随着时间的推移,气泡膨胀速度逐渐减小直至零,此时对应气泡最大半径,气泡停止膨胀;纵坐标为负值的曲线段对应气泡收缩过程,随着时间增大收缩速度绝对值逐渐增大,2号药柱气泡收缩最大速度约109m /s (t =44.1m s ),3号药柱气泡收缩最大速度约为105m /s (t =48.0m s ),达到最大收缩速度后,气泡继续收缩同时收缩速度逐渐减小,当收缩速度为零时,气泡达到最小半径,此后气泡继续下一轮的膨胀和收缩㊂由于气泡脉动过程中抵抗水的阻力消耗了部分能量,气泡的起始膨胀速度大于收缩阶段的最大速度㊂从图12可以看出,速度纵坐标为正值代表气泡膨胀阶段,3号药柱气泡曲线段在2号药柱曲线段上方,说明含铝炸药气泡膨胀速度大于非含铝炸药,由于铝粉与爆炸产物的二次反应放热,使气泡内的压力升高导致膨胀速度加快;速度纵坐标为负值即气泡收缩阶段,3号药柱气泡曲线段在2号药柱曲线段上方,说明2号药柱非含铝炸药气泡收缩速度大于3号药柱含铝炸药,因为气泡收缩过程由流场中周围流体静压力驱动,当周围水的静水压力相同时,3号药柱含铝炸药气泡收缩速度小,表明3号药柱含铝炸药气泡内压力比2号药柱非含铝炸药气泡大,这从侧面反应了铝粉的二次反应放热特点㊂图11脉动过程中气泡半径随时间的变化F i g.11V a r i a t i o no f b u b b l e r a d i u s w i t h t i m e i n p u l s e p r o c e ss图12脉动过程中气泡膨胀㊁收缩速度随时间的变化F i g .12V a r i a t i o no f e x p a n d i n g a n d c o n t r a c t i n g ve l o c i t i e s of t h eb u b b l ew i t h t i m e i n t h e p u l s e p r o c e s s将气泡脉动速度时间关系曲线对时间微分,拟合得到气泡脉动加速度随时间变化关系[16],如图13所示㊂气泡膨胀过程中加速度的绝对值逐渐减小,即膨胀速度变化逐渐减慢,对应图12中速度曲线逐渐平缓以及图11中气泡半径逐渐增大;气泡收缩过程加速度绝对值逐渐增大,即速度变化加快,对应图12中速度曲线逐渐陡峭以及图11中气泡半径逐渐变小㊂从图13中可以看出,气泡刚开始膨胀阶段,2号药柱非含铝炸药气泡加速度绝对值要大一些,随着气泡的继续膨胀,3号药柱含铝炸药气泡加速度绝对值慢慢超过2号药柱非含铝炸药直至气泡最大半径处,加速度绝对值接近于零;随后气泡开始收缩,2号药柱非含铝炸药气泡加速度绝对值大于3号药柱含铝炸药,这都是含铝炸药中铝粉二次反应的缘故,释放的热量继续支持气泡的脉动过程㊂068爆 炸 与 冲 击 第38卷图13脉动过程中气泡膨胀㊁收缩加速度随时间的变化F i g .13V a r i a t i o n o f e x p a n d i n g a n d c o n t r a c t i n g ac c e l e r a t i o n s o f a b u b b l ew i t h t i m e i n t h e p u l s e p r o c e s s 3 结 论为研究C L -20基及其含铝炸药水下爆炸气泡脉动过程规律,采用水箱实验及高速摄影技术,基于小当量炸药水中爆炸试验,得到结论如下:获得C L -20基及其含铝炸药气泡脉动过程的图片,水中爆炸冲击波传播曲线;拟合得到气泡半径㊁速度㊁加速度与时间的变化曲线,对比分析发现,C L -20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%,冲击波峰值压力略有下降,C L -20基含铝炸药气泡膨胀速度快,收缩速度慢;在实验条件下,通过高速摄相技术,捕捉到C L -20基含铝炸药中铝粉与爆炸产物的二次反应放热,致使反应产物产生火球现象,可为今后的含铝炸药爆炸机理的研究提供了有效的实验手段㊂ 感谢中国工程物理研究院化工材料研究所聂福德研究员和杨志剑助理研究员提供的实验样品。
CL-20基含铝炸药水下爆炸实验研究与数值模拟
CL-20基含铝炸药水下爆炸实验研究与数值模拟冯凇;饶国宁;彭金华【期刊名称】《含能材料》【年(卷),期】2018(026)008【摘要】为了研究含铝粉与不含铝粉的六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基高聚物粘结炸药(PBXs)的水下爆炸过程,制备了含铝量分别为0和15％的两种炸药,设计了一个水下爆炸实验装置,得到了炸药的冲击波压力历程、气泡周期和气泡脉动图.计算了两种炸药的冲击波能量、气泡能量和水下爆炸总能量.采用AUTODYN软件模拟了水下爆炸过程.结果表明,当铝含量从0增大到15％时,水下爆炸总能量由1.4倍TNT当量增加到1.7倍TNT当量.气泡脉动过程中,时间从49.5 ms到49.8 ms 时,含铝炸药气泡内产生火光.含铝炸药与非含铝炸药超压分别为15.16 MPa与15.51 MPa,气泡二次压力分别为2.25 MPa与2.35 MPa,气泡周期分别为50.20 ms与46.76 ms,气泡最大半径分别为67.87 cm与60.27 cm;仿真得到含铝炸药与非含铝炸药参数超压分别为14.90 MPa与15.14 MPa,气泡二次压力分别为2.16 MPa与2.27 MPa,气泡周期分别为49.32 ms与45.90 ms,气泡最大半径分别为66.32 cm与58.89 cm.实验与仿真结果吻合良好.【总页数】10页(P686-695)【作者】冯凇;饶国宁;彭金华【作者单位】南京理工大学化工学院,江苏南京210094;南京理工大学化工学院,江苏南京210094;南京理工大学化工学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ55;O384【相关文献】1.含铝炸药水下爆炸及其对舰船毁伤的数值模拟 [J], 赵倩;聂建新;王秋实;段晓瑜2.黑索今基含铝炸药水下爆炸性能的实验研究 [J], 荣吉利; 赵自通; 冯志伟; 韦辉阳; 潘昊; 徐洪涛; 辛鹏飞3.CL-20基含铝炸药组分微结构对其爆炸释能特性的影响 [J], 冯晓军; 薛乐星; 曹芳洁; 刘谦; 李欣4.含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟 [J], 孙远翔;田俊宏;张之凡;师明飙5.铝氧比对CL-20基含铝炸药水下能量输出结构的影响 [J], 孙晓乐;万力伦;杨琢钧;刘平;彭继武;刘海伦因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
铝化炸药水下爆炸冲击波特性分析
铝化炸药水下爆炸冲击波特性分析摘要：本文采用一维流体动力学、与时间相关的JWL 爆轰产物状态方程以及压力指数为1/6的反应速率方程，计算分析了铝化炸药水下爆炸冲击波特征参数对反应速率的依赖关系。
结果表明，反应速率常数存在阈值，只有反应速率足够大，才能充分利用爆炸能量。
根据铝粉粒度与反应速率常数的相关性，通过控制铝粉粒度可以设计不同的能量输出特性。
关键词：铝化炸药；冲击波；水下爆炸1 引言火药和炸药的能量输出具有明显的差异。
通常火药的化学反应以燃烧方式进行，可在较长的时间内生成高温气态产物，因而具有较高的冲量输出。
而传统炸药的能量释放是以爆轰波的形式快速进行的，表现为输出压强高、时间短。
虽然两者单位质量释放的能量大小具有相同的量级，但它们的能量释放速率的差异导致了威力的不同。
在实际应用中，往往需要根据目标的爆炸毁伤特性来设计相应炸药的能量输出，因此仅采用理想炸药对爆炸能量的释放进行控制是非常有限的。
特别是对于炸药在土岩介质或水中的爆炸作用，其静态能量输出显得尤为重要。
以铝化炸药为代表的非理想炸药兼顾了火药和炸药的能量释放特性，为爆炸能量释放速率的设计提供了一种非常有效的手段。
典型的铝化炸药通常由理想高能炸药、氧化剂、铝粉和粘结剂等组分构成，其化学反应过程首先是高能炸药组分的快速爆轰，然后是其它组分非理想地低速分解或氧化反应。
因此，通过控制两步化学反应的能量分配比例和低速反应的能量释放速率，可以调整水下爆炸的冲击波能和气泡能的大小，达到对特定目标的最大毁伤效果。
有限元程序能够对铝化炸药的水下爆炸过程进行深入的分析[1]，但需要不断地重分网格，于是耗时较多。
而采用一维流体动力学描述炸药的水下爆炸效应则是一种简单、有效的方法[2]。
本文利用一维流体动力学数值计算，对低速能量释放速率与水下爆炸冲击波的相关性进行了分析。
2 一维流体动力学计算方程由于炸药的水下爆炸是包含爆轰产物和水介质两种物质的流动问题，因而适合采用Lagrangian 方法。
在水下爆炸冲击波作用下的新型冲击因子
在水下爆炸冲击波作用下的新型冲击因子水下爆炸是一种常见的爆炸形式，它在水下环境中产生的冲击波对周围环境和结构物造成了巨大的影响。
在水下爆炸冲击波作用下，会产生许多冲击因子，这些因子对于研究水下爆炸的影响和防护措施具有重要意义。
一、冲击波传播特性水下爆炸冲击波的传播特性是研究冲击因子的基础。
冲击波在水中传播时，会受到水的阻力和粘滞力的影响，使得冲击波的能量逐渐减弱。
此外，水的密度和压力也会对冲击波的传播产生影响。
因此，研究冲击波在水中的传播特性，可以帮助我们了解水下爆炸对周围环境和结构物的影响程度。
二、冲击波压力水下爆炸冲击波的压力是造成冲击因子的主要因素之一。
冲击波的压力与爆炸源的能量、距离和介质特性等因素相关。
在水中，冲击波的压力会随着距离的增加而减小，但相对于空气中的爆炸来说，水下爆炸的压力更加集中和强大。
因此，在水下爆炸冲击波作用下，周围环境和结构物所承受的压力将会很大，这是造成冲击因子的重要原因之一。
三、气泡效应水下爆炸冲击波产生的气体会形成气泡效应，这也是造成冲击因子的重要因素之一。
在爆炸发生后，爆炸源周围的水会迅速蒸发形成气体，而这些气体会形成一个或多个气泡。
这些气泡在上升过程中会带动周围的水形成一个巨大的气泡云，并造成剧烈的涡流和压力变化。
这种气泡效应会对周围环境和结构物产生巨大的冲击力和摩擦力，从而造成冲击因子。
四、声波效应水下爆炸冲击波产生的声波也是造成冲击因子的重要原因之一。
爆炸产生的冲击波会引起周围水分子的振动，从而形成声波。
这些声波在水中传播时会引起压力变化和震动效应，对周围环境和结构物产生影响。
声波效应不仅会造成物体振动和位移，还会对水下生物产生伤害。
因此，在进行水下爆炸研究时，需要考虑声波效应对周围环境和结构物的影响。
五、沉积物悬浮水下爆炸冲击波作用下，爆炸产生的能量会使得底部沉积物悬浮起来，形成一个底部悬浮云。
这种沉积物悬浮现象会对周围环境和生态系统产生影响。
沉积物悬浮不仅会改变水质，还会对水下生物产生伤害，并且对于海底设施和管道等结构物也会造成损坏。
球对称形式物质点法及其在水下爆炸中的应用
中图分类号 ： Ｏ３ ８ ２ ． １ 国标 学科 代 码 ： １ ３ ０ ３ ５ ２ ０ 文献 标 志 码 ：Ａ
对水下 爆 炸 问题 的研 究一 直是 爆炸 冲击 动力 学领 域研 究 的热点 ， 在 军 事工 业 以及 民用 建设 领 域 都 具有 重要 的意 义 。水 下爆 炸涉 及 高能炸 药 的爆轰 、 冲击 波 在水 介 质 中 的传 播 和气 泡 的脉 冲等 一 系列 复 杂过 程 ， 理 论 与实验 研究 都具 有一 定 的局 限性 。数值研 究具 有低 成本 、 可重 复 和过程 细节 易于 捕捉 等优 势， 在水 下爆 炸研究 领域 中起 着越 来越 重要 的作 用 。水下 爆炸过 程存 在 大变形 问题 ， 使得 基于 随体 网格 的拉格 朗 日方 法产 生严 重 的网格 畸变 ， 影 响计算 精度 ， 甚 至 使计 算无 法 进 行 ， 所 以大 都 采用 具 有 空 间 固 定 坐标 的欧拉 方法 对水 下爆 炸进 行数值 分 析＿ １ ］ 。但欧拉 方 法不 易观察 材料 的变 形历 史 ， 并 且物 质 界 面 的处理 也是 欧拉 方 法 面 临 的一 个 难 题 ， 这 些 都 限 制 了欧 拉 方 法 的应 用 。近 年 来 无 网 格 方 法 如 Ｓ Ｐ Ｈ （ ｓ ｍｏ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ） 、 ＭＰ Ｍ（ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ — ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ） 等 因为 不存 在 网格 畸 变 ， 可 以很 自 然 地处 理大 变形 问题 ， 在爆 炸 冲击 问题 中得到 了广 泛应 用［ ５ 。ＭＰ Ｍ 由流 体 动力 学领 域 的 Ｐ Ｉ Ｃ（ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ — ｃ ｌ ｅ — ｉ ｎ — ｃ ｅ ｌ １ ） 法发 展而来 ， 兼 具拉 格 朗 日法 和欧 拉法 的优 点 ， 在 处 理 大变 形 以及 多介 质 耦合 问题 时具 有 突 出优 势口 。ＭＰ Ｍ 将 问题域 离散 成一 系列 携带 材料性 质 的物 质点集 ， 对 于三 维水下 爆 炸问题 ， 尤其 是 三
水下爆炸(理论)
(2)鼓包形状可以发展得很尖，具有光滑的表面，在顶点附近产生小孔破裂。 鼓包破坏范围较大，这种现象也是流体的特点，其破裂可看成一种流体局 部变薄所致。在炸药附近，没有压缩圈。
(3)可见爆坑漏斗很小，这是由于除去飞出淤泥回落爆坑以外，还由于淤泥 流动性很大,爆坑四周的淤泥由于重力的影响也往坑内回淤。 (4)鼓包和爆坑基本满足几何相似律。
在爆炸载荷作用下，石块之间引起错位，使空隙率减少，另一 方面爆炸作用使整个堆石体向淤泥中运动，将淤泥从堆石体外泥面 挤出，钻探结果表明，只有一小部分淤泥挤入堆石体的空隙内，因 而总的爆炸能量看来主要用于侧向挤淤。 模拟试验曲线表明，爆夯下沉运动有一个很短的加速过程，此 后有一较长时间近似匀速过程，最后减速至终止。经过分析，爆炸 产物初始压力很高并伴有冲击波，因而淤泥运动有一加速过程。当 爆炸气团迅速膨胀，其压力随之降低，当低至和淤泥的强度和阻力 相当时，就出现一个近似匀速的过程。这时气团压力较低，淤泥的 质量大；因而有一个比较长时间的匀速过程。随后，爆炸气团浮出 水面或逸出，堆石体在淤泥强度和阻力作用逐渐减速至零。
n1 Q1/ 3 / W
或
n1 q / W
或
n1 s
1
2
/W
因此对于爆夯和堤下爆炸挤淤，只要保持其它几何条 件及所有物理条件 (如炸药品种、炸药密度、土质等)不变， 就有 1
D s 2 f W W
D f q / W W
从上注意到，如果变形阻力基本上不随D变化，则D正比于变形 功。容易证明，如果炸药量的利用率是常数 (不依几何尺寸变化)，即 变形功正比于药量，则有
Ds
1 2
Dq
对于爆炸排淤填石，除了形成漏斗这个初期过程外，还必须考虑 堤头塌落和石舌形成这个后续过程，才能确定每次爆炸的进尺量。正 如前面所阐述“石舌”的形成，在爆炸压力和位势差的作用下，堤本 gW 2 身形成泥石流进入坑底。这时，非平衡的推动力正比于 ，变形阻 gW 2 gW 2 力正比于 ，所以其合力正比于 ，因为是在重力作用下，所以运 1/ 2 W W2 动时间正比于 。另外，参与运动的总质量正比于 。因此根据 g 牛
乳化炸药水下爆炸能量输出特性的实验研究
乳化炸药水下爆炸能量输出特性的实验研究作者：汪泉徐定博张显丕来源：《山东工业技术》2016年第23期摘要：工业炸药爆轰的非理想性反映出其爆炸能量输出的差异，水下爆炸测试是评测炸药爆炸能量输出状况的重要手段之一。
本文在圆筒形小水池（Ф5.5m，H3.62m）中测试了给定配方的岩石型乳化炸药（Ⅰ）水下爆炸参数，并与给定的粉状TNT炸药（Ⅱ）、二级煤矿水胶炸药（Ⅲ-a）、三级煤矿水胶炸药（Ⅲ-b）水下爆炸参数进行对比。
实验测试结果表明：（1）乳化炸药及对比炸药水下爆炸峰值压力Pm满足Pm（Ⅲ）关键词：水下爆炸；乳化炸药；冲击波能；气泡能DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.2611 引言乳化炸药是泛指一类用乳化技术制备的使氧化剂盐类水溶液的微滴，均匀分散在含有分散气泡或空心玻璃微珠等多孔物质的油相连续介质中，形成一种油包水型（W/O）的乳胶状含水工业炸药。
乳化炸药体系中因氧化剂与可燃剂接触紧密充分，所以其爆轰激发、传播及爆炸性能明显优于其它工业炸药而接近于理想状况。
水下爆炸测试是评测工业炸药爆炸能量输出状况的有效手段，已经越来越引起关注。
颜事龙等人[1]以TNT炸药水下爆炸冲击波参数为基础，根据能量相似原理推导出了工业炸药水下爆炸能量的计算公式。
周霖等人[2]研究了典型炸药水中爆炸能量输出特性及其影响因素，建立了炸药水中爆炸冲击波能、气泡能、冲击波超压的计算方法。
赵琳等人[3]利用水下爆炸方法，通过测量冲击波的压力-时间曲线，计算了多种工业炸药的能量输出结构。
张显丕等人[4]则在小水池中测试乳化炸药等几种常用工业炸药水下爆炸参数，着重分析了乳化炸药水下爆炸能量特征。
目前采用水下爆炸手段对乳化炸药爆炸能量输出特性进行研究较少。
本文在直径5.5 m、深3.62 m的小水池中测试了乳化炸药及其它工业炸药水下爆炸参数，包括冲击波压力峰值、衰减时间常数、比冲击波能、气泡脉动周期、比气泡能等，综合分析了乳化炸药水下爆炸能量输出特性，认为乳化炸药相对于其它工业炸药而言爆轰具有理想性行为。
水下爆炸冲击环境相似性研究的开题报告
水下爆炸冲击环境相似性研究的开题报告开题报告：水下爆炸冲击环境相似性研究一、选题背景水下爆炸是一种常见的水中爆炸形式，是水下作业以及海军军事作战中十分常见的事故因素。
水下爆炸波的破坏力和冲击力大，在造成机体破坏和死亡方面与空中爆炸波相似。
目前在水下爆炸方面的研究较多，主要集中在对爆炸波的强度和方向性、波前时间和降解途径的精细化理解，对爆炸波影响下的设备及结构物的威胁分析及设计等方面。
但是，在这些研究中，都没有充分考虑到爆炸波产生的环境相似性问题，这就导致了我们对于水下爆炸冲击环境相似性的认知很少，需要更深入的研究。
二、研究目的本论文研究水下爆炸冲击环境的相似性和规律，旨在掌握水下爆炸波的传播规律和对水下结构物的破坏特点，为进一步爆炸波的数值模拟和冲击效果预测提供支持，同时也对军事安全和海洋工程的设计提供参考意见。
三、研究内容1. 爆炸波的传播规律研究通过实验模拟和数值模拟，研究爆炸波在不同介质下的传播规律，分析爆炸波的能量传递、波速、波形、波前时间等指标，探究介质对爆炸波传播的影响，以及折射和反射等现象。
2. 水下爆炸的冲击效应研究以实验和数值模拟为手段，分析水下爆炸对结构物的破坏特点，包括爆炸波作用下的流场及压力分布变化，以及结构物物理特性和受损程度等。
3. 爆炸波吸收介质的研究研究介质对爆炸波的吸收作用，并分析爆炸波的传播特征与介质的物理性质之间的关系，从而探究各种介质在爆炸波传播过程中的影响，为后续的冲击效果评估提供支持。
四、研究方法本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法，组合多个实验装置和数值模拟软件，进行爆炸波传播规律研究、冲击效应研究和介质吸收研究等，通过实验结果和数值仿真得到相应的结论。
五、预期成果1. 研究水下爆炸波的传播规律和冲击规律，掌握其特点和规律。
2. 研究介质对爆炸波传播的影响，深入探究吸收介质的变化与爆炸效果的关系。
3. 针对研究结果进一步提出针对性的防御方案，为水下爆炸防御和海洋工程设计提供参考建议。
多相介质爆炸冲击响应物质点法数值模拟
格节 点通过 形 函数构成 映射计算 关 系 ， 在外 部 载荷作 用 下 ， 连续 体 的变 形 和破 坏 均 由这 些 质 点来 跟 踪 。
ＭＰ 法利 用 了欧拉法 和拉 格 朗 日法 二者 的优 点 ， Ｍ 在处 理爆 炸 冲击 、 大变 形 和 随时 间 变化 的非 连 续 问题 时与 网格无 关 ， 算 时不需 要重 新划 分 网格 。尤其 是应 用 ＭＰ 法 求 解 涉 及多 相 介 质爆 炸 冲 击 响应 问 计 Ｍ
题时， 不需 要考 虑物质 问 分界 面的移 动和 变形 ， 合 条件 自动满 足 ， 耦 而且 质 点 之间 不 存 在相 互 穿越 的现 象 ， 是其他 无 网格法 所 不具备 的特 点 。本文 中应 用 ＭＰ 法 对 带金 属 外 壳 和不 带 外壳 的两 种类 型炸 这 Ｍ
弹产生 的爆 炸效 应 以及 弹片对 混凝 土墙体 的破 坏进 行数 值模 拟 ， 对两 种类 型炸 弹 的破坏 程 度 进行 比 并 较分 析 。
困难 ， 计算 精度严 重下 降 ， 算机 数值 模拟 也变得 难 以实 现［ 。近些 年 来 ， 网格 法 被 提 出并 成 为研 究 计 １ ］ 无
热点 ， 常用 的无 网格法 有 十几种 其基 本思 想是 将连 续体 离散 为质点 单元 的形式 ， 计算 过程 中 ， 有 引， 在 所 信息 都 由这 些质 点来 表达 ， 避免 了 网格重新 划 分 的难 题 。作 为无 网格法 之 一 ， 物质 点 法 （ ｔｒ ｌ ｏｎ ｍａｅｉ ｉｔ ａｐ
２ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆＣｉ ｉ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｎ ｎ ａ ｎ ｉｅ ｒｎ ，Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｉ ｏ ｒ ，Ｃｏ ｕ ｉ Ｏ ５ １ — ２ ０ ． ｐ ｒ ｍｅ ｔｏ ｖ ｌ ｎ ｖ ｒ ｍｅ ｔ ｌＥ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｏ ｉ ｅ ｓｔ ｆ Ｍ ｓ ｕ ｉ ｓ ｌ ｍｂ ａ Ｍ ６ ２ １ ２ ０ ，ＵＳ Ａ）
固体炸药冲击起爆的物质点法研究
固体炸药冲击起爆的物质点法研究开展起爆动力学方面的研究对军事科学领域的发展具有非常重要的意义,由于问题的复杂性,其实验和理论的研究进展非常缓慢。
随着计算机技术的迅速发展,数值模拟技术逐渐成为解决此类问题的重要手段。
对于冲击起爆问题,涉及大变形、化学动力学、多相介质耦合等问题,这给传统的基于网格算法带来了极大地困难。
对于拉格朗日型网格,网格畸变导致时间步的急剧减小,大大降低了计算效率,并增加累计误差;对于欧拉型网格,由于对流项的存在,计算也有一定的困难。
针对传统网格算法的缺陷,无网格法逐渐发展成为当今计算力学的热点。
物质点法就是一种无网格算法,它由质点网格法(Particle-in-Cell, PIC)和流体代码FLIP的基础上发展而来。
物质点法集合了拉格朗日法和欧拉法两者的优点,避免了网格畸变和对流误差。
物质点法最大的特点是它自动满足无滑移边界条件,在计算碰撞接触问题时,无需设置主从接触面,在求解本文所研究课题时具有较大的优势。
建立了冲击动力学的物质点法计算模型,采用集中质量法,给出了控制方程的显式求解格式。
物质点法采用固定的背景网格,为方便本质边界条件的处理,采用有限元形函数进行位移函数近似;为保证大变形分析时材料标架的客观性,采用焦曼应力率进行应力的更新;在处理冲击波波阵面的强间断性时,引入了人工粘性;为满足显式时间积分算法的条件稳定性,对时间步控制和声速计算等进行了讨论。
采用不同的强度模型对冲击碰撞问题进行了研究,结果表明在高速撞击条件下,强度模型对压力的计算结果影响不大。
分别采用物质点法、有限元法、光滑粒子流体动力学方法对高速冲击问题进行了数值模拟,从计算效率来看,采用物质点法来求解本文所研究的问题是相对较优的。
对超高速碰撞下碎片云的形状进行了数值模拟,计算得到的碎片云形状与实验结果基本一致。
进一步发展了物质点法,提出了多物质物质点计算格式并将其成功应用到固体炸药冲击起爆问题。
在本文的计算中,未反应炸药和爆轰产物的状态方程均采用JWL状态方程,炸药的反应速率方程采用点火增长方程。
冲击爆炸问题的三维物质点法数值仿真
冲击爆炸问题的三维物质点法数值仿真作者：张雄廉艳平杨鹏飞李金光张衍涛王汉奎刘岩来源：《计算机辅助工程》2011年第04期摘要：基于物质点法（Material Point Method，MPM）模拟超高速碰撞和爆炸问题时呈现的特点，概述对MPM及其应用的扩展，包括：将MPM扩展应用于超高速碰撞问题，物质点有限元法（Material Point Finite Element Method, MPFEM)，杂交MPFEM，MPM质点自适应法，基于局部多重背景网格的接触算法和并行MPM算法.在此基础上开发针对冲击爆炸问题的三维显式并行MPM数值仿真软件MPM3D. MPM3D采用C++语言开发，并基于Qt和VTK开发图形用户界面PeneBlast，可在Windows，Linux和Mac OS等多种平台上运行.关于超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效和金属切削等问题的大量实例表明MPM3D的可靠性和准确性. MPM3D可作为航天器空间碎片防护、常规武器研发与防护等的有效设计工具.关键词：物质点法；无网格法；超高速碰撞；侵彻；爆炸； MPM3D中图分类号： O389；TB115.1文献标志码： B3D simulation based on material point method forimpact and explosion problemsZHANG Xiong, LIAN Yanping, YANG Pengfei, LI Jinguang,ZHANG Yantao, WANG Hankui, LIU Yan(School of Aerospace, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract： Based on the characteristics of Material Point Method(MPM) in the simulation of hypervelocity impact and explosion problems, the extension on MPM and its application are introduced, including the application hypervelocity impact problems by using MPM, material point finite element method(MPFEM), hyprid MPFEM, an adaptive particle splitting scheme for MPM, contact algorithm based on local multiple background mesh, and parallel MPM algorithm. Based on the improvement, a 3D explicit parallel simulation software MPM3D is developed for impact and explosion problems. C++ is used to develop MPM3D and the graphical user interface PeneBlast isdeveloped by Qt and VTK. MPM3D can run on different platforms such as Windows, Linux, Mac OS, and so on. Many examples about hypervelocity impact, penetration, explosion, slope failure and metal cutting verify the reliability and accuracy of MPM3D. MPM3D can be an effective design tool for spacecraft protection on space debris, conventional weapon development and protection, and so on.Key words： material point method; mesh-free method; hypervelocity impact; penetration; explosion; MPM3D0引言材料与结构在冲击爆炸载荷作用下的动态响应问题是几何、材料和边界条件均为非线性的多物理场强耦合问题，涉及高应变率、高压、高温、相变乃至化学反应，气体、液体和固体等多种物质间相互耦合甚至混合，材料不但会严重扭曲和破碎，还会熔化甚至气化.在这类问题的研究中，数值模拟比其他研究手段更经济，更便于观察，能突破试验和理论研究的局限性，正发挥越来越重要的作用.数值模拟方法可分为拉格朗日法和欧拉法两大类.拉格朗日法中计算网格随物质一起变形，可方便地跟踪材料界面和引入与变形历史相关的材料模型，但对于涉及特大变形的问题会因网格严重畸变而产生数值求解困难，且难以有效模拟材料的破碎、熔化和汽化等行为；此类方法的代表性程序为DYAN.欧拉法中计算网格固定在空间中，不存在网格畸变问题，但不易跟踪材料界面，且非线性对流项也导致数值求解困难.国内学者在此方面做了大量研究工作，宁建国等［1］开发出欧拉型三维爆炸与冲击问题数值模拟软件EXPLOSION-3D；北京计算数学与应用物理研究所开发出流体动力学程序MEPH2Y和MEPH3D ［2-3］；王景焘等［4-5］基于高精度时空守恒元解算法开发出SUPER CE/SE程序.近年来，无网格算法在国内引起广泛关注并被应用于冲击爆炸领域.LIU等［6］用光滑质点流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法对爆炸问题进行大量工作；杨秀敏［7］用SPH方法并结合有限元法开发出爆炸冲击问题数值模拟软件EF3D和EP3D；王宇新等［8-9］用物质点法［10］（Material Point Method，MPM）模拟冲击爆轰等问题.本文简要介绍MPM和本课题组针对超高速碰撞、侵彻和爆炸问题在MPM方面的研究，重点介绍所研发的三维显式并行MPM数值仿真软件MPM3D及其在超高速碰撞、侵彻和爆炸等方面的应用.1MPM基于FLIP(Fluid Implicit PIC)方法［11］发展起来的MPM采用拉格朗日法和欧拉法双重描述，将物体离散为一组在空间网格中运动的质点.这些质点携带所有物质信息，如质量、速度、应变和应力等，其运动表示物体的变形和运动.空间网格即背景网格用于动量方程的求解和空间导数的计算，不携带任何物质信息.背景网格可在空间中固定，也可根据问题的特点按照某种方式自由布置.在每个时间步中，将物质点和背景网格完全固连，将物质点的物理量映射到背景网格节点上建立背景网格节点的运动方程，求解运动方程后再将背景网格节点的物理量映射回物质点，得到下一时刻物质点所携带的物质信息.这一步物质点和网格节点一同变形，没有相对运动，是拉格朗日求解，避免欧拉法中处理对流项的困难，且很容易跟踪物体的界面.物质点携带所有物质信息，故在下一个时间步中可以丢弃变形后的背景网格，仍采用规则的背景网格，从而避免拉格朗日法中因网格畸变而产生的数值困难.可见，MPM结合拉格朗日法和欧拉法各自的优势，适于分析特大变形及流动问题.MPM采用线性形函数，其导数在格子(cell)之间不连续，因此当质点跨越格子时会对系统产生扰动，称为跨格子噪声（cell-crossing noise），导致精度降低，甚至会使部分问题结果完全失真.BARDENHAGEN等［12］针对此问题发展广义插值MPM（Generalized Interpolation MPM，GIMPM），有效抑制由于质点跨越格子而引起的数值噪声.由于速度场的单值性，MPM自动满足无滑移接触条件，便于处理碰撞接触问题，特别是在超高速碰撞问题的模拟中，弹靶间的滑移可以忽略，采用MPM无须采用特别的接触算法即可达到较好的模拟效果.为处理滑移接触，HU等［13］引入多重背景网格概念，各物体在接触节点处的法向运动量在公共背景网格上求解，而切向运动量则在各物体的背景网格上求解，既保证各物体在接触点处的法向速度和法向加速度连续，又允许它们的切向运动相互独立；BARDENHAGEN等［14］基于多重速度场的思想给出MPM的接触/摩擦/分离算法，用于颗粒材料的数值模拟；NAIRN［15］将接触算法扩展到物体内部表面之间的自接触中，用于分析裂纹扩展问题.目前，MPM已应用于冲击、爆炸、裂纹扩展、材料破坏(脆性破坏、分层复合材料脱层破坏、层裂破坏)、多孔材料与颗粒材料和生物力学等的数值模拟中.2对MPM的扩展2.1超高速碰撞在空间碎片防护设计中，研究碎片云对航天器的作用非常重要.通过侵蚀算法，有限元法可模拟弹丸对靶板的侵彻过程，但无法得到超高速碰撞所形成的碎片云形貌.通过引入Johnson-Cook材料模型和Mie-Gruneisen状态方程，将MPM应用于弹丸超高速碰撞薄板问题，能较好地模拟薄板背后形成的碎片云形貌，展示MPM在该领域的应用前景.［16］2.2物质点有限元法MPM虽然能避免拉格朗日法的网格畸变问题，但对于小变形问题，其效率和精度均低于有限元法，因此有必要将两种方法结合.通过在大变形区域中引入背景网格，提出物质点有限元法(Material Point Finite Element Method, MPFEM).［17］物体初始用有限元离散，但在可能发生大变形的区域预先布置背景网格；将进入背景网格区域的有限元节点视为物质点，动量方程在背景网格上求解，而在其他区域，动量方程仍在有限元网格上求解.MPFEM充分发挥MPM处理特大变形的能力和有限元法的高效性.2.3杂交MPFEM在将MPM扩展应用于钢筋混凝土的侵彻问题时，钢筋尺寸相对于混凝土尺寸较小，给离散带来困难.为此，将有限元（如杆单元）引入到MPM中，提出杂交MPFEM.［18］单元的节点与质点相同，将其动量方程在背景网格上积分，但其本构则在单元的高斯点上计算而不在质点上.通过引入杆单元，可将MPM成功应用于钢筋混凝土侵彻的数值模拟中.2.4质点自适应分裂在MPM中，当2个物质点间的距离大于背景网格的节点间距时，它们之间将没有相互作用而发生数值断裂.针对该问题提出MPM的自适应分裂质点方案［19］，使质点可根据累计应变在变形最大的方向上自适应分裂，从而避免数值断裂，并将其成功应用于激波管和聚能射流等爆炸问题的数值模拟.2.5接触算法对于中低速侵彻问题，标准MPM中的无滑移接触约束将产生较大的侵彻阻力，因此在分析侵彻问题时需引入接触条件.［20］建立基于局部多重背景网格的接触算法［21］，即仅在接触区域建立局部多重背景网格并引入多重速度场的思想，在背景网格上调整速度场并求解接触力.同时，为避免MPM中提前接触的现象，给出计算即将接触的物体间物理距离的算法.该方法减少对存储空间的需求并提高接触算法的效率，改善接触判断的精度.2.6并行MPM使用并行计算技术可实现更大规模问题的模拟.MPI为分布式内存并行技术，适于在Cluster机器上运行.基于MPI给出针对Cluster机器的MPM并行算法，该算法涉及局部背景网格分解，每个时间步均需要进行子区域重复节点之间的通信，而且还要建立复杂的并行I/O.OpenMP为共享内存并行技术，适于在多核计算机或者SMP机器上运行.基于OpenMP提出针对共享内存计算机的MPM并行算法.［22-23］OpenMP支持增量并行，且不涉及复杂的区域分解，因此已逐步在显式有限元计算、分子动力学计算和流体力学计算并行化中得到应用.3MPM数值仿真软件MPM3D在算法研究的基础上，采用C++开发出冲击爆炸问题的三维显式并行MPM数值仿真软件MPM3D，并为其开发GUI系统PeneBlast，见图1.二者均采用跨平台的开发工具和程序库，可运行于Windows，Linux和Mac OS等多种平台上.3.1PeneBlastPeneBlast基于Qt和VTK开发.Qt是跨平台的C++ GUI应用程序框架，跨平台特性优良、模块化程度高、可重用性好.VTK是开源的跨平台可视化工具包，可用于处理三维计算机图形、图像和可视化.PeneBlast主要用于前处理和模型求解.通过PeneBlast，用户可完成从建立三维实体模型、物质点离散、从材料库中选择材料、施加边界条件、设置求解参数到生成供求解器读取的输入文件等一系列前处理过程.其中，材料库中包含常用的材料参数，用户可直接在材料库中选择使用某种材料用于仿真，也可拷贝、修改或添加新的材料到材料库中.生成输入文件后，可以在界面上调用求解器MPM3D对所建立的物质点模型进行求解，并实时监控整个求解过程；可以暂停、重启动或中断求解器的运行.通过PeneBlast生成的供MPM3D读取的输入文件采用XML格式，易于扩充和读取.同时，PeneBlast还可导入已有的输入文件并在此基础上继续建模，PeneBlast也可对输入文件进行格式检查，并直接编辑输入文件.后处理采用开源的多平台数据分析和可视化应用程序ParaView，它可定性或定量分析数据并实现可视化.MPM3D将计算结果保存为h5格式和VTK PolyData格式，供ParaView进行数据分析与可视化处理，绘制和导出变形动画、云图，绘制时间历程曲线以及提取某些点的变量值等.3.2MPM3D求解器的主要功能MPM3D采用C++编写，使程序具有更好的可维护性和良好的可扩充性，且易于添加新类以增加新的功能.目前，MPM3D中具有多种材料模型，如弹性及弹塑性模型、Moony-Rivlin超弹性模型、Johnson-Cook模型、Drucker-Prager岩土模型、HJC混凝土模型、高能炸药模型、Gurson模型以及可用于流体模拟的空材料模型等.冲击爆炸问题涉及高温、高压和高应变率，相对于低速下的材料响应，热力学效应更明显，故需用状态方程描述压强、密度和内能之间的关系.MPM3D中包含用于高压固体模拟的Gruneisen状态方程、理想气体状态方程、多项式状态方程，用于爆轰产物模拟的JWL状态方程和用于模拟混凝土的HJC状态方程及Palpha状态方程.为处理材料断裂破坏问题，MPM3D具有最大静水拉力失效、最大等效塑性应变失效、最大主应力/剪应力失效，最大主应变/剪应变失效以及Johnson-Cook损伤失效模型.为处理材料的随机特性导致其损伤破坏的随机性问题，MPM3D支持随机失效设置，目前支持Gauss和Weibull 2种随机分布.MPM3D中爆炸采用基于CJ理论的理想爆轰，起爆方式为程序起爆.用户可定义多个起爆点，也可定义起爆面.为处理冲击波，添加人工体积黏性.MPM3D可对某物体设置初速度、常速度或者施加随时间变化的载荷及加速度场（如重力场等）.MPM3D的背景网格可固定在空间不动，也可根据物体所占的区域动态变化.用户可设置是否使用GIMP算法和是否启用接触算法.时间积分为可变时间步长的显式积分，支持USF，USL或MUSL格式.［15］用户既可采用OpenMP并行设置实现在共享内存计算机上的并行计算，又可采用MPI并行设置实现在计算机集群上的并行计算.4应用实例4.1超高速碰撞4.1.1弹丸超高速碰撞薄板——碎片云一个半径为7.5 mm，质量为20 g的铅弹以6.56 km/s的速度撞击厚度为6.35mm的铅靶.30.6 μs时碎片云的数值计算结果和试验结果见图2.［24］由MPM3D得到的30.6 μs时碎片云前端与靶板的距离和碎片云宽度分别为198 mm和142 mm，其试验结果分别为200 mm和145 mm.4.1.2弹丸超高速碰撞厚板——成坑一质量为0.5 g球形铜弹丸以6.0 km/s的速度撞击厚度为40 mm，长和宽均为80 mm的铜靶.弹坑参数的数值计算结果与试验结果［25］见表1，可知二者吻合较好.32 μs时碰撞变形结果切片见图3.4.2侵彻问题4.2.1钢珠侵彻薄板一个直径为10 mm的钢珠正侵彻一个厚度为1 mm，直径为178 mm的薄圆板.靶体的最终变形数值计算结果与试验结果比较见图4.［26］试验所得靶体的变形高度与靶体的穿孔直径比值h/D为0.84，MPM3D计算得到的值为0.85.(a)试验结果(b)MPM3D 计算结果4.2.2金属靶斜侵彻一长为88.9 mm，直径为12.9 mm的尖拱钢弹以575 m/s的速度撞击倾角为30°，厚度为26.3 mm的铝合金靶.194.4 μs时的数值计算结果和试验结果见图5.［27］由MPM3D得到的剩余弹速为453.4 m/s，与试验值455 m/s吻合很好.(a)试验结果(b)MPM3D 计算结果图5194.4 μs时尖拱弹侵彻铝靶变形结果比较Fig.5Deformation comparison for ogive-nose projectile penetrating aluminum target at 194.4 μs4.2.3钢筋混凝土靶正侵彻一个长度为144 mm，直径为25.4 mm的尖拱钢弹正侵彻厚度为178 mm的钢筋混凝土靶板.弹体以不同速度入射时，穿过靶体后剩余速度的数值计算结果与试验结果见图6［28］；当弹体以初速度749 m/s打中钢筋时，钢筋混凝土的损伤结果见图7.4.3爆炸问题4.3.1激波管激波管由薄膜分为2个初始静止的、具有不同密度和压力的区域（该算例中各参数和结果值采用无量纲描述），见图8.在时间t>0时，薄膜破裂，激波和接触面会以不同的速度从左向右运动.通常观察t=0.143时刻的结果，此时激波前进大约0.25.4.3.2一维板条TNT爆轰一维爆轰过程经常用于测试爆轰模拟的数值方法的基准检验，长为0.1 m的板条TNT炸药在一端起爆，并在起爆端固定.0~14 μs时间内沿板条方向的压力曲线见图10，相邻曲线时间间隔为1 μs.数值模拟所得各曲线的峰值与解析解吻合较好.4.3.3爆轰驱动飞片爆轰驱动飞片在多个领域应用广泛，该过程涉及爆轰波的传播、爆轰产物的急剧膨胀及其与周围材料相互作用产生的大变形.非对称构型装药一维和二维模型的飞片终态速度与炸药爆轰速度比值随质量比变化的比较见图11，数值计算结果与Gurney公式及其修正的经验公式［29-30］预测值吻合很好.4.3.4爆炸碎片模拟金属壳在爆炸作用下生成的碎片极具破坏性，研究其机理对公共安全有重要意义.采用Gurson模型及Weibull随机失效机制模拟材料断裂破碎过程的随机性.采用Gurson模型的柱壳破碎过程见图12，三维球壳在爆炸作用下产生的裂纹和碎片形状见图13.4.3.5聚能射流模拟聚能射流在穿甲、石油开采等领域有着重要的应用，为此进行聚能射流模拟.聚能装药的初始构型见图14，半锥顶角为38°，炸药为TNT，外壳和药型罩材料为铜.射流尖端的速度和杵的速度可由BIRKHOFF等提出的理论模型进行估计.根据理论估计，本例中射流尖端速度应为3.7 km/s，杵的速度应为0.6 km/s.［29］模拟得到的21 μs时x方向速度分布见图15(a)，与理论估计基本吻合；射流中温度的分布情况见图15(b).4.4其他问题4.4.1边坡失效问题在岩土工程中，常采用铝棒堆积物的流动模拟沙和土的颗粒流动.用Drucker-Prager模型对BUI［31］进行的干燥铝棒堆积物的坍塌流动试验进行模拟.数值计算与试验的比较见图16（a）和16（b）；试验得到的失效区和计算结果的定量比较见图16（c），表明坡面及坡体失效区的数值计算结果与试验结果吻合.4.4.2金属切削问题切削加工技术是工业装备过程中最重要和普遍的技术之一.切屑过程伴随着高速、高应变率、断裂和高温，极易产生绝热剪切带进而产生锯齿状切屑.模拟一个简单的切屑过程，见图17.在0.01 ms时第1条剪切带触发，随着更多的剪切带触发，锯齿状切屑形成.4.4.3碳纳米管复合材料碳纳米管有着突出的力学性能,将其掺杂于基体中可形成高性能的复合材料.但碳纳米管细长比大，在基体中均以弯曲形式存在，给基于网格的建模带来极大的困难.在MPM3D中，利用塌落生成的碳管几何模型布点，可构建出碳管的计算模型；管间正交布点，可构建出基体材料模型.碳纳米管复合材料的计算模型见图18，基体材料点未画出，碳管间黑点用于代表碳管间近距离的相互作用.管间不同连接强度的力-位移曲线见图19，可得出碳管间相互作用对复合材料整体模量的影响.5结论介绍冲击爆炸问题的显式三维MPM数值仿真软件MPM3D及其图形用户界面系统PeneBlast，可运行于Windows，Linux和Mac OS等多种平台上.大量的超高速碰撞、侵彻爆炸数值算例说明该软件的可靠性和准确性.该软件可用于超高速碰撞、侵彻和爆炸等问题的数值仿真，为航天器空间碎片防护设计、常规武器研发与防护工程设计等领域提供有效的数字化设计工具.致谢：感谢马上博士、黄鹏博士及出站博士后马志涛对本课题所做的出色工作.参考文献：［1］宁建国, 王成, 马天宝. 爆炸与冲击动力学［M］. 北京: 国防工业出版社, 2010: 348.［2］刘军, 何长江, 梁仙红. 三维弹塑性流体力学自适应欧拉方法研究［J］. 高压物理学报, 2008, 22(1): 155-178.LIU Jun, HE Changjiang, LIANG Xianhong. 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水下爆炸冲击问题的物质点法研究
开展水下爆炸以及结构在水下爆炸载荷作用下的动力响应研究在军事国防
和民用建设领域均具有重要意义。
水下爆炸及其结构的冲击响应研究是十分复杂的问题，它涉及爆轰物理学、冲击动力学、流固耦合、弹塑性动力学等诸多学科，对其进行理论分析和实验研究是一个巨大的挑战。
近年来，随着计算机技术的不断提高以及各种数值方法的迅速发展，数值模拟已经成为水下爆炸问题研究领域中的重要研究手段。
流场或结构的极大变形、运动物质交界面、多相介质耦合作用以及自由表面等特性存在于水下爆炸整个过程中，这使得采用传统基于网格的数值方法对水下爆炸问题进行研究成为一项非常困难的工作。
物质点法（Material Point Method, MPM）是一种新型的无网格粒子算法，它结合了基于物质描述的拉格朗日方法和基于空间描述的欧拉方法二者的优点，在处理大变形时不存在基于网格的数值方法出现的网格畸变问题，而且物质点法能方便的跟踪材料的变形历史以及实现对物质界面的精确描述，这些优点使物质点法在冲击动力学诸多领域中得到了广泛应用。
本文在前人研究的基础上，进一步发展了物质点算法，并将物质点法扩展到水下爆炸冲击研究领域中。
推导了物质点法控制方程的空间以及时间离散格式，给出了物质点法显式积分算法，编写了基于物质点法基本理论的计算程序。
建立了高能炸药爆轰计算模型，采用物质点法数值模拟了高能炸药爆轰过程，计算得到的爆轰波主要表征参数与解析解和实验数据吻合较好，为下一步水下爆炸冲击问题研究奠定了基础。
针对水下爆炸冲击波在自由场中传播具有球面对称性质这一特点，本文提出了球对称形式的物质点法，为了验证所提方法的准确性，对球形炸药水下爆炸问题进行了数值计算，计算结果与实验数据以及经验公式计算结果吻合较好。
在此基础上提出了基于物质点法的重映射算法，采用此方法可有效提高三维水下爆炸问题的求解效率。
建立了二维水下爆炸计算模型，数值模拟了二维水下爆炸问题，数值计算结果与光滑粒子流体动力学方法（Smoothed ParticleHydronamics, SPH）计算结果以及经验公式计算结果进行了比较，结果吻合较好，物质点法与SPH
算法计算精度相当，但在物质交界面的处理上物质点法具有明显的优势。
对近自由面水下爆炸一系列物理现象进行了数值模拟。
给出了物质点法多介质耦合求解过程，研究了自由表面对冲击波的切断现象，
并成功再现了近自由水面上水冢的形成过程。
采用物质点法定量研究了空气隔层削波规律，结果表明空气隔层可以有效削减水下爆炸冲击波强度。
建立了金属材料的弹塑性本构模型及其在爆炸冲击状态下的状态方程，研究了结构在水下爆炸载荷作用下的瞬态塑性动力学响应。
由于柯西应力材料导数会受到刚体转动的影响，本文引入了客观的Jaumann应力率进行应力的更新，并给出了物质点法显式应力更新算法。
在物质点法中引入了多种材料失效准则，并在计算中考虑了材料的动态失效问题。
为了克服冲击波造成的强间断给数值求解带来的困难，引入人工粘性对间断面进行光滑处理。
并对引入人工粘性后的物质点法应力更新格式进行了修正。
给出了基于物质点法的流固耦合求解格式，物质点法将流体和固体在同一求解域内进行计算，流固耦合算法简单直接，十分适合求解与近场水下爆炸相关的流固耦合问题。
当前无网格法的研究仍处于起步阶段，还有很多需要完善的地方。
在分析软件的开发方面，有些商用软件已经集成了一些基于无网格算法的程序模块，然而这些计算模块功能简单仅仅作为程序的辅助功能出现，其核心算法仍然是传统基于网格的数值方法。
本文基于物质点法开发了具有一定通用性的数值计算程序，为水下爆炸冲击问题研究提供了全新的数值计算平台。