结构体外部爆炸内部超压传播规律的研究

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近年来,炸药的能量密度越来越高,各类战斗部的装药量也越来越大,反坦克武器在击中坦克装甲或在坦克周围发生爆炸时,即使没有穿透其厚重的装甲,但仍然会在坦克驾驶室内形成强力的冲击波,对室内人员造成冲击波伤害,在近距离条件下炸药爆炸形成的冲击波对坦克及坦克内人员的杀伤作用已不可忽略。  密闭的建筑物结构广泛地应用于人们的生产和生活中,地下隧道、输油管道、地下停车场、地下超市等等都可以视为或近似视为密闭空间。如果密闭空间外部爆炸威力比较大,且密闭空间壁厚比较薄时,就会在内部形成较强的冲击波,对人员造成伤害。  国内外早先对爆炸冲击波的研究主要着眼于无限空气中爆炸、水中爆炸和爆炸对结构体产生的动力响应,而对爆炸和动力响应引发内部超压及其传播规律的研究还不够深入,缺乏理论和经验上的指导。因此,在密闭条件下对结构体外部爆炸内部超压形成和传播的规律进行研究是十分有必要的。  首先系统介绍了数值模拟软件和数值模拟中任意拉格朗日方法(ALE方法)的优越性及其实现步骤。对无限空气中爆炸超压进行计算的经验公式很多,对比各个经验公式发现:在比距离小于1的情况下,各个经验公式得到的值有很大的差别,其原因主要是这些经验公式总结的年代比较早,当时科技不发达,不能对爆炸冲击波进行准确的测定。本文结合空气中爆炸的基本理论,采用流固耦合和多物质ALE方法对TNT炸药在无限空气中爆炸进行了数值模拟,并结合实验总结出在一定比距离条件下TNT炸药爆炸超压峰值的计算公式。  对结构体外部爆炸内部超压的传播规律从四个方面进行理论分析,分别是:爆炸冲击波的正反射、爆炸冲击波对结构体的动力响应、冲击波从空气介质向结构体的透射传播和应力波从结构体向内部空气中的透射传播,并对这些过程做了理论分析,然后结合数值模拟对结构体外部爆炸内部超压的传播过程进行公式推导,得出超压峰值的计算公式,最后进行实验验证。  对于冲击波的防护问题,首先介绍泡沫铝的特性,说明了泡沫铝做为防护材料的可行性,并设计三个方案对泡沫铝的防护性能进行数值模拟,从而证明使用泡沫铝材料能使超压幅值大幅度降低。
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