海拔高度对化爆冲击波压力分布规律影响分析.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:基础加强计划重点基础研究项目()安徽高校自然科学研究项目()作者简介:李福龙()男硕士:.通信作者:孔德仁()男博士教授:.:./.海拔高度对化爆冲击波压力分布规律影响分析李福龙孔德仁王良全赵传荣(.南京理工大学 机械工程学院 南京.安徽工业大学 电气与信息工程学院 安徽 马鞍山)摘要:海拔高度会引起空气密度及气压的变化直接影响冲击波压力在空气介质中的传播分布规律 该项研究采用 建立了、等 种海拔高度下爆炸冲击波压力传播规律的有限元数值仿真模型开展了等效 当量为、工况下的数值仿真分析并对获取的冲击波压力分布规律进行了分析 分析结果表明:海拔高度对冲击波压力具有显著的影响作用具体表现为在同一等效 当量下随海拔高度的增加冲击波超压峰值、比冲量都逐渐减小峰值到达时刻随测点距离增大逐渐提前并且随等效 当量的增加爆炸冲击波压力峰值和比冲量都逐渐增大峰值到达时间逐步提前 数值仿真结果与试验结果具有较高的吻合度该项研究揭示了海拔高度对爆炸冲击波传播分布规律的影响作用为实际工程测试提供了理论支撑关键词:爆炸冲击波海拔高度数值仿真模型 压力分布规律本文引用格式:李福龙孔德仁王良全等.海拔高度对化爆冲击波压力分布规律影响分析.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言爆炸冲击波压力是弹药威力评价的重要指标也是武器性能评估的重要依据 随着国际形势和军队作战环境的变化弹药的使用环境不仅仅局限于平原地区高原环境下的作战频率越来越高 在实际试验测试过程中发现同种类型弹药在平原环境下爆炸毁伤参量测试结果与高原环境下的测试结果存在较大差异平原环境下获取的测试数据无法对高原环境下作战给出有效的弹药选用指导性意见因此有必要开展海拔高度对弹药爆炸冲击波压力传播分布规律的影响研究目前国内外部分学者就海拔高度对冲击波压力传播分布规律的影响作用开展了大量研究 在数值仿真方面 等采用 有限元分析软件对不同海拔高度下冲击波在空气中传播过程进行了数值模拟分析了冲击波特征参量:超压峰值、比冲量及正压作用时间并进行了验证提出了冲击波参数修正系数 等基于 建立了不同大气压力下高爆球形 炸药的仿真模型通过数值模拟和实验数据对比得出环境压力对爆炸冲击波比冲量、反射超压峰值的影响随测点距离减小而减小 李科斌等基于有限元软件建立了球形装药自由场空中爆炸传播模型得到了爆炸近场不同真空度下冲击波参数的变化规律 伴随测试技术的进步大量学者在借助数值模拟手段的同时也同步开展了相关试验谢雪腾等对 海拔高度下冲击波传播过程进行仿真结合海拔、静爆实验发现不同海拔高度下爆炸冲击波特征参数具有较大差异揭示了高原环境下冲击波的传播特性 庞春桥等提出高原地区爆炸冲击波超压和正相比冲量的预测评估方法并通过平原及海拔高度 处试验结果进行了验证 由于试验成本高、难度大研究者们采用模拟装置代替实际测试环境或借助理论推导同步开展了相关研究 等通过调节模拟器中环境物理参数模拟了不同海拔下大气环境获得了冲击波入射超压峰值和比冲量证明了萨科斯定律在一定条件下的适用性 李志敏等利用仿真软件和可调真空度容器设置不同气压环境、不同 当量得到了负压环境、装药质量对冲击波超压峰值、正压作用时间及比冲量的影响规律 陈龙明等利用抽气装置在密封罐内开展了模拟海拔高度为、下 爆炸测试实验实验结果表明随环境气压下降冲击波超压峰值、峰值到达时间及比冲量均明显降低张广华等利用真空爆炸罐开展常压和真空环境下内爆威力测试试验表明真空环境下爆炸冲击波传播方向性显著而常压环境下同一炸药毁伤威力更大 等研究了高爆炸药爆轰产生的冲击波参数同空气压力的关系基于冲击波参数经验公式分析了不同空气压力下冲击波压力和比冲量的差异 从上述分析可知海拔高度对爆炸冲击波传播特性有着显著的影响作用现有的相关研究中针对海拔高度对爆炸冲击波压力传播分布规律及压力衰减特性的研究相对较少研究结果不成体系不足以阐明海拔高度对冲击波压力的影响作用因此有必要更进一步开展海拔高度对爆炸冲击波压力传播分布规律的影响分析本研究中基于有限元数值模拟软件构建了不同海拔高度、不同 当量的爆炸冲击波压力传播分布规律仿真模型分析了海拔高度对冲击波超压峰值、比冲量及峰值到达时间的影响作用并与实测冲击波压力数据进行对比揭示了海拔高度对爆炸冲击波压力传播分布规律的影响特性为爆炸冲击波工程测试提供了理论支撑 不同海拔高度下数值仿真.模型建立本研究中就实际毁伤工况下测试方案为原型进行数值模拟分析 模型主要包括可见空气域、炸药、刚性地面采用二维轴对称建模以简化模型算法 可见空气域的结构大小为 具体划分网格单元尺寸为 根据典型高能战斗部试验选择在空气域中分别填充、柱形 炸药药柱长径比为 起爆方式选择中心起爆爆心高度为 炸药和空气均采用 算法 以爆心距离 为起点、为终点每间隔 在地表和距离地面 处的空中自由场设置高斯监测点共组建 个高斯监测点 在模型的底部设置刚性界面并在空气域左侧和顶部施加流出边界保证区域内部空气正常流通避免边界条件对冲击波的反射 计算模型如图 所示图 数值计算模型.材料模型与状态方程模型中炸药填充仿真软件库中 材料采用 状态方程进行描述具体表达式 为 ()()()式()中:为 炸药爆轰时压力 为相对体积 为单位质量 炸药初始内能、为 状态方程的 个参数其中、为材料参数、为常数 各参数具体形式如表 所示李福龙等:海拔高度对化爆冲击波压力分布规律影响分析表 炸药材料参数 /()/.空气介质采用理想气体状态方程描述表达式为 ()()式()中:为不同海拔高度下大气压力 为绝热指数取.为不同海拔高度下空气密度为不同海拔高度下空气初始内能随海拔高度增加大气环境相关参数:空气密度、大气压强等显著下降 表 为标准大气参数表 标准大气参数简表 /().针对不同海拔高度空气初始能量可由经验公式表示为 ()()式()中:为不同海拔下空气内能为海平面处空气初始内能取./为不同海拔下空气压强 为单位空气体积为海平面处空气初始压强 结合表 可计算出不同海拔高度下空气内能如表 所示表 不同海拔高度下空气内能 /().采用数值模拟方式通过更改仿真环境下空气密度及空气初始内能结合空气介质理想状态方程还原不同海拔高度下实际大气环境 数值仿真结果分析.海拔高度对超压峰值的影响根据建立的有限元数值仿真模型选择当量 的 在海拔高度 处起爆获得爆炸冲击波在不同时刻下压力云图如图 所示图 海拔高度 处冲击波压力云图.对图 不同时刻下爆炸冲击波压力演化云图分析可知:仿真时间到达.时 炸药在空气域中发生爆炸产生近似球形的冲击波向外扩散时间到达.伴随冲击波的传播当冲击波触及刚性地面致使刚性地面压力和密度不断增加形成地表反射压当入射冲击波压力同地表反射压叠加构成马赫波入射波、反射波以及马赫波三波交汇形成三波点随着爆炸传播空间扩大三波点离开地面时间到达.时随冲击波不断向外扩散三波点的高度也逐步增加 因此三波点的变化规律能够为实际测试中自由场压力传感器布设提供参考当测点距离增加应不断提升传感器安装高度为表征同一爆心距下不同海拔高度对冲击波超压的影响分别对爆心距为、(以实测方案为依据)地表反射压和自由场空中压力进行分析图、图 分别给出了等效 当量 位于不同爆心距、不同海拔高度处冲击波压力时程曲线 对图、图 分析可得同一爆心距下随海拔高度增加爆炸冲击波波形变化规律相似 由图 可以发现不同爆心距处地表反射压在短时间内迅速到达峰值然后逐渐下降随着传播时间的增加衰减速率变缓直至衰减为常压 由图 可知在爆心距较近时(图()、图()自由场空中监测点位于三波点上方随时间推移先后出现 个波峰首先是入射波压力其次是反射波压力随着爆心距增加(图()三波点高度增加高于相应空中监测点位置此时冲击波压力时程曲线显示马赫波单个波峰当海拔高度不断增加空气相关物理参数发生变化空气内能随之改变冲击波传播规律受到影响 结合图 和图 可以发现随海拔升高同一监测点处地表和空中压力均被削弱二者变化规律较一致但同一爆心距下地面冲击波超压峰值更高以测点距离为 为例 海拔高度为 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./时地表冲击波超压峰值为.空中冲击波超压峰值为.二者相差.当海拔高度升高到 地表冲击波压力峰值为.较海平面处相比下降了.相应空中冲击波超压峰值为.较海平面处相比下降了.二者相差.当海拔继 续 升 高 为 时 地 表 冲 击 波 超 压 峰 值 为.较海平面处相比下降了.相应空中冲击波超压峰值为 较海平面处相比下降了.二者相差.当海拔高度升高 时地表冲击波超压峰值为.较海平面处相比下降了.相应空中冲击波超压峰值为.较海平面处相比下降了 二者相差.当海拔高度最终达到 时地面冲击波超压峰值为.较海平面处相比下降了.相应空中冲击波超压峰值为.较海平面处相比下降了.二者相差.分析以上数据可以得出:海拔从 增至 处地表及空中冲击波超压峰值衰减分别达.和.由此表明海拔高度同冲击波压力峰值呈负相关同一测点距离处海拔高度越高冲击波压力峰值越低 且同一爆心距下随海拔高度由 增至 过程中地面与空中压力峰值差距在缩小但总体地面压力峰值衰减率更高同一海拔高度处地面及空中冲击波压力衰减率差值保持在.以内为了反映不同 装药质量在同一海拔下对冲击波超压峰值的影响设置、炸药分别在海拔高度为、处中心起爆得到不同 装药质量下爆炸冲击波压力峰值随爆心距变化曲面如图、图 所示 分析上述冲击波压力峰值衰减曲面图可知同一海拔高度下随着 装药质量增加冲击波压力峰值随之增大对比图、图 可以发现不同 装药质量下高海拔地区同低海拔地区冲击波超压峰值变化规律相近图 不同爆心距下不同海拔高度处地表反射压.图 不同爆心距下不同海拔高度处自由场空中压力.李福龙等:海拔高度对化爆冲击波压力分布规律影响分析图 海拔 处不同当量 冲击波压力峰值衰减曲面.图 海拔 处不同当量 冲击波压力峰值衰减曲面.海拔高度对比冲量的影响通过对不同海拔高度下冲击波压力时程曲线进行数值计算获得不同海拔高度下同一爆心距处冲击波比冲量图为 炸药在不同海拔下爆心距为 处地面冲击波比冲量图 为 炸药在爆心距为 处自由场空中冲击波比冲量图 测点处地面冲击波比冲量.图 测点处空中冲击波比冲量.对图、图 分析可以看出:同一海拔高度下由于冲击波能量在传递过程中衰减程度不一致导致比冲量随测点距离增加非线性递减 同一爆心距下随海拔高度增加同一等效 当量爆炸时比冲量随之减小 如当海拔高度由 增加至 过程中地面爆心距 处冲击波比冲量的衰减率为.()、.()、兵 器 装 备 工 程 学 报:/./()、.()自由场空中爆心距 处冲击波比冲量的衰减率为.()、()、.()、.()由此表明冲击波比冲量与海拔高度呈负相关 在不同海拔高度下冲击波比冲量随传播距离增大波形变化相似比冲量衰减幅度较一致 为了研究不同海拔高度下冲击波比冲量受 装药质量影响的变化规律选择、等 种 装药质量中心起爆获得地面爆心距 处及空中爆心距 处不同质量 爆炸冲击波比冲量如图、图 所示图 地面爆心距 处冲击波比冲量.图 空中爆心距 处冲击波比冲量.分析图、图 可得同一海拔高度下相同爆心距处 装药质量对冲击波能量影响很大伴随 当量增加冲击波比冲量提高不同 当量下冲击波比冲量随海拔变化所构成折线近似平行冲击波比冲量随海拔变化增减幅度相当.海拔高度对峰值到达时间的影响为了研究海拔高度对冲击波峰值到达时间的影响规律提取 当量为、下不同海拔高度处地面冲击波压力时程曲线峰值到达时间如图 所示图 不同 当量下冲击波压力峰值到达时间.由图 可知同一海拔高度下随着冲击波传播距离增加冲击波峰值到达时间延长冲击波峰值抵达时间随海拔上升逐渐提前 当海拔增加在爆心近处冲击波峰值到达时间极短时间变化不明显随着传播距离增加远离爆心处冲击波峰值到达时间提前显著结合具体数据分析:当量为 起爆在爆心距 处同海拔 相比伴随海拔高度增加地面冲击波峰值到达时间分别提前.()、.()、.()、.()当爆心距增加至 地面冲击波峰值到达时间分别提前()、.()、.()、()对比上述数据表明随海拔高度增加冲击波峰值到达时间提前海拔高度由 升至 时爆心距 较 处提前时间由.提高到.因此不同海拔高度下冲击波峰值到达时间和测点距离相李福龙等:海拔高度对化爆冲击波压力分布规律影响分析关测点距爆心越远提前时间越显著 对比图()、图()可以看出同一海拔高度下随 当量的增加爆炸冲击波传播速度增加冲击波峰值到达时间提前 在爆心近处 当量对冲击波峰值到达时间影响很大 在海拔 爆心距 处 和 先后中心起爆冲击波峰值达到时间分别为.、.较 相比提前了.故 当量增加会提高爆炸冲击波的传播速度 试验验证为了验证不同海拔高度下爆炸冲击波压力分布规律的可靠性本文中开展了实测试验研究 实际测试环境中海拔高度为 、种海拔高度对应的大气压强为.、.、.由于实测试验过程中弹药的装药类型存在差异因此将其换算成等效 当量进行计算 海拔高度为 时弹药等效 当量为 海拔高度为 时等效 当量为 海拔高度为 时等效 当量为 炸药起爆方式为中心起爆爆心高度为 以爆心为圆心测点布设半径为、每一个半径布置 个测点共 个测点 不同测试环境下布场方案存在一定差异但总体布场理念一致冲击波压力测点布设结构如图 所示试验现场冲击波压力测点布设如图 所示图 冲击波压力测点布设结构示意图.图 试验现场冲击波压力测点布设.对试验数据进行分析和提取得到不同海拔高度下不同等效 当量爆炸冲击波超压峰值如表 所示为反映同一等效 当量在不同海拔高度下爆炸冲击波压力分布规律以 装药质量 为基准得到不同海拔高度下等效 当量为 的爆炸冲击波超压峰值如表 所示表 不同海拔高度下爆炸冲击波超压峰值 海拔高度/质量/超压峰值/爆心距 爆心距 爆心距 .表 不同海拔高度下爆炸冲击波超压峰值 海拔高度/质量/超压峰值/爆心距 爆心距 爆心距 .由表 中的压力数据可知同一海拔高度下冲击波压力随测点距离的增加而逐渐减小同一等效 当量下冲击波超压峰值与海拔高度呈负相关海拔高度增加冲击波超压峰值随之降低同一等效 质量下冲击波超压峰值衰减率随海拔高度增加逐渐增大如在测点距离 较海拔高度 处冲击波超压峰值衰减率分别为:.()、.()在测点距离 较海拔高度 处冲击波超压峰值衰减率分别为:.()、.()由此表明冲击波超压峰值受海拔高度的影响逐渐显著 结论本文中采用有限元数值仿真方法构建了不同海拔高度下爆炸冲击波压力仿真模型针对不同 当量开展了爆炸冲击波有限元数值仿真分析分析总结了不同海拔高度下爆炸冲击波压力分布规律 经试验验证试验结果与仿真结果具有较高的一致性得出以下结论:)随着海拔高度增加爆炸冲击波变化规律相似衰减程度相当爆心近处冲击波超压峰值较高随爆心距增加超压峰值减小)爆炸冲击波超压峰值、比冲量与海拔高度呈负相关随海拔高度增加同一爆心距处冲击波超压峰值及比冲量均逐渐减小冲击波峰值到达时间随海拔升高逐渐提前在兵 器 装 备 工 程 学 报:/./爆心近处提前时间不明显随爆心距增加提前时间显著)当量对冲击波压力分布规律有显著影响当 装药质量增加爆炸冲击波超压峰值、比冲量随之提高峰值到达时间提前该项研究结果可为不同海拔高度下爆炸冲击波压力工程测试提供理论指导参考文献:杨凡.冲击波压力测量系统联合校准及测量不确定度评定方法研究.南京:理工大学.:.:.():.():.李科斌李晓杰闫鸿浩等.不同真空度下空中爆炸近场特性的数值模拟研究.振动与冲击():.():.谢雪腾.高原环境爆炸冲击波传播特性的数值模拟与实验研究.南京:南京理工大学.:.庞春桥陶钢周佩杰等.高原环境下爆炸冲击波参数的有效预测方法.振动与冲击():.():.:.:.李志敏.负压环境下炸药爆炸冲击波传播特性及有害效应研究.合肥:安徽理工大学.:.陈龙明李志斌陈荣等.高原环境爆炸冲击波传播特性的实验研究.爆炸与冲击():.():.张广华李彪彪沈飞等.真空条件下炸药爆炸特性试验研究.火炸药学报():.():.:.王良全商飞孔德仁.静动爆冲击波数值仿真分析.兵器装备工程学报():.():.杨亚东李向东王晓鸣.爆炸冲击波空中传播特征参量的优化拟合.爆破器材():.():.():.钱翼稷.空气动力学.北京:北京航空航天大学出版化():.:():.杜红棉曹学友何志文等.近地爆炸空中和地面冲击波特性分析和验证.弹箭与制导学报():.():.科学编辑 杨继森 博士(重庆理工大学 教授)责任编辑 唐定国李福龙等:海拔高度对化爆冲击波压力分布规律影响分析