基于流固耦合算法的装备部件毁伤研究

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1、基于流固耦合算法的装备部件毁伤研究摘要：研究战场环境下爆炸冲击过程及其对装备部件的毁伤机理，对于武器系统改进和战斗损伤评估具有重要意义。本文利用流固耦合算法进行爆炸冲击模拟，探讨了冲击波形成机理，确定了将爆炸冲击波直接毁伤靶板的方法，以及冲击波的数值定义和加载方法，并利用流固耦合算法进行了爆炸冲击仿真，其方法可以为爆炸冲击与毁伤研究提供一定参考。Abstract:Researchonexplosionimpactanditsdamagemechanismforequipmentcomponentsunderbattlefieldenvironment,areimportantforimprov

2、ingweaponssystemsandassessbattiedamage・Inthispaper,thefluid-structureinteractionalgorithmisusedforexplosiveshockSimulation,shockwaveformationmechanismisdiscussed,themethodofblastdirectlydamagetarget,aswellasnumericaldefinitionandloadingmethodoftheshockwavesaredefined,thefluid-structureinteractionalg

3、orithmisusedinSimulatingexplosionandshock・Themethodcanprovidereferenceforresearchingblastshockanditsdamage.关键词：爆炸冲击；毁伤机理；流固耦合算法；冲击载荷Keywords：explosionandshock；damagemechanism；fluid-structureinteractionalgorithm；impactload中图分类号:TH16文献标识码：A文章编号:1006-4311(2013)11-0023-020引言由于爆炸冲击波产生的威力巨大，并且可以通过计算炸药的各项参

4、数得到产生爆炸冲击波的各项数据，能够较好的得到控制和利用，所以爆炸冲击问题一直是工程和军事领域的热点问题，越来越受到科研工作者的重视。北京理工大学的赵文杰［1］通过实验和理论分析，对圆抛物面薄壳型雷达天线在爆炸冲击波作用下的变形特点及有关的变形特征参量进行了分析讨论，并给出了工程计算式。中国矿业大学力学与建筑工程学院的李清［2］进行了爆炸载荷作用下动态裂纹扩展实验研究。洛阳水利工程技术研究所［3］做了冲击波对工程结构及装备的动载实验，另外，有些理论已在工程实际中得到了验证与运用，如地下隧道试验［4］、地形对冲击波影响试验［5］及人防工事试验［6］。对装备部件进行爆炸冲击与毁伤模拟，属于结构分析

5、的范畴，本文采用流固耦合算法对爆炸冲击问题进行仿真分析。1爆炸冲击波形成机理分析炸药爆炸完成后，产生的高温、髙压爆轰产物像一个超音速推进的活塞，把空气从原来的位置上迅速地排挤出去，形成一个以超音速运动的、状态参数有突跃的压缩空气层，即空气冲击波。在此过程中，爆轰产物的压力在未降到空气初始状态压力前继续膨胀，不断把能量传输给空气冲击波。当爆轰产物的压力下降到空气初始状态压力时，空气冲击波形成，此时爆轰产物的体积称为极限体积。由于惯性作用,爆轰产物体积继续膨胀，使压力低于周空气压力，所以在空气冲击波尾部会形成一个稀疏区。爆炸冲击波的形成和传播如图1所示，Tl、T2、T3、T4分别表示爆炸后不同瞬间

6、冲击波的状态，其中T3时刻冲击波开始与爆轰产物分离，T4时刻出现了稀疏区。2冲击波毁伤靶板的有限元分析利用有限元方法对靶板和装备部件进行爆炸冲击毁伤仿真，采用如图2所示的步骤。2.1冲击波模型近距离爆炸时，爆炸产物和爆炸冲击波共同对目标进行毁伤，如果建立炸药模型使之产生冲击波，则无法将爆炸产物的作用分离出来；另外，目标与炸药距离扩大，会使建模空间扩大，给计算带来不便，容易造成较大误差。为此，本文中采用了对靶板直接施加冲击波载荷的方法来研究冲击波对靶板的毁伤效果。实际情况下的冲击波载荷相当复杂，一般和结构变形相耦合且不易精确测定，为研究方便，略去荷载中的次要因素,对实际载荷进行理想化处理，冲击载

7、荷简化后的主要形式有：正弦脉冲、三角脉冲和矩形脉冲。针对爆炸冲击波的特点，有些学者将爆炸冲击波简化为三角脉冲波的形式。Jones在讨论船舶板的抨击损坏时采用Ochi提出的三角形压力脉冲形式的抨击时间历程曲线[7]o为使问题的分析过程得以简化，本文将爆炸冲击波取为三角形脉冲载荷的形式，载荷-时间历程曲线如图3所示。如图3所示，爆炸冲击波作用时间为t,在t/2时，冲击波峰值超压达到最大，由于空气中爆炸