爆炸沖擊波仿真的案例
爆炸沖擊波致肺損傷仿真模擬
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爆炸沖擊波與破片作用下車輛底部結構動響應數值仿真
劉粟濤1，周云波1，張 明1，孫曉旺1，葉龍學2
(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094；2.中國艦船研究設計中心， 武漢 430064)
摘要：針對爆炸沖擊波與高速破片對車輛的聯合毀傷問題，采用光滑粒子流體動力學算法模擬榴彈在土壤中爆炸產生爆炸沖擊波與破片聯合作用下車輛底部結構的響應。進行爆炸沖擊鋼板試驗，分別采用傳統的任意拉格朗日歐拉算法和SPH算法分析在爆炸沖擊下鋼板的動能、內能和破壞形態，并驗證SPH算法的可行性；采用SPH算法對榴彈在車輛底部爆炸進行數值仿真，分析榴彈形成自然破片的過程、破片速度分布以及車輛底部防護結構的沖擊響應。仿真結果表明，淺埋榴彈爆炸產生的沖擊波先于破片作用于車底結構， 沖擊波作用效果為結構大變形，破片作用效果為結構局部破壞，并且SPH算法可應用于爆炸沖擊波與破片聯合作用下車底結構響應的研究，為車輛防護結構設計提供參考。
關鍵詞：試驗臺架；車輛底部結構；SPH算法；自然破片；數值仿真
1 引言
軍用地面車輛在戰場上面臨各式各樣的威脅，如埋雷、簡易爆炸 裝置(IED)和其他動能彈的威脅[1]。這些威脅通常攜帶裝在金屬外殼中的烈性炸藥。當炸藥爆炸時，產生的高壓使金屬外殼膨脹破碎，并形成自然破片以非常高的速度傳播，最終產生的沖擊波和高速自然破片撞擊軍用車輛，對車輛及乘員造成損傷。
整車實爆試驗是驗證車輛防護性能最直接有效的方法，但由于其危險性大、試驗成本高、試驗周期長、不可重復等原因，在進行車輛防護性能評估時，通常采用有限元仿真技術結合試驗的方法，預測軍用車輛在各式威脅下車輛的結構響應和車內乘員的損傷情況，并為后續車輛防護設計提供基礎[2]。
展開 LS-DYNA模擬爆炸沖擊波-破片群在鋼制容器內爆炸作用分析
使用LS-DYNA軟件可以有效模擬爆炸、沖擊等問題，該文針對爆炸沖擊波-破片群在鋼制容器內爆炸的作用過程進行了模擬分析。
數值模型建立
圖1. 1/4模型圖
建立如圖所示的模型，其中裝藥采用60g炸藥；破片群以105顆直徑5mm的鎢合金鋼珠表示；鋼制容器為45號鋼材料，高20cm、直徑6cm、厚度4mm。網格如下圖所示。
圖2.網格示意圖
2.計算結果
裝藥起爆及驅動破片飛散過程如下圖所示。
圖3. 炸藥起爆及驅動破片飛散
通過模擬可看出，沖擊波先于破片作用于容器壁，并對容器產生破壞作用，使容器發生變形。
圖4. 炸藥先于破片對容器產生破壞
當破片群到達容器壁處時，將與沖擊波一起對容器造成破壞。對容器壁的瞬時最大壓力將達到0.4MPa。
圖5. 爆炸沖擊波-破片群聯合作用
最終在爆炸沖擊波-破片群的共同作用下，容器將發生花瓣狀破壞，其破壞程度將遠大于二者的單獨作用。
圖6. 容器發生花瓣狀破壞
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爆炸沖擊波毀傷夾層板
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炸藥爆炸沖擊波威力場計算軟件V2.4
圖4-2 自由場入射波超壓時間計算曲線
同理，計算地面爆炸入射波超壓曲線、近地爆炸反射波超壓時間曲線。見圖4-3、圖4-4。右下角中的更新繪圖可輸入xy范圍，更新繪圖范圍，點擊保存數據，將不同距離的P-t曲線數據保存，保存位置見軟件所在的文件夾。
圖4-3 地面爆炸入射波超壓曲線
圖4-4 近地爆炸反射波超壓時間曲線
4.3 計算p-R曲線
圖4-5為炸藥爆炸沖擊波威力場計算軟件的不同距離處的自由場爆炸沖擊波入射波超壓峰值，通過點擊主界面的計算P-R曲線，顯示出爆炸沖擊波超壓與距離曲線的界面。
圖4-5 不同距離處的自由場爆炸沖擊波入射波超壓峰值
圖4-6為炸藥爆炸沖擊波威力場計算軟件的不同距離處的地面爆炸沖擊波入射波超壓峰值，給出不同模型的P-R曲線。
圖4-6 不同距離處的地面爆炸沖擊波入射波超壓峰值
圖4-7為炸藥爆炸沖擊波威力場計算軟件的不同距離處的近地爆炸沖擊波入射波超壓峰值，給出不同模型的P-R曲線。
圖4-7 不同距離處的近地爆炸沖擊波入射波超壓峰值
圖4-8為炸藥爆炸沖擊波威力場計算軟件的不同距離處的近地爆炸沖擊波到達時間，給出不同模型的T-R曲線。
圖4-8 不同距離處的爆炸沖擊波到達時間
圖4-9為炸藥爆炸沖擊波威力場計算軟件的不同距離處的爆炸沖擊波正壓作用時間，給出不同模型的T-R曲線。
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LS-DYNA模擬聚脲涂覆鋼板在爆炸沖擊波-破片群聯合作用下的毀傷特性
(a)S-0
(b)F-4
(c)B-4
(d)D-4
圖6 沖擊波-破片載荷對靶板的作用過程
Fig.6 The process of shock-fragments loading on the target plate
3 結論
（1）靶板中心區域受到的破壞最明顯；
（2）涂覆4mm及以上厚度的聚脲彈性體可有效增強抗爆、抗侵徹性能；
用戶作品賞析 | LS-DYNA模擬聚脲涂覆鋼板在爆炸沖擊波-破片群聯合作用下的毀傷特性
本文利用LS-DYNA軟件模擬了聚脲涂覆鋼板在爆炸沖擊波及破片群聯合作用下的毀傷特性。
1
數值計算模型
1.1 計算模型建立
該數值模擬的物理模型如圖1所示。
圖1物理模型示意圖
Fig.1 Physical model diagram
使用Ansys/LS-DYNA有限元分析軟件，建立了如圖2所示的1/4模型。本模型所有材料均使用3DSolid164單元。靶板四條側邊采取全約束方式固定，空氣邊界采用透射條件。
圖2有限元數值計算模型
Fig.2 Finite element numerical calculation model
考慮位置、厚度兩個因素，設計了10個工況：無涂覆、迎爆面涂覆2、4、6mm、背爆面涂覆2、4、6mm、雙側涂覆2、4、6mm。
1.2 材料模型
1.2.1 RDX炸藥
采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BU-RN材料模型，配合JWL狀態方程描述。
1.2.2 空氣
*MAT_NULL理想氣體材料模型，結合EOS_LINEAR_POLYMIAL線性狀態方程表示。
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