基于正交试验法的多面聚能效应的数值模拟与应用研究
发布时间：2023-02-06 13:26
多面聚能装药结构是指在同一个装药的四周均匀布置多个相同的药室和药型罩,且每个药室的炸药由同一起爆点起爆。多面聚能装药起爆后形成多股射流,达到多元毁伤目的,因此已被应用于军事和民用工程,特别是油气井射孔、岩石定向断裂控制爆破、多面线性切割等广泛地使用该技术。由于多面聚能效应具有广泛的应用价值,对其进行系统地研究具有十分重要的意义。 由于实验涉及到炸药的爆轰、弹壳的破碎飞散以及聚能射流的侵彻等过程,高温、高速、高危险性增加了实验的难度,而且传统的解析方法无法准确地描述复杂运动过程的特点以及规律。同时,考虑到实验成本等因素,必须寻求能够代替实验进行研究的方法。随着计算机技术的飞快发展,数值模拟成为了一种有效的方法。由于聚能装药射流形成及射流侵彻靶板过程的数值模拟涉及到大变形和多物质问题,一直是数值模拟领域的难点。所以本文的主要研究内容之一就是针对此类的大变形、多物质问题,探讨和研究适合的数值模拟算法；其次,利用理论分析、数值模拟、实验和工程应用研究相结合的方法对多面聚能装药结构及药型罩结构进行设计与优化,并对不同装药结构的药型罩压垮变形过程、射流侵彻机理和侵彻性能进行研究。 本文首先介绍了光...
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状
1.2.1 聚能装药发展概况
1.2.2 聚能装药射流形成机理研究情况
1.2.3 聚能射流的断裂和稳定性研究
1.2.4 聚能射流侵彻机理研究
1.3 聚能装药的数值模拟
1.4 药型罩的研究
1.4.1 纯金属药型罩的材料研究
1.4.2 复合药型罩材料的研究
1.5 本文主要研究内容
第2章 应用SPH算法的聚能装药数值模拟研究
2.1 前言
2.2 光滑粒子流体动力学方法SPH
2.2.1 SPH方法的思想和基本方程
2.2.2 光滑粒子方法支持域、核函数和光滑长度
2.3 本构和状态方程
2.4 SPH程序代码编写
2.4.1 SPH程序模块
2.4.2 粒子搜索方法
2.4.3 不同物质交界面的处理
2.4.4 时间积分格式
2.5 一个小算例
2.6 LS-DYNA程序中SPH及SPH-FEM算法研究
2.6.1 LS-DYNA程序中SPH或SPH-FEM算法实现方法
2.6.1.1 计算模型的创建
2.6.1.2 修改K文件
2.6.2 SPH方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用研究算例1
2.6.2.1 计算模型
2.6.2.2 射流形成过程和机理分析
2.6.2.3 SPH数值模拟结果、有限元模拟结果及理论计算结果的比较和分析
2.6.2.4 初始相邻光滑粒子数对计算结果的影响分析
2.6.2.5 不同粒子近似公式对计算结果的影响
2.6.2.6 SPH算法讨论
2.6.3 SPH-FEM、ALE算法在射流侵彻问题中的应用研究算例2
2.6.3.1 SPH-FEM、ALE数值模拟结果
2.6.3.2 实验
2.6.3.3 SPH-FEM、ALE仿真结果和实验结果的比较
2.6.3.4 讨论
2.6.4 SPH-FEM算法特性的研究算例3
2.6.4.1 计算模型
2.6.4.2 SPH-FEM数值模拟结果与分析
2.6.4.3 SPH-FEM仿真结果与ALE、理论计算及实验结果的比较
2.6.4.3.1 ALE方法数值模拟
2.6.4.3.2 理论计算
2.6.4.4 实验
2.6.4.5 SPH-FEM与ALE仿真结果的比较
2.6.4.6 SPH-FEM结果与理论计算和实验结果的比较
2.6.4.7 讨论
2.7 本章总结
第3章 多面聚能装药结构的设计与优化
3.1 引言
3.2 多面聚能装药结构的设计与优化
3.2.1 弹药室结构设计
3.2.2 不同起爆方式的影响
3.3 药型罩几何结构设计与优化
3.3.1 几何结构设计及设计原理
3.3.2 双锥药型罩结构的正交优化设计
3.3.2.1 优化设计因数、水平的设计
3.3.2.2 双锥罩小锥角底面半径理论计算
3.3.2.3 数值模拟计算模型
3.3.3 数值模拟结果与分析
3.3.3.1 双锥药型罩的成型机理
3.3.3.2 不同双锥罩结构参数对射流成型性能影响
3.3.4 实验验证
3.3.5 小结
3.4 单锥铜罩不同重量、壁厚变化率、曲率对射流速度影响
3.5 铜铝双层药型罩的研究
3.6 本章小结
第4章 聚能射流侵彻计算模型
4.1 引言
4.2 射流速度和长度的理论计算
4.2.1 理论计算公式
4.2.2 理论计算结果与有限元计算结果的比较
4.3 射流侵彻模型
4.3.1 射流侵彻公式
4.3.2 双面聚能装药结构侵彻算例1
4.3.2.1 计算模型
4.3.2.2 数值模拟计算射流速度
4.3.2.3 射流穿深的计算
4.3.2.4 算例1的实验验证
4.3.2.5 算例1小结
4.3.3 单面聚能装药结构侵彻算例2
4.3.3.1 计算模型和数值模拟结果
4.3.3.2 射流侵彻深度的理论计算--双虚拟点源原理
4.3.3.3 算例2实验验证
4.3.3.4 算例2小结
4.4 本章小结
第5章 多面聚能效应的实验研究
5.1 引言
5.2 药型罩的制备
5.3 侵彻实验
5.3.1 双面聚能弹和双锥药型罩的侵彻实验
5.3.2 四面聚能弹和双锥药型罩的侵彻实验
5.3.3 双面聚能弹和粉末药型罩的侵彻实验
5.3.4 改进的四面聚能弹侵彻实验
5.4 钨铜粉末药型罩正交试验
5.5 本章小结
第6章 多面聚能效应的工程应用研究
6.1 引言
6.2 案例一：多面聚能切割弹在矿井卡钻事故中的应用研究
6.2.1 工程背景介绍
6.2.2 技术难点及方案
6.2.3 多面聚能弹结构设计
6.2.4 多面聚能弹的爆炸切割机理研究
6.2.4.1 计算模型
6.2.4.2 数值模拟结果与分析
6.2.4.3 实验研究
6.2.5 实践结果
6.2.6 小结
6.3 案例二：聚能切割弹在深水下桥墩沉降事故中的应用研究
6.3.1 工程背景介绍
6.3.2 技术难点与研究方案
6.3.3 聚能弹的设计
6.3.4 聚能弹爆炸切割过程数值模拟研究
6.3.5 数值模拟结果分析
6.3.6 工程实践结果与讨论
6.3.7 小结与讨论
6.4 本章总结
第7章 全文总结
7.1 全文总结
7.2 论文主要创新点
7.3 存在的问题及工作展望
参考文献
致谢
读博期间发表的学术论文
本文编号：3736082
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【学位级别】：博士
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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状
1.2.1 聚能装药发展概况
1.2.2 聚能装药射流形成机理研究情况
1.2.3 聚能射流的断裂和稳定性研究
1.2.4 聚能射流侵彻机理研究
1.3 聚能装药的数值模拟
1.4 药型罩的研究
1.4.1 纯金属药型罩的材料研究
1.4.2 复合药型罩材料的研究
1.5 本文主要研究内容
第2章 应用SPH算法的聚能装药数值模拟研究
2.1 前言
2.2 光滑粒子流体动力学方法SPH
2.2.1 SPH方法的思想和基本方程
2.2.2 光滑粒子方法支持域、核函数和光滑长度
2.3 本构和状态方程
2.4 SPH程序代码编写
2.4.1 SPH程序模块
2.4.2 粒子搜索方法
2.4.3 不同物质交界面的处理
2.4.4 时间积分格式
2.5 一个小算例
2.6 LS-DYNA程序中SPH及SPH-FEM算法研究
2.6.1 LS-DYNA程序中SPH或SPH-FEM算法实现方法
2.6.1.1 计算模型的创建
2.6.1.2 修改K文件
2.6.2 SPH方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用研究算例1
2.6.2.1 计算模型
2.6.2.2 射流形成过程和机理分析
2.6.2.3 SPH数值模拟结果、有限元模拟结果及理论计算结果的比较和分析
2.6.2.4 初始相邻光滑粒子数对计算结果的影响分析
2.6.2.5 不同粒子近似公式对计算结果的影响
2.6.2.6 SPH算法讨论
2.6.3 SPH-FEM、ALE算法在射流侵彻问题中的应用研究算例2
2.6.3.1 SPH-FEM、ALE数值模拟结果
2.6.3.2 实验
2.6.3.3 SPH-FEM、ALE仿真结果和实验结果的比较
2.6.3.4 讨论
2.6.4 SPH-FEM算法特性的研究算例3
2.6.4.1 计算模型
2.6.4.2 SPH-FEM数值模拟结果与分析
2.6.4.3 SPH-FEM仿真结果与ALE、理论计算及实验结果的比较
2.6.4.3.1 ALE方法数值模拟
2.6.4.3.2 理论计算
2.6.4.4 实验
2.6.4.5 SPH-FEM与ALE仿真结果的比较
2.6.4.6 SPH-FEM结果与理论计算和实验结果的比较
2.6.4.7 讨论
2.7 本章总结
第3章 多面聚能装药结构的设计与优化
3.1 引言
3.2 多面聚能装药结构的设计与优化
3.2.1 弹药室结构设计
3.2.2 不同起爆方式的影响
3.3 药型罩几何结构设计与优化
3.3.1 几何结构设计及设计原理
3.3.2 双锥药型罩结构的正交优化设计
3.3.2.1 优化设计因数、水平的设计
3.3.2.2 双锥罩小锥角底面半径理论计算
3.3.2.3 数值模拟计算模型
3.3.3 数值模拟结果与分析
3.3.3.1 双锥药型罩的成型机理
3.3.3.2 不同双锥罩结构参数对射流成型性能影响
3.3.4 实验验证
3.3.5 小结
3.4 单锥铜罩不同重量、壁厚变化率、曲率对射流速度影响
3.5 铜铝双层药型罩的研究
3.6 本章小结
第4章 聚能射流侵彻计算模型
4.1 引言
4.2 射流速度和长度的理论计算
4.2.1 理论计算公式
4.2.2 理论计算结果与有限元计算结果的比较
4.3 射流侵彻模型
4.3.1 射流侵彻公式
4.3.2 双面聚能装药结构侵彻算例1
4.3.2.1 计算模型
4.3.2.2 数值模拟计算射流速度
4.3.2.3 射流穿深的计算
4.3.2.4 算例1的实验验证
4.3.2.5 算例1小结
4.3.3 单面聚能装药结构侵彻算例2
4.3.3.1 计算模型和数值模拟结果
4.3.3.2 射流侵彻深度的理论计算--双虚拟点源原理
4.3.3.3 算例2实验验证
4.3.3.4 算例2小结
4.4 本章小结
第5章 多面聚能效应的实验研究
5.1 引言
5.2 药型罩的制备
5.3 侵彻实验
5.3.1 双面聚能弹和双锥药型罩的侵彻实验
5.3.2 四面聚能弹和双锥药型罩的侵彻实验
5.3.3 双面聚能弹和粉末药型罩的侵彻实验
5.3.4 改进的四面聚能弹侵彻实验
5.4 钨铜粉末药型罩正交试验
5.5 本章小结
第6章 多面聚能效应的工程应用研究
6.1 引言
6.2 案例一：多面聚能切割弹在矿井卡钻事故中的应用研究
6.2.1 工程背景介绍
6.2.2 技术难点及方案
6.2.3 多面聚能弹结构设计
6.2.4 多面聚能弹的爆炸切割机理研究
6.2.4.1 计算模型
6.2.4.2 数值模拟结果与分析
6.2.4.3 实验研究
6.2.5 实践结果
6.2.6 小结
6.3 案例二：聚能切割弹在深水下桥墩沉降事故中的应用研究
6.3.1 工程背景介绍
6.3.2 技术难点与研究方案
6.3.3 聚能弹的设计
6.3.4 聚能弹爆炸切割过程数值模拟研究
6.3.5 数值模拟结果分析
6.3.6 工程实践结果与讨论
6.3.7 小结与讨论
6.4 本章总结
第7章 全文总结
7.1 全文总结
7.2 论文主要创新点
7.3 存在的问题及工作展望
参考文献
致谢
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本文编号：3736082
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