环向聚能装药的数值模似与应用研究

发布时间：2017-04-16 01:27

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【摘要】：环向聚能装药是在传统锥形聚能装药的基础上发展而来的,其显著特点是药型罩的结构为环型,区别于圆锥药型罩和线型药型罩。装药起爆后,在爆轰压力的作用下环向聚型罩被压垮,形成360°与装药轴线垂直的圆盘射流向外(内)喷射,达到同时破坏多个方向目标的目的。正是由于上述结构特点,使得环向聚能装药具有广泛的军事和工业应用价值,对其进行设计和研究具有十分重要的意义。岩巷掘进工程爆破中掏槽爆破存在炮孔利用率低、爆破震动强度大,以及中深孔露天台阶爆破超深严重、岩石破碎不均匀等问题,针对上述问题提出采用“先切后掏”的爆破思想,通过改变炮孔装药结构来提高炮孔利用率和岩石破碎率,降低爆破振动,以及消除超深或尽量减小超深,进而提高循环进尺。本文首先基于聚能原理和炮孔的具体形态,设计了一种壳体环向聚能致裂器,并对其可行性进行了实验验证。其结构特点是：直接利用壳体材料作为聚能材料,在圆形管壳上设置多个聚能环,装药起爆后,在轴向同时形成多排环向聚能射流圆盘刀,对周围目标介质进行侵彻致裂。为了减少非装药段管壳爆炸后形成破片对实验结果产生的影响,聚能环间采用装药分层器隔开,优化后的环向聚能致裂器的结构不仅提高了炸药能量的利用率,而且能够有效避免由端点起爆导致的射流发生偏转,在此基础上研究了小尺寸环向聚能致裂器的侵彻性能。最后对环向聚能射流在运动过程中的受力情况进行了分析,由于环向聚能装药的结构特点,射流很容易在径向拉伸(速度梯度的存在)和切向拉伸的双重作用下从射流头部至杵体依次断裂成非连续的点状射流圆盘,因此过大的炸高将导致射流的侵彻能力急剧下降。根据相似准则,在无缝钢管内浇筑的水泥砂浆进行掏槽爆破模拟实验。实验结果表明,环向聚能致裂器爆破后具有良好的掏槽爆破效果,掏槽眼成型质量好,孔壁平整,炮孔利用率达到98%。结合射流破岩及岩石爆破原理对环向聚能致裂器的爆炸致裂机理进行了分析,由于聚能射流的侵彻作用,在孔壁环向产生初始诱导裂缝,并在后续爆生气体的准静态载荷作用下,裂缝在气楔和应力集中的共同作用下向前扩展,能够有效形成交错的裂纹网络。最后提出利用环向聚能致裂器解决中深孔露天台阶爆破超深和大块率问题。数值模拟作为研究聚能装药的有效技术手段之一,能够形象的再现射流形成的细微观过程,弥补了实验测量技术的不足,同时能够节约实验成本,为射流的机理研究提供理论参考依据。应用商业软件LS-DYNA对环向聚能射流的形成过程进行三维数值模拟,通过轴对称算法研究了起爆方式的不同对射流的成型和射流速度的影响,结果表明由于爆轰波的叠加作用,两端对称起爆形成的射流头部速度最大,中心点起爆次之,端点起爆最小。端点起爆的爆轰波以非对称形式作用在药型罩两侧,且两侧爆轰压力峰值相差较大,故形成的射流偏离对称面运动。通过对同截面尺寸的锥形、线型和环向聚能装药侵彻靶板进行数值模拟,比较了三种典型聚能装药对靶板的侵彻能力。采用流固耦合方法对小尺寸的环向聚能致裂器侵彻钢靶进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,同时小尺寸的环向聚能致裂器对钢靶具有足够的侵彻能力,因而可以对脆性材料如岩石产生强烈的环向侵彻效果,便于在岩石中形成初始诱导裂缝,为岩石的起裂和开裂创造条件。页岩气储层具有低孔隙度和超低渗透率的物性特征,极大地影响了页岩气的开采效率。在原有工作的基础上提出柔性环向聚能致裂器实现页岩爆炸致裂技术的新设想,利用爆炸后产生的环向聚能射流圆盘刀,高速侵彻岩体,在岩体孔壁上形成初始诱导裂缝,并在爆炸产生的振动和高能气体作用下,使岩体内初始诱导裂缝进一步扩展,与页岩中初始天然裂隙形成大范围相互交错的裂纹网,增加页岩的孔隙度和渗透率,为下一步二次水力压裂创造有利条件。通过切割钢管模拟实验对该致裂器的作用原理进行了实验验证,并对环向聚能装药侵彻混凝土靶板进行了数值模拟,模拟结果显示环向聚能射流能够产生大量环向损伤裂隙,并进一步扩展形成相互交错的复杂裂纹网络。
【关键词】：环向聚能装药 掏槽爆破 炮孔利用率 聚能致裂 诱导裂缝 数值模拟 流固耦合
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ560.7;TB41
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-42
• 1.1 引言14-16
• 1.2 国内外研究现状16-22
• 1.2.1 聚能装药及其发展概况16-17
• 1.2.2 聚能射流形成机理研究17-19
• 1.2.3 聚能射流稳定性研究19-21
• 1.2.4 聚能射流侵彻理论研究21-22
• 1.3 聚能装药的数值模拟22-24
• 1.4 聚能装药的用途24-25
• 1.4.1 在军事方面的应用24-25
• 1.4.2 在工业方面的应用25
• 1.5 环向聚能装药方面的研究25-26
• 1.6 研究意义26-27
• 1.7 本文主要研究内容27-29
• 参考文献29-42
• 第2章 聚能射流形成和侵彻的基本理论42-60
• 2.1 引言42-43
• 2.2 聚能射流形成的理论模型43-50
• 2.2.1 伯克霍夫定常理论43-45
• 2.2.2 PER准定常理论45-48
• 2.2.3 粘-塑性理论48-49
• 2.2.4 射流形成的临界条件49-50
• 2.3 聚能射流侵彻的理论模型50-55
• 2.3.1 定常理想不可压缩流体力学侵彻理论50-51
• 2.3.2 准定常理想不可压缩流体力学侵彻理论51-53
• 2.3.3 考虑靶板材料强度的侵彻理论53-54
• 2.3.4 弹坑扩展模型54-55
• 2.4 聚能射流断裂的理论55-57
• 2.5 本章小结57-58
• 参考文献58-60
• 第3章 环向聚能装药的实验研究60-74
• 3.1 引言60-61
• 3.2 环向聚能致裂器结构的设计61-63
• 3.2.1 结构设计61-62
• 3.2.2 参数设计62-63
• 3.3 环向聚能致裂器的可行性实验63-65
• 3.3.1 侵彻钢板实验63-64
• 3.3.2 实验结果分析与讨论64-65
• 3.4 环向聚能致裂器结构的改进65-66
• 3.5 环向聚能致裂器侵彻实验66-70
• 3.5.1 侵彻钢管实验66-69
• 3.5.2 侵彻钢板实验69-70
• 3.6 环向聚能射流运动过程的受力分析70-71
• 3.7 本章小结71-73
• 参考文献73-74
• 第4章 环向聚能装药的应用研究74-92
• 4.1 引言74-75
• 4.2 岩石爆破作用原理75-79
• 4.2.1 岩石中爆炸应力波的传播和爆破理论75-76
• 4.2.2 岩石的爆破破碎机理76-78
• 4.2.3 岩石裂缝扩展的力学基础78-79
• 4.3 高效掏槽爆破模型实验研究79-84
• 4.3.1 相似理论及其在爆破工程中应用79-81
• 4.3.2 掏槽爆破模型实验81-84
• 4.4 环向聚能致裂器爆炸致裂机理分析84-85
• 4.5 解决中深孔露天台阶爆破大块率和根底问题85-88
• 4.5.1 背景介绍85-86
• 4.5.2 新装药结构的设想86-88
• 4.6 本章小结88-89
• 参考文献89-92
• 第5章 环向聚能装药的数值模拟研究92-114
• 5.1 引言92-93
• 5.2 环向聚能射流形成过程的三维数值模拟93-99
• 5.2.1 计算模型及参数93-94
• 5.2.2 材料本构模型与状态方程94-97
• 5.2.3 计算结果与分析97-99
• 5.3 起爆方式对环向聚能射流成型的影响99-103
• 5.3.1 计算模型及参数99-100
• 5.3.2 计算结果分析与讨论100-103
• 5.4 同尺寸不同药型罩侵彻性能的比较103-108
• 5.4.1 三种聚能装药的计算模型及算法103-105
• 5.4.2 计算结果与分析105-108
• 5.5 小尺寸环向聚能致裂器侵彻钢靶的数值模拟108-111
• 5.6 本章小结111-112
• 参考文献112-114
• 第6章 页岩爆炸致裂技术的初步研究114-128
• 6.1 引言114-115
• 6.2 新工艺的设想115-117
• 6.3 实验研究117-118
• 6.3.1 实验设计117-118
• 6.3.2 实验结果与讨论118
• 6.4 环向聚能致裂器侵彻岩体裂纹扩展的数值模拟118-124
• 6.4.1 计算模型及材料本构119-123
• 6.4.2 数值模拟结果与分析123-124
• 6.5 环向聚能致裂器用于页岩爆炸致裂设想的结论124
• 6.6 本章小结124-126
• 参考文献126-128
• 第7章 全文总结128-132
• 7.1 全文总结128-130
• 7.2 主要创新点130
• 7.3 存在的问题及工作展望130-132
• 致谢132-134
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果134-135

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 温万治,恽寿榕,赵衡阳,张月琴;聚能装药侵彻钢板全过程的数值模拟[J];爆炸与冲击;2001年02期

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本文编号：309726