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新型含铝炸药爆轰特性及其在土壤中爆炸效应研究
【摘要】：含铝炸药作为军用混合炸药,其性能优良,并广泛应用于空中和水下兵器战斗部中。但在传统含铝炸药中,铝粉生产加工工艺复杂,细径铝粉(微米级或纳米级)不仅会带来粉尘污染、粉尘爆炸等危害,而且提高了混合炸药的机械(撞击、摩擦)感度,因此考虑通过改变铝的形态来解决以上问题,如采用铝纤维或铝箔膜等替代铝粉参与混合炸药制作。炸药在岩土中爆炸形成空腔的技术思想在军民领域均发挥着重要作用,铝纤维炸药相对工业乳化炸药在能量输出及力学性能等方面具有明显优势,可弥补工业炸药在一些特殊环境下工作效率的不足。本文通过水下爆炸性能测试及土中爆炸扩腔现场实验与数值模拟等方法研究新型含铝炸药的能量输出特点,具体研究内容如下：
通过铝纤维炸药与传统铝粉炸药及基体炸药黑索金的水下爆炸实验,得到冲击波压力时程曲线,通过分析计算获得三种炸药的冲击波压力峰值、冲量、比冲击波能、气泡脉动周期、比气泡能、总能量等参数。实验表明：铝纤维炸药和铝粉炸药相对RDX的冲击波压力峰值较低,但冲量有很大提高。铝纤维炸药的压力峰值与冲量在测点较近的位置略低于铝粉炸药,在测点较远的位置与铝粉炸药趋于相当,铝纤维炸药的压力峰值衰减速率低于铝粉炸药。铝纤维炸药的比冲击波能相对于RDX提高了9.56～15.00%,相对于铝粉炸药降低了1.19-2.40%。铝纤维炸药的比气泡能相对于RDX提高了44.00-47.35%,相对于铝粉炸药提高了3.07～3.60%,铝纤维与爆轰产物的二次反应主要体现在炸药比气泡能的增加。铝纤维炸药的总能量相对于RDX提高了24.85-29.18%,相对于铝粉炸药提高了0.95-1.62%。数据统计与方差分析结果表明,该实验数据可信、分布合理。
将铝箔膜与RDX均匀混合得到铝箔膜炸药,与铝粉炸药对比分析水下爆炸性能。铝箔膜炸药压力峰值衰减较铝粉炸药缓慢,冲量略高于铝粉炸药,比冲击波能相当,铝箔膜相对铝粉纯度高(比表面积小),铝箔膜炸药气泡脉动周期较长、比气泡能略高于铝粉炸药,铝箔膜炸药总能量略高于铝粉炸药。数据统计与方差分析结果表明,该实验数据可信、分布合理。
通过对铝纤维炸药在土中爆炸成腔效应进行现场实验研究,得到铝纤维炸药土中爆炸扩腔的半经验公式。在等药量条件下,铝纤维炸药相对于乳化炸药爆腔横向半径增大了15.6%,纵向半径增大了21.6%,体积增大了54.1%,说明了铝纤维炸药相对于乳化炸药做功能力优势明显。针对实验室5m高水下爆炸塔的倾斜问题,结合塔底矩形钢板环绕支撑结构和地质情况,设计具体的单孔装药量与孔深,利用铝纤维炸药土中扩腔技术重新调整塔底地基水平面,使塔在振动与重力作用下得以纠偏。
通过铝纤维炸药土中爆炸扩腔效果来检验其做功能力。采用ANSYS/LS-DYNA软件对铝纤维炸药土中扩腔过程进行数值模拟,得到铝纤维炸药爆腔半径随药量、药柱半径变化的关系,以及药柱附近土体单元的爆炸波压力峰值随比例距离的关系。铝纤维与爆炸产物的二次反应有效延缓了冲击波压力的衰减,使冲击波能量得到补充,有利于炸药爆炸做功。
【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学技术大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TQ560.1【目录】：
摘要5-7ABSTRACT7-13第1章 绪论13-23 1.1 研究背景及意义13-14 1.2 国内外研究现状14-18
1.2.1 含铝炸药研究现状14-16
1.2.2 新型含铝炸药研究现状16-17
1.2.3 炸药土中爆炸效应研究现状17-18 1.3 本文主要研究内容18-19 参考文献19-23第2章 铝纤维炸药水下爆炸性能23-47 2.1 引言23-24 2.2 水下爆炸实验原理24-29
2.2.1 实验设计24
2.2.2 数据处理24-29 2.3 铝纤维炸药水下爆炸实验29-34
2.3.1 实验样品制备29
2.3.2 压力时程的对比29-30
2.3.3 压力峰值与冲量30-31
2.3.4 比冲击波能与比气泡能31-32
2.3.5 总能量32-34 2.4 铝纤维炸药水下爆炸实验数据统计34-38 2.5 铝纤维炸药水下爆炸实验方差分析38-43
2.5.1 方差分析原理38-41
2.5.2 方差分析41-43 2.6 本章小节43-45 参考文献45-47第3章 铝箔膜炸药水下爆炸性能47-61 3.1 引言47 3.2 实验样品制备47-48 3.3 实验数据分析48-52
3.3.1 压力时程曲线48
3.3.2 压力峰值与冲量48-49
3.3.3 比冲击波能与比气泡能49-50
3.3.4 总能量50-52 3.4 铝箔膜炸药水下爆炸实验数据统计52-56 3.5 铝箔膜炸药水下爆炸实验方差分析56-59 3.6 本章小节59-60 参考文献60-61第4章 铝纤维炸药土中爆炸效应61-73 4.1 引言61 4.2 爆腔半径理论计算61-64 4.3 铝纤维炸药土中扩腔现场实验64-66
4.3.1 实验准备64
4.3.2 结果分析64-66 4.4 铝纤维炸药土中扩腔工程应用66-70
4.4.1 工程概况66
4.4.2 纠偏方案与参数设计66-68
4.4.3 爆破安全与防护措施68-69
4.4.4 纠偏效果69-70 4.5 本章小节70-71 参考文献71-73第5章 铝纤维炸药土中爆炸数值模拟73-85 5.1 引言73-74 5.2 ALE算法74-79
5.2.1 计算模型74
5.2.2 计算参数74-76
5.2.3 计算结果分析76-79 5.3 SPH-FEM算法79-81
5.3.1 SPH-FEM模型建立79-80
5.3.2 计算结果分析80-81 5.4 本章小节81-83 参考文献83-85第6章 全文总结与下一步展望85-89 6.1 全文总结85-87 6.2 主要创新点87 6.3 存在的问题及下一步展望87-89致谢89-91在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果91
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