水下爆炸中JWL状态方程的数值模拟研究

工程科学与技术，国际期刊23（2020）758水下爆炸近远场效应数值模拟的JWL状态方程研究Sourabh Kolia，P.Chellapandic，Lokavarapu Bhaskara Raoa，Akshay Sawantba机械和建筑科学学院，VIT大学，Chennai Campus，Vandal-Kelambakkam Road，Chennai 600127，Tamil Nadu，印度b法雷奥印度私人有限公司，印度泰米尔纳德邦钦奈Navallur Old MahabaluramcINAE，Distinguished Professor，Department of Applied Mechanics，Indian Institute of Technology Madras，Chennai-600036，Tamil Nadu，India阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年6月8日收到2019年4月13日修订2020年1月24日接受2020年2月1日网上发售关键词：水下爆炸近场效应远场效应JWL方程爆炸冲击波A B S T R A C T计算能力的快速增长使结构力学专家能够方便地对复杂的显式动力学、爆轰动力学、冲击动力学和爆炸分析进行数值模拟。本文试图描述球形炸药在水中冲击波沿径向线的JWL状态方程对几种烈性炸药爆后爆轰产物膨胀的计算进行了研究，提出了用PVc形式简化计算的方法，以减少计算的复杂性，水下爆炸现象的发生时间。近场效应对结构产生严重影响，导致结构局部变形和危害，而随着距离爆炸中心的增大，爆轰产物的膨胀使爆炸效应减小。有强烈的需要，以隔离这种影响，找到结构的脆弱性取决于目标结构距离爆炸中心。采用均相和非均相爆炸模型研究了典型球形高能炸药装药半径的变化通过参数分析，得到了区分近场效应和远场效应的有效判据。文中给出了所有的计算结果，并进行了综合比较.©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍爆炸是一个放热的化学反应过程，它将爆炸物质转化为高压高温的产物气体，导致产生冲击波，由于高压脉冲对周围介质产生严重影响。水下爆炸会形成一系列的事件，包括强烈的流固相互作用、水下冲击波爆轰后会产生冲击波和膨胀的气泡，从而在水下产生很高的压力这一过程是通过一系列连续的物理和化学反应完成的，释放大量的热量，形成气体产物，能量以压力波的形式传播。因此，水下爆炸通过破坏性的压力波对水上结构物造成显著的破坏性影响，其作用范围可达远距离。*通讯作者。电子邮件地址：bhaskarbabu_20@yahoo.com（L. BhaskaraRao）。由Karabuk大学负责进行同行审查。与空气相比，水具有相对较高的密度，这增加了水的惯性，并且使其更难通过压力压缩。这两种特性使水成为深水爆炸水场中长距离冲击波的良好导体。水下爆炸的效果取决于许多参数，如爆炸强度（即炸药的能量）、目标距离和从水面到爆炸源的深度。根据爆炸源的深度不同，水下爆炸可分为深水爆炸和浅水爆炸. LeMehaute、Bernard和王申[1]给出了水下爆炸的深浅分类标准。一般情况下，深水爆炸在水面形成的弹坑是微不足道的，而在浅水爆炸情况下，弹坑是值得考虑的。在设计潜艇和反舰导弹时，这种效果尤为突出。在水下爆炸中，由于水在水上结构上的运动以及冲击波的影响，效果可以被放大。相同药量的炸药在水下爆炸时，压力波的衰减小于空气中的压力波衰减，其破坏力更大。水是不可压缩的性质，由于这一点，任何局部压力施加到一个特定的区域的水;它将传播的形式波到其他部分的空间。这种现象https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.01.0072215-0986/©2020 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchS. Koli等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）758759产生具有大速度的压力波和产生涉及水的局部运动的如果该波是由球形炸药爆轰产生的爆炸载荷产生的，则压力波的幅值从震源处开始随着距爆轰点的径向直线距离的增加而迅速减小这就产生了球面偏差的压力差，这就是所谓的喘振现象[2]。爆轰波是在爆轰波阵面后方高能炸药内部发生的连续放热化学反应产生的以超音速传播的冲击波。该激波阵面是固体高能炸药爆轰时气态产物转化膨胀的结果。这一过程是瞬时发生的，产生的激波在球域内向外径向传播.这就产生了一种速度远大于声速的冲击波，它从爆炸界面处出来，冲击到水相区域。这种冲击波在以特定声速穿过水时迅速转变为地震P波。Hempen首先使用“压力波”作为一个通用术语，用于描述波在水中传播，而不管与震源的距离或冲击波的速度如何[3]。因此，内部爆炸波被称为以超音速传播的冲击波，而当它到达水域时，它导致以音速传播的压缩p波，称为压力波。压力波的到达可以通过压力瞬时上升到尖锐峰值而容易地检测到，并且随后是相应压力波在水域中空间上的指数衰减。这种实现尖峰压力和衰减效应的过程是几毫秒的量级。压力波的峰值压力被假定为垂直于水中结构施加的准静态载荷，这对于找出爆炸的破坏潜力是重要的[4]。水下爆炸产生的压力波传播研究人员主要关注爆炸和爆炸载荷对船体和潜艇等水下结构物的影响的关键参数，以便对其进行保护[5]。近年来，随着计算能力的提高和数值方法的发展，水下爆炸复杂场景的精确数值因此，需要研究水下爆炸对高能炸药的爆轰效应、压力波的传播效应、爆轰产物的膨胀效应以及水下爆炸的近场效应和1.1. 水下爆炸研究由于水下爆炸的作用，炸药爆炸产生的冲击波会对沉入水中的结构物造成严重的破坏，进而淹没在水中。破坏的强度取决于压力波的强度，而压力波的强度则取决于结构与爆炸点之间的特征距离;此外，爆炸物本身具有特定的特性和质量。特别是，近场效应对结构的破坏性质和程度非常严重，并且与远场效应的结构非常不同，因为近场效应靠近爆炸物-水界面，而远场效应的结构保持在较远的距离，因此由于波的衰减，效应的范围是中等的。根据目标结构与爆炸中心之间的距离，水下爆炸效应可分为两类，即：爆炸近场效应和爆炸远场效应近场效应包括产生突发高压波，引起附近结构的严重破坏，局部变形引起爆轰现象，并在炸药边界内建立压力，达到特定爆轰的Chapman-Jouguet（C-J）值在增加距爆炸装药中心的径向距离开始减小，在某一点上，它只会使结构弹性变形而不会破裂。因此，超过这一点的爆炸被称为爆炸的远场效应[6]。因此，目标距爆炸中心的距离是爆炸压力场的重要参数，为研究水下爆炸载荷作用下结构的完整性评估和提供减震机制提供考虑到球形爆炸作用下近场和远场效应的最终评价目标，必须准确评价从炸药-水界面开始的爆炸源压力波近场效应和远场效应有很大的不同，特别是在冲击波产生的机械效应强度方面，在炸药近场中，它非常高，并且由于爆轰后气体产物的膨胀而大大降低。在圆柱形爆炸装药的情况下，在炸药端部产生平波，随着时间的推移，该波将在装药端部的爆轰气体产物的侧向膨胀的影响下弯曲成半球形构型[7]。近场爆炸会对爆炸附近的结构产生破坏性的影响，引起目标的强烈流固相互作用，从而形成空化和气泡，导致水下爆炸中的高峰值压力。为了研究含铝炸药和非含铝炸药对水中结构物的冲击波作用，建立了含铝炸药和非含铝炸药对水中结构物冲击波作用的模型靶关系。通过这些实验获得的实验结果对于开发和成功部署水下爆炸模拟数值模型至关重要，该模型可作为研究近场对目标几何形状影响的基准[8]。爆炸引起的动荷载作用于邻近结构的荷载-结构相互作用是一个复杂的问题，并且随情况的不同而变化。通过数值模拟和实验分析[9利用水下冲击波的传播效应，在金属成形、爆炸焊接等先进制造工艺中得到了越来越多的重视。 因此，为了有效地完成该制造过程，必须利用近场和远场效应的概念来控制水下冲击波传播现象。为了研究爆炸远场效应，爆炸载荷中的附加结构一般与炸药本身的特征半径有一个或多个数量级的距离。爆炸荷载对整个结构产生冲击作用，因此更复杂的大部分结构相互作用问题需要建模。研究了水下爆炸装置近场爆轰作用在近距离被淹没混凝土壁上的效应，对于由其质量确定的特定爆炸装置，近场作用范围由最小折合半径来体现，在最小折合半径下，由于近场爆轰产生的高压，绝热特性显著。在LS-DYNA中采用任意拉格朗日欧拉（ALE）算法，数值研究了炸药质量和爆点与目标距离对混凝土墙损伤深度的影响，并对结果进行了实验验证[14]。了解炸药特性及其对爆炸波传播的影响一直是研究中的课题，对设计和安全措施具有重要作用[15目前使用的炸药数值模型包括壳体有限元和材料行为，从准静态模型到不可避免的非线性模型。在炸药爆轰时，在炸药近场引入的结构将承受高应力或高应力，760S. 科利等 其他/工程 科学 技术，国际 期刊23（2020）758.Σ应变率，但由于能量的考虑，这种高强度的影响将持续非常短的时间以及非常短的距离[19]。1.2. 这些研究的重要性在水下爆炸中，有必要区分远场效应和近场效应。本文试图建立区分水下爆炸近场效应和远场效应的判据。根据这些远场和近场效应准则，可以预测淹没在水中的结构对爆炸载荷的易损性。本研究也提供了更简化的方法，远场效应使用简单的模型进行数值研究取决于结构和炸药的距离。对于舰船、潜艇和水下结构物的设计和抗冲击防护具有重要的意义。本文比较了常用的JWL（John-Wilkins-Lee）方程对爆轰产物膨胀的影响，研究了典型炸药爆轰产物的后续行为。推荐了用绝热指数简化JWL状态（c）绝热膨胀PVc形式爆炸产物用均质炸药模型研究远场效应，用各种高能炸药的内能强度和绝热JWL曲线进行比较，从而了解高能炸药的毁伤潜力。1.3. 炸药特性模拟简化方法的必要性在水下爆炸问题的数值模拟中，取决于爆炸参数，即爆轰、爆轰后产生的热气体的膨胀、冲击波的传播等，以及所用炸药的特性，都是重要的参数。因此，爆炸后产生的突然破坏结构的机械效应是特定炸药的这些特性的结果。根据所关注的效应，即结构受到远场或近场效应的影响，冲击波的后续破坏潜力会发生变化。因此，快速、简便、有效的数值模型是研究远场效应的必要条件。因此，从距离和炸药特性参数的顺序来看待水下爆炸，需要采用更为简化的方法。爆轰产物膨胀所用的状态方程对水相区域内冲击波速度和峰值压力的产生起着至关重要的作用。该状态方程对爆轰后产物气体膨胀的影响需要进行评估，以开发更有效的数值模型。1.4. 本文件的范围对现有炸药模型的爆轰过程和冲击波动力学的分析和实验研究一直是一项艰巨的任务，在计算中除了风险和环境危害外，还可能存在实验和人为误差对这一多维、多学科问题进行数值模拟是研究水下爆炸冲击波传播的一种有效、经济、快捷的方法。研究高能炸药水下爆炸的力学效应，确定爆炸物周围空间变化对水上结构物的损伤潜力，是进行水下爆炸物损伤评估的必要手段，具有重要的国防、民用和学术意义。本工作的目的是（一）。通过对典型炸药JWL曲线和爆轰产物相对膨胀的比较，研究了常用炸药的特性高爆炸性，（二）。通过对水下爆炸近场和远场效应的JWL方程的解析研究，建立了简化方法的应用准则。为了确定水下爆炸现象中压力波的传播特性及相关的力学效应，即压力波的传播特性。从爆炸物-水界面开始的水场中的空间和时间峰值压力变化和速度分布;根据机械效应建立区分近场和远场效应的标准。1.5. 用JWL方程模拟近场和远场效应为了研究水下爆炸的近场和远场复杂效应，必须了解典型炸药的特性和所用爆轰产物的传播状态方程。在用于水下爆炸的大多数炸药中，世界范围内经常使用的典型高爆炸药是TNT（三硝基甲苯）、PETN（五甘醇四硝酸酯）、SEP和C4。因此，借助于JWL方程，可以比较它们的参数，以判断它们在爆炸和产物气体描述高能炸药爆轰气体产物膨胀的状态方程有多种，但由于JWL状态方程流体力学计算简单，且计算结果与实验结果基本一致，许多标准程序采用JWL状态方程进行数值模拟。JWL状态方程包含描述爆轰产物体积、能量和压力之间关系的参数。这些参数是通过爆轰产物的金属圆柱膨胀试验确定的。在时间间隔内释放的化学能储存在炸药本身的燃烧产物中。燃烧产物被假定为经历绝热热力学过程的均匀气体，该绝热热力学过程由Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程定义。JWL状态方程的主要价值在于它能够准确地描述"C-J发表于[20]。JWL方程由爆轰产物等熵附近的内能E展开得到[21]。JWL EOS表示为P¼A1-x=R1Ve-R1VB 1-x=R2Ve-R2VxE=V1因此，JWL状态方程可用于计算具有空间和瞬态变化的爆轰产物压力。这里，V代表相对体积，该表达式将压力P与相对体积联系起来。有效比容V/V=v0和能量E。这里，比容v0是炸药初始密度的倒数，比容V是自变量。能量项E包含化学键能以及与流动的动量方面相关的动能A和B是压力系数，而R1和R2是主特征值和次特征值，分别描述爆炸产物的短程和长程行为。参数“x”是对压力有然而，用V代替VSP（比容）*q0（装载密度）将这些表达式转换为比容[16]。对有限数量的炸药进行了严格的比较，其中系数是通过将方程与实验C-J条件、量热数据和圆柱体试验数据1.6. 问题的定义研究了高爆炸性物质PETN、TNT和SEP的球形装药在不同装药半径下的深水爆炸数值模拟。S. Koli等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）75876120 mm至100 mm，半径增量为10 mm。将轴对称基准几何模型进一步扩展到炸药周围的水介质中，研究炸药-水界面附近的近场效应，并进一步沿显著径向距离研究远场效应。冲击波沿炸药周围边界的峰值压力变化和速度分布水的外边界半径被选择为相对无限大，这确保了无反射边界条件，从而在不改变的情况下捕获基本的近场效应。1.7. 典型烈性炸药及其性能TNT（三硝基甲苯）是军用武器和民用采矿和挖掘活动中这种黄色固体经常被用作炮弹、迫击炮弹和航空炸弹的主TNT被归类为次级烈性炸药，因为它不太容易点燃，需要起爆药来点燃它，它具有相当高的爆炸力，良好的化学和热稳定性，并与其他炸药兼容。TNT被认为是炸药强度的标准量度PETN（五赤藓醇四硝酸酯）是已知的最强的高爆炸性物质之一，即，对震动和摩擦比TNT更敏感它主要用于小口径弹药的传爆药、某些地雷的雷管和炮弹。PETN不是天然存在的，这种化合物的生产和使用会导致环境污染太安是白色的。SEP高爆药是65%太安和35%石蜡的混合物C-4是一种常见的塑料炸药，称为C组合物。C-4是由炸药，塑料粘合剂，增塑剂，使其具有延展性，通常是一个标记或气味切线化学品。C-4具有类似于模塑粘土的结构，可以模塑成任何优选的形状。C-4是稳定的，爆炸只能由雷管的极热和冲击波的组合引发[26]。状态属性的JWL方程取自[22，23，24]。高爆炸药的这种性质已从[24，25]中采用。这些相似的性质被用于数值研究中的这项工作。典型炸药的JWL状态方程特性如表1所示。1.8. 爆炸的均质和非均质数值在数值模拟高能炸药水下爆炸时，采用了两种炸药模型，即均质炸药模型和非均质炸药模型。均质炸药模型（图1（a））是一种含有相应的气态炸药的高压燃烧产物气体的模型，该气体在点火时瞬间释放，依次突然产生高压，这种高压气体产物的膨胀根据上面第2.0节讨论的Jones-Wilkins- Lee（JWL）状态方程进行，而在非均质模型（图1（a））中，这种气体产物的膨胀根据上面第2.0节讨论的JWL状态方程进行。1（b））固体高爆炸药被点燃时，图1a. 均质爆炸模型图1b. 多相爆炸模型。爆轰波具有爆炸冲击动力学（DSD）现象，爆炸冲击动力学（DSD）现象遵循Chapman-Jouguet（C-J）理论，采用燃烧分数模型。均相爆炸模型的优点是不需要考虑爆轰理论和燃烧模型，便于数值模拟。表1典型炸药的JWL EOS特性爆炸密度（kg/m3）A（毫巴）B（毫巴）R1R2WE（毫巴）TNT16103.7120.03234.150.950.300.070PETN17506.1700.21674.401.320.250.0913C416015.9810.1374.51.50.320.087Sep13103.6400.02314.310.280.0282* LS-DYNA软件中的MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN爆轰效应识别模型需要炸药参数，即炸药的爆速、密度和这在表2中给出。762S. 科利等 其他/工程 科学 技术，国际 期刊23（2020）758表2爆炸性。爆炸密度爆速C-J压力(kg/立方米）（m/s）（毫巴）PETN170075300.2518TNT161068450.21Sep131069700.1591图1（a）是用于高能炸药数值模拟的均相炸药模型的示意图。在该模型中，它包含了气态的高能炸药爆轰产物。点火后，它很容易以均质气体的形式膨胀，在球域内经历JWL状态方程的绝热热力学过程，从而在水介质中产生压力波。非均质爆炸模型的示意图如图所示。1（b），其中初始球形炸药处于固态，其通过C-J理论在爆炸时点燃，在炸药内形成爆炸波，随后在周围水中形成压力波。由于水的边界面几乎不可压缩，炸药与水的这种爆炸场景是产生爆轰波的复杂物理过程根据C-J理论，化学反应的释放是完全的、瞬时的，激波通过炸药压缩、加热炸药激发化学反应，形成爆轰波阵面，以等爆速或C-J速度传播。根据炸药的特性，爆炸速度通常在6000和8000米/秒之间。最好理解的爆炸引发过程涉及通过主炸药或摩擦的输入冲击波，即，通过外部引发，其启动化学反应并最终发展成稳定的爆震波，通常在微秒时间尺度上。这被称为冲击波到爆轰转变（SDT），有时也被称为爆燃到爆轰转变（DDT），以便通过冲击波阵面达到恒定的爆轰速度。产生的爆轰波阵面区分了炸药内部的燃烧区和未燃烧区，燃烧区的扩展如图所示。1（b）. 爆炸物内的典型传输时间将是几毫秒的量级，以将爆炸物转化为产物气体。爆震波将固体炸药转化为非常热的高压气体。由于爆轰冲击动力学（DSD）现象，冲击波在反应介质中引起化学反应，并将化学反应反馈给冲击波，使其以爆速传播爆轰波阵面，从而使化学能驱动冲击波，在炸药附近产生10-50 GPa量级的高升压峰，具有较高的因此，了解非均相模型中的DSD现象与均相模型中高能炸药无DSD时高压气体产物冲击波传播的区别，需要深入研究它们之间的相关性，并根据损伤势将近场效应和远场效应在爆轰理论、爆轰产物传播的数值模拟和实验验证[27-31]的背景下评价的许多的差异之间均匀和异构非均质模型采用燃烧分数模型，考虑了炸药内部压力积累引起炸药-水界面压力尖峰的因此，考虑近场效应的非均匀模型是重要的。固态炸药一旦完全引爆，就会转化为气态产物，表现为均相模型。1.9. 使用JWL状态方程进行远场研究的简化方法（图1）。（二）利用表3中给出的炸药性质，通过MATLAB程序对JWL状态方程进行分析研究，观察了高能炸药绝热膨胀过程各区域JWL方程曲线的曲线指数变化。绘制了JWL绝热曲线与压力-相对膨胀体积的关系曲线，Vrel是表示爆轰产物膨胀气泡当前体积与装药原始体积之比的相对体积。曲线是可逆绝热的，即本质上是等熵的，因为这个过程发生得如此之快。该曲线示出了在膨胀过程中的区域中绝热指数γ的变化。利用曲线拟合技术，可以准确地检测曲线指数的变化。表3中示出了以下曲线指数随所获得的区域的变化。图3比较了PETN、TNT、SEP和C_4炸药的JWL曲线的后序指数。二、对数标度用于JWL曲线的简单解释。比较上述所有炸药的JWL曲线，经验上SEP曲线更陡，在γ值越高时斜率越大，因此对于膨胀过程中的相同压力变化，所做的功将最小，因为它将膨胀更少的量，从而释放更少的能量。SEP的峰值压力最低，而C4的峰值压力最大。C4的JWL曲线具有最小斜率，因此在相同压力变化下所做的功在C4中最大，随后能量释放最高。与上述炸药相比，TNT和PETN的JWL曲线性质中等。该分析揭示了水下爆炸中使用的高能炸药的特性，并根据所用炸药的强度及其在水下的空间变化，给出了对附近结构的潜在损害。多变过程的曲线指数在初始区域较高，随着时间的推移，在进一步的膨胀区域趋于降低表3JWL曲线指数随带的变化。爆炸第一区索引第二区指数第三区指数PETN2.7041.391.28TNT3.17591.85141.2859Sep3.982.651.2803C43.24922.231.323图二.典型烈性炸药S. Koli等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）758763ΣΣ表4高能炸药PVc型状态方程其中，对于水，1/4 λ 1-Vλ =V，q0= 1000 kg/m3，C=声速= 1484 m/s，c0= 0.11，S1= 1.979，a= 3，E= 0。爆炸初始压力（GPa）第一阶段曲线指数（c）PETN10.9052.704TNT8.3833.1759Sep6.0183.98C411.3613.2492该曲线指数取决于这些气体产物随时间的体积膨胀。由于水是不可压缩的流体，它不允许爆炸装药膨胀，或者在实践中不太重要。高能炸药在水中爆炸后形成的气泡体积因此，对于水下爆炸，JWL曲线仅限于第一区域，不允许在其他区域扩展这些炸药在第一区产生的峰值压力以及随后的绝热指数如表4所示。JWL状态方程形式类似于ADI的PVc形式爆轰产物气体的绝热膨胀。这一过程是迅速的，显示出能量的快速减少，音量.因此，在研究高能炸药远场效应时，与均质炸药模型一起，采用PV_c形式的状态方程和初始压力，通过对水下爆炸情况下的分析研究，得到了第一区的曲线指数。这样，仅用两个参数就避免了大参数JWL方程的复杂性.绝热膨胀过程的行为很容易解释，因为工程师们都很熟悉它。1.10. 关于LS-DYNA程序及其方法采用LS-DYNA显式有限元程序对深水无限边界介质中的水下爆炸现象进行了分析。LS-DYNA是一种基于显式时间积分发生的结构大变形动力响应以及流固耦合问题的专用程序。利用离散单元、四节点四面体单元、八节点实体单元、桁架单元、八节点实体单元和刚体单元的空间离散化功能。材料采用本构材料模型建模，其行为采用状态方程建模。LS-DYNA能够使用不同的有限元方法解决问题，即拉格朗日，欧拉和任意拉格朗日欧拉（ALE）。在典型的水下爆炸数值模拟中，由于冲击波的存在，会引起网格的大变形，从而给显式计算带来困难。为了解决这一问题，ALE方法被用来解决这个问题。ALE方法采用分裂算子技术，具有网格重划分能力。LS-DYNA采用状态方程（EOS）模型来传递特定材料的内能、密度、压力和体积EOS用于初始化指定域中元素的内部特性状态方程与材料模型一起用于建立特定领域的单元内力函数。在这个问题中，水已经与Gruneisen状态方程建模，以指定水的特性该状态方程能处理拉伸和压缩流体，并能综合非线性的冲击波速度-质点速度关系，因而能处理水下爆炸现象中冲击波的传播。具有立方冲击速度-粒子速度的Gruneisen状态方程将压缩材料的压力定义为P^q0C2l-c0= 2l-a=2l2=l/ 2 l-l]lc0lð2Þ用JWL EOS对问题中类似的不同炸药进行了建模。*MAT_NULL材料模型用于建模流体，它能够定义包含应变率的动态粘度，并能够计算流体中的应力*MAT_NULL材料模型仅在均质爆炸模型的情况下用于对水和爆炸物进行建模，因为它包含气态（流体）状态的高爆炸物产物，并使用它们各自的密度和 *INITIAL_VOLUM E_FRACTION_GEOMETRY卡，因为这将处理由几何边界表示的材料，与网格建模相同。用于在非均质模型的情况下模拟烈性炸药* LS-DYNA中的MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料将该材料模型与燃烧分数算法相结合，通过控制化学能的释放来计算炸药爆炸时的内部压力。P¼F：PJWL300其中，F是燃烧分数。该燃烧分数（F）使用两种方法计算;其中一种是β燃烧选项，使用β = 1用体积压缩法计算高能炸药的燃速F1。另一种选择是通过测试程序的燃烧选项计算燃烧分数。β = 2，用于计算燃烧分数（F2）的编程燃烧算法，其工作原理是通过将从爆炸点到元件中心的距离除以任何特定时间t的爆炸速度（D）来计算每个元件的点燃时间t1，因为爆炸前沿扫过每个元件以计算F1，其中材料表现为弹塑性材料并允许压缩而不爆炸。F1<$2t-t1DAemax=3me;whent>t1;F1< $0;whent≤t1<$4F1¼1-V= 1-VCJ5V其中，F超过1，默认为1，t为当前时间，V为当前体积，VCJ为炸药的C-J压力，Aemax为元素的最大投影面积。最后，取F1和F2之间的最大燃烧分数用于方程（5）F¼max =F1或F2= F 6因此，爆炸将通过爆炸前沿传播或体积压缩中最早的一个来引发该燃烧分数在爆炸物内爆轰波的传播中起着关键作用，该爆炸物通过控制化学能的释放和分离燃烧区和未燃烧区以及控制爆轰前沿的传播而以非均质模型部署。在MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型中，需要提供相应的密度、爆速、高爆炸的C-J压力。关于LS-DYNA代码与材料卡和EOS的详细信息已从[32]中采用。1.11. 研究的参数和重要结果（图（第3-20段）本文着重研究了压力波的特性及其力学效应，即压力波的传播规律采用LS-DYNA软件对典型球形炸药进行水下爆炸数值模拟，通过改变PETN、SEP和TNT的装药半径（20 ~ 100 mm），每隔10mm增加装药量（40 g ~ 7 kg），计算了炸药从炸药-水界面开始沿程的压力和速度变化，从而确定了炸药对水上结构的破坏潜力764S. 科利等 其他/工程 科学 技术，国际 期刊23（2020）758以图形形式给出了水介质中爆轰/爆轰中心沿球面径向线的空间压力和速度变化，从炸药-水界面开始，对同一参数的特定炸药，在相同距离上，对均质和非均质炸药模型进行了比较。对所有爆炸物的分析都采用了类似的方法采用四边形壳ALE单元对球形炸药进行网格划分在250m s至500m s终止时间范围内，根据爆炸物类型和水域范围，对不同情况进行了分析。LS-DYNA具有自动选择仿真时间步长控制的功能;在这里，时间步长控制范围为1 e-7至3e-7，具体取决于爆炸半径和分析类型。冲击波峰值压力随距离的变化曲线为实测曲线，速度分布变化趋势线为实测曲线。压力波的速度分布计算取决于两个连续的峰值压力之间的时间相对于传播的距离。在评价这一结果时，在水域中的一个点之后，在相同的装药半径和相同的炸药类型下，均匀和非均匀炸药模型的力学效应表现出相似的变化趋势从爆炸中心到这个过渡点的距离称为过渡半径（R）。此处允许选择过渡半径的最大公差为10% 由于空间限制，每种炸药装药半径为20 mm、50 mm和100 mm时的结果见图1和图2。 三比二十通过对两种爆炸模型的压力波传播特性及其力学效应的深入研究，发现在一定距离（过渡半径）以外，两种爆炸模型中的压力波传播特性与爆炸类型无关，因此，考虑到冲击波的峰值压力和速度，两种爆炸模型具有相同的破坏潜力在过渡半径之外，只存在远场效应。1.12. 结果的合成（图（第21和22段）将所有结果综合起来，成功地建立了水下爆炸均质炸药模型与非均质炸药模型之间压力和冲击波速度空间变化的关系。图21显示了所有炸药的过渡半径相对于装药半径的变化。因此，在过渡半径以外，两种模型的峰值压力变化趋势相同。得到了高能炸药的过渡半径随温度变化的关系，图3.第三章。PETN装药半径为20 mm时压力的空间变化图四、PETN装药半径为20 mm时的空间速度分布图五、太安炸药装药半径为50 mm时压力的空间变化图六、PETN装药半径为50 mm时的空间速度分布相对于装药半径的变化规律如下：R = 2.490 r.因此，过渡半径是装药半径的2.490倍，与所使用的爆炸性无关。同样，将具有不同装药半径的所有炸药的速度分布结果汇编在一起，以形成S. Koli等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）758765见图7。 PETN装药半径100 mm时压力的空间变化图8.第八条。PETN装药半径100 mm时的空间速度分布图9.第九条。TNT装药半径为20 mm时压力的空间变化过渡半径变化与装药半径之间的成功关系如图22所示。 据观察，R= 2.437 r.在速度分布的情况下，在距离为电荷半径的2.437倍处，得到了区分近场和远场效应的过渡半径。回归的R值图 21和图 表5和表6中列出了22。还有，见图10。TNT装药半径为20 mm时的空间速度分布图十一岁TNT装药半径为50 mm时压力的空间变化见图12。TNT装药半径为50 mm时的空间速度分布图23表示图21中回归的R值（压力随装药半径的变化），图24表示图22中回归的R值（相对于装药半径的速度分布）。1.13. 结论该研究使水下爆炸近场效应和远场效应之间有了明显的根据收费766S. 科利等 其他/工程 科学 技术，国际 期刊23（2020）758图十三. TNT装药半径为100 mm时压力的空间变化图16. SEP装药半径为20 mm时的空间速度分布图14. TNT装药半径为100 mm时的空间速度分布图十五岁SEP装药半径为20 mm时的压力空间变化图十七岁SEP装药半径为50 mm时的压力空间变化图18.空间速度分布为50毫米装药半径的SEP。球形炸药的半径，无论炸药类型的近场效应存在的距离高达2.5倍的装药半径在水中，即。爆炸物的过渡半径（R），超过该半径，近场效应消失，只有远场效应保留。这有助于设计和预测水下结构物的性能因此，在这些判据上可以采用更为简化的炸药本构模型。均匀爆炸模型可以满足结构远场效应研究的需要，而不需要采用非均匀爆炸模型、C-J理论和燃烧分数模型此外，如果结构放置在2.5倍球形炸药半径以外，则可根据目标结构的距离，代替JWL状态方程，以减少计算复杂度和计算时间。确认作者衷心感谢博士。Chitra Rajagopal先生，新德里DRDO火灾、爆炸物和环境安全中心主任Harbhan Lal，新德里CFEES副主任S. Koli等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）758767图十九岁SEP装药半径100 mm时的压力空间变化图20.空间速度分布为100毫米装药半径的SEP。图21岁压力转捩半径随装药半径的变化V. Ramanujachary博士，前主任，研究和创新中心，DRDO，钦奈和几个富有成效的讨论在不同阶段的调查。感谢K博士。JanardhanReddy，院长，机械和建筑科学学院，VIT，钦奈的所有支持，鼓励和提供所有必要的设施。作者证明，这项研究没有收到任何特定的资助机构在公共，商业或非营利部门。图22岁速度分布与装药半径的过渡半径表5过渡半径变化相对于压力装药半径。R（mm）r（mm）002048307540985012860148701758019590225100245表6过渡半径随装药速度半径的变化。R（mm）r（mm）0020603080401005013060160701808020090230100250图23岁图中 回归的 R值。 21（压力随装药半径的变化）。768S. 科利等 其他/工程 科学 技术，国际 期刊23（2020）758图24. 图22中回归的R值（相对于装药半径的速度分布）。引用[1] 王申，水下爆炸产生的波浪，世界科学出版社，1995年。 ISBN 981-02-2083-9。[2] R.H. Cole，Underwater Explosions，Princeton University Press，Princeton，NJ，1948。[3] G.L.陈文，水下爆破中空气幕降低水载能量的研究，密苏里大学地质工程系博士论文，1993。[4] J. Lee ， G. 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