淺談數(shù)值模擬在彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

程揚(yáng)帆　劉蓉　王樂　范鈺

摘要：彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)主要培養(yǎng)彈藥研發(fā)、爆炸基礎(chǔ)理論和工程爆破等方面人才。本專業(yè)教學(xué)內(nèi)容基本上都與炸藥有關(guān)，由于炸藥爆轟反應(yīng)的特殊性，如何讓學(xué)生充分理解教學(xué)內(nèi)容并非易事。筆者結(jié)合本專業(yè)多年的科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了通過數(shù)值模擬技術(shù)輔助教學(xué)的方法，取得了良好的教學(xué)效果，對民爆和軍工相關(guān)專業(yè)的教學(xué)具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；彈藥工程；教學(xué)；精品課程

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）47-0183-02

一、引言

彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)的辦學(xué)宗旨是培養(yǎng)彈藥研發(fā)、爆炸基礎(chǔ)理論和工程爆破等方面人才。目前，國內(nèi)開設(shè)本專業(yè)的高校主要有北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、中北大學(xué)、安徽理工大學(xué)和沈陽理工大學(xué)。安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)起源于1978年的火工品專業(yè)，是國家級特色專業(yè)（2008年）和安徽省示范本科專業(yè)（2000年），是培養(yǎng)我國民用爆破器材與爆炸技術(shù)專業(yè)技術(shù)人才的基地，擁有“爆破理論與技術(shù)”二級學(xué)科博士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)（2014年），現(xiàn)已建成國家級“安徽理工大學(xué)—淮南舜泰化工有限責(zé)任公司工程實(shí)踐教育中心”和省級“地軍兩用人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)”[1]。炸藥爆轟是一個瞬態(tài)超高溫高壓的過程，通常只有幾十微秒。借助高速攝像機(jī)等高科技設(shè)備雖然可以捕捉到爆轟瞬間的一些反應(yīng)過程，但是主要還是局限于外觀的一些特點(diǎn)，無法對其內(nèi)部的爆轟機(jī)理進(jìn)行深入研究，并且，由于爆轟的超高溫高壓特性，在炸藥爆轟參數(shù)實(shí)驗(yàn)測量方面也存在很大的困難。

作為全國最早開辦彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)的高校之一，安徽理工大學(xué)在該專業(yè)的教學(xué)方面也具有自己的特色。筆者作為安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)的教師，結(jié)合自己在本專業(yè)多年的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，談一談數(shù)值模擬技術(shù)在本專業(yè)輔助教學(xué)中的作用。

二、傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足

安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)的主干課程有：《炸藥爆炸理論》、《炸藥爆炸作用及其效應(yīng)》、《起爆器材》、《炸藥化學(xué)與制造》、《推進(jìn)劑與煙火》、《彈藥學(xué)》等，這些課程都有一個共同點(diǎn)，那就是都與炸藥息息相關(guān)。由于炸藥爆轟的瞬時性，使得在傳統(tǒng)教學(xué)中只能展示炸藥爆轟開始和結(jié)束的狀態(tài)，而無法形象的講解其爆轟過程，因而不能使學(xué)生深刻領(lǐng)悟其爆轟反應(yīng)機(jī)理。如圖1所示的環(huán)向聚能射流侵徹鋼管實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)教學(xué)方法只能展示實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但無法清楚的解釋射流侵徹鋼管具體過程。在日常的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對于爆轟反應(yīng)機(jī)理的理解只能通過想象，因而常常會形成錯誤的概念。

三、數(shù)值模擬輔助教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

炸藥爆轟反應(yīng)動力學(xué)數(shù)值模擬相關(guān)的軟件主要有Autodyn和Ls-dyna，該類軟件借助計算機(jī)手段，結(jié)合有限元方法，可將炸藥爆轟反應(yīng)的過程通過數(shù)值計算和圖像的方式顯示出來[2]。數(shù)值模擬結(jié)果具有直觀、形象、生動的特點(diǎn)，不僅可以得到實(shí)驗(yàn)手段無法獲得的數(shù)據(jù)，增加學(xué)生的知識量，而且數(shù)值模擬結(jié)果可以通過動畫的形式呈現(xiàn)，因而可以活躍課堂氣氛，提高教學(xué)質(zhì)量。

在日常教學(xué)活動中，可針對炸藥爆轟的相關(guān)專題，合理構(gòu)造數(shù)值計算模型，通過數(shù)值模擬軟件計算得到相關(guān)結(jié)果，并在教學(xué)過程將其與相關(guān)理論知識匹配，使學(xué)生更加容易理解。例如，對環(huán)向聚能射流的侵徹問題，如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，老師只能像學(xué)生展示如圖1所示的內(nèi)容，學(xué)生對于射流侵徹鋼管的機(jī)理無法準(zhǔn)確掌握，并且由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的限制，無法得到爆轟過程中射流以及鋼管結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)容。然而，這些問題都可以通過數(shù)值模擬手段得到。

我們?nèi)匀灰原h(huán)向射流侵徹鋼管的實(shí)驗(yàn)為例，通過數(shù)值模擬技術(shù)，我們可以先建立起該實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，然后通過數(shù)值計算可以得到相關(guān)結(jié)果[3]，利用圖像顯示技術(shù)，我們可以清晰地看到射流侵徹鋼管的具體過程（如圖2所示），包括：炸藥爆轟、射流形成、射流飛行、射流侵徹鋼管等過程。數(shù)值模擬的圖像顯示功能使得炸藥爆轟過程更加具體、生動，從而使學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握更加牢靠。

數(shù)值模擬的另一個優(yōu)點(diǎn)，就是可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段在炸藥爆轟參數(shù)測試上的不足，由于炸藥的瞬時性和超高溫高壓特性，炸藥爆轟過程中參數(shù)的測量非常困難，并且成本非常高。然而，利用數(shù)值模擬手段，只需借助電腦就可以獲得所需要的參數(shù)。例如射流侵徹鋼管過程中射流的相關(guān)參數(shù)，通過數(shù)值模擬手段，我們可以得到任意時刻射流刀頭部、杵體、尾翼和銅管飛片的平均速度（如圖3），這些內(nèi)容不僅可以輔助教學(xué)，而且可以擴(kuò)展學(xué)生的專業(yè)知識面。

四、結(jié)論

彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)的課程內(nèi)容主要與炸藥的爆轟有關(guān)，炸藥爆轟的瞬時性和超高溫高壓特性，使得單靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法不能滿足教學(xué)的需求。如何使學(xué)生更加深刻的領(lǐng)悟?qū)I(yè)知識，一直是我們教師的努力方向。針對本專業(yè)的特點(diǎn)，本文提出了數(shù)值模擬技術(shù)輔助教學(xué)的新方法，通過筆者的教學(xué)實(shí)踐可知，該方法不僅有助于學(xué)生理解專業(yè)知識，而且可以活躍課堂氛圍，因而具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李磊.基于正交試驗(yàn)法的多面聚能效應(yīng)的數(shù)值模擬與應(yīng)用研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013.

[3]程揚(yáng)帆，劉蓉，馬宏昊，等.新型水下爆破切割彈的工程應(yīng)用及數(shù)值模擬研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2012，34（6）：27-31.