浅谈数值模拟在弹药工程与爆炸技术专业教学中的应用

程扬帆　刘蓉　王乐　范钰

摘要：弹药工程与爆炸技术专业主要培养弹药研发、爆炸基础理论和工程爆破等方面人才。本专业教学内容基本上都与炸药有关，由于炸药爆轰反应的特殊性，如何让学生充分理解教学内容并非易事。笔者结合本专业多年的科研和教学经验，提出了通过数值模拟技术辅助教学的方法，取得了良好的教学效果，对民爆和军工相关专业的教学具有一定的参考价值。

关键词：数值模拟；弹药工程；教学；精品课程

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）47-0183-02

一、引言

弹药工程与爆炸技术专业的办学宗旨是培养弹药研发、爆炸基础理论和工程爆破等方面人才。目前，国内开设本专业的高校主要有北京理工大学、南京理工大学、中北大学、安徽理工大学和沈阳理工大学。安徽理工大学弹药工程与爆炸技术专业起源于1978年的火工品专业，是国家级特色专业（2008年）和安徽省示范本科专业（2000年），是培养我国民用爆破器材与爆炸技术专业技术人才的基地，拥有“爆破理论与技术”二级学科博士学位授权点（2014年），现已建成国家级“安徽理工大学—淮南舜泰化工有限责任公司工程实践教育中心”和省级“地军两用人才培养模式创新实验区”[1]。炸药爆轰是一个瞬态超高温高压的过程，通常只有几十微秒。借助高速摄像机等高科技设备虽然可以捕捉到爆轰瞬间的一些反应过程，但是主要还是局限于外观的一些特点，无法对其内部的爆轰机理进行深入研究，并且，由于爆轰的超高温高压特性，在炸药爆轰参数实验测量方面也存在很大的困难。

作为全国最早开办弹药工程与爆炸技术专业的高校之一，安徽理工大学在该专业的教学方面也具有自己的特色。笔者作为安徽理工大学弹药工程与爆炸技术专业的教师，结合自己在本专业多年的教学和科研经验，谈一谈数值模拟技术在本专业辅助教学中的作用。

二、传统教学方法的不足

安徽理工大学弹药工程与爆炸技术专业的主干课程有：《炸药爆炸理论》、《炸药爆炸作用及其效应》、《起爆器材》、《炸药化学与制造》、《推进剂与烟火》、《弹药学》等，这些课程都有一个共同点，那就是都与炸药息息相关。由于炸药爆轰的瞬时性，使得在传统教学中只能展示炸药爆轰开始和结束的状态，而无法形象的讲解其爆轰过程，因而不能使学生深刻领悟其爆轰反应机理。如图1所示的环向聚能射流侵彻钢管实验，传统教学方法只能展示实验准备阶段的状态和实验结果，但无法清楚的解释射流侵彻钢管具体过程。在日常的学习过程中，学生对于爆轰反应机理的理解只能通过想象，因而常常会形成错误的概念。

三、数值模拟辅助教学的优点

炸药爆轰反应动力学数值模拟相关的软件主要有Autodyn和Ls-dyna，该类软件借助计算机手段，结合有限元方法，可将炸药爆轰反应的过程通过数值计算和图像的方式显示出来[2]。数值模拟结果具有直观、形象、生动的特点，不仅可以得到实验手段无法获得的数据，增加学生的知识量，而且数值模拟结果可以通过动画的形式呈现，因而可以活跃课堂气氛，提高教学质量。

在日常教学活动中，可针对炸药爆轰的相关专题，合理构造数值计算模型，通过数值模拟软件计算得到相关结果，并在教学过程将其与相关理论知识匹配，使学生更加容易理解。例如，对环向聚能射流的侵彻问题，如果采用传统的教学方法，老师只能像学生展示如图1所示的内容，学生对于射流侵彻钢管的机理无法准确掌握，并且由于实验技术和方法的限制，无法得到爆轰过程中射流以及钢管结构参数的内容。然而，这些问题都可以通过数值模拟手段得到。

我们仍然以环向射流侵彻钢管的实验为例，通过数值模拟技术，我们可以先建立起该实验的数学模型，然后通过数值計算可以得到相关结果[3]，利用图像显示技术，我们可以清晰地看到射流侵彻钢管的具体过程（如图2所示），包括：炸药爆轰、射流形成、射流飞行、射流侵彻钢管等过程。数值模拟的图像显示功能使得炸药爆轰过程更加具体、生动，从而使学生对知识点的掌握更加牢靠。

数值模拟的另一个优点，就是可以弥补实验手段在炸药爆轰参数测试上的不足，由于炸药的瞬时性和超高温高压特性，炸药爆轰过程中参数的测量非常困难，并且成本非常高。然而，利用数值模拟手段，只需借助电脑就可以获得所需要的参数。例如射流侵彻钢管过程中射流的相关参数，通过数值模拟手段，我们可以得到任意时刻射流刀头部、杵体、尾翼和铜管飞片的平均速度（如图3），这些内容不仅可以辅助教学，而且可以扩展学生的专业知识面。

四、结论

弹药工程与爆炸技术专业的课程内容主要与炸药的爆轰有关，炸药爆轰的瞬时性和超高温高压特性，使得单靠实验数据的方法不能满足教学的需求。如何使学生更加深刻的领悟专业知识，一直是我们教师的努力方向。针对本专业的特点，本文提出了数值模拟技术辅助教学的新方法，通过笔者的教学实践可知，该方法不仅有助于学生理解专业知识，而且可以活跃课堂氛围，因而具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]汪泉，郭子如，谢兴华，等.《炸药爆炸理论》课程多媒体教学实践的探索与体会[J].中国科技信息，2010，（24）：254-255.

[2]李磊.基于正交试验法的多面聚能效应的数值模拟与应用研究[D].合肥：中国科学技术大学，2013.

[3]程扬帆，刘蓉，马宏昊，等.新型水下爆破切割弹的工程应用及数值模拟研究[J].力学与实践，2012，34（6）：27-31.