淺談數值模擬在彈藥工程與爆炸技術專業教學中的應用

程揚帆　劉蓉　王樂　范鈺

摘要：彈藥工程與爆炸技術專業主要培養彈藥研發、爆炸基礎理論和工程爆破等方面人才。本專業教學內容基本上都與炸藥有關，由于炸藥爆轟反應的特殊性，如何讓學生充分理解教學內容并非易事。筆者結合本專業多年的科研和教學經驗，提出了通過數值模擬技術輔助教學的方法，取得了良好的教學效果，對民爆和軍工相關專業的教學具有一定的參考價值。

關鍵詞：數值模擬；彈藥工程；教學；精品課程

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

一、引言

彈藥工程與爆炸技術專業的辦學宗旨是培養彈藥研發、爆炸基礎理論和工程爆破等方面人才。目前，國內開設本專業的高校主要有北京理工大學、南京理工大學、中北大學、安徽理工大學和沈陽理工大學。安徽理工大學彈藥工程與爆炸技術專業起源于1978年的火工品專業，是國家級特色專業（2008年）和安徽省示范本科專業（2000年），是培養我國民用爆破器材與爆炸技術專業技術人才的基地，擁有“爆破理論與技術”二級學科博士學位授權點（2014年），現已建成國家級“安徽理工大學—淮南舜泰化工有限責任公司工程實踐教育中心”和省級“地軍兩用人才培養模式創新實驗區”[1]。炸藥爆轟是一個瞬態超高溫高壓的過程，通常只有幾十微秒。借助高速攝像機等高科技設備雖然可以捕捉到爆轟瞬間的一些反應過程，但是主要還是局限于外觀的一些特點，無法對其內部的爆轟機理進行深入研究，并且，由于爆轟的超高溫高壓特性，在炸藥爆轟參數實驗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專業的高校之一，安徽理工大學在該專業的教學方面也具有自己的特色。筆者作為安徽理工大學彈藥工程與爆炸技術專業的教師，結合自己在本專業多年的教學和科研經驗，談一談數值模擬技術在本專業輔助教學中的作用。

二、傳統教學方法的不足

安徽理工大學彈藥工程與爆炸技術專業的主干課程有：《炸藥爆炸理論》、《炸藥爆炸作用及其效應》、《起爆器材》、《炸藥化學與制造》、《推進劑與煙火》、《彈藥學》等，這些課程都有一個共同點，那就是都與炸藥息息相關。由于炸藥爆轟的瞬時性，使得在傳統教學中只能展示炸藥爆轟開始和結束的狀態，而無法形象的講解其爆轟過程，因而不能使學生深刻領悟其爆轟反應機理。如圖1所示的環向聚能射流侵徹鋼管實驗，傳統教學方法只能展示實驗準備階段的狀態和實驗結果，但無法清楚的解釋射流侵徹鋼管具體過程。在日常的學習過程中，學生對于爆轟反應機理的理解只能通過想象，因而常常會形成錯誤的概念。

三、數值模擬輔助教學的優點

炸藥爆轟反應動力學數值模擬相關的軟件主要有Autodyn和Ls-dyna，該類軟件借助計算機手段，結合有限元方法，可將炸藥爆轟反應的過程通過數值計算和圖像的方式顯示出來[2]。數值模擬結果具有直觀、形象、生動的特點，不僅可以得到實驗手段無法獲得的數據，增加學生的知識量，而且數值模擬結果可以通過動畫的形式呈現，因而可以活躍課堂氣氛，提高教學質量。

在日常教學活動中，可針對炸藥爆轟的相關專題，合理構造數值計算模型，通過數值模擬軟件計算得到相關結果，并在教學過程將其與相關理論知識匹配，使學生更加容易理解。例如，對環向聚能射流的侵徹問題，如果采用傳統的教學方法，老師只能像學生展示如圖1所示的內容，學生對于射流侵徹鋼管的機理無法準確掌握，并且由于實驗技術和方法的限制，無法得到爆轟過程中射流以及鋼管結構參數的內容。然而，這些問題都可以通過數值模擬手段得到。

我們仍然以環向射流侵徹鋼管的實驗為例，通過數值模擬技術，我們可以先建立起該實驗的數學模型，然后通過數值計算可以得到相關結果[3]，利用圖像顯示技術，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，從而使學生對知識點的掌握更加牢靠。

數值模擬的另一個優點，就是可以彌補實驗手段在炸藥爆轟參數測試上的不足，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的測量非常困難，并且成本非常高。然而，利用數值模擬手段，只需借助電腦就可以獲得所需要的參數。例如射流侵徹鋼管過程中射流的相關參數，通過數值模擬手段，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），這些內容不僅可以輔助教學，而且可以擴展學生的專業知識面。

四、結論

彈藥工程與爆炸技術專業的課程內容主要與炸藥的爆轟有關，炸藥爆轟的瞬時性和超高溫高壓特性，使得單靠實驗數據的方法不能滿足教學的需求。如何使學生更加深刻的領悟專業知識，一直是我們教師的努力方向。針對本專業的特點，本文提出了數值模擬技術輔助教學的新方法，通過筆者的教學實踐可知，該方法不僅有助于學生理解專業知識，而且可以活躍課堂氛圍，因而具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]汪泉，郭子如，謝興華，等.《炸藥爆炸理論》課程多媒體教學實踐的探索與體會[J].中國科技信息，2010，（24）：254-255.

[2]李磊.基于正交試驗法的多面聚能效應的數值模擬與應用研究[D].合肥：中國科學技術大學，2013.

[3]程揚帆，劉蓉，馬宏昊，等.新型水下爆破切割彈的工程應用及數值模擬研究[J].力學與實踐，2012，34（6）：27-31.