爆炸载荷作用下高强度混凝土毁伤效应的数值模拟及实验研究

高强度混凝土靶板在爆炸载荷作用下的毁伤效应极其复杂,针对爆炸载荷作用下高强度混凝土靶板的破坏问题设计了相应的实验,并采用自主构建的有虚拟流体欧拉-拉格朗日双向流固耦合算法(GEL)对实验结果进行了验证与分析,深入探讨了不同装药模式、装药量、混凝土靶板强度和炸高等对毁伤结果的影响规律,总结了外爆载荷与内爆载荷作用机理的差异,揭示了高强度混凝土在爆炸载荷作用下的毁伤机理,具有很高的理论研究意义和实际应用价值.结果表明,对于外爆工况,600 g装药3种强度下的爆坑深度比300 g装药下提升了11.85%,8.82%和7.71%,而爆坑直径分别提升了15.71%,8.51%和7.51%,说明随着混凝土强度的提升,爆坑深度和爆坑直径随装药量增大而提升的量逐渐减小,且对于各强度混凝土靶板,爆坑直径随装药量增大而提升的量要大于爆坑深度提升的量.当炸高分别为0,5和10 cm时,爆炸冲击波传播到混凝土靶板中心位置时的压力峰值分别为16.08,1.33和0.30 GPa,表明随着炸高的增大,混凝土靶板爆坑深度和直径都随之减小,越靠近混凝土靶板,爆坑深度和爆坑直径的降低量越小,冲击波随着传播距离的增加呈指数级衰减,这也是导致不同炸高条件下漏斗坑破坏存在差异的主要原因.对于内爆载荷,炸药起爆之后,巨大的爆炸冲击波能量无法及时排解到空气中,冲击波传播受到了严重阻碍,导致在混凝土内壁空气的压力和密度急速升高.以C120高强度混凝土靶板为例,60 g炸药作用下的混凝土靶板爆炸漏斗坑模拟深度和直径分别比30 g炸药下提升了13.38%和77.73%,说明提升装药量对靶板横向破坏影响较大.以30 g炸药内爆工况为例,C120高强度混凝土比C40普通混凝土的爆坑深度减少13.14%,C160高强度混凝土比C120高强度混凝土的爆坑深度减少2.20%,而爆坑直径的减少程度分别为54.43%和21.77%,说明高强度混凝土比普通混凝土具有更强的抗爆能力.与外爆条件的破坏模式略有不同,内爆作用下混凝土靶板的横向破坏模式比较明显.

典型舱内爆炸载荷作用下吸能元件防护特性研究

[目的]旨在探讨舱内爆炸冲击波与准静态气压载荷共同作用下的抗爆吸能芯层设计方法。[方法]采用有限元数值计算,分析屈服型和屈曲型这2种典型吸能元件在舱内爆炸冲击波与准静态气压载荷作用下的特性(如载荷削弱因子、吸能特性、变形破坏模式以及下面板中心点的最大位移),获得抗爆吸能芯层的防护能力特点。随后,基于此提出一种抵抗舱内爆炸冲击波与准静态气压载荷共同作用的双刚度吸能元件,并通过仿真与上述2种典型吸能元件进行对比。[结果]结果表明:在爆炸冲击波载荷作用下,屈服型吸能元件载荷耗散与吸能能力优于屈曲型;在准静态气压载荷作用下,屈服型吸能元件变形受载荷作用时间影响较大,而屈曲型吸能元件的变形几乎不受作用时间的影响;在冲击波和准静态载荷的共同作用下,双刚度吸能元件的防护能力优于单刚度的上述2种典型吸能元件。[结论]研究结果可为抵抗舱内爆炸载荷防护形式设计提供新的思路。

天然气爆炸载荷作用下钢筋混凝土板毁伤试验研究

为研究天然气爆炸压力积聚作用下钢筋混凝土板的毁伤规律,搭建9.8 m^(3)半地下式气体爆炸加载装置,对两种厚度(80 mm、100 mm)、3种强度(C30、C40、C50)的钢筋混凝土板进行当量甲烷爆炸加载下的毁伤试验研究,获得爆炸空间中准静态压力、钢筋混凝土板面外位移、等效应变等分布特征。研究结果表明:封闭空间中,爆炸压力积聚与板体开裂泄压作用下,爆炸准静态压力出现振荡特征;等效应变与裂纹特征一致,呈对称Y型分布,且等效应变具有明显的双峰和三峰特征;两种厚度的钢混板具有显著不同的破坏模式,80 mm厚度时钢筋结构保持完整,混凝土破裂飞散,发生局部混凝土冲切破坏,100 mm时在固接处发生断裂,混凝土板整体抛出,产生大面积钢筋混凝土复合体冲切破坏。

平板玻璃在爆炸载荷下的损伤数值模拟

平板钠钙玻璃为常见建筑材料,研究其在爆炸冲击波下的裂纹扩展规律和损坏具有重要的科学意义。本文通过建立数值模型,考虑材料的本构关系、边界条件、载荷作用方式等,模拟爆炸载荷的传播过程,将得到的载荷信息作为输入数据,结合近场动力学方法(PD),模拟玻璃结构在爆炸载荷下的响应过程。结果表明:用近场动力学法(PD)进行数值模拟时,明显形成了环状裂纹和径向裂纹,且边框处有大量玻璃碎片飞溅,表明PD算法可有效模拟玻璃破碎过程;冲击波负压阶段对结果影响很小,在数值模拟时可忽略不计;在相同的爆心距下,随TNT质量的增加,玻璃碎片的抛撒速度越大;当冲击波超压峰值相同时,随爆心距的增加,冲击波的正压作用时间和比冲量都增加;玻璃碎片的最高速度与爆心距接近线性关系,平板玻璃的毁伤阈值为0.052MPa。

爆炸载荷下拼接陶瓷板膨胀破碎行为及飞散特性研究

为探究不同形状及尺寸的拼接陶瓷板在爆炸载荷下的膨胀破碎行为及飞散特性,对不同类型陶瓷平板药室的爆轰驱动过程进行了仿真,研究了陶瓷破片的粒径分布规律及陶瓷板不同位置处的破片速度和飞散角变化规律。结果表明:不同类型拼接陶瓷平板的膨胀破碎过程大致相同。拼接陶瓷片数目对陶瓷平板形成的破片数目及质量分布有较大影响,大部分破片对软目标杀伤能力小;陶瓷破片均满足Rosin-Rammler分布且拼接陶瓷片尺寸及形状影响破片的平均特征尺寸系数λ和幂指数系数k。不同类型陶瓷板水平轴向和垂直轴向破片速度变化趋势差异较大,而边缘横向及边缘纵向破片速度变化趋势相同;陶瓷平板不同位置处的破片飞散角均在-1.75~1.75°内变化,因此其杀伤区域有限。

内爆炸载荷下双向波纹夹芯管的动力响应及抗爆性能预测

受孔雀螳螂虾前鄂抗冲击区结构启发,设计并制备了双向波纹夹芯管结构,采用实验和数值模拟相结合的方法研究了其在内爆炸载荷下的动态响应及能量吸收机制。实验获得了结构的外管中点最大挠度和3种典型变形模式:局部塑性变形、塑性大变形以及撕裂破坏。内外管中点最大挠度和结构最终变形模态的数值模拟结果与实验结果吻合较好。通过数值模拟研究了芯层波纹数、内外管壁厚以及炸药质量对外管中点最大挠度和能量吸收特性的影响,结果表明:随着波纹数增大,结构比吸能先增大后减小;增大内管壁厚和减小外管壁厚能有效地提高结构的抗爆性能,当结构内管壁厚为2.5 mm、外管壁厚为1.5 mm时,相比于内管壁厚为1.5 mm、外管壁厚为2.5 mm时,外管中点最大挠度降低了67.6%,质量降低了6.0%;随着TNT当量的增加,内管吸收的能量占比逐渐下降,而芯层和外管吸收的能量占比增加。建立了BP(back propagation)神经网络模型、PSO-BP(particle swarm optimization-back propagation)神经网络模型以及响应面分析模型,分别对结构的比吸能与外管中点最大挠度进行预测,优化了所提出的结构。

爆炸载荷与倾斜裂纹相互作用的动态焦散线实像-虚像

为研究爆炸载荷与岩体内存在的节理、裂隙等的相互作用关系,采用爆炸载荷动态焦散线实像-虚像综合实验方法,研究了爆炸载荷作用下倾斜裂纹尖端应力场和翼裂纹动态扩展特性。研究结果表明:在爆炸应力波P波作用下,裂纹下尖端Ⅰ型应力强度因子小于0,裂纹上尖端Ⅰ型应力强度因子小于0。在爆生主裂纹作用下,爆生主裂纹与倾斜预制裂纹贯通,倾斜预制裂纹下尖端Ⅰ型应力强度因子小于0,因受到压应力未产生裂纹,裂纹上尖端Ⅰ型应力强度因子大于0,Ⅱ型应力强度因子大于0,受到拉应力并产生水平方向的翼裂纹。该综合实验方法可同时获得爆炸载荷下裂纹尖端的实像、虚像焦散斑数据,定量表征爆炸载荷与倾斜裂纹的相互作用过程。

爆炸载荷对水泥试样损伤破坏规律研究

从实验和数值模拟两方面对爆炸载荷对水泥试样的损伤破坏进行了研究。首先,在水中利用爆炸产生的爆炸冲击波对水泥试样进行损伤破坏,模拟“层内爆炸”采油技术中激波使岩石损伤开裂的现象;然后,利用波动力学理论,对激波在实验条件下对水泥试样的损伤破坏进行了数值模拟。结果表明,在冲击载荷作用下,水泥试样的损伤破坏可分为压实破坏、压实损伤、拉伸损伤、拉伸破坏4个区域,在压实损伤区水泥试样也具有较好的渗透性。数值模拟可以用来确定各种裂纹形成的应力条件,并可通过预制剖面上的裂纹分布来预测水泥试样内部裂纹分布的基本规律。

爆炸载荷下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

应用动态焦散线测试系统,模拟含缺陷岩体爆破过程,进行了PMMA(有机玻璃)模型透射式动态焦散线试验,着重研究了与预制裂隙共线的炮孔爆炸作用下裂纹扩展的规律.试验结果表明,爆炸载荷下裂隙两端分别产生了1条翼裂纹A和B,翼裂纹A的长度大于翼裂纹B的长度,2条翼裂纹向相反的方向扩展;随着翼裂纹长度的增加,裂纹扩展速度出现快速增加,减少,再增加,再减少的振荡过程;翼裂纹扩展加速度也始终存在着加速与减速不断交替变化的现象;翼裂纹尖端动态应力强度因子呈快速增大到逐渐减小连续振荡变化的趋势,动态应力强度因子KdⅠ最大值为1.3 MN/m3/2,KdⅠ一直大于KdⅡ.

爆炸载荷作用下舰船板架的变形与破损

本文用能量法推导了一个计算爆炸载荷作用下舰船板架塑性变形及破损的公式，考虑了大变形时的应变关系及中面膜力的影响，并对国内外的有关试验进行了计算比较，结果表明此公式具有一定的应用价值。

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察,结合数值模拟,分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明,舱内爆炸下,舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别,其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述;舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力,其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上;舱室板架结构主要有4种失效模式,其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生;舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加,但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度,减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。

基于炮孔不同耦合介质的孔壁爆炸载荷及比能时间函数分析

为从炮孔装药耦合介质的选取上改善爆破效果和控制爆破振动危害,应用爆炸力学的相关理论建立耦合装药、不同耦合介质(水、空气、泥土)装药条件下孔壁爆炸载荷和透射比能的计算方法,通过MATLAB编程计算得到岩石介质中炮孔孔壁爆炸载荷和透射比能的时间函数并作图比较分析。研究表明:耦合装药时,孔壁爆炸载荷的初始值最大,但是衰减也最快;水不耦合装药时,孔壁爆炸载荷的初始值次之,但衰减速度最慢,作用时间最长;水不耦合装药时,孔壁透射比能量最大,耦合装药时次之;空气和泥土不耦合装药孔壁爆炸载荷与透射比能均较小。因此水不耦合装药提高了能量利用率,更有利于改善爆破效果,但产生的爆破振动强度大、作用时间长,不利于爆破振动危害控制。

方孔蜂窝夹层板在爆炸载荷下的吸能特性

通过有限元数值模拟方法,对方孔蜂窝夹层板在爆炸冲击载荷下的变形机理和吸能特性进行了分析。在单位面积质量以及夹层板芯层薄壁间距、高度给定的情况下,通过对不同夹芯层相对密度下夹层板的吸能率以及上、下面板最大变形的比较,得出了最优的夹芯层相对密度。在此相对密度下,夹芯层吸能率最高,下面板变形最小,夹层板的抗冲击性能最优。同时还讨论了夹层板芯层薄壁间距、厚度、高度以及面板厚度对其各部分吸能率的影响,以得到最优化的夹层板结构。

爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板的动力响应

为了考察铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷下的动态响应,采用自行设计的冲击摆系统,用激光位移传感器测定了爆炸载荷作用在铝蜂窝夹芯板上的冲量,对夹芯板的变形和失效模式进行了归类和分析,并就芯层的几何尺寸、炸药当量及板厚对其响应的影响进行了系统研究。给出的理论分析结果与实验结果吻合较好。

爆炸载荷作用下单向加筋方板的大挠度塑性动力响应分析

从分别列出加筋板面板以及加强筋的运动方程出发,详细分析了爆炸载荷作用下单向加筋固支方板的大挠度塑性动力响应。分析表明:取决于加强筋的相对刚度以及载荷峰值的大小,加筋板的运动将呈现三种不同的模式。限于讨论加筋板的总体变形模式。首先讨论了同时计及弯矩和面力(轴力)作用的解析解,在此基础上进一步讨论了忽略弯矩影响的薄膜解以及能量解。理论结果与已有的试验结果在多数情况下符合良好,表明提出的简化理论分析方法能对爆炸载荷下单向加筋固支方板的永久变形做出较为合理的预报。

爆炸载荷下蜂窝夹层复合结构吸能特性研究

蜂窝结构具有良好的吸能特性。将蜂窝结构作为夹层,研究复合靶板在爆炸载荷下的变形以及能量吸收特性。采用数值模拟方法对比分析了在相同爆炸载荷下蜂窝横向放置、纵向放置以及在这两种蜂窝内填充橡胶等四种不同夹层结构的复合靶板的变形以及吸能特性。结果发现:不同蜂窝夹层复合靶板变形以及吸能特性各不相同。蜂窝纵向放置时复合靶板各部分变形显著、吸能比例较为平均,而横向放置时复合靶板主要以面板的大变形来吸收能量。在蜂窝内填充橡胶会影响蜂窝以及复合靶板的吸能能力。填充橡胶的横向放置的蜂窝复合靶板吸能能力最好且具有较小的变形。

薄壁柱壳在内部爆炸载荷下膨胀断裂的研究

以柱形爆炸装置为研究对象 ,讨论了其薄壁壳体在爆炸载荷下的动态断裂准则。给出了典型的FAE模型及在数值计算时必要的简化条件。对回收的壳壁破片进行了SEM扫描电镜观测 ,分析了金属材料在高应变率下膨胀断裂的微观机制。采用解耦的、考虑应变强化的粘塑性本构方程 ,根据损伤破坏理论推导出以临界应变为依据的改进断裂准则 ,计算表明断裂参数理论解与数值模拟结果一致 。

爆炸载荷作用下固支方板的应变场及破坏分析

对爆炸载荷下的固支方板进行了理论分析和实验研究,导出了固支方板在爆炸载荷作用下的应变场,分析了在爆炸载荷下固支方板的破裂形式,给出了破裂临界压力值,可用于一般工程设计。

两种典型形状装药的近场爆炸载荷研究

为了研究装药形状对近场爆炸载荷的影响,采用数值方法分析比较了球形和圆柱形(长径比为1)2种典型形状装药中心起爆情况下的近场爆炸载荷。结果表明:球形装药产生的爆炸载荷分布均匀,爆炸波以球面形式向各个方向传播;圆柱形装药产生的爆炸载荷存在着明显的方向性,爆炸波呈空间十字形分布,爆炸波沿装药轴向的传播速度和超压峰值大于径向;比例距离小于1.1 m/kg1/3时圆柱形装药轴向和径向爆炸载荷大于球形装药;离爆心比例距离小于2.5 m/kg1/3的区域可以视为爆炸近场,装药形状对该区域内的爆炸载荷有显著影响。

爆炸载荷下钢板层裂的二维数值计算

采用二维有限元方法对爆炸载荷下钢板的层裂问题进行数值模拟计算。计算中引入了一种普适的弹塑性本构方程，并采用了损伤积累准则和半解耦的损伤本构模型。结果表明，二维计算的主裂片厚度略小于一维计算，裂片飞散速度要比一维计算低得多。