刚性弹体冲击金属网网孔的试验和数值分析

根据金属网与近程武器(火箭弹、迫击炮弹)相互作用的特点,在实弹拦截试验的基础上,设计并开展了刚性弹体低速冲击金属网网孔的试验。试验表明:金属网网孔在刚性弹体冲击下横向两侧钢丝交叉节点位置存在明显接触滑移,且在冲击过程中此交叉节点位置钢丝首先发生了断裂破坏,冲击后除与弹体接触部位网孔发生变形和破坏外,其余部位金属网网孔基本能恢复初始状态。结合实弹和刚性弹体低速试验现象、高强钢丝材料静动态性能试验数据等,采用LS-DYNA软件建立了精细化的金属网数值模型,开展了刚性弹体冲击金属网网孔的数值分析,数值方法可以较好的预测金属网网孔与刚性弹体间的相互作用以及金属网网孔钢丝断裂破坏现象。最后,利用数值方法对影响金属网与弹体间相互作用的因素进行了研究,结果表明:刚性弹体在冲击金属网网孔过程中受到的峰值过载力、能量损失与弹体口径和冲击速度有关,与弹体的质量关联性不大;随着弹体口径的增大,弹体受到的峰值过载力和能量损失逐渐增大;随着冲击速度的增大,弹体受到的峰值过载力逐渐增大,而弹体的能量损失逐渐减小。

基于模型试验的桩间距对组合式钢管抗滑桩抗滑效果的影响分析

通过大型物理模型试验分别对3种不同桩间距组合式钢管抗滑桩治理滑坡的力学效应进行研究,对比分析桩顶位移、剪出口位移、桩身弯矩随荷载的变化规律和桩体、滑坡的破坏情况,讨论桩间距对组合式钢管抗滑桩抗滑效果的影响。试验结果表明,当桩间距由18.7 cm依次增大至23.5、28.0 cm,即由3.9d增大至4.9d、5.8d(d为小直径圆形钢管的外径),同等荷载作用时桩顶水平位移、剪出口水平位移、桩身弯矩逐渐增大,但桩间距由3.9d增大至4.9d时,位移与弯矩的增大幅度远大于桩间距由4.9d增大至5.8d。建议在组合式钢管抗滑桩设计中,若滑坡推力较小,可适当增大桩间距至5.8d甚至更大;若滑坡推力较大,应适当减小桩间距至3.9d甚至更小。无论滑坡推力较大或者较小,桩间距为4.9d的组合式钢管抗滑桩治理滑坡的性价比均较低。

落石冲击作用下环形网耗能性能数值分析

环形网作为被动柔性防护系统中主要的耗能构件,对其耗能性能的研究显得尤为重要。根据被动柔性防护系统中环形网受到的约束条件,对环形网的计算模型进行了简化处理。采用ANSYS/LS-DYNA软件对环形网进行了动力有限元分析,考察了落石尺寸、冲击速度等因素对环形网耗能性能的影响。分析结果表明:落石的下降距离、最大加速度均随落石直径的增大而减小;落石的直径越小,冲击速度越大,环形网越容易被破坏。动力有限元分析的结论可为环形网在防护工程中的应用提供参考。

地下工程口部防落石拖挂网的试验和数值分析

地下工程的口部易受到崩塌、落石灾害威胁,一般可通过落石防护网进行防护。防落石拖挂网是一种新型的落石防护网,其"因势利导,以柔克刚"的结构形式可以有效降低结构内力峰值,减少建设和维护成本。为了探索防落石拖挂网在落石冲击下的变形模式和结构内的荷载传递规律,通过模型试验对防落石拖挂网的防护性能进行研究。研究发现,未布置拖挂网时落石直接飞跃到试验边坡底部,布置拖挂网后落石飞行高度明显降低,达到了控制落石运动轨迹的目的。根据模型试验构建了防落石拖挂网的数值计算模型,并从防护网形态、落石运动轨迹和落石出射速率等方面与试验进行了对比验证,为下一步防落石拖挂网的耗能机理和传载规律研究奠定了基础。

引导式落石拖挂网落石冲击模型试验研究

为考察引导式落石拖挂网系统的耗能机理和传载规律,在实验室搭建落石冲击台架并安装引导式落石拖挂网,以浇筑的球体模拟落石,对多工况下系统的防落石性能进行研究,结果表明,引导式落石拖挂网可以有效降低落石飞行高度、控制落石运动轨迹,同时衰减落石冲击能量。分别对质量为66 kg和161 kg的落石进行冲击试验,发现当落石质量增加时,落石速率增量随之增加,系统的防护性能和衰减作用有所降低。研究结论为下一步建立引导式落石拖挂网的设计计算原则打下基础,并为其工程应用提供参考。

防落石柔性棚洞的耗能性能分析及优化设计

防落石柔性棚洞主要由型钢拱架和环形网组成,从现有的研究成果看,柔性棚洞内部构件荷载传递路径中存在薄弱环节,造成构件间的刚度不匹配,导致钢拱架发生了较大的侧向扭曲塑性变形,增加了柔性棚洞使用期间的维护费用,工程应用存在局限性。为优化设计柔性棚洞,降低钢拱架的塑性变形,在开展了柔性棚洞足尺模型试验和数值建模研究的基础上,利用数值模型对柔性棚洞在落石冲击作用下内部构件的耗能性能进行了分析,并在与试验成果进行对比研究的基础上,提出了柔性棚洞的改进措施。数值计算结果表明:相比现阶段设计的柔性棚洞,改进后柔性棚洞中构件吸收的能量趋于均衡化,钢拱架上吸收的能量明显减少,侧向扭曲塑性变形显著改善。最后对改进后的柔性棚洞进行了参数化分析,提出了柔性棚洞的优化设计方案。

三开间单跨柔性棚洞在落石冲击作用下的试验研究

为克服钢筋混凝土结构式棚洞施工难度大,费用高等不足,满足快速抢修抢建要求,提出一种由型钢拱架和金属网组成的柔性棚洞。由于三开间单跨柔性棚洞的传载耗能特点与单开间单跨柔性棚洞存在区别,为此在现有单开间单跨柔性棚洞研究的基础上,提出三开间单跨柔性棚洞的设计方案,制作1:1试验模型,并进行了25kJ、50kJ、100kJ和250kJ的落石冲击试验。宏观试验现象表明:①当落石能量在100kJ范围内时,柔性棚洞能够成功的对其进行拦截,而不需要对结构进行维护;②当落石能量在250kJ时,柔性棚洞在成功对其进行拦截的情况下,仅需要经过简单的维护即可继续投入使用;③柔性棚洞内的净空满足安全要求。此外,采用应变片、荷载传感器和高速摄像机等对落石冲击过程和柔性棚洞中钢拱架的动力反应进行了测试,综合试验测试数据,对柔性棚洞的变形特点、传载耗能机理和破坏特点进行了分析,指出了柔性棚洞中易发生破坏的薄弱部位,提出了下一步柔性棚洞的改进措施。

钢丝增强复合条带抗弹性能数值分析

为研究钢丝增强聚合物基复合条带的抗弹性能,基于冲击动力学理论分析其抗弹机理,再借助ANSYS/LS-DYNA软件和LS-PrePost前后处理器模拟有无增强钢丝2种工况下,条带对7.62 mm弹体的冲击响应。分析表明:条带的弹性模量、剪切模量和面密度会影响其能量吸收性能,能量吸收量随三者的增大而增大;由于聚合物基体的正交各向异性,应力云图显示出扁平椭圆状是合理的;在聚合物基复合条带中嵌入增强钢丝对条带整体的抗弹性能有积极的影响,但嵌入过量的钢丝会导致重量和成本的增加,因此需要对合理的钢丝配比率作进一步研究。研究结果可为钢丝增强聚合物基复合条带在野战防护结构中的应用提供参考。

圆形减压环力学试验与壁厚对其耗能性能的影响

圆形减压环主要由钢管、铝管套筒和钢丝绳组成,由于其耗能特性强,因此在被动防护系统中得到了广泛应用。在边坡防护工程中,将钢丝绳一端固定,另一端连接在防护阻挡结构上,通过钢管与铝管套筒的摩擦和钢管的大变形来散耗冲击动能。首先分析了圆形减压环的工作原理,并对其力学性能进行了拟静力试验,再利用ANSYS/LS-DYNA软件,研究了圆形减压环在荷载作用下,不同钢管壁厚对其耗能性能的影响。结果表明:随着钢管壁厚的增加,圆形减压环的启动荷载也随之增大;在低速荷载作用下,钢管壁厚对圆形减压环的耗能性能影响较弱,但是随着加载速度的提高,钢管壁厚对其耗能性能的影响明显增加,耗能总量上升明显。

钢管在冲击荷载作用下的变形与失效破坏

为研究钢管在弹体侵彻过程中的变形特点,基于ANSYS/LS-DYNA软件,采用Johnson-Cook模型,模拟了半球形弹体以不同速度正向冲击钢管时的非线性动力响应情况。结果表明:弹体速度越小,钢管的抗侵彻性能越好;弹体速度越接近临界破坏速度,钢管降低弹体速度的能力就越明显;弹体冲击钢管时,钢管上表面比下表面更容易产生大变形,消耗更多的弹体动能,并在抗侵彻过程中伴有局部凹陷、蝶形变形和贯穿现象。实验结果可为圆柱壳结构钢管在冲击荷载作用下的耗能分析提供参考。

聚脲钢板复合层加固钢筋混凝土板抗爆性能研究

开展了聚脲涂覆钢筋混凝土板现场爆炸试验,并借助LS-DYNA有限元软件对试验结果进行分析。针对现有聚脲加固技术存在的延性强但刚度提升较小等不足,提出了聚脲钢板复合层加固层。进行了相同爆源参数下聚脲钢板复合加固钢筋混凝土板抗爆性能研究,并与3种典型纯聚脲涂层加固钢筋混凝土板进行了对比分析。讨论了相同加固厚度条件下,不同爆源参数对聚脲钢板复合加固层和纯聚脲加固层抗爆效果的影响。试验及数值计算结果表明,单纯增大聚脲涂覆层数或厚度对于减小跨中动态响应峰值位移作用有限;在相同加固层厚度条件下聚脲钢板复合层的抗爆减振效果优于纯聚脲加固层;聚脲钢板复合加固层作为聚脲涂覆加固的优化改进形式,有待深入试验研究。

轻质材料构筑的蜂窝防护结构抗爆性能试验与数值模拟研究

为克服永久性防爆墙构筑速度慢、土工作业量大、撤收难的问题,提出了一种轻质材料构筑的新型蜂窝防护结构。通过爆炸试验研究该结构的抗爆性能和防护效果。采用压力传感器,获得了该结构前后不同距离的压力波形和超压峰值。使用LS-DYNA软件对试验过程进行了数值模拟,探讨了爆炸冲击波作用于蜂窝防护结构的超压分布区域和峰值变化,并与试验结果进行对比分析。数值模拟结果与试验各测点的冲击波超压值变化曲线、超压峰值基本一致。对试验和数值计算结果的分析发现:从迎爆面测点1到背爆面测点2超压峰值降低90%以上,从背爆面测点2到背爆面测点3超压峰值降低60%以上,表明该防护结构能有效衰减爆炸冲击波能量,保护结构后方人员不受伤害。另外,该防护结构在冲击波作用下,蜂窝胞元上部连接处为结构薄弱环节,易发生破坏,通过增强缝线强度或增加缝线密度可以提升该防护结构整体抗冲击强度。

盐岩在罗布泊干盐湖地区工程应用机理研究

在超强盐渍土地区进行工程建设时,因其特殊的环境条件,工程材料匮乏,常规地基换填方式不够经济,且在盐分梯度差下实际换填效果不佳,但在类似地区往往盐岩广泛发育,而盐岩在干旱超强盐份环境下具有较高的强度和稳定性,可考虑工程应用的可能性。为研究过盐渍土环境下盐岩的工程应用机理,提高盐岩资源化应用水平,文章主要以新疆罗布泊干盐湖地区的盐岩在公路工程建设中的应用为研究背景,对盐岩的基本物理化学特性进行试验及理论分析,重点从盐岩强度生成机理和再结晶自愈机理角度分析了其工程应用的理论基础。总结了盐岩在工程应用中应重点把握的技术控制要点,针对盐岩溶陷、盐胀、腐蚀等特性对筑路可能产生的不良工程病害机理进行了分析,并研提了相关的预防处置措施。

被动防护网中U形消能件的力学性能分析

U形消能件是被动防护网中的一种新型消能构件,由钢板带、圆柱滚轴和套头组成,主要功能是降低作用在锚杆及钢丝绳上的荷载,吸收落石的冲击能量。由于国内尚未有相关设计理论和工程应用经验,为此对U形消能件进行了重复性拟静力拉伸试验,试验结果表明:U形消能件具有较好的重复拉伸性能;由于钢板带材料的塑性强化效应,U形消能件在前三次重复拉伸试验中,启动力阈值和耗能能力逐渐增大,在第四次重复拉伸试验中,钢板带发生了类似疲劳破坏的脆性断裂。依据重复拉伸试验现象及相关结果的研究,提出了采用能量法对消能件启动力阈值和耗能性能进行理论分析,建立了U形消能件启动力阈值和静力耗能能力的理论计算方法,并与试验结果进行了对比验证,理论计算方法可作为U形消能件工程设计的依据。

多位置分布配重下引导式落石缓冲系统冲击防护性能研究

引导式落石缓冲系统旨在约束落石运动轨迹和衰减落石冲击能量,以防止落石灾害的发生。为研究该系统的耗能性能,开展实验室条件下的落石冲击试验;基于对防护网变形特征的分析,设计多位置分布配重方案。在此基础上,建立防护系统的数值计算模型,对更高速率落石冲击下系统的响应进行了研究,进而模拟系统对多落石连续入射和多落石同时入射两种工况的防护过程。研究结果表明,多位置分布配重对引导式落石缓冲系统的防护性能有较明显的提高,试验得到的落石速率衰减率最多提高了20.02%,动能衰减率最多提高了21.56%;在防护网上不同位置配重对系统防护性能的提高程度不同,表现为越接近落石入射位置,提高程度越明显,同时,通过多位置分布配重,引导式落石缓冲系统对落石高速冲击和落石连续、同时冲击的防护能力增强。研究成果可以为引导式落石缓冲系统的设计和工程应用提供参考。