特定热层温度下入射角对前驱波特性的影响

空中强爆炸会释放热辐射使地表形成热层,冲击波进入热层后传播速度加快,形成前驱波。冲击波入射角是影响前驱波特性的重要因素,但目前相关工作大多依赖理论推导,实验研究较少。利用爆炸波模拟激波管平台,开展了热层温度为300℃时入射角对前驱波形成影响的研究实验,结合实验构型建立了数值仿真模型,并将实验、数值仿真结果与已有理论结果进行了对比。结果表明:实验获得的前驱波形成临界角范围与理论计算结果一致;入射角越大,前驱波超过马赫杆的距离越大,到时提前越多;前驱波会导致超压峰值减小,且随着入射角的增大,超压峰值减小程度先增大后减小;整体上看,前驱波动压峰值随入射角的增大而增大,当入射角达到一定阈值后,动压峰值增大程度开始在一定范围内波动,这是由气流密度和粒子速度的峰值到时不同所导致的;动压冲量的增大程度随入射角的增大逐渐增大。

基于PSO-CNN-XGBoost水下柱形装药峰值超压预测

为探索水下柱形装药结构、爆距等参数与水下柱形装药峰值超压的关系,将装药样本数据视为二维数据,建立粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法、一维卷积神经网络(1D Convolutional Neural Network,1DCNN)和极端梯度提升(Extreme Gradient Boosting,XGBoost)的水下柱形装药峰值超压融合预测算法。采用相关性分析与数据可视化方法,分析装药结构参数、爆距与峰值超压之间的关联关系。设计1DCNN深度网络挖掘不同长径比、爆距等参数与峰值超压之间的纵向时序关系。运用XGBoost算法寻找装药结构参数、爆距与峰值超压之间的横向非线性关系,提升小样本数据的预测精度。使用PSO算法优化1DCNN和XGBoost的超参数,获得最优算法结构。研究结果表明,在包含10种智能算法的对比实验中,PSO-CNN-XGBoost水下柱形装药峰值超压预测算法在精度、稳定性、拟合程度上均高于其他模型。

基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管冲击波衰减历程控制方法

基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管,一般采用驱动段、喉部、膨胀段的结构形式,可产生特征与爆炸波接近的模拟冲击波,是实验室中开展长正压作用时间爆炸毁伤效应研究的理想平台。通过调整激波管的变截面结构和驱动段形状,实现冲击波超压衰减历程的控制,是此类爆炸波模拟激波管设计面临的核心问题之一。基于实验室现有的爆炸波模拟激波管结构,建立了激波管内一维流动数值计算模型;参考统计学理论,提出了基于决定系数的激波管模拟冲击波与标准爆炸波相似度评价方法;进而以变截面激波管的流动特性为基础,研究了驱动段形状对冲击波衰减历程的影响机理。研究结果表明:采用距离喉部越远、截面直径越小的驱动段形状,以决定系数为量化标准、优化驱动段形状,控制稀疏波、压缩波在激波管内的运动过程,可以获得接近于爆炸波指数衰减特征的模拟冲击波。

冲击载荷下液态铝电解电容失效规律研究

目的为了探究电子雷管内部电容在冲击载荷作用下的失效规律。方法以电子雷管中常用的液态铝电解电容为例,利用水下爆炸的方法对液态铝电解电容进行冲击实验。研究不同强度冲击载荷作用下液态铝电解电容的电压变化特性,通过电流变化曲线确定电容的失效过程,通过解剖失效样品对失效原因进行分析。结果结果表明,液态铝电解电容在受到冲击载荷作用后,电压会瞬间下降,随后再缓慢上升,失效模式为短路失效;在13.6MPa~35.7MPa的超压作用下,电容均出现此类现象,且随着冲击强度增大,电压下降幅度增大,电压恢复所需要的时间变长;电容发生短路失效的原因主要包括溢出的电解液与阳极引线接触、阳极铝箔表层氧化膜在应力作用下发生撕裂。结论液态铝电解电容受冲击后易短路失效,具体失效规律可为抗振型电子雷管的设计提供参考。

远场水下爆炸冲击作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法

高坝大库的抗爆与防护是国防安全的重要研究课题。该文针对远场水下爆炸冲击作用下混凝土重力坝的稳定安全评价问题,研究了远场水下爆炸冲击波的传播及其与坝体的相互作用过程;基于波动理论和平面波假设,建立了重力坝爆炸动应力场的简化理论计算模型,最终建议了一种远场水下爆炸冲击波作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法;同时结合工程实际,采用该方法对某混凝土重力坝的动力稳定性进行了分析。结果表明:在远场爆炸冲击荷载作用下,重力坝的稳定安全系数呈现出先增后减再增并最终保持恒定的变化规律;下游坝面反射形成的拉伸波与剪切波的共同作用是导致建基面稳定安全系数降低的主要原因。

近接既有隧道爆破激发地震波成分构成及特性研究

为研究新建隧道爆破地震波不同成分对既有隧道结构安全的影响,基于地震学极化偏振原理,结合现场爆破振动监测和ANSYS/LS-DYNA数值模型,分析既有隧道衬砌振动波型的成分构成及特性,探讨既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速的关联性。研究结果表明:新建隧道MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11和MS13段毫秒延期爆破P、S和R波对既有隧道衬砌质点振动均有贡献,各段别前期均由传播速度最快的P波主导,而后S波和R波相继成为主导波型;地震波传播路径及测振点的位置与波型成分密切相关,新建隧道已开挖和未开挖2个区域所对应的既有隧道质点振动特性存在显著差异,当L/D>1.58(L为距爆源中心的水平距离,D为隧道净距)时,未开挖区域的S波最大幅值超过P波最大幅值,成为后续区段质点振动的主导波型;既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速线性相关性较好,安全振速阈值为10.53 cm/s。

开放空间高压氢气射流中点火爆炸的实验研究

采用高速相机和压力传感器,对开放空间中稳态射流氢气点火爆炸初期的火焰行为和超压变化规律进行了实验研究。结果表明:在点火爆炸初期,火焰在点火电极处以球形向外扩散;爆炸后4~6 ms,火焰前锋达到最大位移,之后逐渐熄灭,最后形成射流火焰。火焰前锋位移主要受喷嘴直径影响,并随喷嘴直径的增大而增大。火焰宽度的变化规律与火焰前锋位移基本相似。整个爆炸过程仅出现1个超压峰值,正压维持时间约为1 ms。在同一点火距离处,峰值超压随氢气流量的增加而增大。在相同氢气流量下,峰值超压随点火距离的增大而减小。最大峰值超压与氢气流量成正比,与点火距离成反比。

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm(起爆点位于拱结构正上方和正下方),通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler(ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明:相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。

脉冲载荷下加筋圆板的各向同性快速等效方法

加筋板在爆炸与冲击防护中应用广泛,而其动力响应的快速求解一直是工程中关注的重点。对于径向均匀加筋的圆板,基于刚度叠加思想,提出了一种将其等效为各向同性平板的方法,用于分析其在脉冲载荷下弹性阶段的动力响应。结合理论推导与数值方法,显式地给出了简洁的等效平板厚度公式。经验证,提出的等效方法建立了加筋圆板与均质圆板间的内在联系,适用于多种加筋尺寸、材料及载荷形式。等效圆板与加筋圆板的最大挠度偏差不超过6%,低阶振动频率偏差不超过10%。相比于直接对加筋圆板进行计算,等效分析方法大大提高了求解效率,且保证了很高的计算精度,在冲击响应预测和结构优化等工程应用中具有重要意义。

地面爆炸作用下地下综合管廊动力响应的实验研究

为研究地下综合管廊结构的抗外部爆炸性能,针对整体现浇管廊和预制节段拼装管廊结构在地面爆炸作用下的动力响应特性和破坏模式开展了野外爆炸实验研究。通过11个工况的野外爆炸实验,观测了现浇管廊和预制节段拼装管廊在不同比例距离爆炸工况下的破坏特征和动力响应,对比分析了现浇管廊和预制节段拼装管廊的抗爆性能。结果表明:在地面爆炸作用下,现浇管廊和预制节段拼装管廊的顶板最终均出现弯剪破坏,整体现浇管廊的抗爆性能总体上优于预制节段拼装管廊。起爆位置对预制节段拼装管廊爆炸响应的影响较大,在节段中心上方起爆时结构损伤最严重。在小比例距离地面爆炸作用下,现浇管廊的损伤区域大于预制节段拼装管廊,预制节段拼装管廊的损伤集中在近爆心下方所在的节段或连接接缝处,节段间可产生较大残余滑移。

充液管结构人员抗爆炸冲击防护试验研究

区域冲突和恐怖袭击等爆炸环境造成的人员伤亡事件频频发生,且爆炸引起的人体损伤也已成为现代战争中士兵的主要致伤形式。针对人体抗爆炸冲击波防护的迫切需求,设计制作模拟人体的硅胶试验段,利用激波管试验研究一种柔性充液管结构的冲击波衰减作用,探索将冲击波的能量转化为管内的液体内能和动能,实现冲击波能量的有效转移和耗散。研究结果表明,通过协调冲击波作用下的液体流动耗能和液体自身吸能(凝胶化),最高可以衰减35%的超压峰值和30%的比冲量。相关研究对于提高人员爆炸冲击防护水平具有重要的研究意义和应用前景。

近距爆炸装药形状对板架结构的损伤规律研究

为了研究近距爆炸时柱形装药长径比对板架结构变形损伤的影响规律,以某典型缩比板架结构作为研究对象,采用经实验验证的有限元模型,分析了5种不同长径比装药爆炸对板架变形损伤的影响,并对比分析了药柱与板架夹角为0°和90°两种情形的区别。研究结果表明:随着装药长径比的增大,夹角为90°情况下冲击波反射超压和冲量逐渐减小,夹角0°情况下冲击波反射超压和冲量逐渐增大,高压区逐渐从装药轴线方向到径向方向移动;板架的残余位移与装药质量近似满足线性关系,装药长径比增大时,夹角为90°时靶板的残余位移逐渐减小,夹角为0°时位移逐渐增大;基于板架中心点最大残余位移D,拟合得到了药柱轴线与靶板表面夹角为90°和0°时的轴向等效形状因子β_(1)和径向等效因子β_(2),当比例距离在0.4~0.7 m/kg^(1/3)范围内时,预测误差小于15%,能较好的预估不同装药长径比下板架的中心点残余位移,获取结构的损伤水平。

基于LSTM的勘察器外壁温度反演方法研究

对于星壤物质物化特性的反演是深空探测中最重要的一环,星壤的热导率、热容参数等热特性是研究星壤组成的科学依据,而温度测量是基于侵彻式的星壤原位探测的重要参数。针对月壤勘察器侵彻过程的外表面温度无法直接测量的问题,开展了基于LSTM神经网络算法的勘察器外表面温度反演方法的研究。借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件实现侵彻过程的仿真模拟以获取多组勘察器弹头部内外表面温度数据,依据有限差分法离散热传导方程选取数据,采用长短期记忆神经网络来建立反演模型。通过模拟实验进行分析,该方法反演所得曲线和实验曲线相比均方根误差为12.9℃,最大相对误差不超过10%。实验结果表明本文所研究的方法可以实现勘察器外表面温度的反演。

新型高强钢板在结构抗接触爆炸中的应用

为研究NFB700E1高强钢板对钢筋混凝土结构抗震塌性能的提升效果,开展了五组组合结构抗接触爆炸试验(以Q345普通钢板为对照组),并基于试验结果,建立了较为真实的数值仿真模型,通过多组数值仿真算例,计算出钢筋混凝土-防震塌钢板组合结构的相当不震塌系数,量化了防震塌钢板对钢筋混凝土抗震塌能力的提升幅度。结果表明:抗爆试验中,随着钢筋混凝土靶板厚度减少,其爆坑等效直径、爆坑深度和防震塌钢板的最大变形量均呈增大趋势;通过对比爆坑深度和钢板最大变形量等参数,不断迭代优化,得到了吻合程度较高的有限元数值仿真模型;计算得到钢筋混凝土-防震塌钢板组合结构和钢筋混凝土的相当不震塌系数,其中NFB700E1高强钢板8 mm厚时相当不震塌系数约为0.141,6 mm厚时约为0.159,相较于钢筋混凝土(0.475),相当不震塌系数分别提高了70.3%和66.5%;相较于Q345普通钢板(0.230),相当不震塌系数分别提高了38.7%和30.9%。本工作建立的数值仿真模型可拓展延伸到更多工况,为其他防护工程抗震塌研究提供借鉴。

破片杀伤战斗部空爆状态下车顶夹芯板防护性能分析与优化设计

在现代战争中,为实现远程精确打击,众多破片杀伤战斗部选择车辆顶部作为首选攻击位置,而目前国内外关于冲击波和破片联合作用下车辆顶部防护的研究基本没有。为提高特种车辆顶部防护性能并实现结构轻量化设计,通过北约一级替代装药爆炸试验和破片飞散理论计算,验证了数值模拟的有效性和准确性。根据LS-DYNA软件分析结果数据和破片外弹道方程,采用Python软件等编写用于分析不同起爆高度下破片落点分布的解算处理程序。设计一种I-Y型夹芯板,并与另外5种不同结构夹芯板的防护性能进行综合比较,证明了该型板的优越性。进而以质量损失、能量吸收、背板峰值位移及破片速度分布为评价标准,研究炸药起爆方式、炸药相对位置、面板和背板厚度、夹芯层结构参数对I-Y型板防护性能的影响。选择面板厚度、背板厚度、夹芯层高度和胞元宽度为设计变量,以背板峰值位移和夹芯板质量为优化目标,用最优拉丁超立方试验方法进行采样,采用Kriging法构建代理模型,用非支配排序遗传算法进行多目标优化求解,并对最优解进行仿真验证,为冲击波和破片联合作用下车顶防护结构优化设计提供了支持。

基于遥感影像的大当量爆炸建筑物毁伤评估模型

为了研究大当量爆炸建筑物毁伤评估问题,基于遥感影像解译和大数据分析构建了大当量爆炸建筑物毁伤评估模型。首先,基于大当量爆炸的具体历史案例构建了毁伤数据集,具体指基于遥感影像提取建筑物毁伤信息,辅助大数据信息补充毁伤细节,利用地理信息系统空间分析数字化毁伤信息,构成毁伤数据集。然后,基于毁伤数据集中的训练样本修正经验模型参数,构建了适用于大当量爆炸的针对不同类型建筑物的毁伤评估模型,并基于毁伤数据集中的验证样本测试了模型性能。实验证明:所构建模型拟合优度高于96%,检验样本准确度高于84%,整体误差在可接受范围内。所构建模型在一定精度要求下可为大当量爆炸事故评估提供参考。

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。

泄压坑道式工房内爆试验与数值模拟研究

为探索复合构型坑道式工房内爆炸效应和泄压消波措施,提出泄压坑道式工房设计。通过理论分析和线性拓展预测的方法预判坑道内压力分布,建立多工况泄压坑道式工房的有限元模型。通过数值模拟得出结构内部和外部冲击波传播与衰减的规律,分析冲击波涡流成型机理以及泄压消波的过程,计算得到多工况下坑道内部和外部的压力分布规律。通过试验研究对线性拓展计算和数值模拟结果进行对比分析,揭示由丁字接头、泄压通道、膨胀室组成的复合构型坑道式工房对于消波效率的显著提升作用,得出坑道结构内泄压消波的效能以及坑道结构口部外冲击波分布规律,以期为坑道式工房的结构选型及布局优化设计提供技术支撑。

正高程差下边坡爆破对X70钢管振速的影响

为了探究正高程差边坡爆炸施工对邻近埋地管道振速的影响,基于商用有限元软件ANSYS/LS-DYNA采用数值模拟方法研究了炸药量相同(30 kg),正高程差不同(2.1、2.6、3.1、3.6、4.1、4.6和5.1 m)时,边坡爆破振动对既有X70管道振速的影响,并与平面地形结果作对比分析。研究表明:相较于平面地形,在水平距离不变的条件下,管道Y方向上会出现振速放大现象,且随着高程增大,振速加快衰减。管道振速放大系数随着高程差的增大呈现先增大后减小的趋势。当高程差为3.1 m时,管道迎爆面测点的振速放大系数最大,为1.998;当高程差为3.6 m时,管道背爆面测点的放大系数最大,为1.622。爆炸地震波在不同的介质界面发生折射和反射所形成的叠加效应以及在坡脚发生绕射,是产生高程放大效应的主要原因。

跨山区航道桥梁改建工程水沙条件影响研究

山区航道通航尺度小、比降大、流速快、枯丰变化明显、水文情况复杂。丽水莲都碧湖大桥改建工程位于瓯江干流中游,其所跨河段现状航道和规划航道线路不同,桥梁建设需同时满足现状航道通航和预留规划航道发展空间两项要求,因此对桥墩的布置提出了更高的要求。通过对桥梁通航净空尺度的计算分析表明,规划航道布置在主桥主跨内满足通航要求,而现状航道布置在主桥左侧桥跨内时,左侧主墩位于现状航道边缘,将对现状船舶通航安全构成影响。采用平面二维水流泥沙数学模型,研究桥梁改建对现状航道和规划航道水流条件和泥沙冲淤的影响,并提出将现状航道向左侧疏浚拓宽4 m,以满足通航要求的改善措施,可为跨山区航道的桥梁改建工程解决方案提供借鉴。