近场爆炸下波纹双钢板混凝土组合墙板的损伤破坏及抗爆性能

相对于传统的钢筋混凝土墙板和平面双钢板-混凝土组合墙板(profiled double-skin composite wall,PDSCW),波纹双钢板-混凝土组合墙板(concrete-infilled double steel corrugatedplate wall,CDSCW)具有更高的轴向抗压承载力、更大的侧向抗弯刚度以及良好的抗冲击和抗震性能,在船舶和军事领域有广阔的应用前景。制作2种CDSCW试件,通过近场爆炸试验对比分析了2种试件的损伤模式及动态响应;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了CDSCW和PDSCW的有限元模型,研究了近场爆炸下2种混凝土组合墙板的损伤机理和爆炸响应,并与试验结果进行对比分析;分析了混凝土厚度、钢板厚度、药量对CDSCW抗爆性能的影响。结果表明:近场爆炸作用下,相较于PDSCW,相同混凝土方量和尺寸(长、宽)的CDSCW具有更大的抗弯刚度、更强的抗变形能力以及更优的抗爆性能;增加波纹深度能有效提高CDSCW的抗爆性能,可为抗爆构件设计和相关工程研究提供参考。

近场爆炸荷载作用下装配式钢筋混凝土叠合梁动力响应数值分析

为研究装配式钢筋混凝土叠合梁的抗爆性能,采用显式动力有限元软件LS-DYNA建立了相应的数值模型,通过已有的钢筋混凝土现浇梁爆炸试验研究对数值模型进行了验证。采用验证了的数值模型对爆炸荷载作用下的叠合梁和现浇梁进行动力响应分析,考虑比例距离、炸药量、浇筑方式等参数变化对装配式钢筋混凝土叠合梁动力响应及抗爆性能的影响。结果表明:随比例距离减小或炸药量增大,梁破坏形态由弯曲破坏向弯剪破坏转变,梁位移响应加剧;叠合梁抗爆性能略低于现浇梁,但尚能满足规范要求。

钢筋混凝土箱梁近场爆炸响应的试验与数值模拟

为了研究近场爆炸作用下单箱三室混凝土箱梁的动力响应和破坏特征,开展了缩比试件爆炸试验和数值模拟。以原型桥梁主梁截面按1∶3缩比设计和制作了箱梁试件,测量了3 kg TNT药柱爆炸作用下试件的反射超压、钢筋应变、竖向位移及破洞形态;采用LS-DYNA软件进行了箱梁爆炸响应模拟,结合试验数据验证了数值模拟方法的可靠性;分析了TNT当量、起爆位置、混凝土强度、配筋率对箱梁抗爆性能的影响。结果表明:3 kg TNT药柱于箱梁中间箱室中心正上方0.4 m处起爆时,在中间箱室顶板中心形成一个椭圆形的贯穿破口,破口沿横、纵桥向长度分别为41.50、45.50 cm;中间箱室顶板底面的混凝土发生大面积剥落,呈现喇叭状冲切破坏特征;多室箱梁的超宽截面形式使得其爆炸响应沿横桥向分布不均匀;箱梁底板竖向位移峰值和钢筋应变峰值随药量的增大而增大,采用最小二乘法得到了对应的拟合曲线表达式;不同起爆位置下,中间箱室底板中心的竖向位移均大于两侧箱室中心的。

近场爆炸时预制节段柱的动力响应分析

为研究近场爆炸荷载作用下钢筋混凝土预制节段柱的抗爆性能,基于爆炸基本理论,对近爆作用下预制节段柱的损伤及动力响应进行分析,进一步就不同比例距离、不同节段数量展开参数化研究。结果表明:大当量炸药下,相比于传统的整体式柱,预制节段柱中节段间的滑移、开口可以有效地消耗爆炸能量,从而减轻柱体混凝土的破坏,不会出现贯穿;更多的节段间的相对运动可以消耗更多的爆炸能量,增加墩柱中节段数量可以提高柱的抗爆性能;在车载大当量炸药下,预制节段柱的两端固定端出现剪切破坏,应考虑使用高性能混凝土来建造底部基础段及上部盖梁段。

水中近场爆炸作用下钢筋混凝土桩毁伤效应研究

为了对高桩码头的抗爆性能及安全性进行评估,利用数值分析方法,对某高桩码头钢筋混凝土桩在近场水中爆炸荷载作用下的破坏模式进行研究.通过与经验公式的对比,对数值分析方法进行了验证;建立了钢筋混凝土桩在爆炸荷载作用下的三维分析模型,研究了半径数及爆源深度等参数对钢筋混凝土桩的动力响应和破坏模式影响;基于数值分析结果,给出了该型钢筋混凝土桩在给定爆炸深度情况下抗爆的安全范围,研究成果可以为该类型高桩码头抗爆设计及分析提供参考.

基于SPH-FEM方法的水下近场爆炸数值模拟研究

针对结构水下近场爆炸载荷作用响应求解难点,通过改进的三维轴对称光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)计算获得近场爆炸载荷后传输给非线性有限元软件ABAQUS,利用声固耦合模型对结构响应进行时域非线性计算,形成预报水下近场爆炸载荷对结构毁伤的SPH-FEM模型,实现从药包起爆、结构大幅变形、局部撕裂直至完全剪切破坏的全过程模拟,对载荷时历曲线进行试验验证。计算背空矩形钢板在近场爆炸载荷的响应表明,数值结果与试验值吻合良好。SPH-FEM模型计算效率高、可操作性强,易推广至大型复杂结构受水下近场爆炸毁伤的分析与评估。

近场爆炸作用下核电厂安全壳穹顶钢筋混凝土板的抗爆性能

安全壳是核电厂的最后一道防线,其穹顶采用60°配筋混凝土进行设计和建造,配筋方式特殊。借助ANSYS/LS-DYNA,采用CONWEP爆炸模型,建立60°和普通配筋的混凝土板有限元模型,研究了近场爆炸作用下60°配筋混凝土板的动态响应,参数化分析了板厚、药量、钢筋屈服强度和混凝土强度等因素对60°配筋钢筋混凝土板抗爆性能的影响规律;对比研究了普通配筋和60°配筋混凝土板的中心挠度、变形和应力云图,基于数值分析结果,拟合得到两种配筋方式混凝土板中心挠度最大值与药量之间的关系曲线,利用回归分析得到其计算公式。研究结果表明:在相同含钢量的条件下,60°配筋混凝土板中心挠度最大提高60.22%,抗爆性能更强,拟合公式可以较好地预测60°配筋混凝土板的挠度变化。

船底双层板架结构水下近场爆炸试验

[目的]为了评估双层底板架结构在近场水下爆炸工况下的防护能力,[方法]针对典型水面舰船底部结构,设计双层板架结构试验模型和试验工况,进行水下近场爆炸试验研究,获得双层底结构的毁伤破坏模式及结构整体与局部的破坏、变形情况。[结果]模型结构破坏和变形情况显示,内底结构未发生破损和较明显的屈曲,表明在近场水下爆炸作用下,双层底结构通过毁伤和变形吸能,对内部舱室结构起到了有效的防护。[结论]该结论可为舰船底部防护结构设计和评估提供参考依据。

鱼雷近场爆炸对舰船不同结构的局部毁伤研究

对某目标舰船全尺寸建模,建立了鱼雷近场爆炸全过程数值分析模型,研究了鱼雷在舰船纵向不同强度结构部位下方相同距离爆炸造成的舰船局部破口形式、质量损失、最大应力等特征参数,分析了局部结构对鱼雷毁伤效能的影响特性。所建立的数值模拟方法能够反映鱼雷近场爆炸产生的冲击波、气泡脉动、水射流多种载荷连续作用过程。结果表明:近场条件下,爆炸载荷与结构体现为相互耦合作用,强结构部位能有效限制局部破口及塑性应变的范围、但质量损失较大,弱结构部位局部破口及塑性应变的范围较大而质量损失较小,两种结构处吸收总能量大致相同。

空中近场爆炸对生物目标的毁伤试验

针对爆炸恐怖袭击、民用爆炸品和军队弹药运输及使用中的近距离误炸等,研究高温高压爆轰产物联合强冲击波对生物目标的毁伤特性。首先,简要阐述了炸药装药空中爆炸的威力场特性及对生物目标的毁伤机理。然后,基于炸药空中爆炸威力场特性和对生物目标毁伤机理,依据有关计算模型和专项研究结果给出了不同毁伤等级的冲击波毁伤半径、爆轰产物极限膨胀半径及冲击波与爆轰产物耦合作用半径等。最后,通过试验研究了某穿孔装药在近场爆炸条件下,对不同距离处的生物(羊)目标的毁伤效应。通过理论和试验结果,得出了空中近场爆炸作用下造成生物(羊)目标不同毁伤程度和特征的作用距离,为爆炸对生物目标的毁伤评估、安全防护及紧急救援提供参考。

近场爆炸作用下比例距离参数对抗爆间室结构可靠度的影响分析

目的研究爆炸作用下的比例距离参数对墙板结构可靠度影响,提出基于蒙特卡洛取样的墙板结构可靠度分析方法。方法以抗爆间室墙板结构为研究对象,采用LS-DYNA求解器,模拟得到不同比例距离下的结构变形云图;计算墙板结构在爆炸冲击下的位移响应,分别为跨中最大位移与塑性位移;考虑板件材料强度和尺寸的不确定性,以构件延性比为指标建立功能函数,计算爆炸冲击下的墙板结构可靠度。结果当比例距离为0.7m/kg^(1/3)时,板结构的毁伤效应最严重,背爆面出现多条固定端裂缝、环向拉伸裂缝等。随着比例距离的增加,结构的最大位移和塑性位移逐步减小,失效概率不断降低,当比例距离为0.9、0.95、1m/kg^(1/3)时,失效概率趋近于0,得到了不同比例距离下的结构失效概率与可靠指标规律。结论比例距离是影响爆炸作用下墙板结构损伤程度的重要参数,抗爆间室的可靠度研究有助于解决抗爆间室结构设计和性能评价难题。

近场爆炸时混凝土桥墩的动力响应分析

为研究爆炸荷载作用时混凝土桥墩的动力响应,基于爆炸基本理论,开展近爆作用下混凝土桥墩的数值模拟与破坏模式研究,并通过方柱墩与圆柱墩对比、墩柱配筋方式与爆心位置变化等分析墩柱底部的水平位移和水平速度时程变化,进而研究墩柱的抗爆性能与破坏形态。研究结果表明:同等条件下圆形墩柱的抗爆能力要优于方形墩柱;爆炸荷载作用下墩柱纵向主筋的配置可改变墩柱的破坏形态,且墩柱底部的抗剪能力主要靠纵向主筋提供,箍筋的抗爆作用有限;近场爆炸时地基对墩柱底部的约束作用明显,进行墩柱抗爆设计时,可以结合基于性能的抗震理论实现墩柱底部的塑性铰设计。

水下近场爆炸冲击波与射流载荷联合作用分析方法

针对舰船水下近场爆炸,提出综合考虑冲击波载荷与射流载荷的分析方法。对水下近场爆炸气泡脉动过程进行数值模拟,建立射流冲击计算模型,进而简化射流载荷,在冲击波阶段流固耦合模拟结束后自动添加射流载荷,形成完整水下近场爆炸过程的计算流程。建立舷侧板架结构有限元模型,采用MSC.Dytran软件进行流固耦合数值模拟验证方法的可行性。该方法综合考虑冲击波与射流载荷对结构作用,能较真实模拟水下近场爆炸过程,具有一定工程意义及参考价值。

水下近场爆炸双层防护结构抗爆能力的数值模拟分析

同步考虑水下近场爆炸冲击波载荷与气泡射流载荷的作用,综合分析双层防护结构型式及尺度对其抗爆能力的影响,可为双层防护结构的抗爆设计提供直接技术支持。采用基于欧拉法的气泡动力学程序模拟气泡的近壁脉动过程,基于能量等效原则,将射流水柱对结构的冲击简化为等效的射流载荷,通过编制MSC.Dytran软件子程序,在冲击波数值模拟阶段后自动添加等效射流载荷,实现更接近实际情况的双层防护结构遭受水下近场爆炸过程的数值模拟。以内壳单位板厚变形能表征双层防护结构的抗爆能力强弱,通过改变结构型式与尺寸参数,对不同支撑结构板厚、内壳板厚和内外壳间距下结构的抗爆能力进行批量计算,以结构总重和抗爆能力为双重目标,借鉴多目标优化思想,得到双层结构抗爆能力的最优解集。计算结果表明:当内外壳厚度及其间距一定时,存在最佳支撑结构板厚;在同等结构重量情况下,Y型双层结构能提供更强的抗爆能力。

近场爆炸作用下简支钢筋混凝土梁冲剪破坏的预测方法

爆炸作用下钢筋混凝土梁会呈现多种破坏模式,针对近场爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的冲剪破坏,联合等效单自由度模型和临界剪切裂纹理论,提出一种预测钢筋混凝土梁冲剪破坏的方法,并通过开展两发球形梯恩梯装药近场爆炸试验,观察了钢筋混凝土梁的破坏形态,验证了冲剪破坏的预测方法。结果表明:提出的预测方法可用来评估钢筋混凝土梁在近场爆炸作用下是否发生冲剪破坏,对掌握钢筋混凝土梁的爆炸效应特征具有参考意义。

近场爆炸下钢筋混凝土梁毁伤效应研究

针对近场爆炸作用下钢筋混凝土梁的毁伤效应,对比了数值模拟和试验结果,采用数值模拟方法得到了梁结构参数、钢筋、混凝土及装药形状对梁局部破坏的影响规律。结果表明:纵筋强度和配筋率的减少改变了梁的破坏模式,梁的迎爆面及背爆面破坏区域基本无变化;加密箍筋使背爆面破坏尺寸减小;装药形状改变了梁表面冲击波形状,导致梁局部破坏尺寸随炸药长径比增加而增加;梁高度增加导致梁破坏模式由冲剪破坏变为层裂破坏,背爆面混凝土损失区域扩大,宽度增加减少了梁的局部破坏尺寸。

近场爆炸时斜拉索抗爆性能分析

为研究爆炸荷载作用下斜拉桥斜拉索的动力响应,基于爆炸基本理论,开展近爆作用下斜拉索的抗爆性能分析,对斜拉索应力和损伤进行分析,进一步就不同比例距离展开参数化分析。研究结果表明:近场爆炸荷载下,斜拉索不会出现断裂,其破坏形式表现为应力超过屈服应力带来的失效;斜拉索最薄弱的位置是索梁锚固区,该区域斜拉索的应力由于爆炸冲击波的反射大于靠近爆点的斜拉索;给出了保持斜拉索不失效的安全比例距离为0.287 m/kg1/3,可认为大于该临界比例距离时,斜拉索不会发生失效。

PBM算法在近场爆炸数值模拟中的运用研究

为探究爆炸粒子算法(PBM)在近场爆炸问题中的适用性,分别采用PBM法及任意拉格朗日-欧拉算法(ALE&S-ALE),开展AL-6XN不锈钢板近场爆炸的仿真模拟。结合T B rvik的试验结果,对比了ALE、S-ALE和PBM方法的计算精确度和运算效率;采用PBM算法对不同爆心距的钢板近场爆炸工况进行仿真计算,分析了粒子总数和粒子个数比对PBM算法计算精度的影响;通过对150 mm爆心距、球状C4炸药近场爆炸场景进行仿真,分析了不同算法运算时效占比规律。结果表明:不同工况下PBM算法得到的钢板挠度最大误差为20%,离散系数0.12,优于ALE和S-ALE算法;相同的网格划分,PBM算法运算用时仅为ALE和S-ALE算法的十分之一;粒子总数一定时,粒子数量比越接近粒子质量比或粒子个数比一定,粒子总数越多,PBM算法精度越高,模拟效果越好。

近场爆炸载荷作用下某大型舰船结构剩余强度分析

近场水下爆炸载荷作用下舰船结构的毁伤效应及剩余强度问题一直是业内研究的重点内容之一。首先,对典型舰船设置近场水下爆炸工况,并结合通用FEM软件对近场爆炸载荷下的结构响应进行模拟。然后,根据近场爆炸产生的破口和塑性变形,对典型剖面剖面模数的损失进行分析,发现由近场爆炸引起的毁伤会导致剖面出现8%~10%的剖面模数的损失。最后,对破损舰船浮力重新分布后的波浪弯矩和静水弯矩进行计算,并结合军规对舰船在近场水下爆炸载荷作用后破损情况下的剩余强度进行分析。结果显示,在鱼雷的攻击下,该型舰船依然满足剩余强度要求。

设防爆层钢箱梁缩尺结构抗近场爆炸作用试验研究

为研究设防爆层钢箱梁抗近场爆炸作用效果,以53 g炸药当量、70 mm爆距为典型爆炸条件,开展了混凝土-单层/双层钢丝网板、5层/10层凯夫拉板及其组合为防爆层的钢箱梁缩尺结构近场爆炸试验研究。以塑性变形能为抗爆效果考查指标,8种试验工况结果表明:近场爆炸作用下无防护钢箱梁顶板会发生沿U型加劲肋的撕裂破坏及球冠状凹坑,且横隔板间距250 mm比间距150 mm的钢箱梁顶板破坏严重,变形能约高出60%;混凝土-双层钢丝网板较单层钢丝网板能降低钢箱梁顶板的变形能约2.2%;混凝土-双层钢丝网板与5层凯夫拉组合作为防爆层,顶板塑性变形能降低至无防护结构钢箱梁顶板的34.5%,混凝土-双层钢丝网板与10层凯夫拉组合作为防爆层,该数值约为32.7%。