基于DIC的露天矿山微差爆破模型试验及数值模拟

随着电子雷管在露天矿山台阶爆破中的全面使用,微差爆破技术得到进一步发展,如何通过调整孔间延时提高炮孔之间相互作用力,成为矿山爆破技术的研究重点。基于混凝土模型模拟露天矿山微差爆破,建立高速摄影技术与数字图像相关(DIC)试验系统,基于全场微应变、高速摄影技术和数值模拟对不同孔间延时条件下的炮孔间裂纹发展过程进行了研究。结果表明:爆炸载荷下模型表面裂纹附近的应变持续时间约为3 ms,孔间延时为3 ms时下一个炮孔起爆能够提高炮孔之间的相互作用力;通过数值模拟展示了测点的压力分布特征,在孔间延时为3 ms时测点压力最大,验证了模型试验的准确性;利用MATLAB对数值模拟结果分析发现,孔间延时为3 ms时其破碎程度最佳,与模型试验结果具有较好的一致性;使用高速摄影技术结合DIC方法为研究炮孔之间的相互作用力及裂纹扩展提供了新思路。

钢轨交流闪光焊液桥爆破演化行为

钢轨闪光焊接过程中焊件的加热、端面的保护、氧化物及污物的清除等都是由液桥的形成和爆破过程完成的.该文分析液桥在焊接过程中的演化行为,对于理解钢轨闪光焊接过程,深入研究焊接加热与保护机理有重要作用.通过特殊设计的钢轨接头和常规钢轨接头的闪光焊接试验,利用高速摄影采集钢轨交流闪光焊的液桥形成与爆破过程图像,并对图形进行计算与分析.结果表明,液桥的形成和爆破时间处于毫秒级范围,产生大量有利于端面保护和液桥爆破的高压金属蒸气,爆破后的高温金属射流速度超过90 m/s;液桥在形成长大过程中在钢轨端面上动态移动,影响钢轨端面均匀加热;液桥爆破并不是在液桥初始形成的位置;焊接过程中熔体会出现“二次爆破”现象;不仅动端钢轨的送进能够形成液桥,端面熔融金属层的震荡也有利于形成液桥.

不同品位石墨矿岩冲击破坏模式与能耗特性研究

爆破作用下,不同品位石墨矿存在破碎块度离散大和能量利用低的难题。利用ϕ50 mm的SHPB试验装置开展了不同应变率作用下5种品位石墨矿岩试样的动态压缩试验,并结合高速摄影和微观结构来分析不同品位石墨矿岩的冲击破坏模式与能量耗散特性。研究表明:随着品位的增加,石墨矿岩试样的破坏模式从张拉破坏转变为张拉—剪切破坏;石墨矿岩的能耗特性具有很明显的应变率效应,入射能随着应变率增加呈指数增长,吸收能呈线性增长趋势;品位高低对能量吸收率也有较大影响,不同品位石墨矿的能量吸收率随着应变率的变化特征具有明显差异;石墨试样的平均破碎尺寸与吸收能存在较好的对应关系,石墨品位为18.97%时,其平均破碎尺寸最小。通过显微镜观察破碎试样的微观结构,发现石墨片状结构会在矿岩内部产生结构界面,降低矿岩强度。

钢筋混凝土水塔垂直原地爆破拆除试验研究

为解决受限空间下高耸钢筋混凝土水塔爆破拆除难题,研发了高耸构筑物垂直原地爆破拆除技术。采用高速摄影观测、振动监测手段和数值仿真方法,对水塔垂直原地坍塌冲击破坏机理、垮塌运动过程和触地振动效应进行了全面分析。研究发现:高耸水塔垂直原地爆破拆除的坍塌过程近似自由落体运动,回归分析得到水塔向下塌落的加速度约为9.4 m/s^(2),略小于重力加速度;采用“分离式”有限元模型,可以近似还原水塔的塌落运动过程,并精确捕捉每段筒体的冲击碰撞时刻;159号混凝土材料模型,可以很好地模拟水塔筒体塌落冲击破坏过程;水塔筒体冲击破坏过程复杂,总体呈现多次冲击累积损伤破坏过程;振动主振频带主要集中在5~60 Hz,振动信号的高频部分衰减迅速,能量主要集中在低频部分,并且振动信号的总能量随着距离的增加而显著减小。试验表明:通过筒体分段依次垂直原地塌落触地,并同步开展顶部水箱水压爆破,不仅可以控制高耸水塔的塌落堆积范围,而且可以减小触地振动效应并控制爆破粉尘危害。

台阶爆破模型试验下破碎岩石抛掷速度规律分析

为了研究台阶爆破破碎岩石抛掷速度的主要影响因素与变化规律,采用量纲分析法确定破碎岩石抛掷速度的主要影响因素,并借助高速摄影系统与台阶爆破模型试验研究不同影响因素下破碎岩石抛掷速度的变化规律.结果表明:破碎岩石抛掷速度的主要影响因素为炸药单耗、最小抵抗线与炸药量的关系(W^(3)/Q)和不耦合系数,抛掷速度对炸药单耗最为敏感,W^(3)/Q与不耦合系数次之;高速摄影图像显示,当爆破作用时间为0.5 ms时,台阶自由面岩石出现位移,当爆破作用时间为2.0 ms时,在爆炸应力波作用下,台阶自由面出现裂缝,破碎岩石的运动形态可分为鼓包运动阶段与抛掷运动阶段,二者之间存在明显的过渡阶段;炸药单耗、W^(3)/Q、不耦合系数与抛掷速度间存在明显的非线性关系,抛掷速度随炸药单耗的增加呈指数函数递增,且存在临界炸药单耗使破碎岩石的抛掷速度出现激增,抛掷速度随W^(3)/Q、不耦合系数的增大呈幂函数递减.

多孔台阶爆破破裂过程的模型试验研究

应用高速摄影仪和超动态应变仪研究模拟台阶爆破的水泥砂浆模型破裂过程,解决了三维模型爆破试验中装药结构、可靠起爆和同步实现等一系列技术问题.研究了水泥砂浆台阶爆破裂纹的起裂、扩展、分叉、止裂.实验发现,裂纹扩展速度一般为400～600 m/s;密集系数m影响台阶爆破炮孔间裂纹贯通时间,并随m增大而推迟,应变波持续作用时间和最大拉应变峰值随m增大,说明较大m提高了炸药能量利用率,使爆破微裂纹充分发育,爆破破碎块度合理.

高台阶抛掷爆破速度规律的数值模拟

为了获得高台阶抛掷爆破作用下岩石的抛掷速度变化规律,结合现场实验,采用理论分析、高速摄影技术、数值计算方法开展研究.研究结果表明,炮孔内炸药起爆后,坡面岩石抛掷初速度达到最大值的时间在93～105 ms之间,最大抛掷初速度在18～28 m/s之间;坡面岩石的最大抛掷初速度在延炮孔内传爆方向呈增长、稳定、下降的趋势;岩石抛掷运动过程的最后阶段呈自由落体运动,个别岩块的运动速度存在增减现象,主要是由于岩体破碎后岩块间存在的相互碰撞作用;高速摄影实验结果验证了数值计算结果的正确性、RHT材料本构模型及参数在高台阶抛掷爆破数值计算过程中的可用性。

高台阶爆破过程的高速摄影观测

应用高速摄影法，分析了１８ｍ高台阶深孔爆破过程中矿岩的运动参数和超前压缩填塞的可行性，给出了描述矿岩运动参数的经验表达式及其控制条件。在此基础上，评价了１８ｍ高台阶爆破效果。

爆破作用下岩体层间充填土运动的高速摄影试验

在爆破作用下岩体层间充填土运动的高速摄影观测试验中,巧妙利用有机玻璃的变形反光表征了充填土的运动,并利用有机玻璃和钢板的共同约束解决了层间充填土侧冲问题,提出了适合该类型试验高速摄影的拍摄频率、拍摄距离和拍摄面的约束方法。通过拍摄实例,直观地再现了岩体层间充填土运动过程,为研究爆破作用下岩体内层间充填土运动规律以及根据爆破条件和岩体条件确定层裂区的发展速度及层裂范围提供了有效的试验方法。

基于高速摄影技术爆破鼓包运动规律的研究

为研究球形药包爆破漏斗实验中自由面鼓包运动规律,采用能够较好模拟现场岩土的相似材料制作了一组水泥砂浆模型进行了爆破漏斗实验,利用高速摄影系统记录了模型在球形药包作用下自由面的鼓包运动,得到了鼓包运动轮廓、鼓包表面中心位移和速度分布.结果表明:鼓包表面中心在速度分布上呈现出加速-匀速-二次加速-减速的特征,鼓包上升到约1.5倍抵抗线后,抛体按照弹道运动规律进行抛掷.

钢筋混凝土烟囱爆破拆除倒塌与受力过程研究

以高速摄影监测、数值模拟结果为基础，对钢筋混凝土烟囱爆破拆除倒塌过程及保留筒壁受力过程与状态进行综合分析研究。烟囱倒塌经历爆破切口形成、中性轴形成、定轴转动及塌落触地4阶段。爆破切口形成后保留筒壁须有0．5～3．0 s稳定阶段保证在荷载重新分布过程中中性轴的稳定形成。爆破切口形成后初始短时间内保留筒壁均承受压应力，随中性轴形成出现受压、受拉区；定向窗锐角顶点处应力集中程度较高，先发生破坏，且内侧承受压应力大于外侧。该研究对进一步完善钢筋混凝土烟囱精确爆破拆除理论具有重要的现实意义。

岩体爆破综合实验研究系统及其应用

为定量分析研究毫秒延时爆破破岩过程特征物理量分布演化机制,进一步优选爆破参数、完善毫秒延时破岩机理,进行了室内毫秒延时台阶爆破相似模型实验。应用高速摄影机和超动态应变仪建立综合实验研究系统,对毫秒延时爆破进行动态实时监测,得到台阶自由面处裂纹扩展规律和延时时间对边坡表面应力峰值及内部应力场叠加的影响程度。结果表明,确保后序药包起爆时已形成新自由面的最小临界延时为9 ms;设计延时为15 ms或25 ms时,可降低对边坡表面应变峰值影响程度;为促进相邻炮孔爆炸应力波充分叠加、增强岩体破碎效果,孔间延时最大临界值为15 ms。综合考虑坡体应力状态及台阶爆破效果双重因素,实验条件下最优孔间延时为15 ms。

切缝药包爆炸波传播机制实验研究

为了探究切缝药包爆炸波动机理,运用高速激光纹影仪进行了切缝药包的爆炸波动实验研究,通过纹影照片直观地显示了切缝药包爆炸后外部爆炸波动流场的变化。通过对2种装药结构的切缝药包的爆轰波动传播过程的分析,双缝/耦合的切缝药包切缝方向的爆炸波阵面速度比切缝内不耦合药包的速度要大。纹影照片时序图显示了药包垂直切缝方向和两端部的爆炸波的传播是切缝方向爆炸波动绕流形成的。整个传播过程爆炸波形态分布丰富,从哑铃形演变为爆生气体孪生态。切缝药包爆轰波动数值模拟结果和纹影实验结果在形态上基本一致。

密闭舱室内冲击波作用下胸部动态响应规律的研究

目的探讨密闭舱室内大鼠胸部对不同大小爆炸冲击波的动力学响应过程,分析胸壁的粘弹性运动过程及其与伤情间的关系。方法在密闭舱室内用不同当量的点爆源爆炸对大鼠致伤,采用REDLAKE-HE高速摄影机观察胸壁的运动情况,记录冲击波超压,分析大鼠损伤的伤情。结果胸部变形量、胸壁向内最大速度与损伤严重程度指数ASⅡ有一定的相关性(r=0.96778,P=0.03222;r=0.96881,P=0.03119)。胸壁运动对内部器官造成损伤机制主要是粘性损伤机制。结论胸壁的变形运动过程是造成胸部损伤的关键因素之一。密闭舱室内胸壁向内最大速度与损伤严重程度指数ASⅡ有较好的相关关系,是预测冲击伤伤情的可靠参数。

210m钢筋砼烟囱爆破倒塌过程测量分析

以某特大钢筋混凝土烟囱定向爆破工程为研究对象,采用高速摄影、应力应变测量两种测量手段,对烟囱爆破倒塌过程进行实验研究,获取倾倒过程中的各种运动参量。数据对比分析结果表明,烟囱倾倒过程分为爆破切口形成、整体下坐、定轴转动、局部折断、冲击撞地五个阶段。

固态燃料小型FAE装置空中爆炸场效应分析

通过一次引爆固态复合粉尘燃料小型FAE装置与等质量TNT在自由空间的爆炸对比实验,获得了不同距离的峰值超压值,并运用粉尘爆炸下极限浓度对云雾爆轰区半径进行了估算。结果表明,固态燃料小型FAE装置空爆峰值超压分布规律不同于TNT,云雾爆轰区内的峰值超压不呈现单调减的特征,而是在有限范围内呈现波动趋势;云雾爆轰区外的峰值超压随距离增大迅速衰减,但固态燃料小型FAE装置的峰值超压大于相同距离处等质量的TNT。高速摄影观测结果显示,固态燃料小型FAE装置爆炸的化学反应持续时间大于等质量TNT。

爆破裂纹形态统计的图像特征提取技术研究

在用高速摄影研究爆破裂纹形态时,由于拍摄光线、视角或爆破产生的粉尘等原因,照片分辨率较差,很难看清裂纹,对研究爆破裂纹的扩展过程造成很大的影响。基于MATLAB平台,设计钻孔爆破裂纹识别系统对高速摄影图像进行处理,利用处理过的图像来描述爆破裂纹形态和发展,并从处理结果中检测出裂纹的数据进行统计,从而方便分析爆破裂纹发展的特征并得出其规律。将得到的裂纹扩展数据和规律与之前学者做过的类似研究结果进行了对比,分析二者的误差和区别,完善了爆破裂纹图像检测和数据处理的方法和理论。

爆破漏斗鼓包运动模型的构建及验证

为研究爆破漏斗鼓包运动规律,采用动量守恒定律对鼓包运动速度进行理论分析,并通过爆破漏斗模型试验、高速摄影系统、数值分析开展试验研究.研究结果表明,将鼓包运动岩体划分为若干单元,运用动量守恒定理推导出爆破漏斗鼓包速度服从指数模型,整个过程做变速运动;通过高速摄影对爆破漏斗鼓包运动进行记录分析,图像表明鼓包运动过程中,自由面裂隙向四周扩散,使自由面岩体破碎并呈规则的扇形状;在爆生气体推动下,岩体进一步的抬升与破裂,炮孔中心质点做变加速运动;不同时刻下,随自由面炮孔中心为原点的坐标距离增加,鼓包运动呈指数递减,当自由面鼓包完全破裂后,破碎岩体以最大速度做抛掷运动,当抛射角度与水平成45°时,达到最远抛距.

基于高速摄影技术模拟深水爆破环境下气泡脉动规律研究

采用GX8高速摄影机在水下爆炸罐中进行0．8～2．4gTNT当量炸药爆炸试验监测，运用注水加压方式在模拟深水环境中实拍出气泡脉动过程。分析气泡半径、脉动周期与药量、水深之间的关系得到：脉动周期和同一周期内最大脉动半径随着水深的增加呈对数衰减趋势；同一水深条件下最大脉动半径随药量增加明显增大，且脉动周期随之增加。将实测结果与经验公式计算值进行比较，验证了库尔公式在深水环境下的适用性。

爆炸荷载作用下礁砂地基信号塔位移特性试验研究

开展吹填礁砂地基上高耸结构物在爆炸作用下的稳定性研究,对钙质砂地质中的工程建设具有重要的理论意义和参考价值。针对此问题,采用高速摄影技术,进行了礁砂地基信号塔的爆炸动力响应试验研究,改变药量、爆心距和地基含水率等影响因素,动态捕捉信号塔不同特征点位移大小,分析其位移时程曲线特征及峰值的变化规律。试验结果表明:药量Q和地基含水率ρ对信号塔位移峰值影响较大,药量从50 g增加到150 g,信号塔位移峰值增幅为150%~170%,全饱和砂较干砂地基上信号塔的位移峰值增大了105%~135%;信号塔位移峰值随着爆心距R的增加呈下降趋势,地基中爆炸应力波的衰减速度随爆心距的增加逐渐趋缓,且爆炸地震波在信号塔上传播有高层放大效应;竖直方向的位移峰值均大于水平方向的位移峰值,在实际工程中应加强礁砂地基对结构物的竖向约束。