水下爆炸冲击波反射压力计算方法的改进

重力坝是一类常见大型混凝土水工建筑。为探寻适用于其近区水下爆炸冲击波反射压力的计算方法,利用冲击波阵面上的质量、动量和能量3个守恒基本关系式,以及凝聚介质状态方程,严格推导出物理内涵明晰的刚性壁面水下爆炸冲击波反射压力计算方法。通过连续介质中冲击波速与粒子速度之间的关系,给出其中水的状态参数k的确定方法,揭示状态参数k随入射冲击波压力呈双指数衰减规律,发现入射压力在725 MPa以上时,k值的变化对冲击波反射压力计算结果有着重大影响。通过与Cole[12]、Henrych[14]和罗泽立等[15]提出的计算方法及数值仿真进行对比验证分析,结果表明:新提出的计算方法具有适用范围更广、计算精度更高的特点,且首次从理论上揭示水下爆炸冲击波反射压力系数范围为2.00~4.49。

黏土中爆炸成坑地冲击耦合效应实验研究

为获得黏土中爆炸成坑体积与耦合地冲击能量的关系,采用10.5 g TNT厘米级球形炸药球作为爆炸源,在Φ1500 mm×1490 mm分层式爆炸装置中开展了变埋深条件下的爆炸实验,利用3D扫描设备记录不同埋深下弹坑的真实体积,并通过动态土压力传感器测得地冲击传播衰减规律。实验结果表明:随埋深增大,耦合至黏土中的有效地冲击能量急剧增大,装药中心下方的有效弹坑体积与耦合至黏土中的有效地冲击能量基本呈正比关系,当装药比例埋深与封闭爆炸条件下爆炸空腔半径相当时,耦合至黏土中的有效地冲击能量基本达到饱和。结合实验结果给出了黏土中爆炸耦合地冲击能量分配随装药比例埋深的变化规律,建立了地下爆炸等效封闭当量计算方法,为地下工程抗爆设计提供了理论依据。

坑道口部温压炸药爆炸热效应与冲击波传播规律实验研究

为研究坑道约束作用对于温压炸药爆炸释能过程的影响规律,基于典型长直坑道开展了口外、堵口和口内3种爆炸模式的温压炸药爆炸实验研究。结合多种测试技术对爆炸热效应特征参数以及冲击波压力进行了研究,分析了火球尺寸、辐射亮度、温度变化趋势等热效应参数,阐明了冲击波波形演化过程、冲击波超压峰值、正相作用时间和冲击波比冲量等特征参数的变化规律。研究结果表明,在近坑道口爆炸时,温压炸药中铝粉的后燃反应强度会随着约束增强而不断增强,形成的火球高温范围更广,冲击波强度更高。在形成稳定波形后,口内爆炸正压作用时间为口外爆炸的1.43~1.57倍,冲击波超压峰值当量相当于口外爆炸的2倍。

钻地爆炸耦合地冲击等效计算理论与方法

钻地爆炸地冲击对地下防护工程构成重大威胁,目前常用的试验手段难以建立普遍适用的制导钻地炸弹、超高速动能弹和钻地核弹耦合地冲击效应计算方法。为此,文中从理论上揭示了钻地爆炸破坏区体积与耦合地冲击能量的关系。依据地下爆炸压缩与破坏半径和爆炸当量的关系,给出了现有主要耦合系数之间的换算公式,提出了仅需接触爆压缩半径和封闭爆压缩半径两个初始参数的耦合系数计算方法。通过与国外已有地下核试验数据和数值模拟结果对比分析,从能量耦合系数和当量耦合系数两方面,验证了该方法的正确性。结合填塞系数计算,表明美国的钻地核爆地冲击耦合系数曲线具有较好的可靠性,且偏安全。从防护工程抗钻地爆炸地冲击效应角度,选用当量耦合系数和填塞系数计算地冲击较为适宜,并给出了便于工程运用的钻地核爆当量耦合系数和填塞系数的计算公式。

冲击荷载下钢筋混凝土梁抗冲击性能研究进展

针对冲击荷载下钢筋混凝土梁抗冲击性能研究广泛并取得许多有价值成果的研究现状,对国内外众多学者基于试验、数值与理论等方法开展的大量工作与研究成果进行综述,包括冲击荷载的研究、材料的应变率效应、钢筋混凝土梁的动态响应与破坏机制、设计评估方法;根据钢筋混凝土梁破坏规律与特点,对破坏模式进行归纳总结,并提出基于承载力的破坏模式判别准则;指出未来钢筋混凝土梁抗冲击研究重点应包括冲击荷载的计算、钢筋混凝土梁破坏判别与简化响应计算。

刚性弹侵彻缩比实验尺寸效应分析

侵彻缩比实验的弹体尺寸效应是影响实验结果应用的重要因素。为提高缩比实验结果换算至原型的准确性,通过刚性弹对岩石介质侵彻深度理论公式的分析,阐明了引起尺寸效应的主要因素,给出了侵彻深度公式中弹径系数等关键参数的实验确定方法,进一步给出了模型弹实验结果换算至原型弹的理论与方法。结果表明,对于率相关材料,应变率会导致尺寸效应;对于率无关材料,缩比本身也会导致尺寸效应,其本质是由于介质破坏发展存在尺寸效应。缩比越小,尺寸效应越明显。尺寸效应还与靶体材料本身性质以及原型弹口径有关。对于缩比为0.1的实验,安全起见可取弹径系数为1.3。控制尺寸效应的材料参数可通过2组不同缩比的侵彻实验得到。

爆炸地冲击扰动诱发含结构面围岩破坏模拟试验

为研究远区爆炸作用产生的地冲击扰动对深埋洞室破坏的影响机制,采用地冲击效应模拟试验装置开展了相似模拟试验研究。采用边长为1.3 m的立方体试件,实现了从地应力加载(1 000 m埋深)、洞室开挖到爆炸地冲击扰动加载全过程的模拟。试验过程中,将各类传感器放置在试件和洞室内部,监测试验过程中的应力、应变、位移变化,以及洞室内部的破坏情况。通过在试件顶部施加不同峰值的冲击扰动荷载,再现了碎屑崩出、裂隙连通导致块体崩出、块体滑移和断层激活等破坏现象,初步得到了深埋洞室的安全阈值。分析得到了含裂隙围岩、块系围岩和含断层围岩在不同地冲击扰动作用下的破坏机制。试验结果表明,较小的动力扰动即可诱发深埋洞室的破坏,并且随冲击扰动次数的增加和冲击荷载峰值的增大,洞室破坏程度会加剧;此外,在爆炸远区,地冲击扰动仍可诱发工程灾害。

基于新型轴对称无网格方法的水下爆炸冲击波和气泡运动数值模拟

采用无网格光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)方法,结合粒子体积自适应技术(volume adaptive scheme, VAS)构建高精度、高效率的新型轴对称SPH模型,实现水下爆炸冲击波和气泡运动模拟。在冲击波传播阶段,通过与经验公式及文献理论值对比,验证了该轴对称SPH模型的精度。针对气泡脉动模拟,选取典型的双气泡耦合问题,分析气泡形态和压力载荷的力学特性,讨论了两气泡之间的距离参数对气泡相互作用过程的影响。结果表明,该新型轴对称SPH模型可实现水下爆炸过程压力载荷和气泡形态演化的精确预报。

颗粒混凝土冲击压缩动态力学特性试验研究

颗粒混凝土材料在建筑结构中应用比较常见,但其冲击下的动力学性能研究欠缺.为得到颗粒混凝土的动力学特性,借助MTS实验机得出其静力学强度,其后使用直径为75 mm SHPB系统对颗粒混凝土试样做了多种加载速度下的冲击试验.结果表明,颗粒混凝土试样的毁坏模式是非脆性碎裂,呈现出延性特点;随着冲击速度的增大,破坏后的形状由试样被压扁(形态基本完整,表现出明显的可压缩性)过渡到絮状.应变率在103.88~464.71 s^(-1)时,试样的峰值应力随着应变率的变大而增大,表现出明显的应变率效应.根据实验现象和实验数据进行分析,推导建立了颗粒混凝土峰值应力前和峰值应力后应力-应变的等效本构方程,将实验数据与拟合数据进行对比,具有较为明显的一致性,验证了本构方程的准确性.

钢筋混凝土梁冲击动力响应和破坏模式转化试验研究

随着结构配置和冲击能量等主要影响因素的变化,钢筋混凝土梁的冲击动力响应和破坏模式会发生转化。开展不同配置的钢筋混凝土梁的落锤冲击试验,综合测量获得冲击力、支座反力、钢筋与混凝土应变、冲击局部与结构整体变形等参数,重点分析不同混凝土强度、不同纵筋/箍筋配置以及不同冲击速度对钢筋混凝土梁的动力响应以及破坏模式的影响规律。试验表明:低速撞击下钢筋混凝土梁的位移峰值、残余位移随冲击速度的提高而增大,均与冲击动能与极限静承载力之比存在近似线性关系;混凝土强度越高、纵筋配筋率越高,相同冲击条件下梁所受的撞击力峰值越大,但整体位移响应越小;配箍率的变化对结构的局部响应和整体响应的影响均较小;结构受到撞击时剪切效应在前,弯曲效应在后,斜裂缝先于垂直裂缝出现;依据结构的破坏极限状态,判断梁在冲击作用下存在的弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏和冲切破坏等4种破坏模式,结果表明:相同结构配置条件下,随冲击速度的不断提高,钢筋混凝土梁由弯曲破坏向弯剪破坏、剪切破坏和冲切破坏转化;冲击速度相同时,提高混凝土强度、配箍率或降低纵向钢筋配筋率,梁的破坏模式逐步由冲切、剪切破坏向弯曲破坏模式转化。结构的冲击破坏模式及其转化规律能够为结构的抗撞设计与防护提供参考。

大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置

针对当前地下爆炸物理模型实验无法模拟大当量地下爆炸抛掷弹坑和疏松鼓包现象的难题,基于相似理论,采用地下爆炸效应真空室模型实验方法,研制了考虑重力影响的大当量地下爆炸效应模拟实验装置。整套装置由容器罐体、快开门密闭机构、爆源系统、真空泵组、量测控制系统等组成,提出的新型爆源模拟装置可以实现精确起爆控制。该装置可模拟0.1~100 kt TNT、埋深20~400 m范围内不同比尺的地下核爆炸成坑和隆起实验,同时也能够模拟不同装药配置方案、不同地质条件下的大当量地下浅埋化爆抛掷实验。典型的核爆抛掷成坑模型实验结果表明,装置实验参数精确可调,实验过程可控,实验结果可信,为钻地核武器地下爆炸毁伤效应分析和大型工程爆破效果预测预报提供了实验室模拟和科学研究设备,填补了爆炸离心机无法模拟大当量地下爆炸抛掷成坑效应的空白。

光纤光栅传感器在爆炸冲击测量中的应用

光纤光栅传感器(FBG)在侵彻及爆炸冲击测试技术中拥有广泛的应用前景。介绍了光纤光栅传感器的检测原理与关键技术,分析了光纤光栅传感器的动态响应时间及对于高频振动时的可测频率。与传统的爆炸冲击测量方法相比,光纤光栅传感器精度高,抗电磁干扰能力强,体积小,可实现分布式测量,在爆炸冲击领域拥有广泛的应用前景。限于光纤光栅解调技术即采样率发展的限制,光纤光栅传感器在爆炸冲击领域的应用处于起步阶段。介绍了光纤光栅传感器在霍普金森压杆上的应用。提出了当前急需解决的技术问题。

大型工房内爆炸冲击波流场分布规律

为可靠掌握大型工房结构内爆炸冲击波流场分布特征,对缩尺比例分别为1∶5、1∶7.5和1∶10的工房缩比模型以较小的网格尺寸(空气和炸药均按比例缩小)进行有限元计算。通过计算得出,具有相同单元数量的3个数值模型得到的被爆区相同比例距离处冲击波超压峰值完全一致,其冲量为模型的几何比例系数。进一步分析表明,具有相同网格结构的数值模型计算结果具有相似性,在爆炸冲击波仿真计算中网格绝对尺寸并非计算精度的决定因素。这一现象的发现,指出了提高大型复杂结构中爆炸冲击波计算可靠性的网格划分方法。在此基础上,对一种大型工房内爆炸冲击波的传播规律进行分析,发现冲击波从窗户流入、在被爆区地面及梁底的反射与绕射、不同方向冲击波的碰撞迭加等过程是造成被爆区内冲击波压力多次振荡并持续很长时间的主要原因,而工房内超压峰值较大的区域与冲量较大的区域并不重合,因此在进行工程安全评估时应予以重视。

水中爆炸冲击波在高桩圆柱结构上的分布规律试验研究

针对高桩码头抗爆设计需要,通过不同装药量、不同作用距离高桩圆柱模型荷载分布试验,得到水中爆炸冲击波在结构不同位置的反射压力和绕射压力,归一化处理得到爆炸冲击波在圆柱形结构上的反射系数和绕射系数。试验结果表明:在3~9倍比例距离内,正反射系数约为1.8,绕射系数约为0.55,在水中圆柱结构抗爆设计时,绕射压力不能忽略。

浅水爆炸下高桩钢管柱表面作用荷载实验研究

通过不同炸药量、不同爆炸距离、不同起爆深度的水中爆炸模型实验,研究了浅水爆炸条件下高桩钢管柱表面压力特征和空间分布规律,分析了比例爆距对冲击波峰值及空间分布影响,给出了钢管柱表面冲击波反射系数、绕射系数和抗爆设计中实际作用冲击波的工程算法。研究结果表明:水中爆炸作用下,反射和绕射冲击波近似同时作用在钢管柱表面,峰值沿柱身高度方向非均匀分;冲击波受水面影响程度相对较小,二次气泡脉动受水面影响程度较大;反射和绕射冲击波峰值均随炸药量增加、作用距离减小而增加。比例爆距相同,反射冲击波峰值相同,但炸药量小、爆炸距离近的实验工况绕射冲击波峰值相对较小;钢管柱表面冲击波反射系数和绕射系数随比例爆距增加而减小。比例爆距≥1.71时,钢管柱实际作用冲击波峰值可近似按自由场冲击波峰值的1.37倍计算。

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应(Ⅰ):冲击波在地面的传播

城市地下浅埋管沟燃气爆炸事故会造成严重的灾害后果,然而目前针对长直空间内的爆炸荷载通过泄爆口向外传播规律的研究较少。以此类事故为基础,基于前期进行的长直泄爆空间可燃气体爆炸试验,利用FLACS软件,对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波超压通过泄爆口到达地面后的分布进行了数值模拟,揭示了管沟内燃气爆炸冲击波在地面的传播规律。结果表明:传播到地面的爆炸冲击波会产生2个特征超压峰值Δp_(1)和Δp_(2);Δp_(1)较小,主要由压缩波引起,Δp_(2)为最大超压峰值,主要由火焰波引起;Δp_(2)随着与泄爆口之间的距离d的增大而逐渐减小,且各方向上数值的差异性较大,其中在沿管沟截面的短边方向上,呈对称衰减的趋势;Δp_(2)与d大致满足指数函数关系,且拟合度均高于98.8%。

不同炸高爆炸条件地下工程内冲击波传播规律的工程算法

为了获取不同工况下工程内部冲击波的传播规律,采用可拼装式钢结构单元组成地下工程模型进行了48次不同炸高的模拟爆炸试验,在模型结构内部侧壁安装压阻式压力传感器测量冲击波波形,由实测数据拟合了深钻地爆炸条件下地下工程内冲击波正压冲量和正压作用时间的工程算法模型。结果表明,冲击波特征参量的取值主要与覆盖层配筋率、装药的比例炸高与比例爆距、结构横截面比例直径有关;模型相关系数大于0.8,平均误差小于20%,能为地下工程抗爆炸毁伤分析与设计提供荷载依据。

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。

常规武器二次爆炸作用下浅埋钢筋混凝土拱结构破坏规律

为研究常规武器二次爆炸作用下土中浅埋拱结构的破坏规律,对土中浅埋钢筋混凝土直墙拱结构进行爆炸试验和数值模拟。试验对结构模型设置多个缩比工况,同时,利用LS-DYNA对3组工况进行数值模拟。通过对比土中测点压力、结构测点速度和结构挠度等数据,发现模拟结果与试验结果基本一致并拓展了二次爆炸的数值模拟工况。结果表明:比例爆距设置在0.4~0.6 m/kg^(1/3),以保证结构以整体破坏为主。综合结构毁伤宏观描述和结构最大挠跨比,对整体作用下结构的毁伤等级进行划分。通过讨论结构的初始毁伤及不同爆炸顺序时钢筋混凝土直墙拱结构的破坏规律,结构受爆炸作用发生开裂、弯曲等破坏时,部分混凝土因开裂或进入塑性而退出工作,从而导致结构的刚度发生改变;结构最终毁伤程度受打击顺序影响,初次爆炸对结构最终损伤影响比重较大。

水下爆炸对重力坝的毁伤效应及最优爆距

为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应,并探讨是否存在“最优爆距”,基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型,并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600 mm,炸药量为2.2 g,重力坝模型几何比尺为1/80,包含5组爆深(50~250 mm),每组爆深对应12组爆距,爆距范围为10~200 mm,相应比例爆距范围为0.077~1.54 m/kg^(1/3)。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度,并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明,对于重力坝整体结构破坏,如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏,水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”,即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低;与之类似,随着爆距的增加,重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40 mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同,5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40 mm附近,表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。