爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁毁伤判据研究

为研究钢筋混凝土梁在爆炸波作用下的毁伤判据,对两种尺寸的钢筋混凝土梁在缩比条件下进行了不同爆炸距离作用和装药量下的试验研究。试验中以高层和框架结构中最常见的两种 梁为研究对象,通过11次独立的爆炸试验,观测了钢筋混凝土梁在不同装药量下的破坏模式和破坏特征。研究结果表明：钢筋混凝土梁在近区爆炸荷载作用下,在同一爆高下,随着装药量的增加,梁的破坏程度逐渐增加,破坏模式由迎爆面中心两侧少量混凝土脱落和背爆面少量断裂裂纹逐渐增加为迎爆面倒三角锥形式混凝土压碎弯曲破坏,背爆面出现三角锥裂纹和背爆面少量混凝土脱落破坏,最终迎爆面和背爆面三角锥破坏区域贯通形成中心区域压碎崩塌弯曲破坏;崩塌区域的尺寸随着装药量增加而逐渐增加。近区爆炸（以爆距0.5 m为例）作用下,试验钢筋混凝土梁的毁伤判据为：当比例爆高Z>0.4 m/kg^1/3 时,梁遭受到轻微破坏;当比例爆高0.3 m/kg^1/31/3 时,梁遭受到中等破坏;当比例爆高0.28 m/kg^1/31/3时,混凝土梁遭受重度破坏;当比例爆高Z<0.28 m/kg^1/3,梁遭受严重破坏。在近区爆炸作用下,钢筋混凝土梁的破坏不仅依赖于爆炸比例距离,还与爆高有关,同一比例距离下爆高越大,梁试件的破坏越严重。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

螺旋切缝对PELE毁伤性能的影响研究

为了研究壳体螺旋切缝对PELE毁伤性能的影响规律,针对切缝数量N、切缝深度H、扭转程度T 3个因素,借助有限元软件并结合随机失效和断裂软化算法开展数值模拟研究,对比已有试验验证了仿真模型的可靠性。结果表明,T变化会对靶后破片的破碎性能和飞散性能产生较大的影响。T增大使破片有更好的破碎性能,形成的破片质量分布具有较大区别,破片排布呈螺旋状且平均飞散面积增大,破片之间空隙变小,提高了杀伤概率,T大于1.5后弹丸前端破碎程度加深,形成的破片数量增多,质量减小。通过正交优化方法确定了3因素3水平的数值模拟方案,对仿真数据进行极差分析得到T是影响PELE出孔孔径的主要因素,N次之,H最小,该研究设定的工况条件下,N=8,H=1.5 mm,T=1.5时,靶板的出孔孔径最大。     

装药埋深对机场跑道爆破效应影响数值模拟

为评估装药埋深对机场跑道爆破毁伤效应的影响,采用非线性动力分析程序对机场跑道进行了爆炸破坏数值模拟,对比分析了不同埋深下爆炸漏斗坑尺寸、爆腔半径、靶体各层损伤区域分布情况,计算表明,存在一个最佳爆深使得爆破漏斗坑体积达到最大值。初步给出了爆炸破坏参数与装药埋深的关系。     

主动围压和爆炸加载作用下岩石动态响应研究

为了研究爆炸冲击下深部岩石的破碎过程,建立主动围压约束及中心孔爆炸加载实验装置,利用动态测试技术、高速摄像和数字图像相关方法,得到动静组合加载下岩石内部的应变场和表面裂纹扩展过程。基于Johnson-Holmquist本构模型,对不同围压下岩石爆炸动态响应进行了模拟研究。对比结果发现：围压在圆柱试件环向形成压缩预应力,减弱了爆炸柱面波产生的环向拉伸破坏,破碎区半径、裂纹数目和裂纹几何尺寸随着围压的增大显著减小;距离炮孔越远,爆炸应力波强度降低、围压对裂纹的止裂作用逐渐增强。结合弹性力学和柱面弹性波理论对动静加载下应力场的变化进行分析发现,围压产生的环向压缩应力减小了爆炸形成的拉伸破坏,这一结论与实验结果相同。数值模拟结果表明：von Mises应力场随围压的升高而增强,而环向拉伸破坏随围压的升高而减弱,不同围压下的破碎半径和裂纹形态与实验结果基本一致。     

爆炸波在岩体巷道中传播和能量耗散的数值分析

从工程实际出发,利用ANSYS/LS-DYNA程序数值分析了爆炸发生时岩层与巷道混凝土板中应力波传播与能量耗散过程,给出了上层岩石的损伤演化规律,分析了不同爆源位置对巷道混凝土板的破坏及其总能量的影响.数值计算表明,在爆炸近区,应力波衰减较快;封闭爆炸情况下,岩石破碎区范围为1.1～3.6倍药包半径,损伤区范围为3.6～10.0倍药包半径;随着爆源到混凝土板距离的减小,混凝土板吸收的能量逐渐减小.该计算结果对工程爆破具有一定的参考价值.     

容器内填沙爆炸实验的数值模拟

为了研究沙介质衰减爆炸冲击性能,在圆柱形爆炸容器内进行填沙爆炸加载实验。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对实验过程进行数值模拟;分别采用三维流固耦合算法和二维自适应算法对容器结构动态响应进行分析。模拟得到容器外壁面正对爆心部位的环向应变在大装药量时与实验结果吻合较好。通过数值模拟,获取了容器内部壁面反射超压载荷和沙中成腔尺寸等信息。     

爆炸容器内准静态气压实验研究

准静气压是爆炸容器安全设计和失效分析的主要参数,由于爆炸过程的复杂性,国内外对爆后准静态气压研究得较少。为了研究爆炸容器内准静态气压的规律,设计了内径195 mm,最大装药密度即装药量与体积比为8.87 kg/m3的可重复使用爆炸容器。通过实验获得了爆炸准静气压载荷随时间变化规律,存在一个气压快速上升—指数下降—回升—准静气压,获得了准静气压和装药量与体积比的拟合关系。     

岩石动力学计算中的网格效应及机理研究

岩石动力学计算中,网格尺寸对数值计算结果的可靠性有重要影响。采用数值实验的方法,对岩石爆炸应力波传播数值计算中的网格尺寸效应及其敏感性机理进行了研究。研究结果表明：合适的网格尺寸要根据载荷特征和波传播介质的属性来决定;当一个载荷波长内的网格数达到16个以上时,计算得到的各物理量的波形和峰值基本趋于稳定;计算还给出了各物理量与网格密度的关系;随着爆心距的增加,物理量对网格尺寸的敏感性降低,其机理是载荷中的高频成分逐渐衰减、载荷的波长变大,模型所需的网格尺寸变大;时间步长系数对计算结果的影响也非常明显,当时间步长系数取0.05时,位移稳态值趋于收敛值。     

基于Hopkinson杆试验技术的PA-GF50复合材料动态力学行为

为研究纤维含量50%短玻璃纤维增强聚酰胺复合材料PA-GF50的动态力学性能及其应变率效应,利用准静态液压试验机及分离式Hopkinson压杆、Hopkinson拉杆对标距段尺寸为6~10 mm的试样,进行了应变率范围0.000 5~1 600 s^-1的准静态压缩、准静态拉伸、动态压缩和动态拉伸试验。对试样的应力-应变曲线和最终破坏形态,材料在不同应变率下失效破坏过程的微结构力学机理进行了分析。研究结果表明：动态载荷下,材料强度明显高于准静态载荷（压缩载荷下材料在400 s^-1、900 s^-1和1 600 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强31%、25%和29%;拉伸载荷下材料在400 s^-1、800 s^-1和1 200 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强46%、47%和28%）,且失效应变有所降低;试样变形和最终破坏形态为压缩载荷下试样经历缺陷压实过程再进入弹性变形最终达到强度后失效,拉伸载荷下试样经历弹性变形达到强度后失效断裂;材料在不同应变率下的微结构机理为准静态载荷下微观裂纹扩展组合成为宏观裂纹,动态载荷下微裂纹分别扩展成为宏观裂纹;试样的宏观断口和扫描电子显微镜结果证实,材料在准静态压缩加载条件下断口较为平整,动态压缩载荷形成纤维拔出、纤维断裂等特征,准静态拉伸载荷下纤维拔出明显,而动态拉伸载荷下主要表现为纤维断裂。     

地下钢筋混凝土拱形结构在顶爆条件下的抗爆试验

拱形结构作为地下工程的主要结构形式之一,目前大多研究都集中在数值仿真上,所得到的结构破坏特征及响应数据缺乏相应的试验验证,不能充分地指导地下工程的抗爆设计。为研究地下钢筋混凝土拱形结构在爆炸荷载作用下的破坏模式及抗爆性能,对其在顶爆条件下开展了5个不同爆炸距离和装药量的试验。结果表明:在同一爆距下,随着装药量的增加,拱形结构的破坏程度逐渐增加,破坏模式为由背爆面产生裂纹发展为混凝土层裂脱落、钢筋隆起变形,直至拱顶中心处混凝土塌落显著、钢筋严重弯曲变形。顶爆下拱形结构的破坏不仅与比例爆距相关,还受到爆距的影响,同一比例爆距下,爆距越大拱结构的破坏越显著。通过分析位移响应与装药量及爆距的关系,初步提出了以挠跨比为依据的破坏等级划分方法,为今后的结构破坏评估分析提供试验支撑。     

炮孔装药量与炮孔间距关系的研究

为了有效解决炮孔间距与炮孔用药量之间的合理性问题,运用爆炸力学理论和岩石力学理论,初步分析爆炸应力在岩体中产生破裂区的机制,并计算了炮孔中不耦合装药起爆后岩体中粉碎区和裂隙区的范围,建立了爆炸应力与裂缝区大小之间的关系,从理论上解决了炮孔装药量与炮孔间距之间的相互合理性问题。现场试验表明,对于一个掘进循环,炸药成本共减少约了17.8%;循环进尺增加了0.2 m;周边炮孔眼痕率超过92%;巷道成形质量好,不平整度下降到100 mm以内;取得了大块率小、巷道成型好、施工快的理想效果,既保证了工程质量,又降低了成本。     

约束混凝土靶的准静态柱形空腔膨胀理论

针对射弹侵彻约束混凝土靶问题,基于Hoek-Brown(H-B)准则,建立了径向受弹性约束的有限混凝土介质准静态柱形空腔膨胀模型,得到了各种响应模式下的扩孔压力和响应模式转换条件,分析了扩孔过程以及约束效应对扩孔压力和侵彻阻力的影响。结果表明:约束混凝土靶的扩孔压力在扩孔过程中不断变化,约束刚度对响应模式和扩孔压力有显著影响;增大约束刚度可有效提高约束混凝土靶的侵彻阻力,约束混凝土靶的侵彻阻力可比半无限靶提高50%以上。     

线性聚能切割器的应用研究

为精确控制岩石定向断裂爆破中断裂面的发展,根据爆炸力学、岩石断裂力学理论,对线性聚能切割器应用于岩石定向断裂爆破时裂纹的产生及扩展进行了研究,同时对线性聚能切割器进行了设计,并在实验室进行了验证试验。结果表明由聚能射流形成的切缝有明显的定向作用,使爆生气体的能量沿预定方向集中,裂纹的定向断裂控制效果良好。利用自行设计的线性聚能切割器,在大理石采石场进行了现场试验,结果表明定向断裂爆破效果显著,岩石断裂面平整,凹凸量不超过55 mm,眼痕率高达100%。     

基于SPH-FEM耦合法切缝药包爆破机理数值模拟

为了进一步研究切缝药包爆破机理,在AUTODYN内运用光滑粒子流体动力学与有限单元(SPH FEM)耦合法构建了装药不耦合系数为2.0的切缝药包爆破模型,分析装药爆炸初期的爆轰产物膨胀过程、爆轰产物粒子运动速度及炮孔周围岩体损伤演化历程。结果表明:对于切缝方向,由于没有切缝管的约束作用,爆轰产物粒子能够以较高的速度向前运动,粒子最大运动速度可达到4750m s^-1,最前端粒子在3.5μs到达孔壁,切缝方向岩体开始产生损伤破坏,且随着切缝管内爆轰产物的继续膨胀,切缝方向岩体进一步受到破坏;对于非切缝方向,切缝管的约束作用使得爆轰产物粒子膨胀受阻,粒子最大运动速度仅为800 m s^-1,同时切缝管在爆轰产物的推动下缓慢向炮孔壁运动,12.6μs切缝管到达炮孔壁,非切缝方向岩体开始产生损伤,但损伤展布区域较小,且非切缝方向炮孔壁保持了较好的完整性。     

水中爆炸对鱼雷壳体的毁伤准则和判据研究

研究水中爆炸鱼雷壳体的毁伤准则与判据。根据水中爆炸冲击波特征参量的一般形式,提出了一种毁伤准则,给出了基于毁伤律为“0-1”概率分布函数的毁伤准则与判据的获取方法。针对重型鱼雷1∶2环肋圆筒缩比模型进行了两种药量的海上爆炸试验,结合相似性变换得到了重型鱼雷壳体毁伤的定量判据。以该判据分析了各毁伤等级下的峰值超压和比冲量阈值。结果表明,在相同毁伤等级下,随着装药量增加,峰值超压阈值减小,而比冲量阈值增大;装药量越小,两种特征参量阈值的变化幅度越大。     

基于盖帽模型的混凝土动态球型空腔膨胀模型和侵彻阻力分析

为了获得弹丸高速侵彻混凝土介质的阻力方程,提出了一种基于混凝土盖帽模型的球形动态空腔膨胀模型。利用一般形式的状态方程和屈服准则描述混凝土材料的动态力学特性,获得了通用混凝土球形空腔膨胀模型的动态响应表达式。通过引入Dracker-Prager Cap屈服模型,在新的空腔膨胀模型中考虑了混凝土高压下的屈服软化特性。计算结果表明：采用带剪切饱和的Mohr-Coulomb屈服准则与Tresca屈服准则推导出的阻力方程在高速阶段与盖帽模型差别较大。实验结果证明：基于盖帽模型的球形空腔膨胀模型因考虑混凝土高压屈服软化特性与实验结果具有更好的一致性。     

水间隔装药孔壁爆炸应力分布规律

在隧道掘进过程中采用水封爆破时,水介质长度对爆破效果具有重要影响。为得到水间隔装药孔壁爆炸应力分布规律,采用Starfield迭加法将应力波的衰减和迭加考虑在内,推导孔壁受到的应力变化情况,并利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对计算结果进行模拟验证。结果表明：在炸药和水介质交界处孔壁受到的应力最大,随着到交界处距离的增加,爆炸应力以指数函数的形式衰减;采用等效间隔起爆方式对不同药量的爆炸过程进行模拟,水间隔段孔壁爆炸应力模拟值和理论值衰减规律一致,二者在相同位置的应力误差保持在10%左右,同时水间隔段孔壁指定点受到的总应力随着药量的增加而增大;采用Starfield迭加法获取水间隔段孔壁爆炸应力的计算公式是合理的,能够为水封爆破的应用提供参考。     

基于射击线技术的杀爆战斗部杀伤面积计算

针对杀伤面积进行计算时,通常借助统计学原理建立破片的空间分布规律,并向目标方向投影,从而得到破片密度和杀伤面积,提出了采用射击线技术描述全部破片的飞行轨迹参数和威力参数,完成杀伤面积的计算;基于杀爆战斗部破片飞散参数,建立了破片弹道射击线模型;对杀爆战斗部的杀伤面积进行了计算,得到了杀伤面积与导弹落速、落角、炸高之间的变化关系;计算结果表明：在一定的落角和炸高时,随着导弹落速的增加,破片杀伤面积增大;一定的落速和炸高时,随着落角的增加,破片杀伤面积也增大;在设定落速为500 m／s 时,计算落角分别为20°、40°、60°、80°、90°均存在一个使杀伤面积最大的炸高,由此可确定杀爆战斗部的最佳炸高。     

含能毁伤元冲击引爆模拟战斗部试验研究

为提高战斗部的毁伤效能,对氟聚物基含能反应材料进行了研究。对氟聚物基含能材料配方改进并制备了一种Φ26mm×60mm的含能毁伤元。将含能毁伤元装入特定结构壳体后进行了冲击引爆模拟战斗部试验。采用高速录像观察含能毁伤元冲击侵彻模拟战斗部后的爆炸情况并测试爆炸后空气冲击波超压。考察了含能毁伤元不同速度下对B炸药和PBX-9404炸药的引燃引爆能力。设置了B炸药模拟战斗部静爆试验作为对比。在试验的基础上,通过测量爆炸后空气冲击波超压进行了TNT当量等效对比分析。试验研究表明,在735m·s~(-1)的侵彻速度下,氟聚物基含能毁伤元可冲击引爆B炸药模拟战斗部。在962m·s~(-1)的侵彻速度下,能引发PBX-9404炸药模拟战斗部爆燃反应。