城市管廊燃气爆炸动态响应的数值模拟研究

为更好的进行城市管廊结构抗爆优化设计,深入研究管廊燃气爆炸动态响应特性极为必要.利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立管廊结构的有限元计算模型,采用等效内能法模拟燃气爆炸荷载,研究燃气爆炸激发冲击波传播衰减规律及其对管廊结构的动态响应规律,分析管廊结构破坏和反应特征.结果表明:燃气爆炸冲击波随传播距离的增加,峰值压力逐渐降低,同时超压持续作用时间逐渐变短.冲击波在受限空间壁面的反射叠加造成其峰值压力在传播后期呈现略微增加趋势,但整体上以多项式形式衰减.爆炸损伤部位主要集中在燃气仓墙角或结构突变位置,燃气仓顶部设置泄压口,可有效避免上部通行仓混凝土的损伤破坏效应.管廊结构墙角处刚度较大导致其振动响应程度较弱,而墙面中部区域节点振动合速度可达到0.4 m/s.满仓燃气爆炸工况下,管廊结构局部混凝土产生贯穿裂纹,但并未出现整体结构性损坏.     

近区爆炸作用下砌体填充墙损伤破坏与动态响应的数值模拟

民用建筑中广泛使用的砌体填充墙在爆炸荷载作用下产生的碎块严重威胁着建筑物内部人员和设备的安全。尤其是近区爆炸作用下,墙体会产生更为严重的局部破坏,碎片飞散速度更快,但已有的相关研究工作仍旧较少。基于已有普通黏土烧结砖填充墙的近区爆炸试验,开展了近区爆炸作用下砌体填充墙损伤破坏和动态响应的数值模拟,对比验证了Load Blast法、任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Eulerian, ALE)法和冲量法模拟近区爆炸荷载作用、预测墙体损伤破坏和动态响应的适用性。通过冲量法进一步讨论了相同比例距离下的爆炸距离、砌块砂浆界面黏结强度以及砌块材料模型的影响。结果表明:近区爆炸中,相同比例距离下,墙体损伤通常随爆炸距离增加而加剧,由局部破坏向整体坍塌破坏模式发展;墙体的抗爆性能随砌块砂浆黏结强度增强而得到强化,主要受剪切失效应力控制;MAT_BRITTLE_DAMAGE和MAT_WINFRITH_CONCRETE模型较MAT_SOIL_AND_FOAM模型预测效果更好。     

爆炸冲击波作用下玻璃材料动态响应数值模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA对玻璃材料在爆炸冲击作用下的动态响应和破坏进行了数值模拟研究,并应用空气中爆炸冲击波经验公式进行了相应计算分析,对比结果表明,数值模拟结果和理论公式计算结果相差10%左右。分析了不同炸药药量作用下玻璃的破坏特征,分析结果表明:在炸药药量较小情况下玻璃碎而不破,炸药药量增加到一定程度时,玻璃在冲击波作用下迅速破碎,碎片具有较大的初始的动能。研究结果对玻璃的抗爆设计可提供一定的参考。     

综合管廊燃气仓内爆炸下冲击波衰减规律研究

为了得到综合管廊燃气仓在内爆炸作用下冲击波的衰减规律,通过LS-DYNA有限元软件,建立了典型三仓室综合管廊模型,模拟了燃气仓在不同爆炸荷载下的内爆炸情况。获得了管廊的破坏模式、燃气仓内空气中心线各点的超压时程曲线以及超压峰值曲线。结果表明:炸药量对燃气仓影响较大,对电力仓影响不大;在燃气仓内,随着炸药药量的增大,各点在同一爆炸荷载下的超压曲线线型与超压峰值差距越大;在不同爆炸荷载下,各点冲击波超压峰值的最大值在距离爆炸中心2~5 m之间,在距离爆炸中心10 m处,冲击波超压峰值衰减至1 MPa以下;各点冲击波超压峰值曲线随着与爆炸中心距离的增大表现出先增大后减小的趋势,其中当炸药药量为10 kg时,燃气仓内各点冲击波超压峰值曲线出现了波动,这与管廊内部墙板裂缝的出现有关。     

防爆墙迎爆面反射压力系数计算方法研究

研究防爆墙迎爆面荷载计算方法有助于防爆墙的科学设计和合理使用。爆炸产生的反射冲击波压力是作用在防爆墙上的主要荷载,由入射压力和与相应的反射压力系数的乘积得到。论文针对墙体变形情况下作用于防爆墙上的反射压力系数的计算方法进行了研究,发现作用于墙体的反射压力系数和墙体变形没有直接关系。基于这一现象,将墙体变形和冲击波墙面反射解耦考虑,提出了反射压力系数的计算方法。论文对比了地面爆炸及近地表空中爆炸对墙体反射压力系数分布规律的差异,建议了近地表空中爆炸时墙体反射压力系数的计算方法。     

水下和空中爆炸时混凝土重力坝动态响应对比分析

由于水和空气的物理属性差异以及与爆炸产物的界面作用效应不同,使得水下和空中爆炸冲击波传播特性及其荷载作用下的大坝结构动态响应存在较大的差异。通过构建混凝土重力坝水下爆炸和空中爆炸的全耦合数值仿真模型,考虑炸药起爆、冲击波传播、冲击波与结构的相互作用以及结构的动态响应等复杂过程,在对比分析爆炸冲击波在水下和空中传播特性的基础上研究了水下和空中爆炸冲击波对大坝动态响应及损伤程度的影响。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝动态响应及损伤程度均较同等炸药量下空中爆炸冲击荷载作用时大;在研究水工大坝抗爆性能时,应重点关注水下爆炸冲击波传播的特性及大坝在水下爆炸荷载作用下的动态响应。     

火灾后钢管RPC柱抗爆动力响应数值模拟研究

动力多灾害作用下工程结构防护问题已成为当前研究的热点,采用LS-DYNA软件对ISO-834标准火灾后的钢管RPC柱抗爆动态响应全过程进行了模拟。首先采用ANSYS软件模拟钢管RPC在高温作用下的温度场分布,进一步得出钢管和核心混凝土的残余强度,在此基础上分别用弹塑性模型和KC模型描述钢管和RPC的本构关系。结合试验研究,采用参数化分析方法研究了荷载参数(受火时间、比例距离、轴向荷载)、几何特征参数(含钢率、长径比)和材料性能参数(钢材强度)对火灾后钢管RPC柱抗爆性能的影响规律。结果表明:数值模拟结果和试验结果吻合良好,说明本文模拟方法可以合理刻画火灾后钢管RPC柱抗爆动力行为。受火后的钢管RPC柱在爆炸荷载作用下钢管仍能有效约束核心RPC,柱的破坏形态以弯曲破坏为主,表现出良好的抗爆性能。高温作用导致钢管混凝土强度裂化,刚度降低,爆炸作用下构件变形明显增大;减小比例距离引起构件中部出现更明显的变形,且支座处有剪切破坏趋势。     

模块面板式土工格栅加筋土挡墙动态特性试验研究

为了研究模块面板式土工格栅加筋土挡墙在高速铁路列车荷载作用下的动力响应规律,分析其作用机理,结合室内模型试验进行了包括加筋土挡墙墙面变形、墙体加速度、动土压力、残余土压力及土工格栅拉伸应变等分布规律的研究。结果表明：墙面累积水平位移沿墙高呈单峰值分布,最大值位置靠近墙顶;挡墙内竖向加速度受频率影响较大,8 Hz时加速度出现大幅增长,加筋体内加速度沿墙高出现衰减;动土压力主要受荷载幅值及加载次数的影响,在加筋体内沿墙高逐渐衰减,垂直动土压力的衰减速率逐渐增加,水平动土压力的衰减速率逐渐减小;随加载次数的增加,残余土压力逐渐增大,沿墙高墙体中部的残余土压力稍大;筋材累积应变随加载次数的增加略微减小,沿筋长呈单峰值分布,峰值位置距墙脚水平距离从高到低逐渐减小。     

爆炸荷载下钢管混凝土构件动态响应的数值模拟与试验验证

通过数值模拟和试验两种方法对爆炸荷载下钢管混凝土构件(CFST)的动态响应进行研究.首先基于LS-DYNA非线性有限元分析软件,采用多物质流固耦合方法,建立爆炸荷载下CFST数值模型;其次,设计三根钢管混凝土试件的爆炸罐内近距爆炸试验,并基于试验结果对数值模型的有效性及合理性进行了验证;最后总结爆炸荷载作用下CFST的破坏规律,并通过参数化分析方法,研究核心混凝土强度与钢管厚度对CFST抗爆性能的影响.结果表明:数值模拟方法能够有效合理地反应CFST在爆炸荷载作用下的动态响应,对比爆坑深度和测点加速度的模拟结果与试验结果,误差均在10％以内;近距离爆炸荷载下,CFST结构的破坏形式可分为4个阶段:迎爆面破坏、跨中弯曲变形、端部受拉、振动阶段;提高核心混凝土强度和增大钢管厚度都能改善CFST的抗爆性能,核心混凝土等级为C50、C70、C80的构件背爆面中心位置位移最大值相比于C30等级分别减小了2.3％、4.3％、5.3％,钢管厚度为4 mm、5 mm、6 mm的构件相比于3 mm钢管背爆面中心位置位移最大值分别减小了17.0％、28.6％、37.4％,钢管厚度对结构抗爆性能的改善效果更为明显.     

爆炸荷载下钢管混凝土墩柱的动力响应研究

设计并制作了3根普通钢管混凝土墩柱和1根复式中空钢管混凝土墩柱,进行了TNT药量分别为3 kg和50 kg的3发4工况静爆试验,获得构件的迎爆面及背爆面的柱面超压分布、残余变形以及最终破坏形态,结合有限元分析,研究了爆炸荷载下钢管混凝土墩柱的动态响应、破坏模态及参数影响。研究表明:50 kg TNT作用下、比例距离为0.14 m/kg1/3时,外径同为273 mm、壁厚为7 mm的普通钢管混凝土墩柱抵抗爆炸荷载的变形能力优于中空钢管内径为50 mm、壁厚为4 mm的复式钢管混凝土墩柱;基于试验结果建立了多物质流固耦合的数值模拟方法,可有效模拟钢管混凝土墩柱在爆炸荷载下的动态响应;钢管混凝土墩柱三种典型破坏形态分别是:低超压峰值-高持时发生弯曲破坏、高超压峰值-低持时发生剪切破坏及介于两种情况之间的弯剪破坏;炸药当量为50 kg,比例距离z>0.3 m/kg1/3时,爆炸荷载下试件柱的残余变形可忽略不计;核心混凝土强度等级的增强以及含钢率的提高,可有效降低柱中点水平残余变形;提高钢管屈服强度,可降低柱中残余变形,当钢材强度等级≥345 MPa时,继续增大屈服强度对提高钢管混凝土墩柱的抗爆性能意义不大。     

浅水中爆炸水底介质对水中冲击波峰值压力影响的试验研究

作为评判水中爆炸冲击波强度的一个重要因素,水中冲击波峰值压力研究至关重要。在满足爆炸相似律的基础上对水中爆炸试验的相似要求进行推导,建立试验条件下水中冲击波峰值压力的回归模型。在两种水底介质、不同水深情况下进行试验,采集不同测点的水中冲击波的峰值压力,运用π定理和量纲分析、最小二乘法对试验数据进行分析,得出了符合爆炸相似律的公式,并验证了回归公式的准确性。通过显著性检验可知浅水中爆炸中测点和装药的距离对水中冲击波峰值压力的影响最大,水深因素的影响可忽略。对不同水底介质试验中的数据分析得出水底介质对峰值压力影响较大,软泥夹石水底试验中测得冲击波峰值压力约为软泥水底试验中冲击波峰值压力的4/3倍。     

Q460高强钢柱在近爆荷载作用下的动力响应研究EI北大核心CSCD

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立钢柱有限元模型,运用流固耦合计算方法,模拟Q460高强钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应,在此基础上提出了分段等效三角波计算方法对结构/构件施加爆炸荷载,并对影响钢柱动力响应的主要因素进行数值分析。结果表明:分段等效三角波计算方法和流固耦合方法计算吻合较好,验证了分段等效三角波计算方法的可行性;爆炸冲击波速度快,荷载峰值大,持续时间短,对钢柱的破坏力极强;钢材强度等级越大,钢柱抵抗变形的能力越强;炸药位置越低,柱脚越容易发生剪切破坏;翼缘作为迎爆面更能抵抗爆炸冲击的作用;适当减小翼缘和腹板的宽厚比能增强钢柱抵抗动力荷载的能力。提出的分段等效三角波计算方法为研究抗爆提供进一步参考。     

异型防爆墙抗空气冲击波的数值模拟

通过对比广泛认可的空气冲击波计算经验公式,验证了运用动力有限元软件AUTODYN 2D进行数值模拟计算冲击波问题的可行性与准确性;运用AUTODYN 2D计算了4种不同形式防爆墙在相同爆源距时各防爆墙的抗冲击波能力,其次计算了随爆源距的减小各种防爆墙的冲击波超压峰值减弱率均值,并对比分析了其变化趋势,得出4种防爆墙中(b)、(c)、(d)型防爆墙的冲击波超压峰值减弱率均值是随爆源距的减小而递增的,防爆效果较好。     

近场爆炸时斜拉索抗爆性能分析

In order to study dynamic response of a stay cable of cable-stayed bridges under blast loading, based on the basic blast theory, the anti-explosion performance of the cable under near field blast loading was analyzed.Stress and damage of the cable were analyzed, and further the parametric analyses for different scaled distances were performed.Results showed that under near field blast load, fracture does not appear on the cable, and its failure mode presents a failure caused by its stress exceeding yield one;its weakest position is the cable-girder anchorage zone where the stress of the cable is larger than that of the cable near explosion point due to reflection of blast wave; the safe scaled distance to keep the cable from failure is 0.287 m/kg1/3,if the scaled distance is larger than this critical scaled distance, the cable can’t fail.     

UHM WPE-PUF复合材料结构设计与隔爆实验

采用层状复合工艺,制备了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)-聚氨酯泡沫材料(PUF)复合材料;设计了复合材料隔爆实验,运用定制的聚偏氟乙烯(PVDF)压电传感器,直接测量了隔爆实验中材料内部冲击波压力,研究了UHMWPE-PUF复合材料对爆炸冲击波的衰减性能。研究表明,所制备的UHMWPE-PUF复合材料隔爆能力与同厚度的纯聚氨酯材料相比提高了近50%。将UHMWPE材料与PUF材料进行复合,可以充分发挥UHMWPE材料的高强、高模以及PUF材料较高的吸能特点,同时又弥补了PUF材料强度低的缺陷,且材料对爆炸冲击波的衰减性能得到极大提升,在爆炸防护领域有着很好的应用前景。     

封闭空间爆炸载荷特性研究

封闭空间爆炸载荷主要包含瞬态冲击波和持续时间较长的准静态超压。为了研究封闭空间爆炸载荷特性,基于FORTRAN平台,采用三阶WENO有限差分格式编写了爆炸波高精度三维数值计算程序。应用Sod激波管、双爆轰波碰撞等经典算例验证了所开发数值程序的可靠性。在封闭空间内炸药爆炸波数值计算的基础上,基于冲量等效原则提出封闭空间内爆炸载荷简化模型,理论推导给出准静态超压峰值计算公式并通过数值计算结果验证了该公式的可靠性。开发的高精度爆炸波三维数值计算程序及提出的简化载荷模型可用于封闭空间内爆炸载荷的快速计算,为工程抗爆结构设计提供载荷输入。     

某炸药库内爆作用下坑道内隔爆防护墙厚度估算

文章以某炸药库安全评估工程的实际问题为背景,考虑到周围墙体的限制,坑道内的冲击波得以加强,以及附近坑道施工不受到影响为原则,通过数值模拟和简单公式,分析了10 t炸药库的爆炸破坏作用,提出了内爆作用下隔爆防护墙厚度的估算方法,并研究在一定的冲击波作用下隔爆防护墙的厚度,为安全评估提供参考。     

爆炸冲击波超压加载伪随机网壳的分布规律研究

采用缩比模型爆炸试验与数值仿真相结合的方法,开展了爆炸冲击波超压加载伪随机网壳的分布规律研究。首先,选取具有代表性的某伪随机140面体网壳结构,开展了缩比模型爆炸试验,获得了表面特征测点的冲击波超压数据;之后,对比分析了试验与仿真结果的误差及原因,以试验数据为基础,建立了爆炸冲击波与某伪随机140面体网壳结构相互作用的数值仿真模型,并对空中爆炸和地面爆炸的3种不同距离共6种工况下,网壳结构的特征表面超压作用过程进行了计算和分析,拓展了试验结果;最后,对伪随机网壳表面冲击波超压分布规律进行了研究,并提出了增强网壳结构安全性的防护措施,为伪随机网壳结构抗冲击安全设计提供了参考。结果表明:与传统对称网壳结构相比,伪随机网壳在超压峰值分布规律和作用机制等方面都更为复杂,受到结构伪随机特性的影响,在相似位置表面,超压峰值也有明显差异;网壳迎爆面底部和中部超压峰值与其他部位相比,一般较高;在网壳外一定距离构筑防爆墙和加固网壳中部及底部节点的方法,可提升伪随机网壳结构的抗冲击安全性。     

含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。     

爆炸塔炸药空爆振动衰减及对邻近建筑影响试验

基于2.5 kg TNT当量爆炸塔实验场地,设计3组不同炸药量(1.0 kg、1.5 kg、2.0 kg)、4种不同药包悬置高度(0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m)的空爆振动试验,研究爆炸塔内不同炸药量距地面不同高度裸露药包爆炸振动的衰减规律及对邻近建筑物和仪器设备的影响规律。结果表明:振动持续时间在0.3 s左右,质点振动主频主要集中于21~30 Hz之间;距爆心水平距离小于14 m时,水平径向振动速度衰减速率比垂直方向快;大于14 m时,垂直方向振动速度衰减速率快。轻气炮厅的地基结构自身经过隔震处理具有良好的隔震效果,爆炸塔内试验炸药量越大、药包悬置高度越高,隔震效果越好;通过在邻近建筑物第一、二层相同位置的测试结果发现,第二层的振动速度出现振动放大现象,这种现象随药包悬置高度增加而降低,随炸药量增加而增大。依据爆破安全规程(GB6722—2014)的标准,三组试验爆炸塔内空爆振动不会对周围建筑物及轻气炮造成损害。