空中爆炸载荷下梯度波纹夹层板抗爆性能仿真研究

通过有限元软件Autodyn模拟了梯度波纹夹层板在空中爆炸载荷下的动态响应,分析了芯层排列顺序对其响应模式和抗爆性能的影响;在此基础上,选择抗爆性能最优的芯层组合填充聚氯乙烯泡沫,研究了填充方式对其抗爆性能的影响;分析了夹层结构的吸能特性。结果表明：芯层壁板厚度从迎爆面到背爆面逐渐减小的组合具有最优的抗爆性能,且只在第一层填充泡沫的梯度波纹夹层板的下面板变形最小;从迎爆面到背爆面单层填充时,聚氯乙烯泡沫的吸能不断下降;随着填充层数增加,下面板变形以及聚氯乙烯泡沫和下面板的吸能逐渐增大。     

POZD涂层钢筋混凝土板抗震塌性能

为研究POZD涂层钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的抗震塌性能,对3种试验模型开展不同梯恩梯（TNT）当量的接触爆炸试验。通过对试验模型的毁伤状态观察及数据统计,研究分析了POZD涂层的破坏模式和抗震塌机理。结果表明：POZD涂层钢筋混凝土板具备较为优越的抗震塌性能,随着涂层厚度的增加,抗震塌能力逐渐增强,且震塌系数呈线性减小趋势;钢筋混凝土板喷涂8 mm厚POZD涂层后,抗震塌能力远优于内衬3 mm厚Q235b钢板;在集团装药接触爆炸（球面波）作用下,POZD涂层的毁伤模式为圆锥状鼓起,该鼓起为混凝土碎块和冲击波的复合冲击作用下出现较大塑性变形所致;当冲击荷载超过POZD材料的极限抗拉强度时,除在锥尖处出现较小的圆孔状剪切破坏外,涂层仍能保持整体完好并持续有效约束混凝土碎片,不致产生大面积震塌破坏;在高应变率、强动载作用下,POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性,通过自身大变形吸收冲击波能量,约束混凝土碎片,起到较好的抗震塌效果。     

POZD涂层钢筋混凝土板抗震塌性能

为研究POZD涂层钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的抗震塌性能,对3种试验模型开展不同梯恩梯(TNT)当量的接触爆炸试验。通过对试验模型的毁伤状态观察及数据统计,研究分析了POZD涂层的破坏模式和抗震塌机理。结果表明:POZD涂层钢筋混凝土板具备较为优越的抗震塌性能,随着涂层厚度的增加,抗震塌能力逐渐增强,且震塌系数呈线性减小趋势;钢筋混凝土板喷涂8 mm厚POZD涂层后,抗震塌能力远优于内衬3 mm厚Q235b钢板;在集团装药接触爆炸(球面波)作用下,POZD涂层的毁伤模式为圆锥状鼓起,该鼓起为混凝土碎块和冲击波的复合冲击作用下出现较大塑性变形所致;当冲击荷载超过POZD材料的极限抗拉强度时,除在锥尖处出现较小的圆孔状剪切破坏外,涂层仍能保持整体完好并持续有效约束混凝土碎片,不致产生大面积震塌破坏;在高应变率、强动载作用下,POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性,通过自身大变形吸收冲击波能量,约束混凝土碎片,起到较好的抗震塌效果。     

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。     

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。     

不同爆炸距离下单向支撑方形钢筋混凝土板破坏模式数值模拟研究

为研究方形钢筋混凝土板在爆炸波作用下的破坏模式和抗爆性能,在不同爆炸距离作用和装药量下对典型单向支撑方形钢筋混凝土板进行了数值模拟分析。用AUTODYN软件和流固耦合算法建立混凝土和钢筋三维分离式实体模型,对实验过程进行数值模拟分析,并考虑应变率对钢筋和混凝土材料的动态本构特性的影响。在此基础上,分析了不同装药量下对钢筋混凝土板的损伤和破坏特征。计算结果揭示了钢筋混凝土板从混凝土开裂、底部层裂碎片形成、钢筋屈服到混凝土板局部震塌的动态演变过程。研究结果表明,在近爆非均布爆炸荷载作用下钢筋混凝土板易发生局部冲切破坏,在远距离均匀爆炸冲击波作用下易发生整体弯曲破坏和支座剪切破坏。     

SFRC及混凝土遮弹板抗接触爆炸性能的数值分析

为了对混凝土及钢纤维混凝土材料的抗爆炸性能进行对比研究，利用LS-DYNA3D动力有限元程序采用Lagrangian-Eulerian耦合方法，对接触爆炸作用下混凝土及钢纤维混凝土遮弹板的迎爆坑形成过程进行了数值模拟，模拟结果与试验结果吻合较好．确定了2种材料爆炸压缩破坏系数Ka值，并给出了遮弹板底部砂土介质中压力的分布情况．研究表明。混凝土中加入钢纤维提高了材料的抗压强度及断裂韧度，使钢纤维混凝土抗爆能力优于基体标号相同的普通混凝土．     

舰船舱内爆炸载荷下Y形夹层板动响应及抗爆性能影响因素

针对反舰武器攻击下舰船结构抗毁伤防护问题,采用小型舱室模型实验结合有限元数值分析的方法,分析不同爆距下Y形夹层板结构的动响应特性,总结得到Y形夹层板结构面板的7种变形模式,发现面板变形模式与爆距和与其相连芯层刚度的相对强弱有关,爆距较小时面板易发生局部隆起变形,爆距较大则易发生整体碟形变形或板格变形,芯层强、面板弱时面板易发生板格变形,面板强、芯层弱时则易发生整体碟形变形,迎爆面板和V形芯层的刚度较大时背爆面面板则发生整体碟形变形。总结了Y形芯层在舱内爆炸载荷作用下的3种典型变形情况,即V屈曲I失稳、V屈曲I不变、V不变I不变;探究了迎爆面面板厚度、V形芯层厚度和I形芯层厚度对Y形夹层板结构抗爆性能的影响,发现增加迎爆面面板厚度和I形芯层厚度都可以显著降低背板变形,但增加迎爆面面板厚度会使得结构总吸能降低,增加I形芯层厚度则结构总吸能基本不变,增加V形芯层厚度则V形芯层吸能急剧下降,背板最大变形先增加再减小,结构总吸能下降。     

空爆载荷下双层梯形波纹夹层板抗爆性能分析

轻质金属夹层结构具有高比刚度和优良的能量吸收能力,其在舰船结构上有着潜在的应用前景。运用有限元软件Autodyn研究了空中近场爆炸载荷作用下固支双层梯形波纹夹层板的抗爆性能,分析了爆距和结构几何参数对变形/失效模式的影响。数值结果表明,双层梯形波纹夹层板面板的变形模式以局部大变形为主,部分有撕裂,芯层中心区域以塑性失稳为主,边界区域未出现失稳现象。随着爆距的增加,背面板塑性变形逐渐减小。若以下面板中心点的塑性变形值作为衡量抗爆性能的标准,则夹层板增加单位重量时影响其抗爆性能的结构几何参数的主次顺序为:上面板厚度、下面板厚度和芯层壁板厚度。     

地下拱形结构侧顶爆炸的破坏模式及影响因素

钢筋混凝土拱形结构作为地下防护工程的主要形式,其在近区爆炸荷载作用下的动态响应和破坏模式对防护工程设计具有重要的指导意义.为探讨地下拱形结构在45°侧顶爆炸作用下的破坏模式及影响因素,对侧顶爆炸作用下的钢筋混凝土直墙圆拱形结构开展试验和数值模拟研究.试验加载方式,在地下围岩梯恩梯装药距离拱形结构0.5 m处进行方式;基于有限元分析软件LS-DYNA,采用流体与固体耦合算法,建立围岩、混凝土和钢筋三维分离式实体模型,对钢筋混凝土拱形结构的动态响应过程进行数值模拟,模拟得到的拱形结构破坏现象与试验结果吻合较好.分析了不同装药量下结构的破坏模式以及不同混凝土强度、拱形结构截面厚度和结构跨度对拱动态响应的影响.结果表明:随着装药量增加,结构的破坏模式由层裂破坏、弯曲破坏逐渐过渡到剪切破坏和整体破坏;提高混凝土强度和拱截面厚度能显著改善其抗爆性能,跨度的增加会使结构背爆面损伤程度降低.     

带防弹钢板的钢纤维混凝土靶抗侵爆性能分析

为使防护工程具有更好的抗侵彻抗爆性能,对不同钢纤维混凝土靶板的抗侵彻抗爆性能进行研究.分别对侵彻后的靶板和带有普通钢板的钢纤维混凝土靶板进行静爆试验,根据靶板破坏情况、侵彻深度和防弹钢板的裂纹长度,结合应变测量,分析爆炸后靶板钢筋上的应变数据,得出最优的防护靶板参数.试验结果表明:15 mm厚的防弹钢板可提高钢纤维混凝土靶板的抗侵彻性能,450 mm厚的钢纤维混凝土靶板拥有最优的抗侵彻抗爆性能.     

加强筋的布置对其抗爆性能影响的研究

为探讨抗爆结构设计,采用有限元模拟了典型加筋板结构加强筋迎、背爆面布置下抗冲击过程,分析加强筋的布置对冲击载荷的影响,并与加筋板抗爆实验进行比较。结果表明:加强筋迎爆面布置将使板架在加强筋间的局部区域承受的冲击载荷变大,而使板架承受的角隅汇聚冲击波强度减弱;数值模拟结果与实验结果吻合良好。     

内部爆炸作用下混凝土加固钢筒结构变形破坏规律研究

采用混凝土加固钢筒的组合结构是提高防护结构抗内部爆炸毁伤能力的有效技术途径之一。用显式动力分析软件LS-DYNA对小比例距离内部爆炸作用下混凝土加固钢筒结构变形过程进行了数值模拟。用Johnson-Cook模型模拟钢筒的动态变形,用Winfrith模型模拟混凝土的非线性破坏过程。将钢筒变形和混凝土破坏情况与实验结果进行了对比。结果表明:加固混凝土块的裂纹分布与实验较为一致,钢筒环向应变与实验吻合较好;在相同的装药量下,采用加固混凝土加固钢筒结构,可明显提高结构的抗爆能力;当装药量小于425 g时,虽然混凝土内部存在微裂纹,但还是安全的;随着药量的进一步增加,轴向和径向裂纹将逐渐发展直至贯通,结构破坏的风险增大。     

水下接触爆炸作用下双层加筋板架结构的损伤特征

随着水下兵器制导技术的进步,水下近场爆炸乃至水下接触爆炸对舰船生命力构成的威胁受到关注.针对舰船舷侧、底部通常采用的双层结构,设计一套用于水箱试验的缩尺双层加筋板架结构,进行一组不同爆距下的水下接触爆炸试验.通过高速摄像机采集试验中水下爆炸、气泡脉动、结构变形的光学影像,得到不同爆距下的双层加筋板架结构损伤结果和损伤模式.结果表明,随着爆距的减小,板架损伤模式由外板与加强筋连接处的剪切撕裂转向加强筋之间的外板板格内发生多个或单一花瓣形破口,破口区尺寸也随着爆距的减小而增大.     

钢筋混凝土端面重墙结构的抗爆性能规律

为研究钢筋混凝土端面重墙结构在爆炸冲击波下的抗爆性能,依据最大TNT当量为300 kg的现场试验,对D1、D2、D3 3种不同构型端面重墙的损伤破坏规律进行数值模拟研究。基于LS-DYNA有限元分析软件,建立流体和固体耦合数值模型,计算得到3种重墙房屋结构在爆炸冲击波作用下的破坏形态,并利用试验结果校正模型参数。进一步利用ConWep算法进行爆炸载荷加载,通过控制药量和爆距,得到不同超压和冲量载荷下重墙结构的破坏特征。以重墙的残余倾覆角作为划分依据,将计算结果分为3种破坏等级,拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于燃烧爆炸品厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度评估。对比3种相似结构不同尺寸重墙的超压-冲量曲线,发现小尺寸D2构型的抗爆性能最差;当爆炸载荷超压较小时,大尺寸D3构型与D1构型抗爆性能相似;当超压较大时,D3构型的破坏形式发生变化,超压-冲量曲线发生右倾现象。     

结构参数对爆炸成型弹丸性能影响的研究

为研究聚能装药结构参数对爆炸成型弹丸性能的影响,利用三维动力有限元程序,对爆炸成型弹丸形成过程进行了数值模拟,研究了装药长径比、装药密度、药型罩材料、起爆方式以及壳体厚度对爆炸成型弹丸性能的影响规律。根据研究结果,设计了一种较优化的聚能装药,并进行了聚能装药侵彻混凝土靶板实验。实验结果表明,设计的EFP聚能装药对混凝土靶板有较好的开坑效果,开坑孔径和孔深分别接近装药口径的0.6倍和6.4倍。     

内爆炸条件下钢筋混凝土表面鼓包的试验观测和数值分析

对内爆炸条件下钢筋混凝土表面鼓包运动规律进行研究。采用高速运动分析系统记录试件的表面鼓包运动,得到表面鼓包形状、中心位移和速度曲线。应用LS-DYNA程序,建立分离式钢筋混凝土模型,使用流体—固体耦合方法对表面鼓包运动进行数值计算。试验结果表明,表面鼓包速度主要受爆轰气体压力载荷控制,应力波使材料产生初期裂纹,同时试件漏斗坑形状呈阶梯型。数值模拟所得到的表面鼓包运动过程和破坏形貌与试验结果相比吻合较好。     

钢筋混凝土楼板在爆炸荷载作用下破坏模式和抗爆性能分析

利用LS-DYNA软件对钢筋混凝土楼板在爆炸荷载作用下的毁伤破坏进行数值模拟研究,得到了钢筋混凝土楼板在不同当量的装药、爆距作用下发生不同的3种破坏模式。在此基础上分析不同钢筋混凝土抗压强度、比例距离及爆点相对于楼板的方位角、俯仰角与楼板毁伤破坏程度之间的关系。研究结果表明:当峰值压力较大,作用时间较短时楼板主要发生剪切崩塌破坏;而在峰值压力较小,作用时间较长时,钢筋混凝土板主要发生中部弯曲破坏;随着混凝土抗压强度和比例距离的增加,楼板的破坏程度逐渐减小;随着爆点俯仰角的增加,楼板的破坏程度逐渐增大,不同的爆炸方位角对钢筋混凝土楼板的毁伤破坏影响较小。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

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.     

爆炸实验水池结构设计及抗爆性分析

为开展水中工程结构及装备的抗爆性能实验研究,设计、建造具有多种功能的水中爆炸实验水池,根据一维弹性平面波理论,对该水中爆炸实验水池结构设计的主要问题及抗爆性能进行分析,研究纵波入射时水池结构内部不同介质应力波传播情况与破坏模式,验证该水中爆炸实验水池结构设计的合理性,降低水中冲击波的防护措施有效性。