爆炸荷载下大空间结构的冲击波压力场分布及泄爆措施研究

应用LS-DYNA有限元程序建立了模拟大空间结构室内爆炸的计算模型,并对大空间结构在爆炸荷载作用下的冲击波压力场进行了数值模拟计算。通过提取结构表面有限测点的冲击波超压并将其POD分解,解决了爆炸荷载的时空差异性问题,得到了大空间结构的爆炸冲击波压力场分布。研究了全封闭大空间结构和屋顶开洞结构的爆炸冲击波压力场分布规律,结果表明:柱壳和拱形屋顶等全封闭大空间结构在爆炸荷载作用下易于产生顶盖冲击波压力场积聚;合适的孔洞布置可有效泄爆;孔洞率相同的情况下,减小孔洞间阻挡材料的宽度可有效减小爆炸对结构的冲击作用。提出了大空间结构的防爆和泄爆措施。     

室内爆炸超压荷载简化模型

美国UFC规范计算室内爆炸荷载时假设爆炸荷载在整个空间均匀分布,但由于壁面的限制作用,真实室内爆炸的压力场并不均匀。该文利用非线性显式动力分析程序AUTODYN的Remap技术对室内爆炸进行模拟,研究了壁面爆炸荷载的分布规律;依据壁面爆炸超压时程曲线特点及其峰值超压分布,对爆炸荷载作用区域进行划分,并提出了各区域爆炸荷载典型参数—峰值超压、冲击波作用时间、准静态峰值气体压力及吹降时间的计算式,建立了室内爆炸荷载简化模型,并进一步研究了爆源高度和房间尺寸对荷载简化模型的影响。结果表明:室内爆炸下壁面不同区域爆炸荷载的分布形式及计算方法不同,拟合得到了各区域爆炸荷载的简化计算式;爆源高度及房间尺寸对峰值超压影响较大,对冲击波冲量影响较小。     

基于体积填充法的弹体侵爆一体毁伤效应研究

弹体侵爆一体试验很难区分侵彻和爆炸两种荷载的毁伤权重，目前亦未有较成熟的方法模拟弹体侵彻动爆一体的全过程。针对此问题提出一种基于体积填充法的弹体侵爆一体数值模拟方法，在背景网格中通过体积填充生成炸药材料，同时赋予其与弹壳相同的初始速度，设置流固耦合算法约束弹壳与炸药协同变形和运动，同步侵彻目标介质后静态或动态起爆炸药。利用经验公式对惰性弹侵彻过程进行了模型验证，完成了侵彻静爆一体和侵彻动爆一体全过程数值模拟，给出混凝土介质内部压力场、表面成坑和成坑深度的变化规律，量化分析了侵爆一体过程中侵彻和爆炸两种荷载的毁伤权重。结果表明：当侵彻静爆一体时，目标介质内未消散的侵彻波场会与爆炸冲击波场叠加，其压力峰值较侵彻后装药静爆的单一爆炸波场有所提高，但不明显；当侵彻动爆一体时，炸药的动爆效应使得介质内爆炸冲击波场呈现出不规则的球形分布，速度方向峰值压力提高20%以上，在固定着靶速度的情况下，起爆时间越晚，表面成坑越小，成坑深度越大；在固定起爆深度的情况下，着靶速度越大，表面成坑越小，成坑深度越大。     

近场爆炸作用下钢箱梁抗爆性能研究

为研究钢箱梁的抗爆性能,基于ALE多物质流固耦合理论,采用LS-DYNA软件开展近场爆炸作用下钢箱梁的数值模拟,根据钢板爆炸试验验证了模拟方法的准确性,开展钢箱梁损伤及压力场分析,进一步就不同炸药当量、不同钢板厚度及不同加劲肋布置展开参数化分析。研究结果表明:爆炸荷载作用下钢箱梁的破坏形式主要可分为塑性变形和破裂开口两种;爆炸冲击波破坏顶板后在翼板处狭小的空间内,封闭效应显著,箱梁内部超压峰值最大发生在顶板最靠近爆点的加劲肋处;结合抗爆性能、经济性和桥面铺装推荐2 cm为钢箱梁顶板最优厚度;加劲肋与顶板可看作一个熔断体系,利用加劲肋和顶板相对刚度的差别,可以将破损区域限制在两加劲肋之间。     

内部爆炸作用下水介质容器壁部动态响应数值模拟

为了全面研究水介质爆炸容器在内部爆炸作用下,冲击波压力场的动态分布和壁部应变规律,本文利用动态数值模拟软件LS-DYNA,对水介质爆炸容器在内爆作用下内部动态压力场和壁部应变进行了三维数值模拟,并与实验和经验公式计算结果进行了对比。通过对数值模拟结果的分析,确定了爆炸容器结构强度在内爆作用下的薄弱区域。     

内部爆炸作用下水介质容器壁部动态响应数值模拟

为了全面研究水介质爆炸容器在内部爆炸作用下,冲击波压力场的动态分布和壁部应变规律,本文利用动态数值模拟软件LS-DYNA,对水介质爆炸容器在内爆作用下内部动态压力场和壁部应变进行了三维数值模拟,并与实验和经验公式计算结果进行了对比。通过对数值模拟结果的分析,确定了爆炸容器结构强度在内爆作用下的薄弱区域。     

钢筋混凝土隔离墙抗爆性能数值模拟研究

为了研究钢筋混凝土隔离墙在爆炸荷载作用下的动态响应和抗爆性能,采用LS-DYNA有限元软件建立9 m跨度隔离墙结构简化模型,模拟了不同药量和爆炸距离下隔离墙的动态响应。将模拟结果与经验超压公式计算结果和已有试验结果对比,验证了爆炸荷载和材料参数选取的合理性,分析了结构的破坏过程、冲击波作用规律、墙面荷载分布规律和结构变形情况。结果表明:建立的数值模拟可以较好地模拟爆炸冲击波与结构的相互作用;墙面冲击波压力衰减速率与药量和爆炸距离密切相关,墙面压力衰减幅度可达97.8%。在相同药量时,随着爆炸距离增加,墙体底部压力减小,顶部冲量增加;墙体结构由小变形转变为结构整体的较大变形;比例距离小于0.376■时,墙体底部容易发生剪切破坏。模拟结果可以为抗爆隔离墙的设计提供依据。     

球形炸药设计及其水下爆炸冲击波特性

雷管等爆炸元件的爆炸能量分布通常并不均匀,在离心机中研究爆炸问题对爆源的尺寸和爆炸能量分布要求较高,爆炸能量不均匀对试验结果存在影响,不符合爆炸力学中的点源假定。采用黑索金炸药制作球形炸药,探讨了细径导爆索及无起爆药雷管作为起爆方式的适用性。最终确定微型导爆雷管中心起爆球形炸药的方式,并研究了其水下爆炸冲击波特性,峰值压力与比例距离近似成线性关系,冲击波压力波形可以较好地采用冲击波压力公式拟合。     

近爆作用下钢筋混凝土π梁防护性能的数值模拟

为研究钢筋混凝土π截面梁在近场爆炸荷载作用下的防护方法,采用ANSYS/LS-DYNA建立π梁爆炸数值模型,结合现场爆炸试验结果,对π梁在爆炸荷载作用下的破坏形态进行对比分析,验证数值模型的准确性.通过π梁在近爆荷载下采用不同防护层进行模拟分析,对π梁在不同防护工况下冲击波超压峰值分布规律、结构耗能规律、防护后π梁的破...     

混凝土防爆墙对爆炸冲击波传播的影响

运用试验与数值模拟相结合的方法,对爆炸冲击波作用于防爆墙的荷载与冲击波绕过防爆墙的规律进行研究。采用压力传感器技术获得了防爆墙前后不同距离的压力时程曲线。基于ALE算法和炸药爆轰产物的JWL状态方程,对空气冲击波绕过墙体的环流现象进行了数值模拟,得到了爆源附近有障碍物的爆炸场初始发展和绕过墙体环流的情况,分析了空气冲击波的绕流规律。数值模拟与试验结果基本相符,反映了爆炸波绕过防爆墙的详细过程。通过对数值模拟和试验结果的分析,得到了爆炸波绕流的内在机理,为防爆墙的设计提供依据和参考。     

球形炸药设计及其水下爆炸冲击波特性

雷管等爆炸元件的爆炸能量分布通常并不均匀,在离心机中研究爆炸问题对爆源的尺寸和爆炸能量分布要求较高,爆炸能量不均匀对试验结果存在影响,不符合爆炸力学中的点源假定。采用黑索金炸药制作球形炸药,探讨了细径导爆索及无起爆药雷管作为起爆方式的适用性。最终确定微型导爆雷管中心起爆球形炸药的方式,并研究了其水下爆炸冲击波特性,峰值压力与比例距离近似成线性关系,冲击波压力波形可以较好地采用冲击波压力公式拟合。     

挡波墙对空气冲击波的削波作用研究

分析了空气中爆炸时挡波墙对冲击波的削波作用。结果表明，在爆源周围修一定高度和厚度的挡波墙可以把空气冲击波在挡波墙之后一定距离内的峰值压力削弱20%-30%，同时用数值模拟的方法计算了冲击波与挡波墙相互作用的过程，得到了在火电厂波原因有障碍物的爆炸场初始发展以及整个传播过程。数值模拟结果与实验测量和经验公式计算结果基本吻合。     

近地面云雾爆轰超压场的数值模拟及其毁伤效应

采用爆炸动力学程序Object-MMIC数值模拟了FAE爆炸超压场的时空分布,分析了针对有生力量的冲击波毁伤半径及面积的变化规律。研究表明:云爆超压场可分为三个区,由爆炸中心向外分别为云雾爆轰直接作用区、爆轰产物和冲击波联合作用区及冲击波作用区;云爆冲击波的毁伤面积随固定云爆体积内总能量线性增加。     

基于LS-DYNA的大空间柱壳结构爆炸波压力场分析

基于ANSYS/LS-DYNA,在验证模型及参数选取正确及可靠的基础上,建立了大空间柱壳结构在爆炸作用下的冲击波压力场计算模型。引入本征正交分解（POD）法,解决了冲击波荷载的时空差异性和结构表面压力场分布问题,大大减少了大空间结构爆炸动力响应分析的计算量。对大空间柱壳结构在爆炸冲击荷载作用下的压力场进行了数值模拟计算与分析,研究了跨度和矢跨比等因素对结构压力场分布的影响。结果表明,计算模型适用于大空间柱壳结构在爆炸作用下的动力响应计算。     

挡波墙对空气冲击波的削波作用研究

分析了挡波墙对空气中爆炸冲击波的削波作用.结果表明,在爆源周围修一定高度和厚度的挡波墙可以把空气冲击波在挡波墙之后一定距离内的峰值压力削弱20%～30%,同时用数值模拟的方法计算了冲击波与挡波墙相互作用过程,得到了在爆源周围有障碍物的爆炸场初始发展及整个传播过程的模拟结果.数值模拟结果与实验测量和经验公式计算结果基本吻合,可用来减轻意外爆炸对建筑物和人体可能造成的伤害及对可能发生的爆炸事故做出风险评估.     

带壳装药壳体厚度对混凝土爆破毁伤效果的影响

根据混凝土中爆炸冲击波初始压力经验公式和C-J爆轰理论,用AUTODYN软件对带壳装药在混凝土中爆炸进行数值模拟,计算了不同壳厚下爆炸冲击波的初始压力值,得到带壳装药混凝土中爆炸冲击波初始压力的拟合公式,分析了冲击波初始压力随壳体厚度与装药半径比的变化规律.另外,从爆炸能量和爆炸冲击波的比冲量两个角度分别研究了壳体厚度对混凝土毁伤效果的影响.结果表明:当壳厚为0.5 ～2 mm时,爆坑体积较裸装药时增大,毁伤效果也较好;但当壳厚大于2 mm时,爆坑体积逐渐变小,毁伤效果也将变差.     

密闭空间内三种防爆隔墙的减爆吸能效应分析

通过墙体的变形来耗散爆炸能量,可以有效地减轻爆炸冲击波对目标的破坏作用。采用一维应力波理论分析比较钢板夹泡沫铝、钢板夹聚氨脂和钢板夹混凝土三种防爆隔墙的减爆吸能效应,并运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序对三种墙体在爆炸冲击波作用下的减爆吸能效应进行数值模拟。研究结果表明:钢板夹泡沫铝的防护效应最好,钢板夹混凝土次之,钢板夹聚氨酯最差。防护效应随着测点到防爆隔墙距离的增加而增大。防爆隔墙的减爆性能不仅与防爆隔墙的变形程度有关,还与防爆隔墙的自身强度有关。     

隧道内爆炸冲击波传播特性及爆炸荷载分布规律研究

隧道内爆炸产生复杂的爆炸冲击波流场,作用于隧道衬砌上的冲击波荷载分析十分困难.采用三维有限元计算方法,对带端墙隧道内爆炸空气冲击波的传播过程进行了数值模拟,给出了内爆炸产生的隧道内冲击波流场,并与双向开口隧道内爆炸流场进行了对比,分析了炸药装药形状、炸药引爆位置对爆炸荷载分布的影响,研究了作用于隧道衬砌上的反射冲击波荷载峰值分布规律,给出了估计衬砌上反射超压峰值的公式.     

运动炸药近地爆炸冲击波场特性研究

为研究运动炸药近地爆炸冲击波场分布特性,运用AUTODYN软件对不同运动速度炸药近地爆炸过程进行数值仿真,地面超压峰值仿真结果与等效经验公式计算值符合程度较好。通过对扰动压力场、爆炸初始压力场以及地面特征位置峰值超压的对比分析,得到炸药运动速度对近地爆炸冲击波场分布的影响规律。研究结果表明:炸药运动速度对地面冲击波峰值超压有增益作用,随着炸药运动速度的增加该增益作用增强;炸药运动速度对地面峰值超压的增益作用随比例距离的增加逐渐减弱,3倍比例距离外可认为无明显差异。     

混凝土大坝在水下爆炸作用下的动力响应分析

为了研究混凝土大坝在水下爆炸冲击荷载作用下的应力分布和动力响应,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立大坝结构爆炸数值分析模型,包括炸药、水介质、空气介质、坝体混凝土、岩石五个部分。选取底宽60 m、高85 m的大坝作为研究对象,考虑爆炸荷载作用下混凝土大变形和高应变的影响,采用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型模拟坝体混凝土的损伤破坏和塑性变形,研究了不考虑重力和考虑重力的两种模型条件下可能的破坏模式和破坏机理。数值模拟得到爆炸后大坝的应力分布,进而选取4个典型位置点研究其位移时程和压强时程。研究表明：爆炸初始产生的缺口是冲击波扩散的起点,冲击波会发生多次反射,爆炸初始时最大应力可超过50 MPa,之后在10～30 MPa之间震荡。各个典型位置均在第1次反射时达到最大峰值压力,可将第1个反射压力作为弧面板的爆炸冲击荷载;最大von Mises应力出现在爆源附近的缺口以及坝坡转角等易发生应力集中处;典型位置的位移与距离炸药位置呈负相关;重力产生的位移和压力对爆炸响应起抵抗作用,但最大von Mises应力无显著区别。