挡水结构水下爆炸作用的离心模型试验

水下爆炸包括冲击波和气泡脉动,两者能量相当,均会对结构产生毁伤作用。水下爆炸载荷试验唯有在离心机内才满足相似关系,设计试验时宜在离心机负载范围内尽可能增加模型尺寸以减小边界效应。针对挡水结构,在离心机内布置压力传感器、高速摄像机、加速度计及应变片测试了冲击波、气泡脉动载荷及结构产生的动力响应。通过试验对比了水下爆炸和空爆产生的载荷,分析其引起结构动力响应的差异。对于水下爆炸,重力加速度的增加引起气泡脉动冲量的减小,而气泡脉动产生的峰值应变基本与气泡冲量呈线性关系,因而模拟气泡脉动对结构作用时应考虑重力效应。     

水下近水面爆炸兴波

本文基于对水下爆炸兴波物理过程的分析,建立了气泡出水问题的简化力学模型。利用不均匀网格的MAC方法对小当量情况进行了数值试验。计算结果与实测结果在水柱大小和兴波高度上的一致表明本文所提出的模型和计算方法是合理、可行的。     

水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的破坏效应

在相同炸药量下水下爆炸对混凝土重力坝的破坏效应强于空中爆炸,因此需重点关注水下爆炸冲击下的混凝土重力坝的毁伤机理。考虑爆炸作用下混凝土的高应变率效应、冲击波与结构的动态相互作用以及结构的非线性动态响应等复杂问题,基于Lagrangian-Eulerian全耦合方法建立水下爆炸混凝土重力坝耦合模型,对近坝水下爆炸冲击波传播特性进行分析,得到了水下爆炸冲击下混凝土重力坝的毁伤破坏过程及毁伤机理。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的毁伤模式主要有爆炸成坑破坏、气穴冲切破坏、震塌拉伸破坏、冲击波冲切破坏、弯曲破坏和整体拉伸破坏。     

空中和水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸效应对比分析

爆炸冲击波在不同物理属性介质中的传播特性存在较大差别,使得其对数值模拟网格尺寸的依赖性也不尽相同。采用Euler算法建立了不同当量、不同网格尺寸下自由场空中和水下爆炸的全耦合数值模型,通过数值解与经验公式计算值对比,对空中和水下不同比例爆炸距离处爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸效应及计算精度进行了对比研究。结果表明对于空中爆炸,比例爆炸距离较大处冲击波峰值超压的数值计算误差较小,而水下爆炸基本上与此相反;空中爆炸冲击波峰值的数值计算误差曲线以比例爆炸距离0.7 m/kg1/3为界,具有明显的"前陡后缓"特征,而水下爆炸的误差曲线整体上较为平缓。此外,文中提出可采用"炸药半径与网格尺寸之比"确定网格尺寸,通过具体算例证明了该方法对不同当量的空中爆炸和水下爆炸问题均具有较强的适用性。     

水下爆炸引起的混凝土坝危险性估计

由于水下爆炸强冲击作用,混凝土大坝将会产生一定程度的破坏。本文用经验公式计算了大计量炸药水下爆炸时作用在坝体上的冲击波压强,用ANSYS软件模拟了大坝作为弹性体在冲击波作用下的应力和应变场。从计算结果判断坝体在所有高程将可能贯穿性断裂。本文还对断裂后坝体运动作了定量估计。     

考虑球面波效应的水下爆炸冲击因子

水工建筑物的安全防护关系着国防和民生安全,目前还缺少有效的指标评估水下爆炸冲击波对大坝等结构的作用。水下爆炸冲击波通常以球状向四周传波,本文推导了球面波作用下结构的总能量,由此建立了水下爆炸冲击因子衡量结构的振动与变形响应。针对正面挡水、背面临空的平板结构,分别开展了数值模拟及离心水下爆炸试验研究,通过数值模拟,验证了在相同冲击因子条件下,爆距的变化几乎不影响平板产生的应变能和动能。随后采用本文所得的冲击因子对离心水下爆炸试验结果进行整理,并与传统的比例距离、平面波冲击因子等指标的分析结果进行对比。本文所得的冲击因子可以统一描述近场和远场水下爆炸作用。     

近边界面的水下爆炸冲击波传播特性及气穴效应

炸药在水下起爆后,产生的冲击波在传播过程中将主要遇到两种边界面:自由水面和结构面边界,而这些边界面的存在将显著影响冲击波的传播特性。考虑冲击波与自由面及结构面的动态耦合相互作用,基于Lagrangian-Eulerian耦合算法,建立了近边界面水下爆炸全耦合模型,通过与已有文献的研究成果及经验公式进行对比,验证了数值模型的可靠性;对自由场、近自由面、近背空气结构面及近背水结构面水下爆炸的冲击波传播特性进行了系统的研究,探讨了不同边界面条件下的水下爆炸冲击波传播特性机制。研究表明,近边界面对水下爆炸冲击波传播特性具有重要的影响,近自由面和近背空气结构面水下爆炸均产生了气穴效应。     

模拟二维水下爆炸问题的光滑粒子(SPH)方法

水下爆炸涉及两相流,是一个动边界的问题,迅速变化的气-液交界面给传统的基于网格的数值方法带来了严重的挑战。SPH法是一种拉格朗日方法,该方法可以准确且有效地捕捉气-液交界面。论文应用光滑粒子(SPH)法来模拟水下爆炸过程,特别给出了光滑长度的选取方法和优化算法。最后,通过两个算例验证该方法,数值模拟结果表明,光滑粒子法在处理水下爆炸这样的大变形和强非线性问题方面具有精度高、耗时少、数值稳定等优点。     

水下爆炸冲击作用下混凝土闸坝的失效模式分析

水下爆炸冲击荷载具有短持时、强峰值等特性,其破坏能力较之静态荷载和地震荷载要强的多,会对水工建筑物造成严重的破坏。考虑爆炸荷载下的混凝土高应变率效应,采用显式动力有限元LS-DYNA构建了混凝土闸坝厂房坝段水下爆炸全耦合数值模型,对比分析炸药在闸坝进口段库前和内部水下爆炸冲击荷载作用下的大坝破坏特性,研究混闸坝在水下爆炸冲击作用下的失效模式和破坏机理,为混凝土闸坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。结果表明水下爆炸冲击荷载作用下混凝土闸坝将发生严重的破坏,且进口段内部爆炸比库前水下爆炸破坏更加严重。更多还原     

混凝土重力坝水下接触爆炸下的毁伤特性分析

采用常规有限元法研究接触爆炸下的结构破坏特性时,往往将由于网格高度畸变而导致计算中断或错误的结果。考虑炸药、流体、结构之间的动态耦合及混凝土的高应变率效应,采用SPH-FEM耦合方法,其中SPH法用于模拟爆炸近区的坝体大变形,FEM法用于模拟远场坝体响应,构建了混凝土重力坝水下接触爆炸的全耦合模型,对水下接触爆炸下的大坝动态响应及毁伤特性进行分析。研究表明,采用SPH-FEM耦合分析技术可以较好地揭示水下接触爆炸下大坝冲坑形成及其毁伤特性;水下接触爆炸冲击荷载作用下大坝受损程度比水下非接触爆炸时严重,在研究水工大坝抗爆性能时,应重点关注水下接触爆炸下的大坝毁伤特性。     

气泡帷幕对水下爆破冲击波的削弱作用研究

水下钻孔爆破工程中,爆破产生的水中冲击波对于周围环境有着巨大危害,对爆破区域内的重要保护对象采取相应的防护措施意义重大。为研究气泡帷幕技术对于水中冲击波的削弱作用,结合长江九朝段炸礁工程,通过LS-DYNA模拟软件建立了水下钻孔爆破模型,对比分析了气泡帷幕的不同设置距离对削弱作用效果的影响。研究结果表明:气泡帷幕对于水中冲击波的峰值压力和冲量均有明显的削减作用,各工况下水中冲击波峰值压力及冲量削减比例分别为22.4%~49.6%和12.1%~53.7%;当气泡帷幕距离被保护对象5 m时,其削弱效果最好。     

水中爆炸水击波及其多次脉动的观测与分析

通过水中爆炸水击波及其多次脉动的观测,分析了水击波及其多次脉动的传播速度、脉动周期、频率及能量分布等特性.观测成果表明:多次脉动在水中的传播速度与水击波的传播速度基本一致,多次脉动的能量占水击波能量的13.9%～21.7%.     

水下爆炸下高拱坝坝面冲击荷载特性研究

确定爆炸荷载是高拱坝抗爆性能评估和抗爆设计的前提。为此,开展了高拱坝水下爆炸模型试验,并结合数值模拟方法,研究了高拱坝水下爆炸冲击荷载特性。以原型拱坝按1∶200缩比设计和制作了拱坝模型,测量了水下爆炸作用下库中以及拱坝表面的冲击荷载;采用Abaqus软件进行了拱坝水下爆炸数值模拟,结合试验数据验证了数值模拟的可靠性。研究结果表明,高拱坝水下爆炸冲击荷载可分为三个部分：首波爆炸冲击荷载、岸坡反射爆炸冲击荷载以及基底反射爆炸冲击荷载;对于库中起爆工况,高拱坝中心区域受到首波冲击的影响较大,而底部和靠近岸坡的区域则受到反射波的冲击较大,反射波在这些区域引起了较大的速度响应,在高拱坝的抗爆设计以及性能评估中,应考虑反射爆炸荷载的影响。研究成果可为高拱坝抗爆设计以及抗爆性能评估提供参考。     

水环境对水下钻孔爆破影响机制研究

为研究水下钻孔爆破中水环境对爆破效果的影响机制,以重庆新白沙沱长江特大桥3号墩基础水下爆破工程为例,对水下爆破钻孔爆破作用原理进行了分析,并使用ANSYS/LS-DYNA有限元程序分别对水下钻孔爆破与陆地钻孔爆破过程进行了数值仿真计算。在数值计算的基础上,结合爆破漏斗试验结果、冲击波特性和水介质固有特性,对陆地钻孔爆破和水下钻孔爆破的动力响应特征展开对比分析。研究表明:由于水环境的存在,水压的影响使水底界面附近的Mises等效应力小于同位置的陆地钻孔爆破处数值;在相同压力下,水下爆破漏斗体积均小于陆地爆破漏斗体积,在相同的药量条件下,水越深产生的爆破漏斗体积越小;同陆地钻孔爆破相比,水环境的存在会加快爆炸冲击波的衰减,从而削弱破岩效果。     

以ROV为载体的水库大坝水下检测系统选型研究

随着海洋水下机器人（ROV）技术的不断进步,利用其在深水检查和作业上的潜在优势,将ROV引入水库大坝水下检测及缺陷定位中将会提高解决该类工程问题的效率,降低水库水下检测难度。介绍了以ROV为载体的水库大坝水下检测系统的优劣和组成,并从ROV、图像声纳、水下定位系统选型多个方面分析比较了不同系统设备的优缺点和适用条件,最终推荐了一套适用于我国水库大坝水下监测系统的设备组合。研究成果可供同类水库运行管理单位和水下工程公司借鉴。     

水下夯锤绕流阻力系数变化规律的数值模拟

基于LS-DYNA流固耦合数值模拟方法,针对多个工程常用锤型进行数值模拟对比,分析了水下夯锤绕流阻力系数变化规律。结果表明:夯锤底面静压强一定时,夯锤质量越大,其绕流阻力系数越小;夯锤在水中下落的过程中,速度随着落距的增加而增大,但增长的幅度逐渐减小并趋于稳定;夯锤的能量利用率随着落距的增加而减小,其中夯锤底面静压强一定时,夯锤质量越小能量耗散率越大。