自由空气中爆炸冲击波的数值分析

为准确模拟自由空气中的爆炸荷载及其特性,采用软件ANSYS/LS-DYNA建立了多组不同药量TNT的爆炸模型,并将结果与TM5-1300、Henrych公式以及Baker公式计算结果进行比较分析。通过多次试算分析,给出了自由空气中建立TNT爆炸模型时由比例距离选用网格尺寸的依据,分析了爆炸相似律立方根表达式的适用性及适用条件,并得到了比例距离为0.1≤z≤3时自由空气中TNT炸药超压峰值的简便计算公式。结果可为自由空气中爆炸荷载的准确数值模拟以及简便计算提供依据。     

刚性地面对爆炸冲击波传播规律的影响

为研究刚性地面对爆炸冲击波传播特性的影响,采用ANSYS/LS-DYNA对TNT炸药在刚性地面工况下起爆后的整个过程进行了数值分析,得到了刚性地面工况下爆炸冲击波的传播规律以及特征参数,并将其与自由空气工况下爆炸冲击波的传播规律以及特征参数进行了对比分析。建立了TNT炸药在刚性地面工况下起爆后,比例距离在0.5 m/kg^1/3≤Z≤3 m/kg^1/3之间时的冲击波超压峰值简便计算公式,分析了起爆高度对刚性地面附近冲击波的影响规律,并得到了刚性地面反射增强效应作用范围的判别公式。数值分析所得结果可为结构或构件在刚性地面上发生爆炸时荷载的初步确定提供一定的参考。     

刚性地面对爆炸冲击波传播规律的影响

为研究刚性地面对爆炸冲击波传播特性的影响,采用ANSYS/LS-DYNA对TNT炸药在刚性地面工况下起爆后的整个过程进行了数值分析,得到了刚性地面工况下爆炸冲击波的传播规律以及特征参数,并将其与自由空气工况下爆炸冲击波的传播规律以及特征参数进行了对比分析。建立了TNT炸药在刚性地面工况下起爆后,比例距离在0.5 m/kg^(1/3)≤Z≤3 m/kg(1/3)≤Z≤3 m/kg^(1/3)之间时的冲击波超压峰值简便计算公式,分析了起爆高度对刚性地面附近冲击波的影响规律,并得到了刚性地面反射增强效应作用范围的判别公式。数值分析所得结果可为结构或构件在刚性地面上发生爆炸时荷载的初步确定提供一定的参考。     

水下爆炸冲击下码头结构动力响应的数值模拟

为探究水下爆炸冲击对码头结构的结构损伤,开展爆炸荷载下高桩码头结构的数值模拟分析。基于ALE多物质流固耦合法,建立了码头结构的水下爆炸Lagrange-Euler全耦合模型,基于Cole经验公式,验证了模拟的可靠性,研究了起爆距离、起爆深度以及TNT当量对码头结构动力响应特性的影响规律。结果表明,在水下爆炸冲击荷载作用下,所有桩柱产生不同程度损伤,码头端部的第一根桩柱底部基岩区域以及与横梁相连的基岩区域塑形损伤破坏较为严重;当TNT炸药的起爆距离较小时,桩柱上的反射波要强于水底面的反射波,并会与之相抵消,作用在桩柱上的反射稀疏波会随之削弱;在其他条件相同的情况下,当起爆点到自由水面的距离与起爆点至基础底面距离之差的绝对值越大时,爆炸荷载作用于码头结构上的压力峰值会显著增大。     

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。     

空气中TNT爆炸的数值模拟

为了研究TNT炸药爆炸产生的冲击波在空气中的传播规律和预测不同比例距离的超压峰值,应用LS-DYNA有限元软件模拟了7.5 kg TNT爆炸的冲击波传播过程,揭示其能量衰减规律。并用2种经验公式计算不同比例距离的冲击波超压峰值。对数值模拟结果、经验公式结果和已有的实验数据进行对比。结果表明:数值模拟结果与实验数据吻合较好,误差在10%以内,证明了计算模型和参数的合理性。2种经验公式,叶晓华推荐的经验公式与实验数据的误差相对较小,距爆心3.5 m处,误差仅为0.66%。说明叶晓华公式相比Henrych公式更为可靠。但随着爆距的增大,误差也明显增大。建议此公式在比例距离小于2.6 m/kg1/3时采用。     

空气中TNT爆炸冲击波超压峰值的预测及数值模拟

通过对空气中TNT爆炸冲击波超压峰值的已有研究成果进行比较分析,发现不同学者对其预测结果存在一定差别,并据此拟合总结出能较好地描述冲击波超压峰值与比例距离关系的表达式.同时用LS-DYNA动力有限元软件模拟了2种不同装药量条件下空气中TNT炸药爆炸产生的冲击波的传播,模拟所得的超压峰值小于经验公式的结果,装药量大的模拟结果更接近经验公式预测值.有必要对爆炸冲击波的参数和经验公式进行进一步的研究.     

K8型单层球面网壳基于AUTODYN的外爆响应分析

该文采用显式动力有限元软件AUTODYN对K8型单层球面网壳在外爆荷载下的动态响应进行了研究。数值模拟中采用流固耦合方法施加荷载,钢材采用多段线性模型,首先验证了AUTODYN进行近场爆炸分析和远场爆炸分析的准确性;考察了跨度为20 m的网壳结构在外爆荷载下的荷载传播规律、最大节点位移变化规律以及塑性杆件发展规律,考察了跨度为40 m网壳结构在TNT质量、炸点距离以及炸点高度参数变化下的结构响应规律。数值分析的结果表明:AUTODYN具备准确进行近场爆炸和远场爆炸分析的能力;单层球面网壳在外爆荷载下主要经历两次冲击波荷载,最大节点位移出现在第一次冲击荷载作用时,结构杆件的塑性发展在0.05 s后基本结束;网壳结构的响应随TNT质量增加和炸点高度增加而加大,随炸点距离增大而减小。     

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。     

不确定爆炸荷载作用下钢梁的可靠度分析

通过对已有爆炸荷载预测公式、计算图表和试验的海量数据的统计分析,建立了作用于建筑结构上爆炸荷载的统计模型;以典型钢梁为研究对象,考虑材料强度和构件尺寸的不确定性,基于单自由度体系理论和蒙特卡洛方法,建立了不确定爆炸荷载作用下钢梁失效概率的计算方法,并开发了实用计算程序;分析了炸药质量以及爆炸荷载和结构材料属性的不确定性等对钢梁失效概率的影响。研究表明:炸药质量和比例距离是影响爆炸荷载作用下钢梁失效概率的重要因素,在建筑结构抗爆分析中,必须考虑爆炸荷载的不确定性。     

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。     

乳化炸药空中爆炸冲击波衰减规律的研究

为了研究乳化炸药空中爆炸冲击波的衰减规律,利用空中爆炸测试系统测定了乳化炸药空中爆炸的冲击波超压。根据试验数据,提出了描述冲击波超压峰值与比例距离关系的修正经验式,并将试验数据和经验公式计算值进行了对比分析。结果表明:当比例距离z=L/W~(1/3)≤2.4时,修正公式与除Mills公式以外的其他经验公式吻合得较好;当z=L/W~(1/3)2.4时,修正公式与所有经验公式基本吻合。通过对比,乳化炸药空中爆炸修正经验式可应用于工程爆破实践,对于减少空气冲击波危害具有重要的理论和实际应用价值。     

Numerical simulations of blast loads and structural deformation from near-field explosions in air

Numerical simulations of air blast loading in the near-field acting on deformable steel plates have been performed and compared to experiments. Two types of air blast setups have been used, cylindrical explosive placed either in free air or in a steel pot. A numerical finite element convergence study of the discretisation sensitivity for the gas dynamics has been performed, with use of mapping results from 2D to 3D in an Eulerian reference frame. The result from the convergence study served as a foundation for development of the simulation models. Considering both air blast setups, the numerical results under predicted the measured plate deformations with 9.4-11.1%. Regarding the impulse transfer, the corresponding under prediction was only 1.0-1.6%. An influence of the friction can be shown, both in experiments and the simulations, although other uncertainties are involved as well. A simplified blast model based on empirical blast loading data representing spherical and hemispherical explosive shapes has been tested as an alternative to the Eulerian model. The result for the simplified blast model deviates largely compared to the experiments and the Eulerian model. The CPU time for the simplified blast model is however considerably shorter, and may still be useful in time consuming concept studies.All together, reasonable numerical results using reasonable model sizes can be achieved from near-field explosions in air.     

Nonlinear dynamic analysis of tapered sandwich plates with multi-layered faces subjected to air blast loading

The nonlinear dynamic behavior of simply supported tapered sandwich plates subjected to air blast loading is investigated theoretically and numerically. The plate is supposed to have both tapered core and tapered laminated face sheets and be subjected to uniform air blast load. The theory is based on a sandwich plate theory, which includes von Kármán large deformation effects, in-plane stiffnesses, inertias and shear deformations. The sandwich plate theory for plates with constant thickness which have one-layered face sheets found in the literature is developed to analyze the tapered sandwich plates with multi-layered face sheets. The equations of motion are derived by the use of the virtual work principle. Approximate solution functions are assumed for the space domain and substituted into the equations. The Galerkin method is used to obtain the nonlinear differential equations in the time domain. The finite difference method is applied to solve the system of coupled nonlinear equations. The tapered sandwich plate subjected to air blast load is also modelled by using the finite element method. The displacement–time and strain–time histories are obtained. The theoretical results are compared with finite element results and are found to be in an agreement.     

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。     

爆炸冲击波空中传播特征参量的优化拟合

受测试技术和测试精度影响,空气中传播的爆炸冲击波特征参量的传统经验公式存在一定的差异,文中运用LS-DYNA有限元程序,以TNT为例,计算了空中爆炸冲击波的传播过程,采用仿真计算和文献数据相结合的方法得到了冲击波超压峰值、到达时间、持续时间和比冲量的改良预测公式;把空气中传播的冲击波分为升压阶段和降压阶段两部分考虑,以冲击波的各特征参数对冲击波的压力时程曲线进行了预测。结果表明,改良预测公式与试验数据较为吻合,且比早期的经验公式更为精确。运用这些新预测公式,可以对空中爆炸的冲击波特征参数和传播特性进行有效地预测。