爆炸冲击下水底隧道的动态响应及毁伤模式研究

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,基于Lagrange-Euler耦合算法,建立了水底隧道水下爆炸的全耦合数值仿真模型。通过与爆炸试验结果进行对比,验证了数值模型的可靠性;研究了水下爆炸冲击荷载作用下的水底隧道的毁伤破坏过程、空间分布规律及破坏模式。结果表明:水底隧道的破坏模式不仅与隧道自身的动力特性有关,还取决于起爆距离及炸药当量等;隧道的破坏模式为局部冲切或剥落破坏、弯曲破坏伴随着局部剥落破坏以及整体弯曲破坏。     

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。     

水下和空中爆炸冲击波传播特性对比分析

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,使得爆炸冲击波在水和空气中传播特性存在较大差异。通过构建自由场水下和空中爆炸耦合数值仿真模型,对水下和空中爆炸冲击波传播特性进行对比分析,研究了起爆介质对冲击波峰值压力、冲量、传播速度的影响;同时考虑冲击波与自由面反射的稀疏波相互作用过程,研究了近自由面对水下和空中爆炸冲击波传播特性的影响。研究表明,水下爆炸冲击波传播压强峰值及冲量均较空中爆炸大很多,对结构的潜在破坏能力较强;自由界面对冲击波传播特性存在较大的影响,在近自由面水下爆炸产生了冲击波水面切断及气穴现象,而在近自由面空中爆炸产生了冲击波增强效应。     

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。     

水下爆炸冲击波作用下屏蔽装药的冲击引爆理论和仿真研究

针对水下爆炸冲击波对屏蔽装药的冲击引爆问题展开研究。从理论上建立了水下爆炸冲击波对屏蔽装药的冲击压力计算方法,结合炸药起爆判据,可确定炸药冲击引爆的临界条件;采用AUTODYN仿真软件,对水下爆炸冲击波冲击引爆屏蔽装药的过程进行了数值模拟;分析了主发药量和屏蔽板厚度对炸药临界起爆的影响;采用最小二乘法得到了临界理论起爆判据的参数n、K,与文献中的起爆判据进行对比,在一定范围内符合较好。结果表明:理论计算与数值模拟误差不超过6.75%,说明所建立的理论计算方法是有效的;相同条件下,随着主发药量的增加和屏蔽挡板厚度的减小,水下爆炸冲击波对屏蔽装药的临界起爆距离随之降低。     

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。     

水下爆炸深度对码头框架结构损伤的影响

为了探究水下爆炸冲击作用下框架码头的结构损伤,确定最不利起爆位置,结合实际工程结构,建立了水下爆炸和两层码头框架结构的全耦合模型,验证了所用全耦合建模方法以及所采用材料模型的正确性和可靠性,分析了冲击波传至码头结构时不同深度下码头结构的破坏模式.结果表明:利用全耦合方法以及选取RHT混凝土材料模型来研究爆炸冲击下结构损...     

基于AUTODYN的乳化炸药水下爆炸能量分布的数值研究

基于AUTODYN软件建立了水下爆炸一维楔形模型,对空气不耦合装药结构下爆炸能量的输出进行研究。首先获得炸药冲击波压力以及气泡脉动随时间的变化曲线,进一步获知径向不耦合状态下水下爆炸的冲击波峰值压力、气泡最大半径以及脉动周期等数据,并最终得到了不耦合系数下冲击波能以及气泡能的变化情况。将计算结果与已有的水下爆炸实验结果进行了比较分析。结果表明,该计算结果与实验数据吻合较好,证明了利用数值计算手段可以实现定量化表征炸药输出能量随不耦合装药结构的变化规律。     

基于AUTODYN的乳化炸药水下爆炸能量分布的数值研究

基于AUTODYN软件建立了水下爆炸一维楔形模型,对空气不耦合装药结构下爆炸能量的输出进行研究。首先获得炸药冲击波压力以及气泡脉动随时间的变化曲线,进一步获知径向不耦合状态下水下爆炸的冲击波峰值压力、气泡最大半径以及脉动周期等数据,并最终得到了不耦合系数下冲击波能以及气泡能的变化情况。将计算结果与已有的水下爆炸实验结果进行了比较分析。结果表明,该计算结果与实验数据吻合较好,证明了利用数值计算手段可以实现定量化表征炸药输出能量随不耦合装药结构的变化规律。     

近爆作用下钢筋混凝土板动态破坏的数值模拟研究

当爆炸在结构构件表面发生时,产生的冲击波将会对结构构件造成损伤和破坏,而准确预测潜在的爆炸对结构构件造成的损伤是进行重要建筑物和防护结构抗爆设计的基础。为研究近爆作用下钢筋混凝土板的抗爆性能,采用AUTODYN软件建立了混凝土和钢筋的三维分离式实体模型,数值模型考虑了应变率对钢筋和混凝土材料动力本构特性的影响以及炸药-空气-结构之间的流固耦合相互作用,分析了不同炸药量作用下钢筋混凝土板的损伤机理和破坏特征,合理展现了钢筋混凝土板从混凝土开裂、碎片形成、部分钢筋屈服断裂到板局部震塌的动态演变过程。随着炸药量的增大,钢筋混凝土板的破坏模式逐渐由整体弯曲破坏转变为局部的冲切破坏     

坑道内典型工业炸药爆炸灾害效应的数值模拟

为了研究典型工业炸药在相对封闭的空间中爆炸产生的灾害效应,利用非线性动力学方法对3种典型的工业炸药(2号岩石硝铵炸药、乳化炸药、铵油炸药)在坑道内爆炸冲击波的传播特性和温度场分布情况进行了模拟计算,重点研究了工业炸药爆炸产生的超压与冲量破坏效应,并与传统高能炸药TNT进行对比分析。结果表明:2号岩石硝铵炸药爆炸产生的冲击波超压破坏作用和冲量破坏作用最大,乳化炸药次之,铵油炸药的破坏作用最小;爆炸均产生了明显二次超压破坏现象,其出现的原因是坑道局部出现冲击波聚焦现象;在高温灾害效应方面,2号岩石硝铵炸药的高温灾害效应最高,乳化炸药次之,铵油炸药最小。并将数值模拟结果与经验公式结果进行了比较,其吻合较好,证明了计算模型和参数选择的合理性。     

Damage prediction of concrete gravity dams subjected to underwater explosion shock loading

The damage prediction of concrete gravity dams under blast loads has gained importance in recent years due to the great number of accidental events and terrorist bombing attacks that affected engineering safety. It has long been known that an underwater explosion can cause significantly more damage to the targets in water than the same amount of explosive in air. While the physical processes during an underwater explosion and the subsequent response of structures are extremely complex, which involve lots of complex issues such as the explosion, shock wave propagation, shock wave-structure interaction and structural response. Hence a sophisticated numerical model for the loading and material responses would be required to enable more realistic reproduction of the underlying physical processes. In this paper, a fully coupled numerical approach with combined Lagrangian and Eulerian methods, incorporating the explosion processes, is performed. The RHT (Riedel–Hiermaier–Thoma) model including the strain rate effect is employed to model the concrete material behavior subjected to blast loading. Detailed numerical simulation and analysis of a typical concrete gravity dam subjected to underwater explosion are presented in this study. In terms of different TNT charge weights, the structural response and damage characteristics of the dam at different standoff distances are investigated. Based on the numerical results, critical curves related to different damage levels are derived.     

坑道内爆炸冲击波相似律问题探讨

为研究坑道内爆炸冲击波相似律问题,进行了不同药量坑道堵口爆炸实验,并利用ANSYS/LSDYNA软件对原型坑道与模型坑道爆炸冲击波进行数值计算。结果表明:与自由大气中不同,同一坑道内不同药量爆炸产生的冲击波不符合爆炸相似律;若原型坑道与模型坑道几何相似,装药量之比为几何相似比的三次方,则原型坑道与模型坑道内爆炸冲击波符合爆炸相似律;坑道内爆炸冲击波数值模拟时,若原型坑道与模型坑道网格尺寸符合相应的几何相似比,则冲击波计算结果满足相似律,当坑道截面网格密度为1675~2977时可以达到计算精度要求。     

The computer simulation of an explosive test rig to determine the spall strength of metals

Spall fracture is produced by a tensile wave after reflection of a compressive shock wave at a free surface. The original shock wave may be initiated by the detonation of explosive in contact with the material or by the impact of a high velocity projectile. An explosive test rig has been devised where a shock wave produced by explosive detonation is attenuated by propagation along a bar. The degree of spall fracture in a sample on the other end of the bar depends on the bar length. A computer simulation, using the EPIC-2 code, has been made and compared to published values of the free surface velocities for various bar lengths. Good agreement was obtained by careful choice of input parameters used in the γ-law burn of the explosive, and when correction of the experimental values was made for the change in free surface velocity that occurs when the material has a finite spall strenght. The computer simulation enabled extrapolation of the pressure values to be made to longer bar lengths, to obtain the limit of incipient spall fracture. Also, information was obtained on the shock pulse shape and the pressure distribution across the bar. The spall strength of a 6061-T6 aluminium alloy was found to be 1400 MPa, in good agreement with published values for a similar pulse duration.     

基于SPH-FEM方法的水下近场爆炸数值模拟研究

针对结构水下近场爆炸载荷作用响应求解难点,通过改进的三维轴对称光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)计算获得近场爆炸载荷后传输给非线性有限元软件ABAQUS,利用声固耦合模型对结构响应进行时域非线性计算,形成预报水下近场爆炸载荷对结构毁伤的SPH-FEM模型,实现从药包起爆、结构大幅变形、局部撕裂直至完全剪切破坏的全过程模拟,对载荷时历曲线进行试验验证。计算背空矩形钢板在近场爆炸载荷的响应表明,数值结果与试验值吻合良好。SPH-FEM模型计算效率高、可操作性强,易推广至大型复杂结构受水下近场爆炸毁伤的分析与评估。     

柱状炸药水下冲击波连续测量研究

通过自制的压导探针,对柱状装药水下爆炸过程进行连续测量,获得了柱状炸药的爆轰波和水下近场冲击波头的时间历程演化曲线。由此计算出柱状炸药的爆速、水的冲击波速度随时间的变化曲线;进一步由水的冲击雨果尼奥关系式和界面压力、速度连续方程,计算得到了炸药爆压、水下近场冲击波超压变化曲线。结果表明,水下爆炸近场的冲击波速度近似以指数形式衰减,最初阶段衰减很快,随时间推移,衰减越来越慢,最终水中冲击波速度趋于声速。近场冲击波超压的衰减形式与冲击波速度的衰减形式相似。     

多层差异性气泡帷幕对水下爆破冲击波的衰减效应的试验研究

为评估气泡帷幕产生的气水混合层对冲击波能量的衰减效应,设计了乳化炸药水下延期爆破试验,研究气泡帷幕对水下爆破冲击波的影响。以冲击波斜入射条件下波阻抗差异性为研究对象,设计多层差异性气泡帷幕。以距爆心12 m处帷幕前、后测点处的冲击波衰减率为评价指标,测得多排孔气泡帷幕前测点处的冲击波压力峰值为1.518 MPa和1.493 MPa,帷幕后测点处的冲击波压力峰值为0.026 MPa和0.034 MPa,冲击波综合衰减率为97.72%⁹8.29%。与陆上岩石爆破冲击波传播规律相比,水下爆破冲击波作用时间短,波阵传播速度快,冲击波压力更大,且传递过程中能量损耗少,传递效率高,同等爆破当量的条件下水下爆破对结构的损害更大。采用多层差异性气泡帷幕对水下爆破施工进行防护,可以在完成水下炸礁爆破施工任务的同时,不破坏水下生态环境。     

Spall investigations for LY12 Al using triangular waves

Spall of LY12 Al was investigated using experimental techniques based on the dynamics of shock wave attenuation to produce decaying triangular shock pulse in the sample of plate-impact spall tests. Spall signals were measured by monitoring the time-resolved free surface velocity histories of the targets with VISAR techniques. Targets were soft recovered and two spall planes for the high-stress triangular wave experiment were observed. For triangular wave spall plane location is a variable and there can be several regions of relatively high tension. The void coalescence-based spall model presented by the authors is used in simulating the spall tests. Computed free surface velocity histories of targets and damage distributions through the thickness of the targets are compared with the VISAR data and the observed damages in soft recovered targets, respectively. It is noted that the modeling of spall process caused by triangular waves can be seriously influenced by the artificial viscosity, the constitutive equations of the sample and the spall fracture model.