钢纤维喷射混凝土结构爆炸震塌破坏效应数值模拟

运用动力分析软件LS_DYNA3D,采用任意拉各朗日-欧拉算法,分别对钢纤维喷射混凝土支护和无支护条件下抗常规爆炸的震塌过程进行了三维数值模拟,并将数值模拟结果与规范中其它支护类型在相同条件下的震塌落石速度进行对比.通过震塌剥落层速度的对比,量化说明了钢纤维喷射混凝土支护结构抗爆炸震塌的能力.     

爆炸载荷作用下临界震塌爆距公式研究

坑道震塌破坏机制复杂,是工程中亟待解决的难题之一。为了得到便于工程应用的临界震塌爆距计算公式以及影响临界震塌爆距的主要因素,在常用经验公式的基础上,通过拟合爆距与洞跨比影响系数,将经验公式显化,推导的修正公式不需要反复迭代试算,使用方便。利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对坑道正上方装药爆炸进行数值模拟,得出临界震塌爆距,其结果与修正公式相比较,表明修正公式与模拟结果吻合较好,可用于临界震塌爆距的计算。数值模拟临界震塌爆距随洞室跨度的变化,结果表明:洞室跨度越大,临界震塌爆距越大,且趋于某一极限值;洞室跨度小于15 m时临界震塌爆距随洞跨的增大增幅较快。     

爆炸荷载作用下地下防护结构生存概率计算

在引入随机模糊概念处理地下防护结构荷载不确定因素的基础上,提出了爆炸 作用下地下结构的可靠度分析的方法，推导出了地下防护结构生存概率的计算公式。     

钢筋混凝土震塌厚度计算公式对比研究

震塌破坏是钢筋混凝土结构三种局部破坏中的一种,也是影响结构抗局部破坏能力的主要因素。分析对比了目前应用较广泛的钢筋混凝土震塌厚度经验计算公式,并与试验结果进行比较,得到了各经验公式的计算误差和适用范围。在这些经验公式中,Bechtel公式和修正BRL公式的预测值与试验结果吻合得最好,Bechtel公式可用来预测无震塌最小厚度,而修正BRL可用来预测震塌最小厚度,即临界贯穿厚度。     

爆炸荷载作用下地下拱结构动力分析

为了准确分析爆炸作用下地下拱结构的动力响应,利用阻尼系数来表达土介质与结构的动力相互作用,建立结构运动方程。由于结构动态响应方程的复杂性,在计算中对结构进行了简化,忽略了结构剪切力、转动惯性矩以及切向力的影响,并且假设拱结构在切线方向是不可延展的。利用振型分解法获得了两端固支拱结构在爆炸荷载作用下的动态响应的解析解。对圆心角为120°的拱结构单元进行了计算,得出了位移、速度和加速度时程响应曲线,探讨了参数响应的最大值与比例爆距之间的关系,得到了最大值与比例爆距之间的关系曲线。利用解析计算得到了结构弯矩的包络图。     

多向地震作用下地下结构响应分析

目前地下结构的抗震分析主要是考虑水平横向地震波的作用,一般忽略水平纵向和竖向地震的影响。论文针对某一长度和宽度相差较大的地下建筑结构,建立其三维有限元计算模型,计算分析其在水平横向、水平纵向以及竖向等多向地震荷载作用下的地震响应规律。计算分析表明,对于长度和宽度相差较大的地下建筑结构,仅考虑水平横向地震作用是不够的。其结果可为地下结构的抗震分析提供参考。     

地下工程抗爆防震塌设计动力学机理讨论

在爆炸载荷下,反射拉应力波是导致混凝土防护结构震塌的主要原因。材料的动态抗拉强度是结构抗爆防震塌设计所必须考虑的主要参量,抑制或减弱拉伸冲击波的强度是防护结构设计的一个重要目标。研究了混凝土和钢纤维增强混凝土的动态力学性能以及它们结构的爆炸震塌响应。试验表明,高强混凝土C100的抗震塌能力还不如普通混凝土C40;加入体积含量2%的钢纤维可有效提高混凝土的强度以及结构的抗震塌能力;而且加入相同含量的钢纤维后,纤维增强C100混凝土的抗震塌能力与增强C40混凝土相比并无明显不同。应用一维应力波理论近似分析,揭示了抗震塌设计的动力学机理,分析表明,"三明治"复合层结构可以有效提高结构的抗震塌能力,此分析为设计具有更好抗爆能力的防护工程提供了科学依据。     

地下结构的地下水荷载

本文全面阐述了地下结构设计中地下水荷载问题，地下结构的工程事故大多和地下水有关，设计中如何考虑地下水荷载这一重大问题国内外都没有成熟的经验，本文从渗流载增量理论分析水荷载作用征地下洞室围岩及衬砌的应力，如何衬砌与围岩脱离，则地下水将以外水压力的形式作用于衬砌，可按建议多个修正系数的方法估算外水压力。     

跨度对坑道抗爆震塌破坏影响的数值分析

采用LS-DYNA非线性有限元程序对炸药在岩石坑道上方封闭爆炸使坑道震塌堵塞的效应进行了数值模拟,得到了坑道跨度变化时结构应力、应变的变化规律,演化了结构从弹性、塑性、开裂、震塌的整个过程.计算得出,当其它条件一定时,坑道的跨度从小到大,局部震塌区由小到大再有所减小,最后趋向于稳定值;而坑道的整体破坏特征(非震塌区)明显加重.     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析

在持续时间较长的爆炸荷载作用下,钢筋混凝土框架或梁通常会发生常见的弯曲破坏形态,但是在持续时间较短的爆炸荷载,如化学爆炸产生的脉冲荷载作用下,钢筋混凝土结构有可能在弯曲破坏发生之前产生剪切破坏。这种现象已被室内外试验所证实,其原因是脉冲荷载激发了结构中的剪力,从而使结构产生剪切破坏。为了预报钢筋单纯凝土梁在爆炸荷载下的响应破坏形态,本文提出了一种基于Timoshenko梁理论的非线性分层梁有限元法。在材料模型中考虑了混凝土和钢盘的右面线性和应变速率效应等因素。应用这方法,本文计算分析了爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应以及弯曲、弯剪和剪切等不同的破坏形态,计算预报的结构动态响应和破坏形态与现场试验结果有较好的一致性。     

滑移爆轰条件下高纯铜的层裂行为

本文通过滑移爆轰试验研究了低载荷下(2~4GPa)高纯铜试样的层裂行为。对爆轰后的层裂试样进行了金相和EBSD分析。金相分析结果表明:在滑移爆轰试样主层裂面上存在层裂面分叉的现象,在边部存在与主层裂面垂直的层裂面。在微结构相同的试样中,随着冲击压力的增大,孔洞分布区域的面积增大、微孔洞的贯通现象也更加明显。EBSD分析的结果表明:爆轰试验导致试样层裂区域晶粒尺寸减小,晶粒沿垂直于冲击应力的方向被拉长。爆轰时由于冲击压力极高,变形时间短(10μs),在试样中形成变形孪晶。层裂试样中微孔洞多在多条一般大角度晶界构成的三叉节点处形核,多条Σ3晶界构成的三叉节点对损伤形核有抵抗作用。损伤多形核于泰勒因子(TF)值较高的晶粒与其他晶粒构成的晶界上。TF值较高的晶粒中损伤的面积更大些。     

Influence of Shock Pre‐Compression Stress and Tensile Strain Rate on the Spall Behaviour of Mild Steel

Abstract: A series of plate‐impact spall experiments were conducted to investigate the influence of shock pre‐compression stress and tensile strain rates on the dynamic tensile fracture (or spall) behaviour of shocked mild steel. The shock pre‐compression stress amplitude and tensile strain rate were controlled independently to ensure that only one single‐loading parameter varied for each experiment. A push–pull type velocity interferometer system for any reflector (VISAR) was used to measure the free surface velocity profiles of samples. It is observed from experimental results that the influence of shock pre‐compression stress amplitude on the spall strength is less significant in the range attained in these experiments, whereas with increasing tensile strain rate, an evident 65% increase of spall strength is determined in the present tensile strain rate range of 10⁴ to 10⁶ s^?1. VISAR data are compared with finite‐difference calculations employing a modified damage function model with a percolation–relaxation function, and a good agreement between the calculation and the experiments was obtained. Preliminary simulation results also revealed that a critical damage exists, which physically corresponds to the critical intervoid ligament distance for triggering the onset of void coalescence, and may be regarded as a material parameter for describing the dynamic tensile fracture and independent of the loading conditions.     

空孔直眼掏槽爆破在地下厂房开挖中的应用探讨

为了改善地下厂房开挖爆破效果,在现场进行了螺旋空孔掏槽、桶形空孔掏槽、加密桶形空孔掏槽等3种掏槽方式的实际爆破试验,经比较爆破效果及施工工艺,采用加密桶形空孔掏槽法,爆破效果十分明显,对同类工程有重要的推广应用价值.     

地下工程爆破振动监测与分析

对大冶铁矿尖林山矿体无底柱分段崩落法回采进路采矿焊破夺动速度的测试与研究表明,质点爆破振动速度与单响最大爆破药量和测点到爆心的距离密切相关,符合《爆破安全规程》。     

Atomistic Modeling of Spall Response in a Single Crystal Aluminum

Materials used in soldier protective structures, such as armor, vehicles and civil infrastructures, are being improved for performance in extreme dynamic environments. Accordingly, atomistic molecular dynamics simulations were performed to study the spall response in a single crystal aluminum atom system. A planar 9.6 picoseconds (ps) shock pulse was generated through impacts with a shock piston at velocities ranging from 0.6 km/s to 1.5 km/s in three <1,0,0>, <1,1,0>, and <1,1,1> crystal orientations. In addition to characterizing the transient spall region width and duration, the spall response was characterized interms of the traditional axial stress vs. axial strain response for gaining an understanding of the material failure in spall. Using an atom section averaging process, the snapshots, or the time history plots of the stress and strain axial distributions in the shock direction, were obtained from the MD simulations’ outputs of the atom level stresses and displacements. These snapshots guided the analyses to an estimation of the spall widths and spall transients. The results were interpreted to highlight the effects of crystal orientation and impact velocity on the spall width, spall duration, spall stress, strain rate, critical strain values at the void nucleation, and the void volume fraction at the void coalescence. For all the combinations of the crystal orientations and the impact velocities, the void nucleation was observed when the stress reached a peak hydrostatic state and the stress triaxiality factor reached a minimum, i.e. by the simultaneous occurring of these three conditions for the stress state: 1. pressure reaching a negative minimum, 2. axial stress reaching the magnitude value of the peak pressure, and 3. the effective stress reaching a zero value. At these conditions, void nucleation was mainly caused by atom de-bonding. In fact, the void nucleation strains were shown to have been preceded by the strains of the stress triaxiality condition in this study, thus confirming the stress triaxiality condition for the void nucleation in spall. Based on the observation that the axial stress reached a maximum value of ∼6 GPa during the void nucleation phase in spall and stayed approximately at that value for different crystal orientations and impact velocities, the value was proposed as a material spall strength.     

Rayleigh波作用下地下结构地震反应影响分析

采用基于时域粘弹性人工边界的Rayleigh波输入方法,进行了土-地下结构相互作用体系在Rayleigh波作用下的动力时程反应分析,对Rayleigh波作用下地下结构的地震反应特性进行研究。重点讨论了地下结构材料强度、结构厚度以及土层刚度等因素对Rayleigh波作用下地下结构地震反应的影响。结果表明Rayleigh波对浅埋地下结构的地震动力反应影响显著,将使结构产生较大的内力与变形,在地下结构抗震设计尤其是浅埋地下结构的抗震设计时应予以足够的重视。     

地下巷道在爆破振动作用下的动态响应特征研究

为了研究地下巷道在爆破振动作用下的响应特征,以某露天铁矿转地下爆破开挖为研究背景,在地下巷道确定监测位置,结合爆破振动理论建立爆破振动衰减数学模型。为弥补试验方案不足,利用FLAC 3D软件建立地下巷道概念模型,分析地下巷道在爆破振动作用下的速度、位移的变化特征,并与现场试验进行对比。结果表明:当爆心距小于50 m时,水平径向峰值振动速度衰减变化率达到53.63%,而水平切向、竖直方向峰值振动速度衰减变化率分别达到53.07%和47.02%。通过对爆破时地下巷道的数值模拟分析可知,爆破振动速度变化主要集中在巷道的顶板及底板,而巷道竖直位移呈现先逐渐变大、后趋于平稳的状态,处于巷道安全允许范围之内。     

地下工程改扩建中施工爆破对衬砌危害的三维数值模拟研究

应用LS—DYNA3D软件对某地下工程改扩建中施工爆破作业进行了三维数值模拟，分析了围岩与衬砌中爆炸应力波的传播特征，指出了原有洞室混凝土衬砌的破坏主要为施工爆破诱发的反射拉伸波使衬砌拉应力超过混凝土抗拉强度所导致拉裂破坏，且破损现象主要发生在洞室的侧墙部位，为控制衬砌破损的进一步发展，建议采用台阶法开挖，计算表明台阶法开挖能明显改善衬砌拉应力水平和质点振速。     

药位置对拱形工事震塌高度影响的数值模拟

通过数值模拟研究了在相同质量炸药爆炸情况下,对半无限岩石介质地下10 m处拱形工事的毁伤情况.模拟结果得到装药为2 kg,爆源距工事项端分别为3 m、5 m、7 m时对工事顶部产生的塌落高度.为炸药爆炸载荷作用与拱形工事防护研究提供依据.