挡墙后爆炸冲击波绕流现象研究

重要建筑通常采用防爆挡墙以防范恐怖主义袭击和意外爆炸。在爆炸冲击下,绕流作用使挡墙墙后的冲击波流场产生变化,导致墙后一定距离处的超压大幅提高,建筑承受比预期更大的荷载。本文用LS-DYNA对近地爆炸下刚性墙后的绕流现象进行了数值模拟,研究了超压时程规律及影响因素。研究发现,距离墙后1.5～2.5倍墙高区域内绕流超压较大,在2倍墙高处出现马赫反应,比无墙时更为危险。研究成果可为重要建筑物防爆挡墙的布置及挡墙后建筑抗爆分析提供参考。     

煤尘爆炸冲击波传播规律及造成的伤害分区研究

为减少煤矿煤尘爆炸后冲击波对人的危害,为煤矿防爆、抑爆和安全评价以及事故应急救援等提供理论依据,研究了煤尘爆炸后冲击波的传播规律.基于粉尘爆炸理论,采用理论与实验研究方法,研究了爆炸空气冲击波超压在巷道内的传播规律及超压所造成的伤害规律.结果表明煤尘爆炸冲击波超压与传播距离、巷道断面面积的平方根成反比,理论与实验分析的结果基本吻合,在此基础上划分了冲击波超压所造成的不同伤害范围.     

内爆炸作用下钢网壳结构动力响应的数值模拟

应用LS-DYNA有限元程序,建立了大空间钢网壳结构在内爆炸作用下进行动力响应分析的计算模型.通过提取结构表面有限测点的冲击波超压并将其进行本征正交分解(POD),解决了冲击波荷载的时空差异性及结构表面压力场分布问题.采用Ritz-POD法对大空间单层钢网壳结构在内爆炸荷载下的动力响应进行了数值模拟计算,分析了结构高度、矢跨比、炸药TNT当量及爆炸点位置等参数对结构动力响应的影响.结果表明:大空间钢网壳结构的最大位移和应力响应随炸药TNT当量的增加成非线性增大,其中应力响应近似成比例增大,而位移响应则急速增加.偏心爆炸冲击波比中心爆炸对大空间钢网壳构件的损害大,对结构的边跨构件最为不利.所得结论对于大空间钢网壳结构的防爆设计有参考价值.     

瓦斯爆炸致灾通风系统实验及应急救援方法

拓扑分析瓦斯爆炸频发点的局部通风系统模型,建立了利用弱面玻璃板模拟通风设施的管路实验模型.研究了瓦斯爆炸超压波在实验模型中传播时,遇不同位置弱面板的超压峰值变化规律;分析了弱面板破坏前后超压峰值的变化规律及分布特征,并对冲击波后弱面板破坏的片度分布结果进行了统计.确定了实验模型中同一爆源点爆炸冲击波对不同位置弱面板的破坏程度,分析了爆炸产物的组分,模拟计算了超压波衰减的量化特征,为风网模型中通风设施的防爆配置提供指导.提出了在关键通风设施位置预置常开自动风门;瓦斯爆炸冲击波破坏原有通风设施后泄压,预置常开风门自动关闭,从而恢复通风系统的新思路.     

防爆墙设置对单层球面网壳结构抗爆性能的影响

为获得防爆墙设置下大跨网壳结构的抗爆性能,采用ANSYS/LS-DYNA分析软件,首先对设置防爆墙时爆炸冲击波的传播规律进行了有限元模拟和试验结果验证,从而确定流固耦合算法数值模拟的适用性;建立了包含网壳杆件、檩托、檩条、铆钉和屋面板的40 m跨度K8型单层球面网壳在外部爆炸荷载作用下的精细化有限元模型,提取结构在设置防爆墙时的动力响应结果,考察了防爆墙高度、位置和网壳矢跨比对结构动力响应的影响程度,总结了防爆墙及结构参数对冲击波绕流效应及冲击波在防爆墙与建筑物间反射效应的影响规律,提出存在"防爆墙危险高度"情况并给出具体数值,为指导大跨网壳结构合理的抗爆防御设计提供参考依据.     

长持时爆炸冲击波产生方法

不同持时的爆炸冲击波对建筑结构及防护工程的作用显著不同,在试验或数值模拟中常需要得到长持时爆炸冲击波,延长爆炸冲击波正压作用时间是研究长持时爆炸荷载下结构响应的难点。在AUTODYN中建立长筒爆室小当量炸药多点延时起爆模型,分析爆炸冲击波在长筒爆室中的传播规律,研究管道长度、延时起爆时差、起爆顺序对冲击波波形的影响。结果表明：距离增加,超压峰值减小、正压持续时间增加;根据炸药量和爆室长度合理地选择起爆时差可以获得波形丰满且连续衰减的超压时程曲线;爆室底部起爆、合理控制延时间隔,可以形成类似于大当量远距离爆炸下产生的连续衰减的长持时冲击波。分别给出100、200 ms爆炸持时起爆方案,为长持时爆炸模拟装置的设计提供技术支持。     

瓦斯爆炸冲击波作用下防爆门应力分布及动态响应特性研究

针对煤矿风井防爆门在爆炸冲击波作用下容易变形问题,设计了双开式防爆门,利用FLUENT软件对瓦斯爆炸流场进行数值模拟,分析防爆门在瓦斯爆炸冲击波作用下的安全可靠性,获得了不同时刻防爆门上的压力分布及其动态响应规律。数值模拟结果表明,CH₄体积分数9.5%条件下,爆炸冲击波压力为26 kPa时防爆门开始打开,防爆门开度为12°时,压力达到峰值782 kPa。将不同时刻压力载荷导入ANSYS受力分析软件,对防爆门进行动态非线性压力作用下的应力及变形计算,得到了防爆门应力分布,在此基础上进行结构优化,材料强度校核结果显示优化效果较好。     

掘进巷道瓦斯爆炸冲击波压力特性研究

为揭示煤矿掘进头瓦斯爆炸冲击波压力沿复杂巷道衰减变化特性,借助爆炸力学和相似定律理论,建立巷道一维爆炸压力变化计算数学模型和TNT当量系数法试验计算模型.理论和试验模型对比分析表明:掘进头弱瓦斯爆炸的冲击波压力沿稳定断面传播呈非线性变化特性,冲击波压力与传播距离的平方根成反比;冲击波压力遇巷道断面变化或分叉超压大幅度衰减;冲击波压力遇障碍物反射后压力是原来的2倍.瓦斯爆炸超压预测计算模型的计算值、理论计算值与实验值吻合较好,与爆炸冲击波压力的传播特性描述一致.     

地下建筑内爆炸冲击波荷载分布规律研究

针对地下建筑结构或高层建筑地下室对爆炸灾害防护设计的需要,研究了建筑内爆炸冲击波在房间墙体开口及通道中的传播过程。通过与相关内爆炸模型试验数据对比,确定了合理的有限元内爆炸数值模型和计算参数,在此基础上模拟分析了内爆炸空气冲击波流场及爆炸荷载分布规律,重点研究了装药量与爆室容积比(W/V)、爆室墙面开口面积与房间容积参数V2/3比(A/V2/3)等因素对建筑内外空气冲击波及壁面反射冲击波的影响,根据大量计算结果,拟合给出了由爆炸间开口向外泄露的空气冲击波压力峰值衰减公式。     

防护堤对爆炸空气冲击波防护效果的数值分析

根据美国国防部相关标准设计了不同坡度的防护堤,采用任意拉格朗日-欧拉算法(arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE),仿真了凝聚炸药的爆炸及其产生的空气冲击波的传播过程,重点分析了不同坡度的防护堤对空气冲击波的防护能力。仿真结果表明:防护堤的设置在空气冲击波的防护过程中起着显著作用,其能够有效地减弱空气冲击波峰值超压对被防护对象的危害,防护能力由防护堤正后方向两边呈减弱趋势,同时防护堤坡度明显影响其对爆炸空气冲击波的防护能力。     

地震作用下混凝土-堆石组合坝墙体位移及动土压力研究

混凝土-堆石组合坝主要由上游混凝土墙与下游俯斜式堆石体构成,作为一种新型坝体结构,目前对其地震土压力的研究鲜有报道。对此,开展混凝土-堆石组合坝大型振动台物理模拟试验研究,主要分析地震作用下墙体的位移、动土压力及合力作用点的分布规律等。研究结果表明：(1) 混凝土-堆石组合坝中上游墙体的位移量相对较小,墙体顶部位移比墙底大,呈现出RBT(绕墙体底部转动)的位移模式;(2) 墙底动土压力相较输入的地震波具有明显的滞后性;(3) 墙背的总动土压力随着PGA的增大而增大,当PGA≤0.2g时,总动土压力沿墙高近似呈线性分布;当PGA≥0.4g时,总动土压力呈现出明显的非线性分布规律;(4) 受俯斜式堆石体及墙体位移模式的影响,在地震烈度8度以下,混凝土-堆石组合坝中上游墙体合力作用点普遍低于M-O理论规定的0.33H;但在地震烈度8度以上,合力作用点趋近但又高于0.33H。试验结果初步揭示了混凝土-堆石组合坝中上游墙体的位移及动土压力响应特征,为其在地震作用下的抗震设计等提供参考。     

基于FLACS的食堂天然气泄漏爆炸事故后果模拟

针对食堂的特点,利用FLACS软件对某大学食堂进行三维建模,在考虑喷射方向、障碍物等因素的基础上,模拟天然气的泄漏及爆炸情况,研究了特定场景下气体云团的扩散过程、爆炸冲击波和温度的发展规律。结果表明,当天然气垂直向上泄漏时,因食堂屋顶的阻碍作用,天然气在小型摊位发生堆积;当天然气水平泄漏时,天然气在用餐区域体积分数较高;爆炸初期,首先出现以点火点为中心的爆炸压力冲击波,压力冲击波以圆弧形向外传递,泄漏方向对爆炸产生的最大超压影响较小;温度分布受泄漏方向的影响较大,垂直喷射时高温集中在小型摊位处,水平喷射时温度沿喷射方向由高到低分布。     

安全壳钢筋混凝土简支墙抗爆性能分析

核电站附近的常规弹药爆炸可能引起核电站主体结构的破坏.为了评估安全壳筒墙的抗爆性能,根据结构的抗力设计曲线,提出了一种判断简支墙抗爆能力的新方法,并以核电站中的钢筋混凝土墙为例,给出了简支墙所能承受的最大入射压力和爆炸的安全距离,当延性系数为3,墙厚和配筋率相同时,设计抗力提高一倍,简支墙不破坏的最小安全爆炸距离减少了12%;抗力和配筋率相同,600 mm厚比450 mm厚的简支墙不破坏的最小安全爆炸距离减少了3%.计算结果表明,设计抗力、墙体厚度和配筋率对简支墙可承受的最大超压值以及不破坏的最小安全爆炸距离有不同的影响.该方法和计算结果可用于核电站遭袭后安全性可否保障的初步判断.     

内部爆炸荷载下网壳结构的抗爆防护措施

为进行内部爆炸荷载作用下网壳结构的抗爆防护措施研究,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了包含网壳杆件、檩托、檩条、铆钉、屋面板、墙体和地面在内的精细化K8型单层球面网壳模型,通过流固耦合算法使爆炸冲击波与结构相互作用,分析了局部杆件加固、屋面板的选取及墙体开洞等抗爆防护措施的效果,结果表明内部爆炸荷载作用下,通过对网壳外环杆件进行加固、选择轻质的薄屋面板、增大墙体开洞面积、增高墙体洞口位置及减小墙体洞口间距等措施,能够有效降低网壳结构的动力响应.     

瓦斯爆炸火焰和冲击波在并联巷网的传播特征

为了研究瓦斯爆炸在并联巷网内的传播特征,利用并联管道系统模拟爆炸在实际巷道内的传播特征.结果表明:爆源点在掘进头时,并联管道两侧的火焰传播速度Sf和爆炸超压值△Pmax接近,火焰和冲击波叠加后,爆炸强度增加,△Pmax从0.38 MPa突跃到0.46 MPa.爆源点在工作面时,爆炸向邻近掘进头传播时测得的火焰速度和爆炸超压缓慢增大,而向较远的封闭端传播时△Pmax的值一直增大,而火焰传播分3个不同的区段;爆炸向邻近工作面传播时,在汇聚点附近测得的爆炸超压(0.44 MPa)明显高于两侧的超压值(0.39和0.38 MPa),但火焰传播速度会降低.煤矿瓦斯爆炸叠加地点附近是爆炸破坏较严重区域,故是设备和人员防护的重点区域.     

空间高度对球面网壳结构内爆炸响应的影响

基于修正后的Johnson-Cook材料模型,应用ANSYS/LS-DYNA建立K8型单层球面网壳计算模型,对内爆炸下不同空间高度的结构爆炸响应进行计算和分析。首先,分析结构内爆炸冲击波传播规律,验证模型参数选取的可行性;其次,讨论内爆炸作用下球面网壳的动力响应,对比分析不同本构模型对爆炸响应的影响;最后,定义下部支承结构所围体积占结构所围总体积的比值为空间高度系数,讨论空间高度系数对墙面未开洞和墙面开洞球面网壳动力响应的影响。结果表明,爆炸冲击波在球面网壳结构角部有汇聚效应,与反射冲击波共同作用,严重影响球面网壳结构的动力响应;对于墙面未开洞的球面网壳,爆炸响应受反射冲击波影响较大;对于墙面开洞的球面网壳,爆炸响应受空间高度系数影响较大。基于研究结果给出了球面网壳结构在内爆炸下防爆和抗爆设计的合理空间高度系数建议值。     

瓦斯煤尘爆炸巷道反射压力研究

为揭示瓦斯和瓦斯煤尘爆炸反射压力沿矿井巷道传播变化的规律,用管道爆炸实验系统模拟测试极弱爆炸和极强爆炸巷道超压与反射压力的定量变化关系.结果表明,瓦斯和瓦斯煤尘与空气混合爆炸,在弱爆炸条件下爆炸的反射压力均是峰值超压的1.8~2.0倍,強爆炸下瓦斯或瓦斯煤尘爆炸的反射压力大约是峰值超压的8~21倍.实验结果与理论计算基本吻合,表明巷道反射压力强度取决于冲击波在巷道空间内的反射过程,巷道内爆炸超压强度随爆炸传播距离的增加而降低,遇固壁则反射压力强度加大,加重了井下设备的破坏和人员伤害程度.     

地震作用下混凝土–堆石组合坝墙体位移及动土压力研究

混凝土–堆石组合坝主要由上游混凝土墙与下游俯斜式堆石体构成,作为一种新型坝体结构,目前对其地震土压力的研究鲜有报道。对此,开展混凝土–堆石组合坝大型振动台物理模拟试验研究,分析地震作用下墙体的位移、动土压力及合力作用点的分布规律等。研究结果表明:1)混凝土–堆石组合坝中上游墙体的位移量相对较小,墙体顶部位移比墙底大,呈现出RBT(绕墙体底部转动)的位移模式。2)墙底动土压力与输入的地震波相比具有明显的滞后性。3)墙背的总动土压力随着峰值加速度(PGA)的增大而增大,当PGA≤0.2g时,总动土压力沿墙高近似呈线性分布;当PGA≥0.4g时,总动土压力呈现出明显的非线性分布规律。4)受俯斜式堆石体及墙体位移模式的影响,在地震烈度8度以下,混凝土–堆石组合坝中上游墙体合力作用点普遍低于M–O理论规定的0.33H;但在地震烈度8度以上,合力作用点趋近又高于0.33H。试验结果初步揭示了混凝土–堆石组合坝中上游墙体的位移及动土压力响应特征,为其在地震作用下的抗震设计等提供参考。     

钢管混凝土柱对爆炸冲击波影响的数值模拟研究

通过LS-DYNA软件对两种截面的钢管混凝土柱在爆炸荷载下爆炸冲击波的传播过程进行了三维数值模拟。混凝土采用HJC模型,钢管采用了考虑应变率的随动硬化塑形模型,炸药采用TNT炸药,使用LS-DYNA程序中的高能炸药爆轰产物压力-体积关系的JWL状态方程分析了爆炸冲击波的传播过程,得到了在不同比例距离下爆炸冲击波在通过两种截面柱子时超压峰值的衰减及增大规律。     

爆炸冲击波作用下钢板-混凝土组合结构受力性能分析

为防护爆炸冲击波对建筑物的破坏作用,提出了一种新型钢板-混凝土组合结构,分析了组合结构在爆炸冲击波作用下的变形及变形吸能特性。采用单向构件在均布荷载作用下的抗力分析方法,推导了基于极限抗弯承载力的组合结构极限抗力的计算公式;采用单向构件在冲量荷载下的动力响应分析方法,对组合结构的整体变形进行了分析,推导了基于大挠度变形的组合结构变形以及变形吸能计算公式,系统分析了爆炸当量、结构高度、结构厚度等因素对组合结构变形的影响。结果表明,随着爆炸当量、结构高度增大,结构厚度以及钢板厚度减小,组合结构墙体转角增大,变形加剧。