储罐外爆冲击波数值模拟及超压公式研究

为研究储罐外爆冲击波的传播规律和对储罐安全性的影响,应用软件LS-DYNA建立炸药-储罐的数值模型,并进行空爆数值计算。研究分析储罐外爆冲击波超压的衰减关系和罐体的动力响应,与经验公式的对比验证了模型的可信性,并结合经验公式平均值对数值模拟结果做了进一步修正。结果表明:冲击波运动到迎爆面中心后,外罐主应力在10 ms时迅速达到最大值,随后主应力值迅速减小,并不断振荡;迎爆面中心首先产生较大的拉应力,混凝土外罐的破坏属于脆性破坏;比例距离大于1时,现有超压计算公式拟合超压的衰减规律误差较小,比例距离小于1时,超压计算公式误差较大,修正后的超压计算公式可为储罐抗爆设计提供参考。     

大空间柱壳结构爆炸动力响应的Ritz-POD数值模拟

应用ANSYS/LS-DYNA建立大空间柱壳结构在内爆炸荷载作用下的数值模拟实验,在验证模型及参数选取的正确性及可靠性的基础上,建立了大空间柱壳结构在内爆炸作用下进行动力响应计算的合适模型。将Ritz振型叠加法与POD法结合,解决了冲击波荷载的时空差异性和结构表面压力场分布问题,大大减少了大空间结构爆炸动力响应分析的计算量。对大空间柱面网壳结构在内爆炸冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟计算与分析,研究了矢跨比和爆炸点位置等因素对结构动力响应的影响。结果表明,计算模型适合于大空间柱壳结构的爆炸动力响应分析,矢跨比大的结构防（抗）爆炸冲击波的能力较强。偏心爆炸比中心爆炸对大空间结构构件的损害大,对结构的边跨构件最为不利,设计中应更注重支座附近和边跨结构的防爆能力。     

横向绕流场中圆柱壳中等弯曲变形问题研究

针对弹性圆柱薄壳与横向绕流场的流固耦合问题,采用相容拉格朗日-欧拉法,建立了中等弯曲问题的理论分析方程组,着重求解壳体的法向位移和流体表面压力系数。结果表明：在横向绕流场作用下,壳体横截面由圆形变形为近似椭圆形,同时,壳体变形也对壳体表面流场压力产生了影响。通过算例,讨论有关参数对壳体法向位移和表面流体压力系数的影响。 最后,应用ANSYS软件对该问题进行了数值模拟,验证了理论解的可信度。     

超高应变率下岩石的破坏机理

通过对大理石的轻气炮试验进行三维数值仿真重现,探索了岩石在超高应变率下的破坏机理.大理石试样中两个高速应力计的实测应力信号被用作数值模拟的匹配目标,结果表明,在高速冲击压缩载荷下,细观静水压破坏是大理石的主要破坏机制,而不是通常认为的细观剪切或拉伸破坏.此外,为再现不同冲击速度下大理石的物理实验观测数据,提出了新的考虑...     

收缩徐变对装配式混凝土叠合梁挠度的影响

收缩徐变作用导致混凝土叠合梁挠度增加,从而影响构件的力学性能。为了研究收缩徐变作用下混凝土叠合梁挠度增加规律,建立了收缩徐变作用下混凝土叠合梁挠度计算方法,与数值模拟进行比较,结果相近。运用该方法对混凝土叠合梁的加载龄期、应力水平进行敏感性分析,结果表明：应力水平不同时,混凝土叠合梁挠度随加载龄期呈现不同变化趋势,应力水平较低时,挠度随加载龄期增大而增大,反之,挠度随加载龄期增大而减小;混凝土叠合梁叠合面处的徐变微差相对收缩微差较小,叠合面处预制和现浇混凝土变形不一致引起的挠度主要由收缩不一致引起。     

Effective loading algorithm associated with explicit dynamic relaxation method for simulating static problems

Based on the fact that a static problem has an equivalent wave speed of infinity and a dynamic problem has a wave speed of finite value, an effective loading algorithm associated with the explicit dynamic relaxation method was presented to produce meaningful numerical solutions for static problems. The central part of the explicit dynamic relaxation method is to turn a time-independent static problem into an artificial time-dependent dynamic problem. The related numerical testing results demonstrate that: (1) the proposed effective loading algorithm is capable of enabling an applied load in a static problem to be propagated throughout the whole system within a given loading increment, so that the time-independent solution of the static problem can be obtained; (2) the proposed effective loading algorithm can be straightforwardly applied to the particle simulation method for solving a wide range of static problems. Foundation item: Projects(10872219; 10672190) supported by the National Natural Science Foundation of China     

爆炸荷载作用下钢框架柱冲击响应与破坏模式的数值模拟

目的运用非线性显示动力学有限元方法分析计算爆炸冲击荷载作用下钢框架柱的冲击响应和破坏模式．方法基于有限元分析程序ANSYS／LS—DYNA建立三维有限元模型,分析钢框架柱在3种爆炸荷载作用下可能发生的破坏模式特征及其影响因素．结果壳单元shell163考虑了局部屈曲效应和剪切应变的影响,可以有效模拟在爆炸荷载作用下钢框架柱的冲击响应和破坏模式．在荷载峰值相同的情况下,荷载持续时间越长,结构的变形越大;荷载冲量相同时,爆炸荷载峰值压力越高,结构的破坏程度越严重．结论钢框架柱的破坏模式与爆炸荷载的作用特征有关：在冲量荷载作用下,钢框架柱倾向发生柱脚剪切破坏和柱中翼缘屈曲破坏;在动力荷载作用下,钢框架柱则倾向发生柱脚剪切破坏;在准静态荷载作用下易发生整体弯曲屈曲破坏．     

双层壳结构抗冲击性能仿真研究

对潜艇结构冲击响应(加速度)的分析可以评价结构的抗冲击能力并为提高结构抗冲击性能提供依据.以某潜艇的结构和型线为基础,利用大型有限元计算软件ANSYS/LS DYNA计算了双层壳结构在改变外层壳体(简称外壳)及内层壳体(简称内壳)的厚度时的冲击环境,分析了双层壳结构在不同工况下的冲击响应,讨论了外壳和内壳对双层壳结构冲击环境的影响.通过数据分析表明:在改变外壳及内壳板厚的情况下,外壳及内壳的冲击响应(加速度)近似服从威布尔分布,内部结构的冲击响应近似服从正态分布;在同一冲击因子下,改变外壳板厚和内壳板厚对结构各部分的冲击响应影响不同.这对于潜艇的抗爆炸抗冲击分析及合理的结构形式具有重要意义.     

爆炸冲击波数值计算网格划分方法研究

在爆炸冲击波数值计算过程中,计算精度很大程度上取决于空气和炸药的有限元网格尺寸.现在常用的爆炸冲击波数值计算网格划分方法大多是针对某一当量炸药的,在使用中存在一定的局限性.针对这一问题,本文提出了一种与炸药当量相关的网格划分方法,并应用有限元软件LS-DYNA进行了计算对比,结果表明:该方法适用性很好,而且在计算精度与计算效率上取得了很好的平衡.     

爆炸荷载作用下基于抗剪承载力的钢柱失效准则

为实现爆炸荷载作用下钢柱快速损伤评估及失效分析,作者分别基于壳单元的精细化模型和梁-柱纤维模型,研究了爆炸荷载作用下钢柱的动态响应;通过位移、剩余竖向承载力和钢柱最大剪力指标,对钢柱进行损伤评估和失效分析.在钢柱剩余承载力基础上提出了基于抗剪承载力的钢柱失效破坏准则,并通过数值模拟对其进行验证.结果表明:基于抗剪承载力的钢柱失效准则能较为准确地预测钢柱在爆炸荷载作用的剪切破坏及由此导致的钢柱剩余承载能力的丧失;梁-柱纤维模型可用于钢柱的损伤失效分析,比精细化模型的计算效率高,但分析结果偏于安全.     

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.     

配置HRB500级钢筋的UPPC梁挠度计算

研究了配置HRB500级非预应力高强钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁(UPPC梁)疲劳荷载作用下的挠度计算方法,根据试验结果提出了新的残余挠度与疲劳荷载作用挠度(瞬时挠度)的计算公式.计算结果与试验结果吻合较好.     

爆炸冲击波在钢管混凝土柱表面压力分布试验研究及数值模拟

为了解决爆炸荷载下钢管混凝土柱表面冲击波压力实际分布和数值模拟存在偏差的问题,通过开展钢管混凝土柱爆炸试验,研究冲击波在钢管混凝土柱表面的压力分布,并结合试验建立爆炸荷载下钢管混凝土柱有限元模型,分析不同空气和炸药网格尺寸对冲击波传播及数值分析结果的影响.结果表明:在折合距离为1.1 m/kg1/3试验条件的爆炸荷载作用下,柱顶与柱底的约束条件良好,柱产生的变形属于弹性变形;考察冲击波对构件的损伤程度,应综合考量峰值压力与正压冲量两者的作用效应;不同空气和炸药网格尺寸对爆炸冲击波的压力峰值及压力时程曲线均有较大影响;数值模拟值与试验实测值的误差随着网格尺寸的减小而降低.综合考察数值分析结果与实测值吻合程度,最终确定:空气和炸药网格尺寸为20 mm,符合折合距离不小于1.1 m/kg1/3试验条件下的爆炸数值模拟要求.     

抗爆型聚脲涂层性能及其防护钢筋混凝土板接触爆炸与断裂机制研究

本文借助动态热机械实验，研究Qtech T26抗爆型聚脲（T26聚脲）的动态热机械性能；采用10kg TNT接触爆炸试验，研究T26聚脲防护钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的防护性能；基于Williams-Landel-Ferry方程拟合T26聚脲的损耗模量、储能模量和损耗因子主曲线，并采用扫描电子显微镜对涂层防护钢筋混凝土板迎爆面和背爆面涂层的典型区域进行微观断口形貌分析，探讨其断裂机制。结果表明：T26聚脲受荷载频率影响明显，在外界荷载作用频率大于等于1000Hz时，T26聚脲的损耗因子保持在0.24以上，吸能效率高；喷涂10mm T26聚脲涂层的钢筋混凝土板在10kg TNT接触爆炸破坏下，背爆面涂层完整，无任何破片飞出；T26聚脲在爆炸荷载作用下的断裂机制表现为高温力学性能失效机制、高温与冲击荷载耦合断裂机制、高速荷载脆性断裂机制和拉伸断裂机制；背爆面最大变形区域为纵向变形区域外侧的圆环区，背爆面中心区域在防护过程中承受爆炸荷载作用，出现少量脆性破坏。Qtech T26聚脲实现了大当量接触爆炸零破片的防护效果，这一效果对实际工程中结构爆炸防破片具有极高的应用价值。     

抗爆型聚脲涂层性能及其防护钢筋混凝土板接触爆炸与断裂机制研究

本文借助动态热机械实验,研究Qtech T26抗爆型聚脲（简称为T26聚脲）的动态热机械性能;采用10 kg 三硝基甲苯（trinitrotoluene,TNT）接触爆炸试验,研究T26聚脲防护钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的防护性能;基于Williams-Landel-Ferry方程拟合T26聚脲的损耗模量、储能模量和损耗因子主曲线,并采用扫描电子显微镜对涂层防护钢筋混凝土板迎爆面和背爆面涂层的典型区域进行微观断口形貌分析,探讨其断裂机制。结果表明：T26聚脲受频率影响明显,在热机械性能层面印证了T26聚脲的应变率敏感性;在外界荷载作用频率大于等于1000 Hz时,T26聚脲的损耗因子保持在0.24以上,吸能效率高;喷涂10 mm T26聚脲涂层的钢筋混凝土板在10 kg TNT接触爆炸破坏下,背爆面涂层完整,无任何破片飞出;迎爆面T26聚脲与混凝土未脱离,T26聚脲与混凝土界面之间在表面处理之后附着力较好,在爆炸产生的拉伸波作用下,涂层与混凝土间仍有良好的附着性。T26聚脲在爆炸荷载作用下的断裂机制表现为高温力学性能失效机制、高温与冲击荷载耦合断裂机制、高速荷载脆性断裂机制和拉伸断裂机制;背爆面最大变形区域为纵向变形区域外侧的圆环区,背爆面中心区域在防护过程中承受高应变率荷载,出现少量脆性破坏。T26聚脲实现了接触爆炸零破片的防护效果,这一效果对实际工程中结构爆炸防破片具有极高的应用价值。     

深孔平板工作闸门流激振动物模-数模预测

以某水电站泄洪洞平板闸门为实例,依据水弹性模拟原理研制了水弹性模型,对平板闸门不同开度工况的流激振动响应进行了测试;提出用三维板壳单元建立闸门空间数学模型,以测得的面脉动荷载为动荷载输入进行了流激振动响应计算;并将两种模型所得的结果进行了相互验证,并联合物理模型和数学模型对其动力响应特性进行了预测,对该闸门的动力安全进行了分析,提供不利于闸门振动的开度范围,为该闸门设计与安全运行提供重要参考依据。     

水下爆炸冲击波数值模拟中的参数影响

为提高数值模拟水下爆炸冲击波的精度,研究了状态方程、网格密度、人工粘性对数值模拟的影响．以球形药包为例,采用有限元程序MSC．Dytran进行数值模拟,将结果与经验公式对比,分析了各参数的影响作用．结果表明,状态方程的形式对结果影响不大,而网格密度有很大影响．为确定最佳的网格密度,定义了一个描述网格密度的无因次量,并给出了不同药量时最佳无因次网格密度的范围．人工粘性能够较好地抑制冲击波压力计算中出现的数值振荡,但同时也引起了冲击波峰值的衰减．调整水的状态方程的系数,能够在保证数值模拟效果的同时,减少水域中的单元数量。     

爆炸下考虑钢梁翼缘变形的改进单自由度法

为解决爆炸下结构产生较大局部变形时采用等效单自由度方法计算结构整体位移会出现较大误差甚至错误的问题,在单自由度理论基础上,以工字型钢梁为研究对象,通过分析翼缘局部变形对钢梁整体位移的影响规律后,基于提出的钢梁截面简化变形模型对其弯曲抗力函数进行改进,提出钢梁抗爆分析的改进单自由度方法。通过有限元软件ABAQUS数值模拟不同爆炸工况下钢梁的动态位移响应与破坏特征,并与单自由度模型及改进单自由度模型的计算结果进行对比,研究了不同计算模型下钢梁的位移及破坏差异。结果表明：与有限元模拟结果相比,钢梁翼缘局部变形越大,单自由度模型计算结果偏小越严重,而改进单自由度模型计算结果较好,可以更好地适用于钢梁抗爆分析的位移简化计算。     

单双圆荷载作用下沥青路面受力特性对比研究

为研究沥青路面在单圆和双圆荷载作用下的受力及变形的异同,验证用单元均布荷载等效双圆均布荷载的有效性.首先分析了双圆均布荷载下沥青路面弯沉及受力性能变化情况,然后分别进行了弹性层状理论下单圆和双圆作用下沥青路面受力性能对比研究及单圆和双圆动力加载作用下沥青路面力学性能对比数值模拟研究.结果表明:在动、静加载模式下,沥青路面在单、双圆均布荷载作用下的弯沉及应力除在路表处存在一定的差异外,随路面结构深度的增加,弯沉及应力变化趋势和大小均趋于一致,表明用单圆均布荷载等效双圆均布荷载进行设计及相关检测是可行有效的.     

上覆CRSS快速固化淤泥硬壳层厚度对淤泥地基承载特性的影响

复合型早强土壤固化剂（CRSS）具有快凝高强特性,利用自主研发的CRSS固化剂对表层淤泥快速固化并作为上覆硬壳层,通过模型试验研究不同上覆硬壳层厚度（3、6、9、12 cm）条件下硬壳层破坏形式、p-s曲线特性、弯沉盆形状以及土压力分布规律,在现有弯沉盆变形理论基础上,结合试验结果,对弯沉盆变形形状函数进行修正。研究结果表明：随硬壳层厚度增大,硬壳层破坏形式由对折破坏过渡到冲切破坏;硬壳层厚度越大,扩散作用越明显,极限承载力越高,沉降相应增大;与荷载板中心点不同距离的沉降位移可用弯沉盆形状描述,提出了修正的对数弯沉盆假设变形计算公式,比线性弯沉盆假设变形计算公式更合理;土压力从中心向外呈下降趋势,沿深度方向逐渐减小;随硬壳层厚度增大,土压力分布更均匀。