隧道内爆炸冲击波传播特性及爆炸荷载分布规律研究

隧道内爆炸产生复杂的爆炸冲击波流场,作用于隧道衬砌上的冲击波荷载分析十分困难.采用三维有限元计算方法,对带端墙隧道内爆炸空气冲击波的传播过程进行了数值模拟,给出了内爆炸产生的隧道内冲击波流场,并与双向开口隧道内爆炸流场进行了对比,分析了炸药装药形状、炸药引爆位置对爆炸荷载分布的影响,研究了作用于隧道衬砌上的反射冲击波荷载峰值分布规律,给出了估计衬砌上反射超压峰值的公式.     

爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波传播规律

为了研究爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波的传播规律,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合将覆土库结构破坏与冲击波传播先后模拟的新手段,对覆土库外部距爆心比例距离小于15 m/kg^(1/3)范围内空气冲击波的传播过程进行模拟,并对模拟所得不同测线方向(0°、60°、90°、135°和180°)冲击波峰值超压和冲击波到达时间进行分析。结果表明:测点距爆心比例距离在1～15 m/kg(1/3)范围内空气冲击波的传播过程进行模拟,并对模拟所得不同测线方向(0°、60°、90°、135°和180°)冲击波峰值超压和冲击波到达时间进行分析。结果表明:测点距爆心比例距离在1～15 m/kg^(1/3)范围内,随比例距离的增大,在60°和90°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从87.63%降到26.39%;在135°和180°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从81.19%降到1.39%。随着测点距爆心比例距离的增大,冲击波峰值超压呈指数型衰减,冲击波到达时间呈线性增加。     

爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波传播规律

为了研究爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波的传播规律,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合将覆土库结构破坏与冲击波传播先后模拟的新手段,对覆土库外部距爆心比例距离小于15 m/kg~(1/3)范围内空气冲击波的传播过程进行模拟,并对模拟所得不同测线方向(0°、60°、90°、135°和180°)冲击波峰值超压和冲击波到达时间进行分析。结果表明:测点距爆心比例距离在1～15 m/kg~(1/3)范围内,随比例距离的增大,在60°和90°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从87.63%降到26.39%;在135°和180°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从81.19%降到1.39%。随着测点距爆心比例距离的增大,冲击波峰值超压呈指数型衰减,冲击波到达时间呈线性增加。     

坑道内爆炸冲击波传播规律的研究

摘 要：炸药在坑道内爆炸将产生沿坑道传播的空气冲击波,冲击波与坑道壁相互作用,使得坑道内冲击波的传播规律明显不同于自由大气中冲击波的传播规律。使用有限元计算软件LS-DYNA对已有的坑道试验进行了数值模拟,通过数值模拟结果与试验结果数据比较,验证了有限元计算中所使用的计算模型和参数取值的合理性。利用数值模拟的计算结果,使用量纲分析理论,拟合了距离爆炸中心点一定距离处爆炸冲击波超压峰值的计算公式,并与试验结果进行对比,分析了该公式的适用性,为坑道中爆炸冲击波的传播规律研究提供了参考。
     

挡波墙对空气冲击波的削波作用研究

分析了挡波墙对空气中爆炸冲击波的削波作用.结果表明,在爆源周围修一定高度和厚度的挡波墙可以把空气冲击波在挡波墙之后一定距离内的峰值压力削弱20%～30%,同时用数值模拟的方法计算了冲击波与挡波墙相互作用过程,得到了在爆源周围有障碍物的爆炸场初始发展及整个传播过程的模拟结果.数值模拟结果与实验测量和经验公式计算结果基本吻合,可用来减轻意外爆炸对建筑物和人体可能造成的伤害及对可能发生的爆炸事故做出风险评估.     

挡波墙对空气冲击波的削波作用研究

分析了空气中爆炸时挡波墙对冲击波的削波作用。结果表明，在爆源周围修一定高度和厚度的挡波墙可以把空气冲击波在挡波墙之后一定距离内的峰值压力削弱20%-30%，同时用数值模拟的方法计算了冲击波与挡波墙相互作用的过程，得到了在火电厂波原因有障碍物的爆炸场初始发展以及整个传播过程。数值模拟结果与实验测量和经验公式计算结果基本吻合。     

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。     

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。     

地铁隧道爆破振动对地面的影响规律研究

为控制地铁爆破开挖引起的振动对地表建筑物的影响,需要探明爆破振动传播至地表过程中的衰减规律。通过中深孔爆破法进行现场试验,试验孔装药量对应实际工程中单段药量,模拟大连地铁1号线隧道爆破掘进作业,采用钻孔监测与地表监测相结合的方法,分别在地表和地表以下1.5 m,7.5 m和15 m深的孔内安置监测点,监测爆破振动在不同深度的质点振速。同时,利用FLAC3D软件对现场试验中各观测点质点振速峰值进行数值计算,分别采集试验与数值模拟的质点振速峰值,并通过萨道夫斯基经验公式进行回归分析。结果表明:地下爆破振速的监测结果较地表小,振速峰值约为地面的50%~64%;对比萨道夫斯基公式反算的振速与数值模拟计算结果,数值模拟得到的质点振速与实测结果更接近,可以通过数值模拟结果对萨道夫斯基公式进行修正以提高预测精度。     

浅埋地铁隧道爆破振动速度传播规律及预测

为了更好地控制浅埋隧道爆破施工对地表建(构)筑物产生的不利影响,以武汉地铁八号线洪山站-小洪山站区间隧道开挖爆破为研究对象,采用数值模拟与现场监测相结合的方法进行浅埋隧道爆破振动传播规律及预测研究。结果表明:数值模拟结果与现场监测结果基本一致;地铁隧道爆破开挖作用下地表3个方向的质点振动速度为垂直方向最大;沿隧道径向方向,由于开挖存在临空面,在距掌子面相同距离情况下,已开挖区域地表的峰值振动速度大于未开挖区域地表的峰值振动速度;沿隧道轴向方向,由于存在"空洞效应",当地表监测点与掌子面水平距离大于约0.6～0.7倍洞径后,地表振动速度产生增大的现象,此时已开挖区域对地表振动存在放大效应。     

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。     

坑道口部内爆炸冲击波传播速度规律的数值分析

准确计算坑道口部内爆炸条件下冲击波传播速度的变化,是确定坑道内主动消波设备时间响应指标的关键。为此,基于AutoDyn进行5种不同工况的坑道内爆炸计算。采用量纲分析构建了冲击波传播速度的工程模型,通过对数值计算结果的拟合确定了模型的系数。与坑道化爆实验的实测值进行分析比较表明,所拟合的坑道内冲击波传播速度的经验模型最大误差为15%,作为一种工程方法而言具有较强适用性。     

坑道口部内爆炸冲击波传播速度规律的数值分析

准确计算坑道口部内爆炸条件下冲击波传播速度的变化,是确定坑道内主动消波设备时间响应指标的关键。为此,基于AutoDyn进行5种不同工况的坑道内爆炸计算。采用量纲分析构建了冲击波传播速度的工程模型,通过对数值计算结果的拟合确定了模型的系数。与坑道化爆实验的实测值进行分析比较表明,所拟合的坑道内冲击波传播速度的经验模型最大误差为15%,作为一种工程方法而言具有较强适用性。     

坑道中水的抑爆消波性能试验研究

强爆炸冲击波对坑道内部的人员、设备和结构等均能产生巨大的毁伤破坏作用,因此如何消减冲击波强度的防护技术成为研究热点。本文以模型坑道和实际坑道为平台,系统开展了不同数量的集中置水(袋装水)和不同长度均匀置水(均布水)的消波效应试验,对试验结果进行了分析对比;并结合试验现象对水的消波机理进行了初步探讨。结果表明:无论集中置水还是均匀置水都具有显著的消波性能;直坑道内爆炸近区两者的消波效果相近,而在爆炸远区均匀置水的要高出约10%;较复杂的穿廊结构坑道比直通坑道具有更加明显的消波效果;增加置水量能提高超压衰减率,在相同位置增加相同数量水(15kg)时,即集中置水每增加1袋和均匀置水每增长1m时,超压衰减率分别提高约2%和5%;总体来说,均匀设置的消波效果更优于集中设置。     

冻土层下球状药包爆破方法

介绍了季节性冻土层下球状药包爆破方法以及爆破漏斗的形状。根据爆破漏斗试验结果并从冻土层受力破碎特点出发,对冻土层的破碎机理进行了定性分析。分析表明,球状药包爆炸时,冻土层的破坏类似于壳体的弯曲变形破坏。与常规的钻孔爆破法相比,采用冻土层下的球状装药爆破法,可有效地控制爆破过程的飞石,降低爆破成本,加快施工速度。文中同时给出了冻土层爆破的合理爆破参数。     

柱形爆炸容器内爆炸冲击波的传播规律研究

为了研究柱形爆炸容器内炸药爆炸冲击波的传播规律,利用空中爆炸传感器测量了不同药量和不同距离条件下冲击波压力时程曲线,发现实验测试值与传统的理论经验公式计算值存在较大误差。通过实验结果和理论分析,探讨了误差产生的原因,并对柱形爆炸容器内超压测试曲线出现多峰值超压的原因进行了分析。最后,基于实验测试结果及爆炸相似律原理拟合出适用于该环境下的冲击波超压计算公式,经过拟合修正后计算误差由70%~80%降至0.57%~15%。该研究可为爆炸容器的设计和应用提供理论参考。     

爆炸冲击波超压加载伪随机网壳的分布规律研究

采用缩比模型爆炸试验与数值仿真相结合的方法,开展了爆炸冲击波超压加载伪随机网壳的分布规律研究。首先,选取具有代表性的某伪随机140面体网壳结构,开展了缩比模型爆炸试验,获得了表面特征测点的冲击波超压数据;之后,对比分析了试验与仿真结果的误差及原因,以试验数据为基础,建立了爆炸冲击波与某伪随机140面体网壳结构相互作用的数值仿真模型,并对空中爆炸和地面爆炸的3种不同距离共6种工况下,网壳结构的特征表面超压作用过程进行了计算和分析,拓展了试验结果;最后,对伪随机网壳表面冲击波超压分布规律进行了研究,并提出了增强网壳结构安全性的防护措施,为伪随机网壳结构抗冲击安全设计提供了参考。结果表明:与传统对称网壳结构相比,伪随机网壳在超压峰值分布规律和作用机制等方面都更为复杂,受到结构伪随机特性的影响,在相似位置表面,超压峰值也有明显差异;网壳迎爆面底部和中部超压峰值与其他部位相比,一般较高;在网壳外一定距离构筑防爆墙和加固网壳中部及底部节点的方法,可提升伪随机网壳结构的抗冲击安全性。     

Experimentally validated 3-D simulation of shock waves generated by dense explosives in confined complex geometries

Accidental blast wave generation and propagation in the surroundings poses severe threats for people and property. The prediction of overpressure maxima and its change with time at specified distances can lead to useful conclusions in quantitative risk analysis applications. In this paper, the use of a computational fluid dynamics (CFD) code CFX-5.6 on dense explosive detonation events is described. The work deals with the three-dimensional simulation of overpressure wave propagation generated by the detonation of a dense explosive within a small-scale branched tunnel. It also aids at validating the code against published experimental data as well as to study the way that the resulting shock wave propagates in a confined space configuration. Predicted overpressure histories were plotted and compared versus experimental measurements showing a reasonably good agreement. Overpressure maxima and corresponding times were found close to the measured ones confirming that CFDs may constitute a useful tool in explosion hazard assessment procedures. Moreover, it was found that blast wave propagates preserving supersonic speed along the tunnel accompanied by high overpressure levels, and indicating that space confinement favors the formation and maintenance of a shock rather than a weak pressure wave.