爆炸冲击波作用下建筑结构动力特性的数值模拟与试验

利用ALE算法和炸药爆轰产物JWL状态方程,采用动力分析有限元程序LS-DYNA3D,对2层框架结构建筑物在爆炸冲击波作用下的动力特性进行数值模拟,并通过结构模型的爆炸试验,得出不同位置处质点压力和加速度时程曲线.研究表明,数值模拟与现场试验结果基本吻合,汽车炸弹在近距离爆炸时对建筑物的破坏威胁较大.     

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。     

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。     

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。     

爆炸波与破片联合作用下结构的局部与整体破坏效应分析

提出了一种分析爆炸波与破片联合作用下钢筋混凝土板和拱结构局部与整体破坏效应的工程计算方法,以MK82战斗部在距离结构10m处爆炸为例,采用有限元软件详细分析了爆炸与破片联合作用下结构的局部与整体响应。结果表明,由于爆炸产生的破片先于冲击波达到结构,破片对结构造成的局部损伤对结构整体响应影响不大,结构主要还是受爆炸冲击波荷载的作用。     

爆炸冲击波对目标的毁伤概率算法研究

针对爆炸冲击波对目标毁伤这一复杂问题进行了合理的简化,研究了冲击波对梁结构的弯曲破坏问题。利用一些实验结果,估计冲击波对目标的机械破坏作用。在综合考虑战斗部装药质量、爆炸点距目标距离、爆炸高度的环境压力、目标几何尺寸以及目标抗冲击载荷能力等各种随机因素的基础上,利用概率论知识,提出了一种新的爆炸冲击波对飞机结构毁伤概率的计算方法。算例分析表明,此方法能够对目标在爆炸冲击波超压作用下的易损性进行评估,且是实际和可行的。     

舰船近场爆炸反射波对气泡射流特性影响

水下爆炸冲击波遇到物面(如船底表面、海底等)将产生反射冲击波,对于近场爆炸,由于爆炸形成的气泡距离物面较近,气泡在运动过程中将遭遇物面反射冲击波.为了探讨反射冲击波对水下爆炸气泡特性的影响,假设冲击前期惯性力起主要作用,依据理想流体势流理论,建立了反射波作用下气泡运动模型,并采用边界积分法求解.在此基础上,给出了舰船近...     

舱室结构对炸药内爆响应特性的数值模拟研究

为研究炸药在舰船舱室内爆炸的毁伤作用效果,利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立带有加强筋结构的典型单舱室模型,采用流固耦合算法模拟舱室内爆下冲击波的传播和舱壁的结构响应,分析不同炸药质量与起爆位置对舱室壁的影响.研究表明:在冲击波作用下,舱壁中心相比角隅处的变形更为严重;舱室角隅处容易引起冲击波的汇聚叠加,汇...     

大型水面舰艇防雷舱结构防护机理数值仿真

为研究大型水面舰艇防雷舱结构的防护机理,运用MSC.Dytran,建立多材料和多耦合面的流固耦合模型,模拟了典型防雷舱结构在水下接触爆炸作用下的变形与破坏,并与试验结果进行对比,验证该方法的正确性.在综合分析防雷舱结构破坏的基本过程、外板对冲击波的响应、第1层空舱和液舱防护机理的基础上,分析了水下接触爆炸时冲击波荷载和气泡膨胀荷载分别对防雷舱结构的作用机理,研究了防雷舱结构对水下接触爆炸的防护机理.结果表明:外板是防护冲击波的主要载体,高速度破片的防护主要依赖防护液舱,而气泡膨胀荷载的防护则需要第1层空舱的舱壁结构整体承担.     

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。     

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。     

Numerical simulation of the parabolic shell surface under blast wave loading

Deformation of parabolic shell surface under explosion shock waves is a complex dynamic problem. Because of reflection and interference of blast wave, it’s hard to analytically delineate the dynamic responds of radar parabolic shell surface on blast wave. To gain the characteristics of thin shell deformation under impulsive loading of blast wave, numerical simulation methods for blast load on the shell structure was studied and analyzed. Euler-Lagrange numerical simulation was implemented by AUTODYN code to simulate the problem. Through analysis on deflection feature of radial position under different explosive mass and detonation height, an equation was founded by fitting the deflection results from numerical simulation results of shockwave loading. Experiments were arranged to confirm the validity of the formula. The results gained by simulation are consistent with experiments, and the formula can be used to delineate the deflection of aluminum alloy parabolic shell under blast loading.     

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。     

超高速弹丸膛口流场结构分析

为了计算和分析超高速弹丸膛口流场的分布状况,建立了超高速弹丸从膛底飞离出炮口整个过程的膛口流场二维轴对称数值仿真模型.基于有限体积法,采用分块网格划分的整体运动处理方法,结合结构动网格技术及Realizable k-ε湍流模型,耦合内弹道及后效期过程,利用六自由度运动方程控制弹丸运动,以300 mm平衡炮为例,研究了1 730 m/s发射速度下的超高速膛口流场特性.计算结果表明:超高速运动的弹丸在距膛口3.3 m远处便形成了清晰的初始流场,弹前激波到达炮口处压力达到了3.8 MPa左右.喷射出的火药燃气速度达到2 500 m/s,但火药燃气仍未能追赶并包围弹丸,因此膛口流场对超高速弹丸运动的影响不同于对中低速弹丸运动的影响;膛口形成了由冠状冲击波、弹底激波、反射激波、马赫盘构成的多层次激波、间断面相互叠加的完整波系,该发射条件下的膛口流场异常强烈,波系结构更加明显.     

薄板在接触爆炸载荷作用下的破坏分析

对薄板在接触爆炸载荷作用下的塑性动力响应问题进行了理论研究.根据板受接触爆炸压力载荷的大小和应变率的不同将板划分为不同的区域,应用不同的本构关系进行研究,得到爆炸的破坏范围.通过算例进行验证,并与经验公式进行了比较,结果基本上是合理的.可应用于舰船结构在爆炸冲击波作用下的毁伤或防护方面的预测,从而为舰船的安全防护设计提供理论依据.     

混凝土安全壳预应力施工模拟与变形监测

为了准确估计预应力施工过程中混凝土安全壳变形,以某核电站安全壳为背景,利用有限元软件ANSYS的重叠单元和生死单元技术,考虑混凝土弹性模量随龄期变化的影响,建立复杂实体有限元计算模型,结合现场预应力摩擦试验,分析时间相关的预应力损失与混凝土徐变对安全壳变形的影响。结果表明：考虑混凝土收缩徐变与预应力筋应力损失等因素的影响,无论穹顶观测点,还是筒体观测点,考虑混凝土收缩徐变和预应力筋的应力松弛引起的应力损失时变的位移与现场实测的位移变化规律一致,而且更接近于现场实测位移。预应力筋应力松弛引起的预应力损失时变对安全壳变形影响较小,但混凝土收缩徐变引起的预应力损失时变不容忽视,二者不存在相互影响。对安全壳进行考虑混凝土收缩徐变以及其引起的预应力损失时变力学分析,可更加准确预测徐变对核电站安全壳长期变形的影响,从而为安全壳设计提供理论依据和技术支撑。     

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.     

核电厂预应力混凝土安全壳结构抗震裕度评估

为了探究不同强度地震作用下核安全壳结构发生开裂的失效概率,评估结构抗震裕度,对其进行静力弹塑性分析,确定发生开裂破坏时的顶点水平位移损伤指标.选取15条地震动记录对结构进行增量动力分析,对结果进行线性回归分析,得到结构地震概率需求模型及地震易损性曲线.利用对数正态地震易损性分析模型进行结构抗震裕度分析,确定了结构高置信度低失效概率值为0. 254g,该值为安全停堆地震水平的1. 27倍.结果表明,核安全壳结构具有良好的抗开裂能力,地震易损性分析可以较好地反应其发生开裂破坏的概率与地震动强度水平之间的关系.     

天然气管道泄漏爆炸事故风险分析

针对天然气管道泄漏爆炸,采用爆炸冲击波超压模型,结合TNT当量法对超压进行理论计算,确定了其爆炸事故的伤害范围,找到了影响超压的主要影响因素,提出了减小冲击波超压的措施,为制订天然气管道安全运行及应急预案提供了依据。     

水下爆炸船体结构响应间断伽辽金法数值模拟

为求解水下爆炸强间断流场,采用Level Set方法定位多相流界面位置,应用虚拟流体方法处理邻近界面两侧物理量,并用RKDG方法进行空间和时间的离散,求解流场的Euler方程,并进行一维、二维评价,计算结果能够较好地反映水下爆炸冲击波产生、传播、反射和爆炸产物的膨胀等现象.最后,结合大型非线性有限元软件ABAQUS,模拟了船体板在水下爆炸载荷作用下的变形和响应特征.模拟结果表明,间断迦辽金法能够实现对水下爆炸船体结构响应精确模拟,板架结构响应与爆心距离成反比.