近场近地爆炸下建筑柱爆炸荷载分布规律及简化模型

为了快速评估近场近地爆炸荷载下建筑柱的动力响应和破坏模式,通过数值仿真方法,探究了近场近地爆炸工况下冲击波在建筑柱迎爆面的分布规律,并提供了该工况下的爆炸荷载简化模型。为此,首先利用已有实验数据验证数值模型,并建立典型近地近场爆炸工况的数值模型,然后研究比例爆距和比例爆高对建筑柱冲击波特征参数的影响规律,最后拟合出柱迎爆面反射冲量和正相超压持续时间的计算公式,将柱迎爆面各点爆炸荷载转化为等效三角形荷载模型,为工程实践中建筑柱遭受近场近地爆炸作用下的抗爆设计提供荷载输入。研究结果表明：当比例爆高小于0.3 m/kg^1/3、比例爆距在0.4～0.6 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可简化为三折线分布;当比例爆距在0.6～1.4 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可近似简化为双折线分布;在同一比例爆距和比例爆高工况下,随着炸药当量的增加,柱迎爆面相同比例高度处反射超压峰值保持不变而反射冲量正比于当量的立方根。     

水下爆炸对重力坝的毁伤效应及最优爆距

为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应,并探讨是否存在“最优爆距”,基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型,并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600 mm,炸药量为2.2 g,重力坝模型几何比尺为1/80,包含5组爆深（50～250 mm）,每组爆深对应12组爆距,爆距范围为10～200 mm,相应比例爆距范围为0.077～1.54 m/kg1/3。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度,并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明,对于重力坝整体结构破坏,如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏,水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”,即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低;与之类似,随着爆距的增加,重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40 mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同,5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40 mm附近,表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。     

可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究

我们成功地研制了长为6.6m、内径为100mm的柱形爆炸激波管。利用此激波管我们研究了氢气和氧气混合物的爆炸特性。研究表明:氢气和氧气混合物的可爆性极限为25％H2至84％H2（体积比）;混合物起爆的临界初始压力P0c近似与混合物的浓度无关。我们还用石英传感器技术测量了混合物从爆燃转变为爆轰的过程（DDT）,确定了爆炸速度、爆炸压力与混合物初始压力P0的关系。爆燃波速度D和压力P快速增加,并且DG0（声速）时,爆燃波能转变成爆轰。爆燃波速度D和压力P衰减时,爆燃波将熄灭。氢氧混合物浓度接近上限时,爆燃向爆轰转变时的爆轰呈过激励状态,然后逐渐趋于正常爆轰。C-J理论可近似预估气体爆轰参数。     

高压泄爆导致的二次爆炸

基于计算结果和相关实验结果,通过理论分析,对高压泄爆导致的二次爆炸机理进行了系统的阐述。泄爆后,泄出的高压可燃气体在泄爆口附近形成可燃云团,由于欠膨胀,云团内存在稀疏波低压区和Mach干高压区。火焰射流泄出后,在一定条件下,可使Mach干高压区内的可燃云团爆炸式燃烧,压力迅速上升,以致产生二次爆炸。     

舷侧近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

为探究舷侧近距离爆炸对水面舰船的毁伤效应,设计了大尺度舱段模型,并开展了舷侧近距离水下爆炸试验,试验后测量了舱段模型破坏范围及破坏模式、模型典型部位冲击环境数据、典型部位动态响应。综合对比可发现:(1)舷侧近距离水下爆炸下,在爆心区域可对舱段模型形成严重毁伤破坏,但毁伤范围有限,基本以局部破坏为主;(2)舷侧近距离水下爆炸下可形成较为明显的水射流载荷,主要是由气泡与非完整边界、自由面在耦合过程中形成的,与传统研究的气泡收缩失稳引起的水射流载荷形成机理存在一定的差异;(3)基于板格能量计算方法,建立了舷侧外近距离爆炸下舷侧爆炸破口计算公式,与试验结果吻合较好;(4)近距离爆炸下,舷侧外板的破坏模式与爆距存在较大的关系。本文的研究成果对舰船抗爆防护具有很强的指导意义。     

基于双折线抗力模型的空爆荷载梁式构件振动位移研究

为研究双折线抗力模型对空爆荷载梁式构件振动位移的影响,提出了柔性、刚性两类梁式构件正向弹塑性振动及回弹阶段弹塑性振动的分析法。应用等效单自由度法建立了各阶段振动方程并依据不同的初始条件推导出了各阶段的理论解。采用此理论解和代表性塑性强化系数,开展了双折线抗力模型中不同塑性强化程度对两类梁式构件正向弹塑性振动及回弹阶段弹塑性振动位移的典型工况验证。研究结果表明：基于双折线抗力模型位移理论解的适用范围更广;随着双折线抗力模型塑性强化系数的增大,两类梁式构件的最大弹塑性位移、残余变形均逐渐减小,且残余变形降低程度高于最大弹塑性位移;塑性强化系数增大到一定程度,梁式构件回弹阶段将出现塑性振动位移,进一步降低残余变形,无塑性回弹位移的理想弹塑性抗力模型会高估空爆荷载下梁式构件的残余变形。

     

泄爆过程中外部爆炸现象的实验研究

采用压力测量与YA-16 高速阴影系统同步测量方法,对柱型容器内甲烷-空气混合气体的燃烧及泄爆过程进行实验 研究. 获得正常泄爆和发生外部爆炸(也称二次爆炸)时泄爆外流场压力-时间曲线和流场 阴影照片. 结果表明：泄爆过程中发生外部爆炸的典型特征为, 在压力-时间曲线上,破膜激 波形成的第一个压力峰值后出现外部爆炸形成的第二个压力峰值,在流场阴影照片上,破膜 激波后有第二道爆炸波出现.     

云爆药剂爆炸超压测试及威力评价

借助压力测试系统,在自由场及地面布置压力传感器,分别测量了熔铸TNT、一次云爆药剂和二次云爆药剂在自由场和地面的爆炸场冲击波超压,经分析处理后拟合得到适用于3种炸药的自由场和空中爆炸超压发展公式,并计算云爆药剂的TNT当量。实验结果表明:实验选用的二次云爆药剂的自由场和地面平均TNT当量相比一次云爆药剂分别提高了60%和69%,说明二次云爆药剂比一次云爆药剂具有更大的超压作用效果;3种药剂的自由场超压峰值都比地面小10%左右,说明地面的反射效应依旧存在,在实际超压威力评估时应采用一定的修正系数。实验结果可丰富云爆药剂和传统炸药的小当量实验对比数据,为云爆药剂爆炸场参数的研究和威力评估提供参考。     

爆炸荷载下沉箱重力式码头模型毁伤效应

在野外条件下开展了不同爆炸荷载条件下沉箱重力式码头模型毁伤效应实验,得到了沉箱重力式码头模型在1 kg TNT当量空中爆炸、水下爆炸以及结构内部爆炸后的毁伤模式,并针对不同毁伤模式给出了相应的抢修建议。实验结果表明：空中爆炸荷载下码头仅面板局部破坏形成爆坑;水下爆炸荷载下码头迎爆面及相近区域形成大量裂缝;结构内部爆炸荷载下码头仓格大变形破坏且中间面板被掀飞;从横向对比来看,在相同爆炸当量下空中爆炸荷载下码头毁伤程度最小,结构内部爆炸荷载下码头毁伤程度最大。

     

爆炸荷载作用下结构冲量的测量

冲击摆是间接测量爆炸荷载下瞬态冲量的一种有效装置。常用的冲击摆为典型的复摆模型,设计、加工和数据处理复杂,质心难以准确测定,对冲量测定的精度影响较大。特别是测量爆炸载荷试验中的冲量时,遇到较大的困难。文中引入一种冲击摆的改进装置,将传统的冲击摆简化为等效单摆,限制了传统冲击摆的转动效应,考虑了阻尼对冲量计算的影响,减小了不确定性因素产生的试验误差。对比分析两种冲击摆在爆炸荷载下冲量的测量原理,改进装置具有设计加工简单、试验精度高、数据处理方便等优点。最后将改进装置应用于泡沫铝夹芯壳的爆炸试验中,通过测量其最大平动位移得到了待测冲量。试验结果也证明了改进装置的可行性．     

近爆荷载作用下装配式钢筋混凝土柱抗爆性能及受损加固试验研究

为研究近爆荷载作用下装配式钢筋混凝土（precast concrete,PC）柱的抗爆性能与受损后的加固修复性能,开展了足尺PC柱化爆试验与受损柱加固修复轴压试验研究。共开展了3次化爆试验,获得了PC柱的动力响应与损伤破坏试验数据,分析了PC柱与现浇钢筋混凝土（reinforced concrete, RC）柱试验结果的差异。近爆荷载作用下,PC柱呈现出局部损伤破坏模式,爆心附近混凝土剥落,出现斜裂缝,装配位置的交界面出现贯穿裂缝,锚浆搭接PC柱比灌浆套筒PC柱的损伤更加严重。两种装配形式的PC柱整体上具有与RC柱相近的抗爆性能,但装配界面削弱了PC柱的整体性与抗剪切能力,是PC柱典型的薄弱位置。轴压试验结果表明,分别采用置换混凝土和置换后外包碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforcement polymer, CFRP)布的方式加固受损的两根PC柱,其轴向承载力均超过了同规格未受损柱的试验承载力和设计承载力。

     

底部近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

底部近距离爆炸可对水面舰船造成致命性打击,为探究其破坏机理,本文中开展了底部近距离爆炸下舱段模型的毁伤试验,获取了舱段模型破损区域试验数据、非破损区域的冲击环境数据。同时借助舷侧近距离爆炸试验结果、底部中远场爆炸试验结果,综合对比可发现：（1）底部近距离爆炸下,舱段模型会呈现整体隆起变形、爆心区域撕裂并伴有较大凹陷变形、舷侧外板大面积屈曲失稳等典型特征;（2）相比舷侧爆炸方位,底部爆炸对舱段模型具有很强的综合毁伤效果,底部爆炸相对舷侧爆炸对舱段模型的综合毁伤效果可提高40%以上;（3）在冲击环境方面,底部近距离爆炸下非破损区域测点中高频段的冲击谱曲线变化趋势基本与中远场爆炸一致,但在低频阶段,底部近距离爆炸下的谱位移要远高于中远场爆炸工况。

     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察,结合数值模拟,分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明,舱内爆炸下,舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别,其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述;舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力,其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上;舱室板架结构主要有4种失效模式,其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生;舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加,但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度,减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

气体泄爆压力分步计算模型及其湍流修正

通过将密闭空间内爆燃泄放过程进行微分,假设各微分时段内爆燃泄放过程均按照先燃烧、再泄放、最后压力平衡的过程独立分步进行,最终得到泄爆压力分步计算模型。同时,在尺寸为2 m×1.2 m×0.6 m的爆炸腔体一端安装击穿压力相同、泄放面积不同的泄爆构件进行泄爆实验,对分步压力计算模型进行验证。对比发现:大面积泄放条件下,2个传感器测得的压力曲线基本重合,均为单峰值曲线,此时模型计算值与实验结果吻合较好;小面积泄放条件下,腔体内压力曲线均为双峰值曲线,由于泄放截面改变加剧口部湍流扰动,使得腔体内部产生压力梯度,近泄爆口处传感器测得的第2个压力峰值要大于腔体内部传感器相应的测量值,经湍流速度修正后的压力计算模型可以较好地描述近泄爆口处的压力变化情况。     

Damage model and damage assessment for single-layer reticulated domes under exterior blast load

Long-span reticulated dome is often considered as a landmark building of a region, so it is very important to investigate the dynamic response and propose the damage assessment method of reticulated dome under blast loading. In this article, a fine finite element model of Kiewitt8 (K8) single-layer reticulated dome was established by using ANSYS/LS-DYNA. The effects of standoff distance, charge weight, rise–span ratio, span, and roof weight on the responses of K8 single-layer reticulated dome were numerically studied. The results showed that the blast-resistant performance of reticulated dome with smaller rise–span ratio and larger span under exterior blast load was more advantageous. Although the blast-resistant capacity of reticulated dome with large span and large roof weight was favorable, the plastic deformations of reticulated dome members were small and the utilization of material was low at failure state. According to the dynamic response characteristics of plentiful K8 single-layer reticulated domes at different damage levels, a damage model of K8 single-layer reticulated dome under exterior blast load was proposed in this article to indicate the damage level and determine the ultimate strength. Besides, a new damage criterion for K8 reticulated dome was also defined. This damage model was defined based on the physical phenomena at different damage levels, which made the strength failure criterion had definite physical meaning. Using the proposed damage criterion and a new search algorithm for pressure and impulse, the pressure–impulse diagrams for the typical K8 reticulated dome were derived from the numerical simulations to evaluate the damage level of reticulated dome under blast loading. Finally, a method to determine the safety standoff distance for reticulated dome under given TNT charge weight was also proposed.     

近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好,证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明,相比普通混凝土夹层,泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播,大幅降低洞室内部空气的压力峰值,降低超压对人体器官的损伤,提高洞室内部人员的生存几率;采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

多点云雾爆炸波相互作用的数值模拟

为研究多点云雾爆炸超压场的分布特性,利用LS-DYNA程序,对4个非圆柱体云雾的爆炸超压的相互作用过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比。得到了中心区域冲击波相互作用演化过程与中心竖直方向0~20 m处的超压变化规律,以及0°、90°、135°和180°等4个方向的地面峰值超压随水平距离变化的规律。结果表明:中心区域地面依次出现3重冲击波;地面整体超压场强度向中心区域倾斜。在45°方向竖直截面上冲击波波系由入射波、反射波与马赫波构成。     

爆炸荷载下网壳结构的动力响应及泄爆措施

以有限元软件ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了40m 跨度K8型单层球面网壳在中心TNT 爆炸荷载作用下的精细化有限元数值分析模型。在网壳结构各组成部分的单元选取、钢材本构关系与参数确定、网格尺寸选择与划分方式、结构对称性应用等方面进行了探索,保证了有限元动力分析的精度与可行性。通过比较网壳结构的塑性应变及其发展程度、杆件应变与位移等结果获得了不同网壳矢跨比、炸点距离以及屋面板厚度下的结构爆炸响应规律;以屋面板作为网壳结构的泄爆方式,研究了屋面板开洞率、开洞数量及洞口分布、洞口位置对结构响应的影响。总结了中心爆炸荷载作用下大跨度单层网壳结构的动力响应结果、最佳的屋面板泄爆布置方案,为网壳结构的合理抗爆及防御设计提供了理论依据。     

爆炸载荷下仿贝壳结构的动态响应

贝壳珍珠层是一种具有高强度和高韧性的天然材料,这种优异的性能主要来源于多尺度、多层级的“砖泥”结构。本文受贝壳特殊结构的启发,构建了仿贝壳砖泥结构的有限元模型,并进行了爆炸实验。通过实验发现:在爆炸冲量为0.047 N·s时,试件发生灾难性破坏,使得中心处发生掉落,且伴随着试件夹持端的剪切破坏,与数值模拟结果具有良好的一致性。在实验基础上,对仿贝壳砖泥结构在爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。研究发现,在爆炸载荷下仿贝壳砖泥结构会产生五种不同的破坏模式,包括:Ⅰ,结构整体无损伤;Ⅱ,结构前表面无明显破坏,后表面发生破坏;Ⅲ,结构发生掉落型贯穿破坏,夹持端无剪切破坏;Ⅳ,结构发生小块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏;Ⅴ,结构发生大块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏。并且给出了不同破坏模式的临界阈值,单层砖泥结构的破坏阈值为0.019 N·s,五层砖泥结构的破坏阈值为0.047 N·s,当冲量超过破坏阈值时,试件发生灾难性破坏。研究分析了堆叠层数对仿生结构的力学响应,在同一冲量下,随着层数的增加,结构的破坏模式发生改变,由贯穿型破坏逐渐变为仅发生一定塑性变形。随着层数增加,结构的损伤阈值增加。最后提出仿贝壳砖泥结构的增韧机理主要有裂纹偏转和微裂纹。