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。     

接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播规律

采用有限元分析软件ATUODYN,对接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播进行了数值模拟,得到了防护结构孔口和内部中心处冲击波超压－时间曲线;分析了炸药量和爆心距孔口距离对防护结构内部超压、正压冲量的影响;以数值计算结果为基础,结合量纲分析,拟合得到了结构内部中心处爆炸冲击波特征参数的预估公式。     

空中强爆炸冲击波地面反射规律数值模拟研究

为准确预测空中强爆炸产生的冲击波载荷分布,基于欧拉坐标系建立了能够模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维多介质流体数值方法。结合网格自适应技术,对1 kt TNT当量的空中强爆炸在不同爆炸高度下的冲击波地面反射过程进行了数值模拟,并考虑了真实气体状态方程和空气随高度不均匀分布的影响。计算得到了地面上距爆心投影点大尺度范围内的反射超压和冲量等冲击波载荷分布,并给出了冲击波载荷随爆高的变化规律。     

舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围,设计了大尺度舱段模型,并开展了舱室内爆毁伤试验,试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式,分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理,据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明：(1)舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤,形成多种破坏模式;(2)舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元;(3)建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏,理论计算结果与试验结果吻合较好。     

舱内爆炸载荷下箱型舱室角隅连接结构设计

通过有限元软件LS-DYNA建立了舱内爆炸载荷下箱型舱室动响应数值模型,并借助文献试验结果验证了数值模型的可靠性,研究了平板型、内凹型、外凸型、箭头型、箭矢型、背面弧型等6种角隅连接结构对舱内爆炸载荷下箱型舱室变形、特征位置压力和破坏模式的影响,分析了内爆效应下角隅连接结构的失效机理。数值结果表明:舱壁角隅位置是舱内爆炸载荷作用下舱室易发生破坏撕裂的特征位置;相比无连接结构,平板型连接结构对舱壁最大塑性变形改善最大,降低幅度达到了31.9%;背面弧型连接结构能够使箱型舱室角隅等效塑性应变降低约60%;设置连接结构能够改变高塑性应变的发生位置,进而改变箱型舱室的破坏模式;采用平板型、内凹型、背面弧型连接结构的箱型舱室能够有效避免角隅失效破坏。     

缸内激波对锥顶型燃烧室的活塞破坏机理

以二维数值模拟为基础,研究了锥顶型燃烧室内的冲击波发展的震荡过程,得到作用于活塞不同位置处的超压分布。模拟结果表明:由于燃烧室结构的独特性,导致冲击波能在特定区域进行汇聚,致使该区域超压明显高于其他区域。将该模拟结果与实际破坏失效的活塞进行对比,发现冲击波汇聚区域往往就是活塞被破坏的地方。数值模拟结果与实际破坏结果吻合很好。这为设计燃烧室形状以避免冲击波对活塞造成破坏提供了理论基础。     

一种冲击波作用下结构毁伤算法研究

针对爆炸冲击波与建筑物结构相互作用过程,分析了冲击波与结构碎块作用机理,发展了一种能够模拟建筑物结构破坏及冲击波传播过程的计算模型和方法。采用建筑物结构工程毁伤载荷作为判据,处理结构在冲击波作用下的破坏问题;利用流固耦合界面算法处理结构运动引起的泄压效应,利用“虚拟网格通气技术”处理结构碎块对冲击波的阻碍作用,模拟了冲击波作用下典型建筑物的毁伤过程及冲击波传播过程。结果表明,该模型在模拟冲击波与结构的作用过程中,压力计算结果与非结构动网格模拟结果符合较好;在典型建筑物毁伤过程的数值模拟中,计算得到的建筑物毁伤效果和冲击波超压分布与建筑物物理毁伤特点符合。     

基于仿真与量纲分析的不同药量TNT内爆下多舱室结构毁伤规律研究

利用流固耦合算法,模拟了不同药量TNT内爆下大尺寸多舱室结构的毁伤效应。将各舱室划分为爆炸舱、共面邻舱、共边界邻舱和共点邻舱,再划分内爆下多舱室结构的毁伤等级。通过量纲分析,研究了内爆载荷下舱壁的变形失效规律,推导了内爆下多舱室结构的无量纲毁伤数,该毁伤数考虑了内爆载荷、材料性能和作用空间等因素,最后给出快速毁伤预测方法。研究结果表明:（1）内爆下多舱室结构的毁伤特点主要表现为舱壁挠曲变形、舱壁中心冲切失效、舱壁边界撕裂;（2）舱壁挠曲变形的挠厚比δ/H和固定边界撕裂的裂缝长厚比l/H均与药量-单舱室容积比m/V有明显线性关系;（3）提出的无量纲毁伤数和快速预测方法能够反映内爆下多舱室结构的毁伤情况,可为舰船毁伤研究提供参考。     

圆筒装置内爆炸压力载荷特性实验研究

为了研究密闭环境压力载荷波形特征和分布规律,开展了长径比2∶1圆筒装置的TNT装药内爆炸实验,获取了圆筒壁面、端盖板表面的压力载荷数据,结合仿真计算结果,研究了圆筒壁面、端盖板上压力载荷波形特征和形成机理,建立了压力载荷峰值的表征模型,并开展了模型验证。结果表明,圆筒壁面与盖板压力载荷波形不完全相同,壁面压力载荷按照爆心距由近到远,从显著的单波峰向多峰值变化,在近场区域压力载荷衰减特性与一定炸高自由地面冲击波类似;盖板上压力载荷呈多波峰特点,中心区域压力载荷最大峰值大于首峰值的3倍,角隅区域大于首峰值6倍;圆筒壁面上的压力载荷最大峰呈现凹型分布规律。该研究结果可为密闭环境内爆载荷的特性分析和结构毁伤评估提供参考。     

复杂多舱室内炸药爆炸爆轰产物运动二维数值模拟研究

为了研究复杂多舱室空间内炸药爆炸后爆轰产物运动规律,采用三阶WENO有限差分格式,通过耦合求解两组分可压缩欧拉方程,自主编写了多舱室内炸药爆炸过程二维数值计算程序。利用平面激波绕射矩形台阶上的竖直平板实验与数值模拟纹影图进行了对比,图中不同时刻的波系结构和台阶、竖直平板处绕射形成的漩涡结构均证明了文中程序开发的可靠性和正确性。采用验证的程序开展了复杂多舱室内炸药爆炸过程数值计算,探讨了复杂多舱室内炸药爆炸爆轰产物的传播路径及泄压口泄压对爆轰产物运动规律的影响。研究表明:舱室泄压对复杂多舱室内爆轰产物运动的影响,在爆炸初期较小,在爆炸后期较大;爆炸舱室内部泄压能显著地降低相邻舱室超压载荷强度(40%左右),减弱爆炸对相邻舱室的毁伤效应。本文的研究可为进一步探讨、考虑燃烧效应后爆轰产物扩张过程及爆炸毁伤评估提供一定的参考和指导。     

近距离爆炸比例爆距的界定标准及荷载模型

如何准确界定“近距离爆炸（close-in explosion）”一直是防护工程研究领域的热点。本文中基于已被充分验证的精细化有限元模型,研究了TNT球形装药自由场爆炸冲击波传播与爆轰产物高速膨胀共同作用的特点和规律,发现在比例爆距小于0.80 m/kg1/3的范围内,爆轰产物对刚性壁面的爆炸荷载影响显著,提出球形装药近距离爆炸的比例爆距界定标准为0.30～0.80 m/kg1/3。研究发现,在近距离爆炸下,爆炸波在入射角为0°～5°范围内的刚性壁面反射荷载峰值会出现急剧下降的现象,这是由爆轰产物喷射的不均匀性和随机性导致的;近距离爆炸下,刚性壁面反射超压出现了两个峰值的现象,这是由冲击波和爆轰产物分别与刚性壁面相互作用导致的。提出了近距离爆炸情况下两个荷载峰值的计算公式,以及适合工程结构响应计算的简化荷载模型;揭示了近距离爆炸下刚性壁面反射超压的分布规律。     

水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性

采用模型实验方法,研究了近自由面水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性。根据实验模型的破坏结果和压力测试结果,分析了水下爆炸产物与防雷舱舷侧空舱的相互作用过程以及水下爆炸产物的压力变化规律。研究表明:防雷舱舷侧空舱的载荷可分为冲击波载荷、准静态压力载荷和负压载荷3种,防雷舱舷侧空舱的破坏主要由冲击波载荷和准静态压力载荷造成,并且准静态压力载荷的比冲量是冲击波载荷的数倍,而负压载荷对防雷舱舷侧空舱破坏的影响可忽略不计。     

防护模型在接触爆炸作用下的破坏

根据大型舰船的多层防护结构,制作了具有多层隔舱的模型,在外层板中心分别进行了3种药量的接触爆炸。通过分析破口的形状、破坏程度来研究舰船多层防护的作用。通过试验得出,多层防护的空舱对爆轰产物和爆炸冲击波具有良好的膨胀衰减作用,液舱则对粒子流、爆轰产物和冲击波的衰减作用明显。舰船的多层防护体系对减小爆炸冲击的损伤具有重要作用。     

大断面隧道钻爆冲击波的衰减规律

隧道开挖爆破产生的空气冲击波的破坏效应,将会对人员、机具设备与周围环境造成危害。隧道钻孔爆破冲击波的影响因素比裸露药包爆炸更多、更复杂,研究其衰减规律对采取合适的防护措施意义重大。本文中开展了时速350 km双线铁路大断面隧道钻孔爆破空气冲击波的现场测试,分析了不同工况下冲击波传播规律及影响因素。结果表明:钻爆冲击波超压时程曲线存在多个不同幅值的超压波峰,波峰之间具有明显微差延时的短间隔性,传播至远场未形成稳定的单一平面波,与单一药包爆炸冲击波的传播规律存在差异;钻爆冲击波超压信号由多段与微差延时相对应的子信号叠加而成,子信号数量与毫秒延期雷管段数相同,呈现出典型的时域特征;相同爆破条件下,大断面隧道钻爆时的乳化炸药冲击波转化因数小于小断面巷道工况下的;相较于总药量及最大段药量,按掏槽药量计算的超压峰值与实测超压峰值之间的相关性最强,钻爆冲击波最大超压峰值宜按掏槽段炸药TNT当量确定;隧道内大型机械设备等障碍物改变了钻爆冲击波流场的传播规律,呈现较明显的叠加放大效应。     

水下爆炸对沉箱重力式码头毁伤效应

通过开展不同爆距下水下爆炸对沉箱重力式码头模型毁伤效应试验,对水下荷载进行了采集分析,对毁伤因素、毁伤模式和毁伤机理开展了研究,初步讨论了爆距的影响。结果表明:试验中未形成完整的气泡脉动过程,荷载超压主要出现在冲击波传播阶段,爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波是主要的毁伤因素;水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤程度大、模式多、机理复杂,主要毁伤部位为迎爆面外墙、迎爆侧管沟、封仓板和面板;爆距越近码头毁伤越严重;当爆距过近时,爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收,迎爆面毁伤程度大幅增大,码头其他部位毁伤程度增幅放缓。     

含双侧分支受限空间油气爆炸火焰行为与超压特性大涡模拟

为研究含分支结构狭长受限空间油气爆炸特性规律,基于大涡模拟WALE模型和Zimont预混火焰模型,对横截面为100 mm×100 mm的含双侧分支管道受限空间油气泄压爆炸特性进行了数值模拟。通过对火焰形态、火焰传播速度和动态超压3个物理量的对比,验证了所建立模型对于含分支结构受限空间油气爆炸计算的适用性。基于数值模拟结果,对爆炸过程中的流场结构、火焰形态和超压变化规律进行了分析,指出了“浪花状”火焰的形成原因。结果表明:（1）火焰传播进入分支管道前,在主管道和分支管道交界处会产生旋转方向相反的对称涡旋结构,并随着火焰传播不断向分支管道内部发展;（2）当火焰传播进入分支管道后,分支管道内部前期已建立流场决定了火焰的形态,火焰锋面在涡旋结构作用下呈“浪花状”,此后火焰和流场相互影响,流场向湍流转捩,火焰锋面褶皱变形;（3）爆炸超压升压过程可划分为4个阶段,受到火焰锋面面积和分支管道泄压共同作用,表明爆炸流场、火焰行为和动态超压呈现出显著耦合性。     

外爆条件下冲击波与组合壳结构的相互作用

为研究冲击波与组合壳结构的相互作用,针对带防护墙的地面直立钢筋混凝土组合壳结构,考虑结构安置于地面和周边围土2种工况,开展结构爆炸实验,分析了结构外表面冲击波荷载分布及振动特性。实验结果表明:冲击波作用下,结构外表面爆炸荷载主要产生在冲击波绕射过程,确定荷载时应考虑冲击波压力在绕射传播过程中的自然衰减;整个结构中与冲击波最早接触的构件先产生振动,而后由于结构整体参与使得振动频率降低,振动幅值减小;结构周边围土可降低防护墙迎爆部分构件的振动频率,减小防护墙和组合壳的振动幅值。