栓钉型弧形双钢板混凝土组合板的抗爆性能试验与数值分析

弧形双钢板混凝土组合结构由钢板、混凝土与连接件协同作用,具有更优异的抗震和抗爆性能,被应用于超高层结构、海洋平台和核电设施中。利用试验和数值分析方法研究了栓钉型弧形双钢板混凝土组合结构的破坏模式和损伤机理,参数化分析了爆炸距离、钢板厚度、拱高和栓钉间距对其抗爆性能的影响。结果表明：在爆炸荷载下,栓钉型弧形双钢板混凝土组合板整体表现良好,仍具有较高的承载能力。增加爆炸距离和钢板厚度能有效减小混凝土的损伤和组合板的跨中挠度;减小拱高,混凝土损伤区域从以压缩破坏为主逐渐转换为以拉伸破坏为主,混凝土损伤更严重,组合板跨中挠度变大;减小栓钉间距会增大混凝土塑性损伤程度,但组合板的跨中挠度减小。研究结果可为弧形双钢板混凝土组合结构的设计提供参考。     

近场多发爆炸荷载作用下方钢管构件的动态响应及其损伤

为研究多发爆炸荷载作用下方钢管构件的动态响应及损伤情况,依据方钢管单发爆炸试验确定合理的模型参数,分析了近场爆炸总药量相同的条件下药量等分份数、药量质量比以及起爆时间间隔3种因素对方钢管构件抗爆性能的影响。结果表明：多发等分药量同时起爆时,方钢管迎爆面变形和挠度分别比单发爆炸时大17.5%和32.1%;对于两发爆炸荷载,当两发炸药的质量接近时,方钢管迎爆面变形和挠度比质量差异较大时大18.3%和19.7%。对于多发等分药量爆炸荷载：当各炸药爆心到方钢管跨中的距离相同时,非同时起爆时方钢管迎爆面的变形比同时起爆时小4.3%,且起爆时间间隔越长,变形越小;当各炸药爆心到方钢管跨中距离不同时,调整各炸药起爆时间可使方钢管迎爆面跨中变形比同时起爆时大13.9%。     

爆炸冲击波作用下预制孔靶板塑性变形规律的研究

利用非线性动力学软件AUTODYN,对爆炸冲击波作用下无孔及预制孔靶板的塑性变形进行了数值模拟,获得了不同孔数、孔径情况下靶板中心点挠度的变化规律;设计了模型实验,其结果与数值结果符合较好;并以爆炸冲击波作用下无孔靶板中心点挠度计算公式和数值计算结果为基础,通过拟合给出了预制孔靶板中心点挠度与孔密度、孔径之间的函数关系,该关系可为有孔平板目标的毁伤评估及破片、冲击波对平板目标联合毁伤研究提供参考。     

爆炸载荷作用下钢-混凝土-钢组合板的动态响应数值模拟

钢-混凝土组合结构的抗爆性能已成为防护工程和反恐防爆等领域的研究热点。以钢-混凝土-钢组合板为例,利用有限元软件ABAQUS对爆炸载荷作用(爆距为2.5~7.5 m,TNT炸药量为50~100 kg)下该结构的破坏形态和动力学性能进行了数值模拟。研究结果表明,组合板的破坏形态与炸药量和爆距有关。炸药量越大,爆距越小,组合板的破坏程度越明显。当TNT炸药量为100 kg、爆距为2.5 m时,组合板发生明显的翘曲,出现了塑性铰。钢板的存在有效地抑制了核心混凝土的剥落。在爆距相同的条件下,炸药量越大,组合板的变形越明显,跨中挠度和峰值速度也越大。当炸药量相同(100 kg)时,与爆距为7.5 m相比,爆距为5.0 m时组合板的跨中挠度为其1.53倍,爆距为2.5 m时组合板的跨中挠度为其5.01倍。     

聚脲/铝分层复合结构的抗爆性能研究

为研究聚脲/铝分层复合结构的抗爆性能，对在空爆载荷下的聚脲/铝结构进行了数值模拟，并与文献中的试验结果进行对比，验证数值模型的准确性。在此基础上研究了等质量条件下，复合结构层数、复合结构中金属铝的体积分数以及聚脲层位置对靶板中心点挠度的影响，分析爆炸过程中结构的能量吸收特点。结果表明：在等质量下，聚脲/铝分层复合结构存在最优的结构设计；在所讨论的结构中，除铝体积分数为90%的4层结构外，其他结构的抗爆性能均优于均质铝板，铝体积分数为10%的一层结构的抗爆炸性能最好；聚脲涂覆位置影响结构的抗爆性能，且聚脲涂覆在背爆面时抗冲击性能更优；铝板的内能吸收是复合结构能量吸收的主要部分，铝板的内能吸收比例随着铝体积分数的增加先减小后增大。研究结果可为聚脲/铝复合结构的抗爆设计提供参考。     

抗爆型聚脲涂层的性能及其抗爆机理

通过广角X射线衍射仪、差示扫描量热法实验、扫描电子显微镜以及聚脲喷涂钢筋混凝土板的接触爆炸实验,研究了Qtech T26抗爆型聚脲(T26聚脲)的力学强度、分子结构及热性能,分析了有无涂层钢筋混凝土板的宏观形貌及涂层的微观形貌,考察了T26聚脲喷涂钢筋混凝土板的抗爆能力和防护机理。结果表明:T26聚脲的拉伸强度达到25.4 MPa,断裂伸长率为451.9%;其分子链中软段与硬段之间排列有序,微晶区结晶度为24.11%;软段玻璃化转变温度为-44.9℃,硬段玻璃化转变温度为36.5℃,呈现出一定的微相分离形态。爆炸实验后,无涂层钢筋混凝土板的迎爆面出现较大凹坑,背爆面被震塌,混凝土破碎;而对于有涂层的钢筋混凝土板,其迎爆面出现较小凹坑,迎爆面涂层除了因瞬间高温而导致的聚脲软化外,爆炸反射波的稀疏拉伸作用使聚脲材料发生破坏,聚脲涂层被撕裂,而背爆面则由于聚脲涂层削弱了稀疏拉伸波的作用,从而保护混凝土材料不被破碎,避免爆炸碎片飞溅。     

多次水下爆炸中船体梁的累积毁伤效应

针对在多次水下爆炸中船体梁的累积毁伤问题,采用AUTODYN软件与试验相结合的方法,分析了炸药当量、爆距、爆炸次数等因素对船体梁累积毁伤效应的影响。结果表明:在水下爆炸加载作用下,船体梁会发生中部凹陷局部塑性变形和整体中拱塑性弯曲变形。在一定冲击因子作用下,其挠度与水下爆炸加载次数呈线性关系,且药量越大,挠度越大。爆距相同时,同等当量炸药对船体梁进行单次和均分连续3次水下爆炸加载,其最终塑性变形挠度不同,均分连续3次爆炸作用下船体梁的塑性变形挠度更小。     

钢筋混凝土靶板在弹丸冲击及爆炸载荷下响应的数值模拟

 采用HJC混凝土损伤本构模型及LS-DYNA的流固耦合算法,分别对钢筋混凝土靶板在弹丸冲击和爆炸载荷作用下的响应进行了有限元数值模拟,其中模拟参数由实验数据拟合重新获取。将模拟结果与实验结果和经验公式进行对比分析,结果表明：数值模拟再现了弹体贯穿靶板过程中的开坑、隧道及漏斗碎裂区,计算得到的弹体弹道极限及残余速度与实验数据吻合较好;此外,数值模拟也很好地再现了炸药爆炸后冲击波的传播过程以及爆炸载荷作用下混凝土的破坏情况,模拟结果与实验现象具有良好的一致性。     

钢纤维混凝土板在冲击与爆炸荷载下的K&C模型

钢纤维混凝土(Steel fiber reinforced concrete,SFRC)具有优异的延性、韧性及能量吸收能力,被广泛应用于各类防护结构。K&C模型已成为研究普通混凝土构件动力响应的常用材料模型,但仍无法准确表征SFRC的动力特性。为了提高K&C模型在冲击及爆炸荷载作用下预测SFRC板动力响应的能力,对K&C模型进行了改进:基于大量三轴压缩实验数据,建立了新的失效强度面参数模型;采用反复试验法,建立了新的损伤演化模型,并校准了拉、压损伤参数;基于大量高应变率下SFRC的单轴压缩实验数据,建立了新的受压动力增强因子模型。通过LS-DYNA显式有限元动力分析软件模拟了SFRC板的动力响应,模拟结果验证了上述改进的有效性与可靠性。     

内部爆炸载荷作用下混凝土动力响应的数值模拟

 目前,采用实验方法对爆炸载荷破坏效应进行全面、准确描述仍是一个难题。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,采用流固耦合算法,对混凝土在内部爆炸载荷作用下的空腔形成和发展规律等动力响应问题进行了数值模拟。通过实际算例,比较研究了混凝土敷设钢板与否对成坑大小、损伤区、压力云图以及应力时程曲线等的影响,进一步研究了有钢板加固时混凝土在爆炸荷载作用下的破坏机理。研究表明：采用流固耦合算法可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和网格消蚀等问题,提高了计算效率;很好地模拟了混凝土内部爆炸时,中心爆炸空腔压缩面和自由面的拉伸层裂破坏过程,且与理论计算值吻合较好;通过表面敷设钢板,可以减小混凝土的拉应力峰值,抑制混凝土中裂纹的发展,从而提高其防震塌能力以及结构的完整性。     

FBG传感器在空腔爆炸压力测量中的应用研究

光纤光栅(FBG)传感器具有灵敏度高，测量量程大，抗电磁干扰能力强，耐高温能力强等诸多优点，在爆炸冲击测试领域具有广泛的应用前景。针对空腔爆炸压力变化历程对压力传感器的性能要求，设计了一种抗冲击FBG压力传感器。传感器采用圆平膜片作为承压面，利用均匀压力作用下的挠度拉伸FBG产生位移。对传感器的力学模型进行了理论计算，并进行了有限元仿真，理论分析与数值模拟计算结果误差小于2%。使用标准压力源对传感器进行了标定，获得最终的压力灵敏度为545.187 kPa/nm，线性度相关度为99.998%。根据空腔爆炸现场防护需求，设计了有效的抗爆防护装置，并将该传感器成功用于空腔爆炸爆后气体压力变化历程测量，取得很好的测试效果。     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究北大核心CSCD

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100-140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

固支方板对水中爆炸作用的动态响应研究

 分析研究了在装药水中爆炸产生的强冲击载荷作用下固支方板的塑性动力响应过程。通过对水中爆炸理论和板的大变形理论分析，应用能量原理和Lagrangian函数，推导出反映固支方板在冲击载荷作用下变形的最终挠度的解析解。水中爆炸对固边方板破坏的实验在自制的水箱中进行。对不同的装药重量和炸距情况下方板的变形情况进行了理论计算，并对实验结果和误差来源进行了分析。实验结果和理论结果具有较好的一致性。     

水中障碍物爆炸毁伤效应的二维数值模拟

 建立了水下障碍物的爆炸毁伤效应的物理模型和计算模型。建立了守恒方程组、混凝土的动态弹塑性本构关系和破坏准则,并确定了其在大应变、高应变率及高压条件下的的屈服准则。基于多物质流体的Euler算法,用面向对象的C++语言自行编制了NM-MMIC通用多物质二维流体弹塑性程序,对不同炸点位置、不同炸药量对轨条砦爆炸破坏过程进行数值模拟,并采用自行开发的后处理软件VISC2D实现了可视化,定量地反应了障碍物迎爆面所承受的压力变化过程,确定了轨条砦毁伤的最佳药量,并对毁伤程度进行了评价,得到了爆炸破障的毁伤规律。研究结果对设计和评价反水中障碍物的弹药具有一定的参考价值。     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。     

舰船水下接触爆炸数值研究

计及船体外板的材料强度,基于SPH算法建立水下接触爆炸数值模型,提出混合密度、广义光滑长度等解决数值模拟中计算崩溃的问题,对舰船的水下接触爆炸进行数值模拟,计算结果和冲击波基本理论及接触爆炸试验吻合良好.结果表明,接触爆炸时钢结构会产生圆形冲塞破口,其破口大小和炸药的厚度接近,当板与炸药的正则化厚度达1.8时,板仅会发生较大的塑性变形而不会冲塞破坏.并得到钢的反射系数约为1.2,及接触爆炸钢板的近似变形公式.     

圆柱形水下爆炸实验容器壁部强度设计研究

 基于薄壁壳理论和水下爆炸理论,对圆柱形水下爆炸实验容器在爆炸冲击波作用下弹性范围内的壁部应变进行了理论分析和实验研究。导出了圆柱形水下爆炸实验容器在爆炸冲击波作用下壁部弹性应变与容器直径、壁厚及内部爆炸药量之间的关系,并对计算结果进行了实验验证。实验表明公式求解结果与实验结果具有较好的一致性。     

复板静载弯曲挠度对爆炸焊接参数的影响

 爆炸焊接是利用炸药爆轰压力工作的固态焊接技术，广泛应用于制造层状金属复合材料。但对薄复板施焊安装过程中，薄板在自重及炸药重量作用下将发生弯曲。基于弹性力学薄板理论，得出了复板受均布载荷作用下产生的挠度及转角表达式；又通过分析爆炸焊接过程中的基、复板的运动参数，结合再入射流形成的声速限条件、流动限条件，推导出爆炸焊接时射流形成的预置角范围；最后将两者结合推导出在给定复板材料及长、宽的条件下，成功施焊所要求的复板最小厚度。     

炸药混凝土中爆炸能量释放规律的研究

 通过对炸药在混凝土中爆炸的并行计算,分析其数值计算结果,并对爆炸力学基础理论进行研究后认为：炸药在土岩介质中爆炸,炸药能量将通过爆炸空腔中爆炸产物内冲击波的多次往复反射的方式进行释放,同时破坏并推动土岩介质移动,土岩介质与爆炸气体的界面在爆腔内稀疏波的作用下进行持续减速扩张运动。     

炸药水下爆炸能量输出特性试验研究

为了解炸药水中爆炸能量的输出特性,特别是冲击波能随距离的衰减规律,对有效比冲能进行了研究。经过理论推导发现,传统的有效比冲能计算公式仍然满足相似律。TNT炸药水下爆炸试验结果表明,炸药的有效比冲能、比气泡能和总能量的测量结果与经验公式计算结果吻合较好。通过对试验结果进行分析,拟合得到了有效比冲能随距离变化的趋势线。对比经验公式结果,发现在小药量试验中冲击波能随距离的衰减更明显。