混凝土介质中不同药形装药爆炸波传播特性的数值模拟

利用非线性动力分析软件LS-DYNA3D,选用Johnson-Holmguist-Cook模型对集团装药加载下产生的爆炸波在混凝土介质中的传播问题进行了系列数值模拟,揭示了不同的药形在爆炸近区对混凝土的扩孔效应、爆炸载荷传播特性和混凝土损伤演化特性.模拟结果同时显示在爆炸远区,不同药形装药引起的爆炸波与点源爆炸产生的球面波类似.     

建筑物外部爆炸超压荷载的数值模拟

在对易于遭受爆炸危害的建筑物进行抗爆设计与加固时,首先需要确定作用在建筑物上的爆炸超压荷载模型.但是由于受到建筑物自身特征及周围环境等多种因素的影响,作用在建筑物上的爆炸超压荷载十分复杂.为了掌握作用在建筑物上的爆炸超压荷载的特性,应用非线性显式动力分析软件建立了建筑物外部爆炸超压荷载的数值分析模型,分析了网格划分尺寸的大小对爆炸超压荷载计算结果的影响,模拟了建筑物外部的刚性地面上发生爆炸的过程,研究了爆炸冲击波在建筑外部空间中的传播与衰减规律,以及作用在建筑物外表面的爆炸超压荷载的特性.模拟了邻近建筑物对爆炸冲击波的反射和阻挡作用,同时研究了邻近建筑物的几何尺寸和位置等因素对作用在目标建筑物上的爆炸超压荷载的影响,从而为在建筑物的抗爆设计与加固中确定合理的爆炸超压荷载模型提供了理论依据.     

混凝土梁桥桥下爆炸压力场分析

为了探索桥下爆炸自由场超压、墩柱反射超压和梁底反射超压的分布规律,对一座两跨混凝土梁桥缩尺模型开展了桥下爆炸试验,并结合数值模拟方法研究了桥下爆炸波传播规律以及爆炸波与T梁和墩柱之间的相互作用.研究结果表明：地面反射条件的改变对爆炸荷载影响显著;实测柱底、柱中和柱顶超压峰值沿柱高分布相对离散,实测T梁底超压时程曲线呈多峰正压.爆炸波传播过程中有马赫波形成;爆炸波遇到T梁梁肋和横隔板会发生反射和绕射,遇到T梁翼板下表面会发生反射,爆炸波传播至墩柱盖梁和T梁相交区域时,传播路径较为复杂,作用时间相对较长.炸药形状对T梁底部超压分布有一定影响,中梁梁肋下表面的超压峰值自爆心向两边呈指数形式衰减;超压峰值沿柱高整体呈减小趋势,柱底、柱中和柱顶迎爆面沿柱周超压峰值整体呈中间大两边小的趋势.     

除尘器内烟草粉尘爆炸规律的数值研究

在工业生产中,除尘器内经常发生爆炸灾害事故,给安全生产带来了严重的挑战。为探究除尘器内发生爆炸时爆炸超压演化及爆炸火焰传播的规律,基于球形爆炸装置对烟草粉尘的实验数据,构建了大规模爆炸仿真软件FLACS的烟草粉尘爆炸模块,进而实现了对带管道除尘器内爆炸及传播过程的数值仿真。模拟结果表明:除尘器内部发生爆炸时,内部的粉尘质量浓度、点火位置、管道形状均对爆炸过程有一定影响。在500~1000 g/m~3范围内,除尘器内粉尘质量浓度越大,爆炸超压越大,火焰传播速度越快;点火位置离管道入口越远,爆炸超压越大,火焰传播速度越快;管道若设置有折弯结构,火焰经过该部分后,可以一定程度上减弱爆炸超压和火焰传播的速度。     

水下爆炸冲击波压力时程的数值模拟

运用LS-DYNA程序对水下爆炸冲击波进行了数值模拟研究.首先模拟了半无限水域下的爆炸冲击波的形成以及气泡运动规律,分析了爆炸波的压力时程曲线.在此基础上,进一步讨论了水下爆炸冲击波与水中结构相互作用的问题,该分析结果可为类似水下爆炸工程实践提供参考.     

饱和砂土场地微差爆炸液化的试验与数值分析

基于大型饱和砂土场地的多点微差爆炸液化试验,建立全耦合数值计算方法对试验过程进行模拟和验证,并分析爆炸延时、药包总质量等对土中超孔隙水压力上升的影响。研究结果表明:基于数值计算结果建立的多点爆炸液化经验公式能较好地反映超孔隙水压力比随比例距离的关系。场地中心区域更易受到爆炸波叠加作用的影响,当爆炸延时从110 ms增至330 ms时,超孔隙水压力可以提高18%以上;超孔隙水压力随着总药量的增加明显增大,增长趋势却逐渐减小。     

砂土地基触地爆炸的SPH-FEM耦合分析方法

针对砂土地基触地爆炸问题,在LS-DYNA框架内建立了有限元法和光滑质点流体动力学法相耦合的数值分析方法SPH-FEM。该耦合法结合了FEM的高计算效率和SPH在处理土体爆炸大变形方面的优势,通过精确捕捉SPH粒子的运动,可以直观再现爆坑形态的发展全过程,适合描述爆炸大变形问题。数值结果显示,爆炸波在近区表现的强间断冲击波,是造成土体流动大变形的重要因素; 土体参数在正常范围的浮动对爆坑尺寸具有一定影响,在设计应用时应予以考虑。利用SPH-FEM耦合法计算得到的爆坑形态和尺寸与ConWep程序经验数据基本一致,验证了SPH-FEM耦合法在分析触地爆炸问题中的正确性。     

盾构长距离下穿铁路股道引起的地表沉降分析

以天津津滨轻轨天津站至七经路站的盾构施工区间工程为对象,对多条铁路轨道下,盾构长距离推进过程中引起的地表变形进行了三维有限元数值模拟,根据模拟结果分析了盾构施工导致沿盾构方向和垂直于盾构方向的地表沉降量,总结了盾构施工各阶段发生的地表沉降变化规律;研究了盾构掘进对地表的扰动范围;模拟和分析了不同工况下盾构施工引起的地表沉降差异.结果表明,数值计算的地表最大沉降量在18~20 mm,与其监测值较吻合,注浆量对地表沉降的影响比注浆压力和土舱压力显著.
     

平顶隧道下穿地下建筑物的影响研究

文章以青岛某段新建平顶隧道开挖为例,采用三维有限元方法对此段隧道的五导洞开挖方式进行数值模拟。新建隧道开挖过程中,地铁车站附属结构、地铁车站和地下商厦的附加内力和沉降会发生变化,甚至可能导致地下建筑物倾斜或倒塌,此外,地下建筑的自重和刚度也影响了地表土体的移动。鉴于此段新建隧道下穿地下建筑较为复杂,施工难度大,文章考虑整体因素,对隧道、地下建筑和地表之间的共同作用进行分析,为设计与施工提出合理建议,也为类似工程施工提供参考。     

油田注采诱发地表变形规律及控制方法研究

根据大庆油田南二区大地三维形变测量结果,研究地层压力变化引起地面垂向变形的规律,并提出地表垂向变形计算的数学模型,通过有限元法对大地垂向变形情况进行了数值模拟,数值模拟结果和测量结果对比,显示了模拟方法的可靠性.最后基于数值模拟和现场测量,提出了控制油田地表垂向变形的方法.图3,表5,参8.     

地下管道结构爆振效应和冲击破坏行为实验

通过小当量爆炸实验研究爆源近区地下结构动力响应和材料破坏行为.研究了地下管道结构的爆炸振动效应,分析了混凝土材料在爆炸冲击波作用下的破坏行为.结果表明,爆炸振动波使地下管道结构发生以瞬态径向压缩为主的变形,以及沿轴向和环向两方向的刚体振动响应.在爆源近场随爆炸折算距离变化,爆炸冲击渡可以引起混凝土管道结构的3种破坏行为,即结构破坏、结构和材料耦舍破坏以及材料破坏行为.     

大型地下空间结构地震风险评估方法

地下结构的薄弱环节在地震作用下可能发生破坏,进而影响整个结构体系的整体稳定性,地下结构的抗震能力成为结构工程领域研究的热点问题之一。采用弹塑性时程分析与风险矩阵相结合的方法对地下结构地震风险进行评估,以1995年阪神地震中遭受严重破坏的大开地铁车站为例阐明该方法的具体步骤。弹塑性时程分析能够考虑地下结构的各种复杂情况,直观地得到地下结构的损伤破坏情况,根据破坏情况建立风险矩阵对结构进行系统的风险管理。结果表明,弹塑性时程分析结合风险矩阵的风险评估方法具有较好的精确性和可靠性,适用于重要大型地下空间结构的地震风险评估。     

金属圆锥体阵列对弹丸的导偏特性试验

为了提高防护目标抗高速弹丸的侵彻能力,研究了一种新的防护导偏结构。将金属圆锥体阵列作为导偏层基本结构,利用直径为37 mm的半穿甲弹进行打击试验,考察导偏层对高速弹丸的导偏特性。分析了导偏的基本过程及影响导偏效果的主要因素,并对弹丸偏转前后侵彻混凝土靶板深度进行了对比研究。试验结果表明:金属圆锥体阵列导偏层对高速弹丸具有良好的导偏效果和减缓速度的作用,可大大降低高速弹丸的侵彻威力。提出了该类导偏层在工程应用中应注意的问题。     

前混合磨料高压水射流切割喷嘴的数值模拟

为了延长喷嘴的使用寿命,提高水射流设备的使用效率,对前混合磨料高压水射流的喷嘴结构进行了优化设计.利用CFD软件对几种典型喷嘴的内部流动进行了数值模拟和仿真,得到了压力分布图、速度分布图、紊动能分布图及轴线上轴向速度图等仿真结果.对仿真结果进行了对比分析,得出了结构型式较好的喷嘴,为耐久喷嘴的研制提供了依据.分别用3种喷嘴做了一系列的试验,并与仿真结果进行了对比,证明仿真结果是准确的.     

高温后结构钢力学性能试验

为了研究结构钢高温后材料力学性能变化规律,对Q 235结构钢加热至不同高温,再经不同方式冷却后进行了力学性能试验。试验表明:结构钢经不同高温冷却后,有显著热变色反映;高温后的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率等力学性能变化程度主要与曾经历的最高温度和冷却方式有关。根据试验结果,编制了高温后钢材热变色图谱,提出了高温后结构钢的屈服强度、抗拉强度计算公式,对高温后弹性模量的取值提出了建议。研究成果可供火灾后钢结构损伤评估和加固分析时参考。     

变埋深条件下土中爆炸成坑效应

为了研究在变埋深情况下,炸药在土中爆炸成坑和伴随的应力波传播规律,利用自由场化爆试验和数值模拟相结合的方法,研究了土中装药不同埋设深度爆炸效应问题,描述了爆炸成坑宏观破坏现象,给出了土中压力和实测波形,并对测试结果进行了分析,得到了土中爆炸成坑的经验公式和压力传播规律。在自由场实验和数值模拟的基础上,得到了变埋深条件下应力波在土中传播规律、爆炸成坑半经验公式、半封闭爆炸阶段弹坑半径预估公式。     

弹体垂直侵彻岩石的理论近似解

为了得到弹体侵彻岩石局部效应更精确的计算公式,运用空腔膨胀理论和弹塑性-连续介质理论,建立了弹体垂直侵彻岩石的解析模型,得到了侵彻深度理论近似解,揭示了尺度效应不仅与弹体直径有关,而且与材料强度、有效表面能和裂纹数有关,克服了一些传统算法的应用局限性。经过实际验算,与实验数据、经典Yong公式计算结果很接近,能够用于工程实际。     

500kV地下变电站基坑围护结构抗震影响因素

以上海世博会500 kV地下变电站基坑围护结构为例,运用三维快速拉格朗日程序FLAC3D进行建模计算,研究了一些对基坑围护结构以及周围土体抗震稳定性有较大影响的因素:基坑周围土体性质、围护结构材料性质、地震波的峰值加速度以及地震波的卓越频率。结果表明:基坑的振动变形受周围土体的约束,土体的性质越好,约束作用越明显,振动变形越小;基坑的存在对周围土体的震动特性影响也很小。基坑围护结构的强度对基坑整体振动变形有影响,但是影响作用不明显;围护结构内力值随围护结构材料强度增大而增大,抵抗破坏的能力同样也随之增强。同一地震波若放大其峰值加速度,则使其能量放大,基坑的振动变形也随之变大,然而其内力值变化不明显。基坑在周围土体的约束下,没有表现出相应的自振特性。所得出的结论可以为类似圆形深基坑抗震设计提供参考。     

扁平箱形密闭结构内爆炸的模型试验

为研究扁平箱形密闭结构内部爆炸时侧墙上的荷载,对2种钢筋混凝土模型结构进行了药量递增直至结构破坏的内爆炸实验.利用侧墙上的测点测得压力等试验参数,分析比较了2种模型侧墙上的内爆炸荷载.试验结果表明:作用在结构内表面上的压力是非线性下降的,具有周期性宏观脉动特征,压力时程曲线主要由一个初始主脉冲和几个较大的后续脉冲组成,准静态气体压力很小.结构破坏形式以顶板的双向受弯破坏为主.在结构内部设置抗爆隔墙可有效降低冲击波对结构的破坏.主要结论可供工程设计参考.     

钢纤维混凝土板抗爆数值模拟

钢纤维混凝土由于其优良的强度和延性而在防护结构中被广泛应用.对四边简支的钢纤维混凝土板在爆炸荷载作用下的响应进行了数值模拟,比较分析了折合距离、板厚度对其动态响应的影响.钢纤维混凝土的本构模型采用J-H-C模型,考虑了损伤和应变率效应.从计算结果可以看出,在炸药量相同的情况下,折合距离、板厚均对板中心的位移有较大的影响.研究成果可以对防护结构的设计提供理论参考.