破片与冲击波复合作用下 预应力混凝土T形梁损伤分析

基于ANSYS/LS-DYNA软件建立了预应力钢筋混凝土T形梁、炸药和破片的数值模型,并探究其承受冲击波-破片复合作用时的动态响应及损伤,对研究方法的有效性进行了试验对比验证.分析了冲击波、破片群单独作用及二者复合作用下T形梁损伤和位移响应的异同.运用参数化分析方法,研究张拉控制应力、纵筋配筋率、非加密区箍筋配箍率、混凝土抗压强度、炸药比例距离及爆心位置等因素对T形梁损伤效应的影响,结果表明:随着张拉控制应力、纵筋配筋率及非加密区箍筋配箍率的增加,T形梁的抗爆性能呈现非线性增强;混凝土抗压强度对T形梁抗爆性能增强效果不明显;比例距离相同时,炸药质量比爆心到梁表面距离对梁的毁伤效果影响更为突出,炸药质量越大,T形梁毁伤越严重;当爆心偏离T形梁面正上方时,梁跨中底面横桥向上各点位移峰值从靠近爆心一侧向远离爆心一侧,近似呈均匀增加;爆心偏离中心点距离越小,梁跨中底面位移动态响应越大.     

I-V型夹芯板在近爆冲击波和 破片群联合作用下防爆性能研究

针对民用建筑物墙、板构件提出一种新型的I-V型夹芯板防护结构,采用非线性有限元软件LS-DYNA,开展近爆冲击波和破片群联合作用下I-V型夹芯板的防护性能研究.从质量损失、能量吸收和竖向峰值位移响应3个方面,研究了炸药比例距离、炸药起爆位置对夹芯板防护效果的影响,同时对夹芯板的实际防护性能进行了验证.结果表明：炸药比例距离对I-V型夹芯板的防护性能有较大的影响;不同炸药起爆位置对I-V型夹芯板的毁伤程度不同,在轴向增加起爆点的个数并不能显著增大I-V型夹芯板的毁伤程度;有I-V型夹芯板防护的钢筋混凝土板迎爆面只有少量混凝土脱落,且无钢筋外露,背爆面无混凝土脱落,也无钢筋外露,塑性变形区域较小,整体没有形成贯穿破坏,I-V型夹芯板的实际防护效果 很好.     

近爆冲击波和破片复合作用下预应力钢筋混凝土空心板梁的损伤效应分析

通过数值分析研究预应力钢筋混凝土空心板梁在近爆冲击波和预制破片复合作用下的损伤情况。通过非线性有限元软件ANSYS/LS_DYNA模拟预应力混凝土板的爆炸试验和炸药驱动预制破片的试验,验证本文所采用的材料本构模型及技术路线的合理性与可靠性,研究爆炸波、破片荷载及二者复合作用下预应力空心板梁的动态响应的差异,同时运用参数化分析方法,研究张拉控制应力、预应力损失水平、混凝土强度、普通钢筋纵筋配筋率及箍筋间距对空心板梁动力响应的影响。研究结果表明:随着张拉控制应力增大,构件的抗爆性能显著增强;在相同张拉控制应力作用下,即使构件有不同水平的应力损失,其抗爆性能也基本相同;提高混凝土强度对构件的抗爆性能的提升作用并不明显;普通钢筋纵筋配筋率的提升在一定范围内可以小幅度提高构件的抗爆性能;随着箍筋间距增加,构件的抗爆性能明显减弱。     

Ⅰ-Ⅴ型夹芯板在近爆冲击波和破片群联合作用下防爆性能研究

针对民用建筑物墙、板构件提出一种新型的Ⅰ-Ⅴ型夹芯板防护结构,采用非线性有限元软件LS-DYNA,开展近爆冲击波和破片群联合作用下Ⅰ-Ⅴ型夹芯板的防护性能研究.从质量损失、能量吸收和竖向峰值位移响应3个方面,研究了炸药比例距离、炸药起爆位置对夹芯板防护效果的影响,同时对夹芯板的实际防护性能进行了验证.结果表明:炸药比例距离对Ⅰ-Ⅴ型夹芯板的防护性能有较大的影响;不同炸药起爆位置对Ⅰ-Ⅴ型夹芯板的毁伤程度不同,在轴向增加起爆点的个数并不能显著增大Ⅰ-Ⅴ型夹芯板的毁伤程度;有Ⅰ-Ⅴ型夹芯板防护的钢筋混凝土板迎爆面只有少量混凝土脱落,且无钢筋外露,背爆面无混凝土脱落,也无钢筋外露,塑性变形区域较小,整体没有形成贯穿破坏,Ⅰ-Ⅴ型夹芯板的实际防护效果很好.     

近爆冲击波和破片复合作用下混凝土空心砌块墙防护技术研究

为探究在不同冲击波和破片复合荷载作用下混凝土空心砌块填充墙的损伤特征和防护技术,通过ANSYS/LS-DYNA软件建立了混凝土空心砌块填充墙各部件、破片和炸药的模型,得到了比例距离、破片尺寸、起爆点对墙体的位移响应的影响以及在聚脲弹性体与钢丝网共同加固条件下墙体所能承受的极限炸药质量和较为经济的防护厚度.结果表明:通过与试验对比验证,本文的研究方法是可靠的;在近爆冲击波和破片复合作用的条件下,比例距离不能作为判定墙体受损严重程度的依据;同等质量下,减小破片尺寸使墙体破坏加重;改变起爆点对墙体破坏程度的影响微弱;在增加防护后,墙体抗爆性能明显加强,采用5 mm聚脲弹性体和钢丝网加固的墙体在炸药距离1.2 m时的能够抵抗的等效TNT炸药质量在8.296kg和11.376 kg之间;当炸药距离为1.2 m,等效TNT炸药质量为2.456 8 kg时,较为经济的防护手段是聚脲弹性体厚度和钢丝网钢丝直径均为3 mm.本文成果可为混凝土空心砌块填充墙抗爆性能及其防爆技术的研究提供重要参考.     

冲击波和预制破片联合作用下H型钢柱抗爆设计

为分析近距爆炸冲击波和预制破片联合载荷作用下H型钢柱的抗爆性能,基于非线性有限元软件ANSYS-LSDYNA,采用参数化研究方法,在圆柱型炸药外侧设置预制破片,对钢柱的截面尺寸、炸药的比例距离和钢柱的防护加固进行定量研究。研究结果表明:在相同用钢量下,为提高钢柱的抗爆能力,应尽量选择翼缘宽度小于等于腹板高度的截面类型;腹板厚度较厚时,钢柱不易发生屈曲失稳破坏;较小的高厚比和宽厚比有利于提升钢柱的抗爆性能;在比例距离相同时,炸药量对钢柱的抗爆性能影响较大,在钢柱抗爆设计时应将炸药量作为主要考虑因素;在炸药量相同时,随着距离因素R增加,钢柱的破坏程度逐渐降低,但最终破坏作用呈现趋同的效果;在距离因素R相同时,随着炸药量的增加,钢柱的破坏程度逐渐加重,且破坏效果具有加速破坏效应。外粘CFRP材料对H型钢柱防护效果良好,从经济性考虑,黏结1层CFRP板就能起到很好的防护效果。     

空中和水下爆炸时钢筋混凝土板动态响应对比分析

 利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土板在不同介质中（空中和水下）爆炸的数值模型,在对比分析爆炸冲击波在空中和水下传播特性的基础上,研究了空中和水下爆炸冲击波对钢筋混凝土板动态响应及损伤程度的影响,并对比分析了不同炸药量及起爆距离对钢筋混凝土板在空中和水下爆炸时动态响应的影响规律。研究表明,在近爆区域内,爆炸冲击波在空中和水下的传播特性存在较大的差异：在空中的传播速度较水下快,并且冲击波压力在空中衰减较水下快;但水下爆炸冲击波压力峰值较空中爆炸大很多,对钢筋混凝土板的潜在破坏能力较强。两种介质中爆炸时钢筋混凝土板的破坏形态对比分析,发现无论是迎爆面还是背爆面,同等炸药量及起爆距离下水下爆炸时混凝土板损伤程度均较空中爆炸时大。     

爆炸波与破片联合作用下砌块墙的损伤和防护

基于ANSYS/LS-DYNA软件建立了混凝土空心砌块填充墙、破片和炸药的模型,并对其在由爆炸驱动的破片和由爆炸产生的冲击波作用下的损伤进行了数值模拟.分析了单独冲击波作用、单独破片作用及二者复合作用下混凝土空心砌块填充墙位移响应的差异,探究了不同砌块强度、空心砌块壁肋比、砂浆强度和钢丝网网格密度对混凝土空心砌块填充墙的位移响应的影响.给出了聚脲弹性体、聚脲弹性体与钢丝网联合加固二者加固效果的比较.结果表明:通过与试验对比验证,建模方式是可靠的;在破片和冲击波复合作用下,混凝土空心砌块填充墙的位移比二者线性叠加的位移更大;提高砌块强度等级、提高空心砌块的壁肋比对墙体抗爆有利;改变砂浆强度对墙体抗爆的影响微弱;加密钢丝网网格可显著提高其防护效果.     

冲击波和预制破片复合作用下H型钢柱损伤效应分析

为探究H型钢柱在近距爆炸冲击波和预制破片复合作用下的抗爆性能,基于非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA,通过在圆柱形TNT炸药柱身外贴预制破片来模拟爆炸产生的冲击波和破片对钢柱的损伤破坏.分析了冲击波载荷、破片群载荷及复合载荷作用下H型钢柱动态响应的差异.同时,通过参数化分析方法,探究了在冲击波和预制破片复合作用下轴压比、钢材强度、长细比和截面类型等因素对H型钢柱损伤效应的影响规律.结果表明,近爆作用下,冲击波和预制破片的复合载荷作用具有叠加增强效应,复合载荷作用大于单一载荷作用效果的线性叠加.在钢柱抗爆设计中,应控制其所承受的轴向压力,钢材强度等级为Q235时,轴压比不宜大于0.4.应合理选择钢材强度等级,不要盲目选择高强钢材.通过改变柱高来改变长细比对钢柱破坏影响不大.圆管型截面钢柱的抗爆能力最好,H型截面次之,箱形截面最差.     

冲击波和预制破片复合作用下H型

为探究H型钢柱在近距爆炸冲击波和预制破片复合作用下的抗爆性能,基于非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA,通过在圆柱形TNT炸药柱身外贴预制破片来模拟爆炸产生的冲击波和破片对钢柱的损伤破坏。分析了冲击波载荷、破片群载荷及复合载荷作用下H型钢柱动态响应的差异。同时,通过参数化分析方法,探究了在冲击波和预制破片复合作用下轴压比、钢材强度、长细比和截面类型等因素对H型钢柱损伤效应的影响规律。结果表明：近爆作用下冲击波和预制破片的复合载荷作用具有叠加增强效应,复合载荷作用大于单一载荷作用效果的线性叠加;在钢柱抗爆设计中,应控制其所承受的轴向压力,钢材强度等级为Q235时,轴压比不宜大于0.4。应合理选择钢材强度等级,而不要盲目选择高强钢材。通过改变柱高来改变长细比对钢柱破坏影响不大。圆管型截面钢柱的抗爆能力最好,H型截面次之,箱形截面最差。本文成果可为钢结构抗爆理论和防护技术提供参考。     

近爆冲击波和破片群联合作用下I-V型夹芯板的防护性能研究

为了研究民用建筑物墙、板构件在近爆冲击波及破片联合作用下的防护性能,提出1种新型I-V型夹芯板防护结构;利用非线性有限元分析软件LS-DYNA,分析冲击波、破片群单独作用及二者联合作用下I-V型夹芯板的毁伤效果的差异;在保持用钢质量不变的前提下,从夹芯板质量损失、能量吸收和竖向峰值位移3个方面,研究夹芯板的上、下面板厚度及夹芯层配置对其防护性能的影响,并与其他类型的夹芯板进行对比。研究结果表明:冲击波和破片群联合作用下对夹芯板的破坏效果具有叠加累积效应,明显强于两者单一作用下破坏效果的线性叠加;在相同荷载工况下,I-V型夹芯板防护效果最优;上、下面板厚度及夹芯层配置对I-V型夹芯板的防护性能有较大的影响;不同侵彻位置下I-V型夹芯板的防护性能基本相同,无局部薄弱部位,整体防护性能较好;不同破片作用下I-V型夹芯板的防护性能不同,破片截面边长为15 mm时夹芯板防护性能最好。     

空旷环境下小药量集中药包爆炸冲击波衰减规律

为研究炸药爆炸冲击波在空旷环境下的传播规律,采用NUBOX9100冲击波信号分析仪分别对0.1、0.2和0.3 kg的小药量集中药包进行了现场试验。试验表明:小药量集中药包爆炸冲击波在空旷环境下传播速度随爆心距衰减较快,在爆心距12 m处的冲击波传播速度衰减速率为爆心距2 m处的60%。当爆心距在1～3 m时,冲击波超压峰值的衰减速率约为75.61 kPa/m;爆心距在3～8 m时衰减速率降低到10.12 kPa/m;爆心距大于8 m时,衰减速率趋于平缓,约为0.48 kPa/m。提出了冲击波超压峰值与比例距离之间的修正公式,修正公式尤其对比例距离大于10的情况进行了修正。在比例距离较大时,修正公式比以往的经验公式更适用。运用ANSYS/LS-Dyna软件对炸药在空旷环境下爆炸冲击波超压衰减进行了模拟,结果表明修正公式的误差较小。     

GFRP筋混凝土梁抗爆性能试验研究与数值分析

玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋具有耐腐蚀、抗拉承载力高等优点.它们可作为混凝土防护结构的纵筋而代替钢筋.为了明确GFRP筋混凝土梁(GRCBs)的抗爆性能,对GFRP筋混凝土梁和钢筋混凝土梁(SRCBs)进行了爆炸试验、四点弯曲静力试验及数值模拟分析.结果表明:四点弯曲静力试验中,工况是3kg-0.65m的爆炸荷载作用后相同等效刚度设计的GRCBs承载力是SRCBs的5.5倍.在近距离爆炸作用下(比例爆距小于0.5159mkg^-3),由于GFRP筋处于弹性阶段,破坏形式主要是混凝土出现裂纹、剥落和震塌.通过数值模拟分析,增加纤维增强聚合物(FRP)筋刚度可以降低GRCBs跨中位移,跨中最大位移降低率与EA比的比值为0.1,减少GRCBs的裂纹与损伤,增强GRCBs的抗爆性能.当比例爆距小于0.4095mkg^-3,GFRP筋混凝土梁用C50及以上混凝土能有效减少混凝土震塌与剥落.研究表明,GRCBs比SRCBs具有更高的抗爆性能.     

爆炸冲击作用下钢筋混凝土板的动态响应研究

为研究爆炸载荷下钢筋混凝土板的动态响应,基于量纲分析得到了球形装药质量、爆心距和钢筋混凝土靶板挠度之间的无量纲关系.利用有限元软件AUTODYN建立空气-炸药-钢筋混凝土板的三维数值模型,考虑炸药、空气和靶板之间的流固耦合相互作用,模拟结果和实验结果基本吻合.改变固支条件为四边固支,控制单一变量,分别得到装药质量和爆心距对靶板挠度的影响规律.结果表明,保持爆心距一定,当比例距离大于0.6 m/kg^1/3的情况下,即不考虑近场爆炸和接触爆炸,钢筋混凝土板中心挠度随装药质量增加近似呈线性递增趋势;而当改变爆心距时,挠度随爆心距的增加近似呈指数递减趋势.     

含能破片冲击引爆屏蔽炸药研究

基于一维冲击波理论和Walker与Wasley的冲击起爆能量判据,对含能破片冲击屏蔽炸药过程进行了理论与数值分析.分别考虑了破片类型、破片尺寸和屏蔽壳厚度对冲击起爆的影响.结果显示,钢壳破片起爆能力优于铝壳破片,临界起爆速度随着含能材料直径的增长和屏蔽壳厚度的减小而降低;理论模型与数值计算结果吻合较好.由实验研究发现,与普通惰性破片的毁伤作用机理不同,含能破片主要是利用冲击波能量引发含能物质反应,反应释放的化学能与冲击波能量叠加对目标进行毁伤;能量输出方式主要为化学反应能.     

意外撞击和冲击波作用下气瓶的动态响应分析

基于任意拉格朗日多物质流-固耦合算法,对空气采用ALE网格,对炸药采用JWL状态方程,分析了爆炸冲击波单独作用和高速子弹与冲击波联合作用下高压气瓶的动态响应.结果表明,在冲击波作用下气瓶应力急剧上升,气瓶出现屈服并发生屈曲,爆心距瓶体越近,气瓶受冲击波的影响越大;联合作用时应力相互叠加使得气瓶应力值比单独作用时有明显增大,变形相对于高速撞击和爆炸波单独作用显著增加,塑性变形区域变大,破坏程度更加明显.     

近爆场下固支铝合金圆板的动态响应研究

对2024-T3铝合金圆板在近爆场下进行了爆炸冲击试验,利用Henrych经验公式与有限元法分别进行了计算和数值模拟,对比了近爆场的冲击波超压,考察了铝合金圆板的动态响应特性与变形失效模式,分析了药量及爆距的影响.结果表明:在爆炸冲击载荷的作用下,随着载荷的增强,即随着药量的增大、爆距及比例距离的减小,固支铝合金圆板呈现出3种变形失效模式、塑性变形、中心拉伸破孔失效、中心破孔,并发生圆板开裂;塑性变形首先在铝合金圆板的固支边界处产生,随后迅速扩展到板中心区域;随着比例距离的减小,发生中心拉伸破孔板的破孔尺寸逐渐增大,而发生边界拉伸断裂板的鼓包程度逐渐减小.      

爆炸荷载作用下浅埋综合管廊野外试验与弹性动力响应分析

为了研究管廊结构在爆炸荷载作用下的荷载分布规律、动力响应及破坏机理,评估管廊工程的防护潜力,获取管廊在爆炸荷载作用下的试验数据,设计并开展了管廊结构的抗爆试验.本文主要分析了在比例爆深为2.000,1.587,1.260 m/kg^1/3三种工况下管廊顶板中心处的动力响应.试验测得了三种工况下爆坑大小,以及顶板中心底部纵筋和箍筋及侧墙中心内侧箍筋应变时程曲线、加速度时程曲线、反射压力时程曲线和位移时程曲线.试验数据表明,顶板中心底部箍筋应变远大于纵筋,且振动使管廊产生的反复位移大小相当,建议管廊采用对称配筋、箍筋加密、混凝土保证抗压强度.通过常规武器效应计算软件CONWEP计算并验证了反射压力峰值的准确性,进一步得到了作用于管廊的总压力并将其简化为均布荷载,计算出弹性响应阶段顶板中心的最大位移,与实测位移进行比较,吻合较好.     

地下管线在地表爆炸荷载下的位移响应与参数分析

通过将u-p模型嵌入有限元程序建立了地面爆炸荷载下钢顶管的动态响应模型,研究了饱和土中钢顶管在地面爆炸荷载作用下的动力响应问题.以钢顶管的位移响应为主要评价指标,研究了炸药量、起爆位置、钢顶管埋置深度以及顶管半径等参数对于钢顶管位移响应的影响.研究结果表明顶管竖向位移随炸药量增大,顶管半径的增大会降低顶管在爆炸荷载下的承载能力,适当提高埋深可以显著增强顶管在地面爆炸荷载作用下的抗爆能力.此外,随着偏移距离的增大,顶管竖向位移逐渐降低,最终在爆炸荷载作用下微量上浮,顶管的水平位移也随偏移距离先增大后减小.     

水下爆炸冲击过程三维数值模拟

为研究无限域和近水面水下爆炸冲击波压力特点以及近水面的物理特性,基于多物质ALE方法,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对无限域和近水面水下爆炸进行了三维数值模拟,再现了爆轰产物、水以及空气多物质介质间的相互作用过程。分析发现,在爆深不变的情况下,随着测深的减小,自由面对冲击波的影响主要体现在减小入射冲击波波形脉宽和削弱冲击波峰值压力上;相同当量炸药在自由面产生的水柱,其上升的速度随着爆深的减小而逐渐增大。定性地分析了近水面水下爆炸的密度分布情况,以及不同爆深情况下自由面水柱的形成过程。通过数值模拟研究了冲击波压力值的特性,并与经验值进行了对比,验证了计算模型具有较好的计算精度,同时三维再现了水下爆炸的复杂物理现象。