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。     

一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法

水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。     

大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置

针对当前地下爆炸物理模型实验无法模拟大当量地下爆炸抛掷弹坑和疏松鼓包现象的难题,基于相似理论,采用地下爆炸效应真空室模型实验方法,研制了考虑重力影响的大当量地下爆炸效应模拟实验装置。整套装置由容器罐体、快开门密闭机构、爆源系统、真空泵组、量测控制系统等组成,提出的新型爆源模拟装置可以实现精确起爆控制。该装置可模拟0.1~100 kt TNT、埋深20~400 m范围内不同比尺的地下核爆炸成坑和隆起实验,同时也能够模拟不同装药配置方案、不同地质条件下的大当量地下浅埋化爆抛掷实验。典型的核爆抛掷成坑模型实验结果表明,装置实验参数精确可调,实验过程可控,实验结果可信,为钻地核武器地下爆炸毁伤效应分析和大型工程爆破效果预测预报提供了实验室模拟和科学研究设备,填补了爆炸离心机无法模拟大当量地下爆炸抛掷成坑效应的空白。     

砌体结构长脉宽爆炸荷载损伤等级评估方法

随着百千吨级当量爆炸工业事故的频繁发生,建筑结构的损伤评估和抗爆安全性更受到关注。目前,构件级的评估方法相对成熟,而大当量冲击波作用下的建筑结构整体毁伤评估依旧是个开放性问题。本文中,面向结构级的毁伤评估,提出了一种新的评估方法?构件损伤加权。该方法以承重构件损伤程度为基础,通过基于应变能的构件权系数加权,进而评估结构级损伤破坏程度。为了验证评估方法的有效性,以典型砌体结构为例,利用自主研发的冲击波结构毁伤模拟有限元程序,开展了百毫秒脉宽爆炸冲击波荷载下结构动力学响应数值模拟。根据数值模拟结果,结合构件损伤加权的评估方法,获取砌体结构损伤等级与冲击波超压的关系。预测的超压值的相对误差为?16.9%～26.2%,验证了评估方法的有效性。该评估方法为获取砌体结构的超压-冲量曲线提供了可行的途径,可为结构的抗爆安全设计提供参考。     

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。     

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。     

空中爆炸冲击波对生物目标的超压-冲量准则

针对空中爆炸冲击波对生物目标的毁伤准则问题,超压-冲量毁伤准则可弥补单一毁伤准则的缺陷。首先,根据空中爆炸冲击波特征参量的一般形式,提出一种归一化毁伤准则形式,给出基于毁伤律的毁伤准则与判据的获取方法。其次,在不同爆炸条件对生物目标进行毁伤效应实验,依据生物整体的损伤情况确定出毁伤等级,对应获得的离散的实验数据确定连续性的超压-冲量曲线,继而拟合出不同毁伤等级的超压-冲量准则的表达式,所得到的超压-冲量准则可以评估生物目标的毁伤问题。     

火球动态模型在温压炸药热毁伤效应评估中的应用

根据红外热成像仪所测的某温压炸药和TNT爆炸火球的表征参量数据,分析了火球热辐射的动态模型,对爆炸火球变化规律进行了定量描述.以具有时间属性的爆炸火球热辐射动态模型为基础,比较了温压炸药和TNT装药爆炸火球热毁伤效应.研究结果表明,温压炸药的热辐射剂量可达TNT热辐射剂量的3.6～4.8倍,温压炸药具有明显的高温毁伤优...     

封闭爆炸近场地震纵波及横波质点速度模型

基于第四纪黄土层小爆炸当量系列封闭爆炸的近场地震观测数据,对纵波和横波分别进行了分析处理,获得了纵波和横波的质点速度,确定了纵波和横波质点速度现有模型的参数.综合分析了有代表性的3个模型,得出现存模型本质上的差别在于爆炸当量指数不同.对此提出了双极模型,并介绍了该模型参数的计算方法.对这几种模型在描述观测和实测数据方面...     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

小当量水中爆炸冲击波实验及数值模拟

在小当量(≤10g TNT)爆炸水箱装置中分别进行了0.125g、1.00g、3.37g、8.00g TNT当量PETN球形炸药水中爆炸实验.采用PCB压电型传感器测量水中爆炸冲击波压力脉冲,将实验数据拟合所得公式与文献的经验方程相比较,两者具有较好符合.另外,在小于20%的相对误差范围内,采用AUTODYN一维模拟计算能够预测和验证实验结果.因此,通过小当量水中爆炸实验获得的经验公式可推广到大当量水中爆炸实验.这样既能克服大当量水中爆炸实验耗费大、危险性高等困难,也能够较精确地预估峰值压力.     

箱型结构内部爆炸破坏研究进展

结构内部爆炸破坏机理和规律是常规武器毁伤效能预测与评估、建筑物和舰船抗爆防护设计的重要支撑。基于结构内爆炸载荷、内部爆炸作用下结构塑性响应、内部爆炸作用下箱壁结构破坏模式、内部爆炸作用下多箱型结构破坏模式和分布四个方面详细论述了箱型结构内部爆炸破坏的研究现状及存在的问题,并对内部爆炸后续研究给出了建议。建议研究并建立更加复杂的结构内部爆炸载荷和破坏效应描述模型、内部爆炸作用下箱壁的动力响应机理、多箱型结构与内部爆炸波产生的耦合效应、内部爆炸作用下结构的破坏模式和破坏范围的快速准确预测方法等。     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应，对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象，通过4次爆炸试验，观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征，分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明:接触爆炸荷载作用下，RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式，爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上，将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级，采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。     

结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.      

接触爆炸作用下混凝土墩体的易损性研究

为评估柱形装药接触爆炸对混凝土墩体的破坏能力，采用试验与数值模拟相结合的方法研究了接触爆炸作用下混凝土墩体的易损性，提出了用等毁伤曲线和易损面积评估混凝土墩体易损性的方法，得到了接触爆炸作用下墩体顶面和侧面的毁伤区域特征及装药质量和装药放置位置对墩体毁伤的影响规律。通过建立易损面积的计算模型，分别得到了顶面和侧面接触爆炸作用下墩体不同级别毁伤的易损面积随装药质量的变化曲线，在此基础上比较了顶面和侧面接触爆炸时墩体的易损性差异。研究结果表明：接触爆炸作用下，墩体顶面的毁伤区域近似为正方形，其中心与墩体顶面中心重合；墩体侧面的毁伤区域近似为圆角梯形，其中心位于侧面几何中心下方约10 cm处。装药质量在0.5～10.79 kg之间时，侧面接触爆炸更容易破坏墩体。研究成果可为混凝土障碍的破除、破障弹设计及效能评估提供支持和指导。     

水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为试验研究

为加深水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为认识,设计典型圆柱壳结构模型,开展了水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应光电联合测试,获得了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用高速光学物理图像、动态应变、超压载荷、毁伤模式等试验数据。通过高速光学物理图像和三维激光扫描毁伤形态的分析,给出了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用物理过程及最终毁伤模式;通过动态应变的分析,给出了圆柱壳结构迎爆面和背爆面在加载过程中应变拉伸压缩转变和响应阶段的划分;通过超压载荷的分析,明确了装药爆轰完全性以及接触爆炸加载下结构吸能对超压的影响。研究表明：爆距的变化会显著影响圆柱壳结构的毁伤形态,近距加载下圆柱壳结构主要呈现塑性大变形,接触加载下圆柱壳结构主要呈现撕裂破坏;近距加载下圆柱壳结构迎爆面空化区的形成及溃灭形成的二次加载毁伤效应不容忽视,值得深入研究;研究成果可为水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构毁伤评估提供参考和依据。     

接触爆炸作用下高聚物复合板毁伤特性分析

高聚物材料具有成型快和膨胀性能好的特点,该材料与碎石和钢筋的复合结构应用于地基处理和城市道路脱空除险加固,具有明显优势。本文中,设计并制作了高聚物碎石板和钢筋高聚物板,开展了接触爆炸冲击下的试验研究,通过毁伤尺寸和所测冲击波数据探讨了2种板的毁伤特性。基于ANSYS/AUTODYN非线性显式有限元程序,建立了试验中毁伤更严重的钢筋高聚物板的接触爆炸全耦合模型,并通过与试验结果的对比,验证了所建耦合模型的准确性和适用性。参数化分析了钢筋高聚物板对炸药量和板厚的敏感性,并利用多参数非线性回归分析方法,提出了钢筋高聚物板迎爆面和背爆面破坏直径的预测公式。结果表明：接触爆炸作用下,高聚物碎石板的毁伤模式以接触部位的局部震塌冲切破坏为主,除此之还有一些毁伤裂纹;钢筋高聚物板的破坏模式主要是迎爆面爆坑毁伤、背爆面剥落损伤和中心冲切贯穿破坏。高聚物碎石板和钢筋高聚物板对爆炸冲击波都具有良好的衰减作用,有望应用到抗爆炸冲击防护领域。     

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。     

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。     

2021-03期目录

针对毁伤试验数据少、不均匀、不连续、范围窄等带来的计算精度不高的问题。研究通过数据挖掘技术进行毁伤效应计算。利用数据库管理毁伤数据,通过数据清洗技术识别并清除数据异常点,以保证数据库中数据的质量。建立了算法评价方法以选择最优经验算法。通过特征选择对高维毁伤数据进行降维,确定毁伤效应的主要控制参数进行神经网络学习和k-近邻检索。在此基础上建立基于数据融合的“三阶段”毁伤效应计算模型,可依据试验数据、经验算法和神经网络模型进行毁伤效应计算。实际应用表明,所提出的计算方法,能够满足实际应用需求。