新型空壳颗粒材料在人防工程中应用的实验研究

研发了一种内衬PVC壳体,外裹泡沫陶瓷壳体的新型空壳颗粒作为人防结构分配层。通过大比尺化爆实验,研究了爆炸载荷下新型空壳颗粒分配层人防结构和普通黄沙分配层人防结构的破坏情况和冲击波传播规律。实验证明:同样当量爆炸载荷下,相对黄沙分配层,新型空壳颗粒分配层可以降低应力峰值50%左右;相对常规空壳颗粒,新型空壳颗粒分配层受损情况显著减小。这表明:新型空壳颗粒作为人防工程的分配层兼具显著的削波耗能效果和抵抗二次爆炸的能力,因此可以提高人防工程的抗爆能力,具有广阔的军事应用前景。     

人防工程中空壳颗粒材料抗爆性能试验研究

本文以成层式人防工程结构为背景,采用一种由泡沫粘土烧结而成的球形空壳颗粒材料构建分配层,通过大比尺野外化爆试验,对比分析了集中装药载荷下,常规黄沙分配层和空壳颗粒材料分配层的抗爆吸能效果。结果表明,本文使用的空壳颗粒材料兼具多孔材料高效削波吸能和壳体结构强度高的双重特性,不但对爆炸波有很强的衰减作用,且具有经受多次打击的能力。与黄沙相比,空壳颗粒材料构造的分配层对应力波峰值的衰减要高出40%以上,因此可以有效地提高地下防护结构的安全,具有较高的推广价值和广阔的应用前景。     

应力波在多层膜状材料中衰减特性的实验研究

脉冲载荷作用下,多层膜状材料衰减应力波的特性及其规律研究在工程结构设计中具有重要意义。本文采用分离式Hopkinson压杆(以下简称SHPB)装置,从实验角度对多层石英布和多层"石英布+聚酯铝膜"两种不同结构类型膜状材料衰减应力波特性进行研究。分析了透射应力波及应力冲量随多层膜状厚度变化的关系。通过对实验数据的拟合,给出了多层膜状衰减应力波能力和材料厚度以及材料结构的数学表征。研究结果表明,两种不同结构的多层膜状材料应力波衰减随厚度的变化关系都遵循指数衰减规律,而具有"多层石英布+聚酯铝膜"叠层结构的材料对应力波的衰减能力略强于单一多层石英布材料。本研究可作为工程应用多层膜状材料衰减应力波的实验依据。     

泡沫混凝土弹塑性损伤模型在组合式防护结构中的应用

为了将新型泡沫混凝土动态弹塑性损伤模型应用到防护结构中,首先开展组合式防护结构预制孔装药爆炸试验;随后利用新泡沫混凝土材料模型对试验进行数值模拟验证,并将新模型的模拟结果与LS-DYNA中Soil and Foam模型的模拟结果进行对比;最后,基于验证的数值模型,开展以梯度泡沫混凝土作为分配层的组合式防护结构预制孔装药爆炸的数值模拟,探讨梯度泡沫混凝土层界面层数和排列方式对组合式防护结构抗爆性能的影响。结果表明,新泡沫混凝土材料模型的模拟结果与试验结果吻合良好,与Soil and Foam模型相比,新模型在应力波传播和损伤破坏方面预测更好,泡沫混凝土层界面层数和排列方式对作用在主体结构上的应力以及分配层的损伤破坏情况有一定的影响。     

爆炸载荷下地下巷道分配层结构的对比分析

为寻找削波效果更好的分配层结构,基于光滑粒子流体动力学-有限元耦合方法SPH-FEM,建立地下巷道爆炸效应分析模型,形成11种不同的模拟方案。将含不同材料的分配层结构的测点应力峰值进行对比,以及从测点应力峰值、能量峰值和拱顶竖向位移的角度来比较不同分配层结构的削波能力,并将爆炸近区测点应力峰值与经验公式进行对比。结果表明,砂土的削波能力要强于泡沫混凝土;分配层中各层材料采用周期循环、波阻抗值递增且相邻材料波阻抗比减小的方式来布置,同时在分配层中加入钢铁,对应力波峰值的衰减和弥散效果最优。爆炸近区的模拟数值与计算值吻合度较高,证明此模拟具有一定的可靠性,可以为军事防护工程的结构设计提供参考。     

爆炸载荷下脆性颗粒体系破碎特性的数值研究

试验发现,以球形TNT为中心爆源,球形玻璃珠构成的颗粒和球壳中发生破碎的颗粒体积分数随当量比(颗粒球壳的质量与TNT炸药的质量比)的增加呈现指数衰减规律。采用有限元与离散元耦合的连续非连续数值方法,揭示了中心炸药起爆后颗粒环壳内爆炸波的传播衰减和在环壳外界面反射后的稀疏卸载过程。由于爆炸波的短脉冲特性,颗粒内部应力场始终处于应力非均衡状态,采用应力均衡状态下颗粒破碎强度的Weibull分布会得到远高于试验测得的破碎颗粒体积分数。因此采用破坏波传播特征时间内的平均诱导应力而非瞬时诱导应力作为颗粒破碎强度的应力指标,并通过试验结果确定破坏波传播特征时间。考虑了应力传播的非均匀性对于颗粒破碎的影响,得到了平均诱导应力峰值的概率分布随比例距离的变化规律,结合修正后的颗粒破碎强度Weibull分布建立了破碎颗粒体积分数随比例距离的变化模型。     

复合材料层合板分层裂纹扩展的试验及数值模拟研究

由于复合材料层合板在制作加工过程中会产生初始的微裂纹,且复合材料具有各向异性的力学特征,因此在承载条件下,这些微裂纹可能在黏结面上及在层与层之间发生、扩展、发展成宏观层间裂纹,最终导致结构的破坏.本文对复合材料层合板试验件进行了拉伸试验,提出了一种复合材料层合板分层建模方法,利用这种方法对一组试验件进行了单向拉伸荷载作用下极限承载力的研究,得出其分层扩展的位置及层间应力分布规律,将试验结果与数值模拟结果进行了对比,论证了分层建模方法对分析复合材料层合板分层裂纹扩展问题的可行性与适用性.     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

材料非线性对复合材料层合板热自由边界效应的影响

本文用准三维有限元法研究了材料非线性对复合材料层合板热自山边界效应的影响,给出了修正型Hahn-Tsai非线性应力-应变关系的三维形式。由本文非线性分析方法得到的层间应力与以往由线性分析方法得到的层间应力做了比较,结果表明:材料非线性能显著降低层间剪应力的集中程度,但对层间正应力影响不太明显。     

FRP复合套管足尺试件轴心受压破坏模式研究

FRP复合材料具有良好的绝缘性及耐污性,可大大提高输电线路的安全等级,降低维护成本。本文以380k V输电线路改造工程为背景,对工程中使用的Φ200×10和Φ272×12两种规格的FRP复合套管进行轴心受压足尺试验,每种规格3个试件。试验对构件的极限承载力、变形能力、破坏形式、应力分布规律等进行研究。结果发现:FRP复合套管在轴心压力作用下,呈脆性破坏形式;钢套管对FRP管会产生较大的横向挤压作用,导致构件承载力降低。根据试验结果,提出了钢套管挤压衰减调整系数η为0.7。研究将对FRP复合材料的推广应用起到积极作用。     

冲击波对核反应堆安全壳的动力响应研究

本文用时域边界积分方程提出研究半球形核反应堆安全壳在爆炸冲击波作用下动力响应分析的计算模型。从空中爆炸和地面爆炸两方面探求壳体位移和变形过程,分析冲击波在壳体内的传播规律。计算了在水平冲击波作用下壳体的内力分布,其计算结果可以作为我国核电站设计的参考分析依据。     

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。     

爆炸波在非饱和钙质砂中的传播规律

以球形TNT药包作为爆源,在密实的非饱和钙质砂中进行了一系列大尺寸爆炸模型试验。主要研究在不同药包质量、埋深及砂土试样含水率条件下,密实钙质砂中爆炸波的主要基本参数随传播距离增加而变化的规律。试验结果表明爆炸波主要以弹塑性波的形式在密实钙质砂中传播,在干燥和潮湿试样中塑性纵波波速随试样初始密度的增大或含水率的降低而增大,且范围分别为250～282 m/s和302～339 m/s。集团装药情况下,非饱和钙质砂中封闭爆炸的临界比例埋深约为2.25 m/kg1/3。在试验范围内,密实钙质砂中爆炸波的法向应力峰值及法向比冲量的衰减均服从爆炸相似律。封闭爆炸时,干燥钙质砂中爆炸波的应力衰减指数在测点比例爆心距大于或小于0.75 m/kg1/3处分别为2.94或1.37;潮湿钙质砂中爆炸波的应力衰减指数随含水率升高而增大,其范围为1.39～1.79。法向比冲量衰减指数随试样含水率升高而减小,其范围为0.97～1.18。     

浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应

为研究浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应,提出了一套新型试验工装,通过浅埋砂爆试验,系统探究了浅埋爆炸过程中冲击波的传播、爆炸产物与砂土的喷射轨迹、靶板的变形形貌以及爆炸载荷的空间分布情况。结果表明:浅埋爆炸在空气中产生冲击波,其传播速度大于爆炸产物与砂土的喷射速度;起爆后的爆炸产物与砂土迅速向外喷射,体积随时间不断膨胀,撞击到靶板后向四周扩散;通过特 殊设计的试验工装与靶板,定性得出浅埋砂爆载荷产生的冲量在空间中呈非均匀分布,即中间最大,向四周逐渐减小。对比分析2次不同试验,发现炸药埋深影响爆炸产物和砂土喷射时的相对位置:埋深较小时,爆炸产物会冲破覆盖的砂层,直接作用到靶板;埋深较大时,爆炸产物基本被砂层包覆,随砂土共同作用到靶板;此外,增大炸药埋深会延缓爆炸产物与砂土的喷射时间。砂土的类型直接影响靶板的变形形貌,按北约标准AEP-55配做的砂土不仅使靶板产生整体弯曲变形,还在靶板上形成大量凹坑,产生侵彻效果,而普通的河砂仅使靶板产生整体弯曲变形,无明显的侵彻效果。     

边坡抛掷爆破峰值质点振动速度的无量纲分析

为研究边坡抛掷爆破振动波传播过程所诱发的地表质点振动情况,运用量纲分析理论构建考虑高程影响的振动峰值速度公式,在此基础上依据边坡抛掷爆破模型将炮孔药包划分为无数微元体进行积分运算,最终得到边坡抛掷爆破振动峰值速度公式。结果显示,同一地理环境和爆破工艺条件下,峰值速度主要由炸药性能、装药深度、测点与爆源间距以及爆破作用指数所决定。同时对某边坡爆破现场进行试验测振,将实测峰值速度数据分别代入萨氏公式、3个常用萨氏修正公式以及通过无量纲理论推导出的速度公式进行非线性回归运算,得到坡表面实测值与各峰值速度公式预测值之间平均误差分别为32%、34.25%、29.58%、39%和7%,坡体内实测值与各峰值速度公式预测值之间平均误差分别为27.63%、23.5%、16.88%、33.889%和13.25%。     

钙质砂介质中爆炸波传播规律的试验研究

开展了一系列钙质砂和石英砂的地面爆炸试验，主要对比分析了两种砂土介质中爆炸波的传播规律，包括峰值压力、弹塑性波速及升压时间、爆坑尺寸等。试验结果表明，爆炸波在钙质砂中的传播与在石英砂中存在较大差异：地面爆炸作用下钙质砂爆坑较石英砂爆坑的直径和深度更小，且成坑形状为两阶同心圆；钙质砂中弹性波速为236～300 m/s，石英砂中弹性波速为218～337 m/s，弹性波速和塑性波速均随炸药质量增加而增大；爆炸波在钙质砂中的升压时间随比例距离的增加而增加，而在石英砂中升压时间随比例距离变化不明显，且较钙质砂中升压更迅速；在地面爆炸作用下，低含水率钙质砂的衰减系数为2.86，石英砂为2.79。