JPC聚能装药对钢筋混凝土墙毁伤效应的试验与数值模拟研究

为了满足高侵深和大穿孔的要求,设计一种聚能杆式弹丸（jetting projectile charge, JPC）,开展大尺寸钢筋混凝土墙的毁伤效应试验。在此基础上,基于修正参数的K&C(Karagozian&Case)模型进行数值模拟,研究JPC高速侵彻和爆炸冲击波对钢筋混凝土墙的联合破坏作用,分析墙体厚度对破坏效果的影响规律。结果表明,在1.67倍和2.50倍装药直径的炸高条件下,JPC均能够有效贯穿80 cm(6.67倍装药直径)厚的钢筋混凝土墙,形成直径大于6 cm(0.50倍装药直径)的柱状孔洞;聚能装药的多载荷毁伤特性决定了钢筋混凝土墙的破坏结果,爆炸冲击波能够加剧墙体正面开坑和背面崩落的破坏范围;墙体厚度对于墙体正面漏斗坑的直径与深度及内部侵彻孔洞直径均无显著影响;随着墙体厚度增大,背面漏斗坑直径逐渐减小,深度却逐渐增大。     

侵彻爆炸作用下钢纤维混凝土结构的破坏模式

基于大口径发射平台进行了155 mm杀伤爆破榴弹毁伤钢纤维混凝土结构的试验,得到了打击不同位置时结构的破坏情况;结合LS-DYNA数值模拟,分析了不同打击位置和不同命中速度下钢纤维混凝土结构的毁伤效应,讨论了侵彻与爆炸联合作用下钢纤维混凝土结构的损伤过程和破坏模式。结果表明：钢纤维混凝土结构在155 mm榴弹作用下,配置钢筋的顶板和侧墙发生较轻的爆炸成坑破坏,无配筋的前墙发生严重的爆炸震塌破坏。SPG (smooth particle Galerkin method)-结构化ALE (arbitrary Lagrange-Euler)(S-ALE)流固耦合算法能够有效预测钢筋混凝土结构在侵彻和爆炸共同作用下的损伤发展过程和破坏模式。大口径弹体侵彻有限边界靶的加速度时程曲线特征为突增骤减单峰值形式,弹体速度呈现先快速降低后缓慢减小的特征;靶标在基于侵彻损伤的爆炸作用下,主要破坏模式为混凝土块大量崩塌和裂缝的生长,且随着侵彻速度的增加,爆炸造成的毁伤由局部破坏向结构整体破坏发展;混凝土破碎区内,垂直于弹体的钢筋在侵彻作用下达到屈服,板顶和板底的钢筋在爆炸后达到屈服。     

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm（起爆点位于拱结构正上方和正下方）,通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler (ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明：相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程的数值模拟

采用三维材料破坏过程分析MFPA3D系统,对钢筋混凝土构件轴心受拉条件下的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏全过程进行了数值试验研究。数值模型中引入统计分布函数反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,利用位移加载方式对钢筋混凝土构件实施拉伸加载。通过对钢筋、素混凝土方形体以及钢筋混凝土方形柱体构件在拉伸作用下破坏过程的数值试验,分析了钢筋与混凝土两种材料之间的相互作用、约束机理和破坏机理。数值试验成果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律和钢筋在开裂前后对整体钢筋混凝土结构的作用机制有参考价值。     

混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先,基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律,利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围;然后,分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明:Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;定义混凝土中装药质量系数和耦合常数,可定量描述装药埋深和测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可较准确地快速预测不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度时爆炸波峰值应力。研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供参考。     

水下接触爆炸下沉箱码头毁伤效应

为研究水下接触爆炸下沉箱码头毁伤效应和毁伤机理，通过LS-DYNA有限元软件建立沉箱码头水下接触爆炸模型，进行数值模拟研究，并通过试验验证模型准确性。结果表明:运用有限元方法能够较好地模拟水下接触爆炸作用下沉箱码头的毁伤效应，沉箱码头的破坏过程可分为两个阶段:冲击波阶段，沉箱外墙产生初始破口和环状裂缝；气泡膨胀阶段，爆轰产物从破口涌入仓格加速了仓格的变形和毁伤，仓格顶部变形严重导致码头面板破坏，气泡由于冲出水面提前溃灭，码头毁伤在0.14倍的气泡第一次脉动周期基本停止。对比不同爆炸深度，水域中部接触爆炸下沉箱毁伤最为严重，近水面接触爆炸对码头面板的毁伤作用更强。     

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。     

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。     

浅埋炸药爆炸动力学研究进展

浅埋炸药爆炸是现代装甲车辆及其乘员的主要威胁。分析和探究浅埋炸药爆炸的作用机理及其影响因素是提升装甲车辆地雷生存能力、保障乘员安全的前提条件和重要基础。综述了目前国内外学者在浅埋炸药爆炸动力学方面的最新研究成果。首先介绍了浅埋爆炸动力学的研究方法,进而梳理了浅埋爆炸毁伤机理及其载荷传递规律。最后,针对本领域中相关研究工作给出了几点建议。     

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。     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。     

高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解效应

为研究高聚物牺牲包层对钢筋混凝土结构的爆炸毁伤缓解效应,开展了带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板的接触爆炸试验,同时设置了普通钢筋混凝土板作为对照组,对比分析了高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板毁伤特征的影响。此外,运用AUTODYN软件建立了现场爆炸试验的SPH-FEM耦合模型,通过与试验结果的对比,验证了所建耦合模型的可靠性。在此基础上,通过参数敏感性分析,探究了炸药量和高聚物牺牲包层密度、厚度对带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板毁伤特性以及吸能特性的影响。结果表明：接触爆炸下,高聚物牺牲包层能够有效地分散爆炸荷载,缓解爆炸荷载对钢筋混凝土板的冲击作用,具有良好的防护性能;药量在一定范围内增大时,高聚物牺牲包层依然能维持较高的吸能水平,增大包层密度和厚度有利于增强高聚物牺牲包层的吸能特性,包层厚度的变化会造成被保护钢筋混凝土板毁伤模式的改变。     

钢筋混凝土排架结构的抗爆破坏等级

为了研究钢筋混凝土排架结构在大当量爆炸冲击波下的破坏规律，依据最大TNT当量为3 t的爆炸试验，对排架主体结构的抗爆破坏等级进行数值模拟研究。通过量纲分析得到1/2缩比模型的荷载参数和结构尺寸。基于Abaqus有限元软件，利用CONWEP方法实现爆炸加载，分别计算装药0.5 t爆距33 m和装药3 t爆距33 m两种工况下排架结构的破坏形态，并与试验结果进行对比。进一步通过控制药量和距离，计算不同超压和冲量下缩比模型的破坏形态。研究结果表明，排架的关键破坏特征为中间承重柱的倾覆转动；数值计算与试验破坏形态吻合较好，特征位移和特征转角的最大相对误差分别为5.6%和4.6%。以承重柱的倾覆角作为划分依据，将计算结果分为3种破坏等级，拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度预估。     

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。     

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.      

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。     

带水墙靶板对高速破片侵彻能力影响规律

针对大当量成型弹药破片毁伤威力试验风险系数大、试验效能低的问题，提出采用带水墙靶板的方式对破片毁伤参数进行测定的新方法。应用动力学模拟软件AUTODYN，对破片侵彻带水墙靶板及无水墙靶板的过程进行了有限元数值模拟，分析了水墙厚度和破片入射角度对破片侵彻能力的影响规律，通过实弹试验的方式对带水墙靶板的实用效果进行了验证。计算结果表明，带水墙靶板相比无水墙靶板，能够大大降低破片的侵彻能力，同时与实弹试验效果也能较好吻合，说明在实际试验中使用带水墙靶板收集破片毁伤参数的方法是可行的。     

混凝土中爆炸模拟的数值方法比较

应用AUTODYN商业软件对装药在混凝土靶介质中的爆炸过程进行数值模拟,对比了混凝土中爆炸模拟的不同方法。将各数值方法模拟得到的混凝土毁伤特征尺寸与相关实验数据进行比较,研究了各数值方法的准确性及描述混凝土毁伤特征的可靠性参数。结果发现：Euler算法计算的压力最大,SPH和Lagrange耦合算法计算的压力最小;Euler算法和SPH算法计算的压力衰减过程会发生比较显著的扰动。以不同的平均网格尺寸对数值模拟结果的影响分析了各种数值方法的稳定性。比较靶体上同一测点的压力时间历程表明网格变化对测点处压力影响不大。通过应用各种数值方法模拟再现混凝土中的爆炸过程,揭示了各种方法的优缺点,明确了现有商业软件模拟混凝土中爆炸的适用性。     

水下接触爆炸下高聚物层对钢筋混凝土板的防护效果

为研究多孔材料高聚物对水下混凝土结构的抗爆防护性能,对含高聚物防护层的钢筋混凝土板开展了水下爆炸实验,并设置了对照组。利用AUTODYN有限元程序建立了含高聚物防护层的钢筋混凝土板水下爆炸全耦合模型,并通过数值模拟结果与实验的对比,验证了所建模型的可靠性。在此基础上,通过数值模拟,进一步分析了前置钢板对高聚物层防护性能的提升效果。以钢筋混凝土板跨中残余位移为指标,参数化分析了起爆药量和复合结构层厚比对高聚物层水下防护效果的影响规律。结果表明：水下爆炸下,高聚物防护层能够有效降低混凝土结构的毁伤程度;在高聚物层外侧布置钢质薄板,可以更好地发挥高聚物层的吸能效果,对钢筋混凝土板起到更好的防护效果,且当高聚物层与前置钢板层厚度比为20时,防护效果最佳。     

防雷舱结构在聚能装药水下爆炸作用下的毁伤研究

通过实验以及数值模拟,开展了防雷舱结构在聚能装药水下爆炸作用下的毁伤研究,探讨冲击波在多介质结构中的传播规律及其对结构的毁伤机理。结果表明:相同爆炸当量条件下,爆破型装药仅对空舱产生破坏,防雷舱的多介质复合结构对冲击波具有较强的衰减作用,聚能型装药形成的侵彻体可造成液舱前板及后板的穿孔,孔径约为装药直径的1/3~1/2。加宽液舱以及加厚液舱后板可以增强防雷舱的抗爆能力。