考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究

针对岩石爆破爆炸荷载历程中未联合考虑岩石爆破动态过程和炮孔周围岩体破坏分区的不足,开展了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程及其适用性研究。联合岩石爆破动态过程和岩体破坏分区的理论解,推导了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式,比较了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程与实测炮孔爆炸压力曲线,开展了单孔爆破现场试验和相应条件下3种爆炸荷载工况的数值模拟,并对爆破振动现场实测和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明：考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程包括上升段和衰减段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,上升段持续时间极短,衰减段持续时间较长且主要由填塞情况控制;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程理论计算结果与实测炮孔爆炸压力曲线的变化趋势一致,验证了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式的可靠性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载工况下,单孔爆破振动波形的数值模拟结果与现场实测结果的主要特征一致,该荷载工况下质点峰值振速计算结果与现场实测值偏差率最小,绝大部分在7%以内,表明了其应用于数值模拟的优越性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载可随岩石爆破系统条件的变化而动态调整,其可靠性好、适应性强、应用效果佳。     

不耦合装药爆破孔壁压力峰值的实验研究

不耦合装药爆破孔壁压力峰值是控制岩体轮廓成形质量及进行非流固耦合爆破振动响应数值模拟分析的重要参数,本文采用实验方法研究了不耦合装药爆破的孔壁压力峰值:利用材质为20钢的无缝薄壁钢管模拟不耦合装药爆破炮孔,以高灵敏度、高精度的应变片为传感器,选用超动态应变仪采集钢管内置柱状炸药卷爆炸过程中钢管外壁产生的环向应变,应用动荷载作用下薄壁圆筒的动力响应计算方法,反演分析采集的钢管外壁环向应变数据,得到了爆破过程中空气冲击波作用于钢管内壁的冲击荷载压力峰值,间接测量了不耦合装药爆炸后的孔壁压力峰值。实验获得了6种不耦合装药工况下的爆破孔壁压力峰值测试数据,并计算了相应工况下实验值较准静态爆生气体压力的增大倍数,拟合结果表明压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长。同时也分析了部分试验工况下爆炸测试结果不理想的原因,研究成果可为轮廓爆破孔壁压力峰值的测试与计算提供参考。     

长杆弹对混凝土的侵爆效应

对适用于长杆弹在混凝土介质中侵彻和爆炸全过程的三维数值模拟方法和技术进行了研究。描述了进行相应数值模拟的有关方法和关键技术。确定了靶体C30混凝土材料所使用的本构模型及其相应的参数。对卵形头长杆弹在C30混凝土中侵彻到一定深度再爆炸的全物理过程进行了三维数值模拟,分别给出了C30混凝土靶体在侵彻和爆炸作用下的破坏效应图像。将侵彻计算图像与实验结果进行了比较,两者定性符合。     

岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆 破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等 效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用 的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸 出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力 有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技 术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对 计算结果有重要影响。     

超高性能混凝土HJC本构模型参数确定及应用

在超高性能混凝土的数值模拟中，合理地确定其本构模型参数是提高计算精度和设计可靠度的基础。基于超高性能混凝土单轴压缩试验、霍普金森压杆试验和已有的三轴围压试验等，确定了超高性能混凝土的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)本构模型参数。利用LS_DYNA软件模拟单向板爆炸试验，通过与试验中单向板的损伤程度和最大挠度进行对比，验证了已确定参数的有效性。为了进一步了解超高性能混凝土构件的抗爆机理，采用已确定的参数对单向板爆炸工况进行数值模拟，分析配筋和尺寸变化对爆炸结果的影响。结果表明，在爆炸过程中，提高纵筋配筋率可以减小单向板的跨中最大挠度，适当加密箍筋可以减小单向板侧面的斜裂缝长度。超高性能混凝土单向板具有明显的尺寸效应，其中厚度和长度变化对爆炸结果的影响最突出。     

混凝土HJC本构模型参数的研究

运用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA模拟了混凝土SHPB试验.将试验采集的入射波数据作为压杆的端面载荷,模拟条件尽量符合试验条件,确保模拟精度.将数值模拟与试验结果相结合,研究了混凝土HJC模型参数的确定方法,得到了C60混凝土的相关计算参数,模拟结果得到的应力-应变曲线与不同应变率下混凝土SHPB试验应力-应变曲线吻合较好.分析了HJC模型的本构特性,比较了与金属JC模型的差异与共性,讨论了HJC模型存在的问题.研究结果表明,未考虑混凝土弹性响应的应变率效应,横向效应的影响与采用的失效方式密切相关.     

基于砼SHPB试验数值分析的HJC模型参数研究

为了研究混凝土HJC本构模型的参数取值及其参数对混凝土动态性能的影响,本文基于HJC模型原始参数,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对混凝土SHPB试验进行了数值模拟,结果显示数值计算结果与试验结果存在一定的差异。据此根据模型中参数的物理意义确定出可能影响混凝土动态性能的关键参数,通过保持其他参数不变、改变关键参数的方法对混凝土SHPB试验进行数值分析,得到了各关键参数对混凝土动态性能的影响规律,并基于该分析结果对HJC模型的原始参数进行了修正。数值模拟结果表明,采用本文修正参数的计算结果与试验结果吻合良好,能较准确地反映混凝土的动态性能。     

轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法

爆破孔壁压力峰值是进行非流固耦合爆破动力响应分析的重要参数。针对轮廓爆破孔壁压力峰值的计算方法问题，理论分析了爆炸冲击波与弹性壁面的相互作用，推导了空气冲击波与弹性壁碰撞后压力增大倍数的理论解，并采用流固耦合动力有限元数值分析方法，研究了3种岩体介质、2种轮廓爆破常用炸药、5种常用不耦合系数、2种轴向装药系数工况下轮廓爆破的冲击波碰撞压力增大倍数和炮孔壁压力峰值。结果表明:轮廓爆破时，爆炸冲击波与孔壁碰撞后压力增大倍数并不是常值，与炸药特性、孔壁介质条件、不耦合装药系数等因素相关，孔壁压力峰值也与上述因素密切相关。基于模拟的孔壁压力峰值数据的统计分析，并结合理论推导成果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式，提出了一种新的轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法。     

混凝土SHPB试验数值模拟研究

基于混凝土HJC动态本构模型,分析了该模型方程及参数获得方法,以混凝土材料的基本力学参数确定了HJC模型中各参数值,并运用LS-DYNA软件完成混凝土SHPB试验的三维数值模拟.对比分析数值模拟结果重构所得试样的应力应变曲线与实际试验结果的相似性,研究表明,数值模拟结果可再现试验中混凝土的动态力学行为与破坏特征,而且,数值模拟可很好的反映应力波在波导杆与试件中传播过程,符合一维弹性波理论规律.     

爆炸荷载下碳纤维布加固混凝土板的抗弯性能研究

为研究碳纤维布加固混凝土板的抗爆能力,用混凝土HJC动力本构模型,建立了混凝土板、炸药及考虑空气介质影响的流固耦合有限元计算模型.用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,对在爆炸荷载作用下未粘贴碳纤维布以及用碳纤维布加固下的混凝土板的跨中位移及受力性能进行了数值分析.研究结果表明:混凝土板用碳纤维布粘贴加固后抗爆炸冲击能力明显提高,且碳纤维布粘贴在一定层数以内时,其抗爆炸冲击能力与加固层数成正比,继续增加层数时抗爆能力提高不明显,甚至有相反的变化趋势.     

Further study on effect of concrete defense layer on evolution mechanism of stress-waves

The Taylor–Chen–Kuszmaul model, which regards the dynamic fracture process of brittle materials as a continuous accrual of damage, has been successfully applied to simulate rock blast and concrete penetration. This paper employs the TCK damage model to numerical study on the effect of perforated concrete defense layer on evolution mechanism of blast-induced stress waves. The numerical results reveal that the tensile damage near free boundary should be noteworthy under a higher blast loading, and the peak values of hydrostatic pressure beneath an artificial cavity are largely reduced. The effects of cavity dimensions and position on wave evolution and reduction are detailedly explored. One empirical formula is proposed to relate the decay factor of peak hydrostatic pressure to the dimensions and relative position of cavity.     

基于耦合算法的三维复杂结构冲击动力学特性

光滑粒子流体动力学-有限元耦合算法（SPH-FEM）较好地结合了SPH和FEM的优势,近年来逐渐被引入冲击动力学相关问题研究中。然而早期的研究对象多为单一材料的简单结构,所取得的研究成果距离实际工程应用仍有一定差距。为此,在总结前人工作的基础上,对SPH-FEM耦合算法进行适当改进,通过引入复合材料损伤模型,对复合材料蒙皮结构飞行器舱段结构进行建模计算,分析其在爆炸冲击激励下的冲击动力学特性。将数值计算结果与试验结果进行对比分析,验证该算法和模型的有效性和准确性,初步实现SPH-FEM的工程实际应用。最后总结了复合材料蒙皮结构飞行器在爆炸冲击激励下的一系列结构动态响应规律,以期为航天飞行器结构设计与防护提供参考。     

Elastic–plastic-hydrodynamic analysis of crater blasting in steel fiber reinforced concrete

This paper presents a numerical analysis of crater blasting in steel fiber reinforced concrete (SFRC). In order to model the nonlinear damage-softening behavior of SFRC, the effective stress and effective plastic strain curve is tabulated and used as input for the material Type10 (MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO) available in LS-DYNA. The Gruneisen equation of state (EOS) is used to model the pressure volume relationship. With the two erosion criteria namely tensile cut-off and failure strain incorporated, the crater blasting in SFRC is simulated. Numerical results show that the adopted model and high-pressure EOS can well capture the main characteristics and failure process of SFRC under blast loading, and the related parameters can be determined conveniently. In addition, the volume fraction of fibers exerts a significant influence on the dimension of blast-induced crater.     

爆炸冲击波作用下颅脑损伤机理的数值模拟研究

爆炸引起的颅脑损伤已经成为现代战场单兵的主要致伤形式，而相关的致伤机理尚未完全阐明。本文中，针对头部在爆炸冲击波作用下的动态响应及相关致伤机理进行了数值模拟研究。首先，基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型，该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造；利用该模型对人体头部碰撞实验进行数值模拟，模拟结果与实验结果吻合良好，验证了头部模型的有效性。在此基础上，基于欧拉-拉格朗日耦合(Euler-Lagrangian coupling method，CEL)方法发展了爆炸冲击波-头部流固耦合模型，对头部受到爆炸冲击波正面冲击工况进行了数值模拟，分别从流场压力分布、脑组织压力、颅骨变形与加速度等方面对头部动态响应过程进行了分析。爆炸冲击波峰值压力在流固耦合作用下增大为入射波的3.5倍，致使受到直接冲击处的颅骨与脑组织发生高频振动，相应的振动频率高达8 kHz，这与碰撞载荷下的脑组织动态响应是完全不同的。同时，该处颅骨的局部弯曲变形会沿着颅骨进行“传播”，影响着整个颅骨的变化构型，从而决定了脑组织压力与损伤的演化过程。     

混凝土中爆炸数值仿真算法研究

用AUTODYN动力学软件对装药在混凝土介质靶中爆炸作数值仿真,研究了不同的网格描述方法,以及网格划分方法对计算结果的影响。通过实际算例比较了Lagrange算法和SPH算法以及不同的网格划分细度对靶径向、轴向不同距离的最大冲击压力、靶背过载以及损伤区、炸坑大小的模拟计算结果。分析得到了混凝土介质靶中爆炸问题数值仿真的合适算法,即拉氏算法对炸点近处的较高的最大冲击压力有较好的敏感能力,SPH算法对仿真计算爆坑形态以及抛掷体速度等具有明显的优势。对于算例问题,拉氏算法10 mm网格和SPH算法3 mm粒子即可满足一定的计算精度。     

球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型

为获得球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型,对静态爆炸冲击波超压Baker计算公式加入修正因子进行修正,并建立了构造包含装药运动速度、对比距离和方位角的修正因子函数的方法。为获得修正因子的函数表达式,采用高精度显式欧拉流体动力学软件SPEED针对具有典型运动速度的球形装药空中爆炸过程进行了数值模拟,得到了沿装药不同对比距离和方位角处的动态爆炸冲击波超压峰值。在对数值模拟结果处理的基础上,经过数据拟合获得了动态爆炸冲击波超压场计算模型。校验结果表明,该模型能较准确描述动态爆炸冲击波超压分布,具有普适性。     

弹体贯穿混凝土数值模拟的改进材料模型

研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文中提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对3个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。     

混凝土K&C模型材料参数分析与模拟

混凝土K&C模型材料参数一般取国外文献中的原始数值,没有根据混凝土强度等级和单元尺寸的不同而作相应的调整．根据相关的试验研究成果,提出了一种确定K&C模型强度参数值的方法,并阐述了K&C模型损伤参数值的调整方法,使得数值计算结果更加合理．运用有限元显式动力分析软件ANSYS/LSDYNA,采用流固耦合方法模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动态响应,混凝土K&C模型取本文确定的参数值,计算结果与试验结果吻合较好,从而验证了K&C模型材料参数取值的正确性．