爆炸荷载作用下建筑玻璃的破碎模式分析

采用JH-2模型,将有限元方法与薄板振动理论相结合,研究了建筑玻璃在爆炸冲击波作用下的破碎原因、破碎模式、碎片分布规律。结果表明,玻璃在爆炸荷载下破碎的主要原因为静水压力达到其材料的静水拉应力强度。根据第1阶、第2阶振幅的比值,玻璃的爆炸响应分两个阶段。对应玻璃在不同响应阶段破碎,玻璃破碎模式分为两种:模式1,玻璃四角与板心连线上呈对称分布的四点最先破坏,裂缝沿该四点的连线发展、贯通,玻璃被分隔成9块;模式2,板心处玻璃最先破坏,裂缝向四边发展、贯通,将玻璃板分成4块。玻璃的破碎模式与爆炸荷载及玻璃尺寸相关,根据玻璃板位移在板心处首次有极大值的时间及该时间玻璃静水压力极大值可初步判定玻璃在爆炸荷载下的破碎模式。     

不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟

针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。     

大型浮顶式储油罐的爆炸破坏机理实验

利用可燃气体爆轰实验装置,通过乙炔/空气混合气体沿管道稳定爆轰后形成的冲击波对浮顶式储油罐模型的冲击实验,分别测得模型壁面上的超压荷载、动态应变及振动加速度时程曲线.通过对比分析,研究了大型浮顶式储油罐在爆炸冲击荷载作用下的动态响应特性及其破坏机理.在可燃气体爆炸荷载作用下,储罐结构在变形过程中诱发罐内液体产生压缩波并...     

炸药水中爆炸冲击因子的新型计算方法

针对水中爆炸冲击因子在近场范围内的一些不足,利用水中爆炸冲击波的最大峰值压力与正相冲量的乘积推导了冲击因子的表达式。通过水中爆炸实验,得到了几种典型炸药的冲击波参数及其相似方程。利用该公式计算了水中爆炸冲击因子及其装药指数,并与基于平面波的水下爆炸冲击因子进行了对比。结果表明:冲击因子中的装药指数n＝0.5不仅适合所有以TNT为基本组分的炸药,也适合于RDX、HMX基的炸药。在修正冲击波形状的基础上,由峰值压力与冲量的乘积推导的冲击因子计算公式,从冲击波的毁伤作用的角度表述了水中爆炸冲击因子的物理意义,在计算近场冲击因子时具有更高的准确性。     

高温熔融锡液遇水爆炸机理的实验研究

为研究低熔点金属锡遇水爆炸机理及能量转化过程,搭建了一套由高频熔融炉、高速摄像机和信号采集仪等组成的可视化实验平台,监测锡与水的质量比为5、10、15和20时熔融锡液与水接触反应过程,并选取中高熔点金属铝进行相同条件下的对比实验。同时,结合能量守恒定律、爆炸冲击理论建立数学计算模型,用于定量分析爆炸冲击波能量。结果表明:质量比为5时,熔融锡液与水反应触发2次蒸汽爆炸;由相同条件下熔融铝液遇水爆炸实验,反应剧烈程度和持续时间与金属碎化程度和金属热扩散率有关。此外,高温熔融锡液遇水爆炸过程中,0.45%～10.91%热能转化为冲击波能量。随着质量比的增加,冲击波能量转化率呈现先增后减趋势;当质量比为10时,冲击波能量转化率最大。由锡/铝遇水爆炸实验的冲击波压力曲线可知,当质量比小于12.69时,锡液遇水爆炸实验的冲击波能量转化率高于铝液遇水爆炸实验的冲击波能量转化率。     

船用加筋板架爆炸载荷下动态响应数值分析

针对船用加筋板架复杂结构在爆炸冲击波作用下的动态响应 ,采用商用高动态非线性有限元程序MSC/Dytran ,讨论了大尺寸加强结构板架迎爆承载问题 ,提出了复杂板架结构爆炸冲击波作用下动态响应的有限元计算方法 ,并进行了模型试验。试验结果与计算结果吻合较好 ,验证了应用程序及计算模型参数的稳定性和可靠性。对加筋板架两种承载形式 (大尺寸加强构件迎爆或背爆设置 )在爆炸冲击波作用下的动态响应 (板架中心挠度和塑性分布 )差异的分析研究表明 ,大尺寸骨架 (纵骨和肋骨 )背向爆炸冲击波设置将分散爆炸冲击波的冲击作用、减小板架变形、增强其抵抗爆炸冲击波冲击的能力 ,使结构偏于安全。     

动支座对拱结构抗爆承载力的影响

建立了具有动支座拱的计算模型,该模型考虑了竖向的弹性支承和阻尼支承、水平向弹性支承和扭转约束等柔性支承形式。基于大变形动力微分方程并利用有限差分方法,研究了动支座拱在爆炸荷载作用下的动力响应,并分析动支座对结构承载力的影响。研究表明:动支座对拱的抗爆承载能力有较大影响,不同形式的柔性支承对拱承载力的影响截然不同,竖向弹性支承能够使爆炸荷载作用下拱的弯矩峰值减小,并且使到达峰值的时间增加,提高了拱的抗爆或承受瞬态荷载的能力。而水平弹性支承使拱的内力值和相对位移值增大,对结构的承载力不利。     

近场近地爆炸下建筑柱爆炸荷载分布规律及简化模型

为了快速评估近场近地爆炸荷载下建筑柱的动力响应和破坏模式,通过数值仿真方法,探究了近场近地爆炸工况下冲击波在建筑柱迎爆面的分布规律,并提供了该工况下的爆炸荷载简化模型。为此,首先利用已有实验数据验证数值模型,并建立典型近地近场爆炸工况的数值模型,然后研究比例爆距和比例爆高对建筑柱冲击波特征参数的影响规律,最后拟合出柱迎爆面反射冲量和正相超压持续时间的计算公式,将柱迎爆面各点爆炸荷载转化为等效三角形荷载模型,为工程实践中建筑柱遭受近场近地爆炸作用下的抗爆设计提供荷载输入。研究结果表明：当比例爆高小于0.3 m/kg^1/3、比例爆距在0.4～0.6 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可简化为三折线分布;当比例爆距在0.6～1.4 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可近似简化为双折线分布;在同一比例爆距和比例爆高工况下,随着炸药当量的增加,柱迎爆面相同比例高度处反射超压峰值保持不变而反射冲量正比于当量的立方根。     

一种水下爆炸冲击波压力调控方法

起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力有较为显著的影响,这使得利用小当量装药在局部方向形成与大当量装药一定程度等效的冲击波成为可能。为了能够在小当量装药条件下开展舰船结构及设备抗水下爆炸冲击实验,基于细长装药结构和参数优化设计,设计了一种冲击波压力幅值和持续时间可调的装药方法。首先,基于简单波理论给出了水下爆炸冲击波压力调控的原理,以及装药参数优化设计的目标函数和约束条件;然后,采用自主数值模拟软件研究了细长装药的水下爆炸能量输出规律,通过实验验证了数值模拟的置信度,研究发现起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力峰值和持续时间的影响是显著的,在炸药爆速一定的情况下,长药柱水下爆炸冲击波压力的持续时间可通过几何近似确定;最后,为了进一步考察该方法的有效性,以1000 kg TNT和100 m爆距的水下爆炸冲击波压力-时间曲线作为原型,设计了2种与该原型冲击波压力等效的装药方案,并通过数值模拟进行了验证。研究结果表明:设计的装药能够在预定的持续时间内,在装药起爆端一侧形成与原型等效的冲击波压力-时间曲线。由于没有考虑对气泡载荷的等效,因此该调控方法仅适用于中远场爆炸冲击问题。     

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。     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

水下爆炸气泡脉动测量及分析

水下爆炸气泡破坏效应是水中兵器的重要毁伤模式之一。为研究水下爆炸气泡脉动现象,建立了小当量水下爆炸实验系统,并进行了爆炸当量分别为0.125g、1.0g、3.375g和8g TNT的水下爆炸实验。采用球形PETN装药并中心起爆,产生球形对称的气泡和冲击波载荷,并利用高速摄像系统记录水下爆炸气泡脉动过程,以及布置压力传感器测量水中冲击波压力。实验获得了清晰的水下爆炸气泡脉动过程图像,得到了冲击波和气泡脉动压力曲线。对数字化图像进行判读,得到气泡脉动直径和周期。另外根据冲击波曲线测量了气泡脉动周期,对比分析了气泡脉动相关参数。结果表明,高速摄像数据测量的气泡直径与经验公式较接近,高速摄像测量的气泡周期与冲击波曲线测量的气泡脉动周期以及经验公式结果具有较好的一致性。本文提出的实验技术安全、经济、可靠,气泡脉动参数判读精确,满足水下爆炸气泡脉动研究需求。     

点火能对丙烷-空气预混气体爆炸过程及管壁动态响应的影响

在长12 m的无缝不锈钢直管中,通过改变初始点火能量,探究了点火能对封闭管道内丙烷-空气混合气体爆炸传播特性和激波对管壁动态加载的影响。结果表明,初始点火能对预混气体爆炸火焰传播规律以及管壁的动态响应有显著影响:点火能越大,爆炸越剧烈,爆炸压力峰值压力和管壁最大应变就越大,且压力波和管壁应变的发展一致。火焰在传播过程中受到管道末端反射波的作用会发生短暂熄灭和复燃;管壁承受冲击波加载,应变信号主要分布在0~781.25 Hz,管壁最大应变率大于10-3 s-1,实验工况下管壁应变属动态响应。     

Numerical prediction of rock mass damage due to accidental explosions in an underground ammunition storage chamber

Accidental detonations in an underground ammunition storage chamber inside a rock mass may cause severe damage to the rock mass around the chamber, adjacent tunnels and chambers, ground surface, and in the worst case cause sympathetic detonation of explosives in adjacent storage chambers. To prevent such damage, underground ammunition storage chambers are often situated at minimum depth below the ground surface, and spaced at minimum distance from each other, so that damage, should it occur, is limited to the accidental chamber. Different codes and regulations for ammunition storage chambers specify minimum embedment depth and separation distance for underground ammunition storage chambers. They are usually given in terms of the rock mass properties and the weight of explosive stored in chambers. Some empirical formulae, usually based on the peak particle velocity of the stress wave or the maximum strain of the rock mass, are also available to estimate the damage zones in the rock mass from an explosion. All these empirical methods do not include the effects of explosion details, such as the loading density, chamber geometry and explosive distribution. In this paper, a previously calibrated numerical model is used to estimate the damage zones in a granite mass resulting from an accidental explosion in an underground ammunition storage chamber. Effects of various explosion conditions on rock mass damage are investigated. On the basis of the numerical results, some empirical formulae are derived to predict damage zones around the explosion chamber, as well as safe embedment depth of the storage chamber and safe separation distance between adjacent chambers. The numerical results are also compared with available empirical formulae and code specifications. It should be noted that the characteristics of stress wave propagation around an ammunition storage chamber has been published in a preceding paper (Int. J. Blast. Fragm. 5:57–90, 2001.     

水下爆炸冲击波壁压理论及数值计算方法改进研究

水下爆炸冲击波是舰船抗冲击评估中重要的载荷成分,也是水中结构物毁伤程度快速预报的关键和依据。通过小当量实验发现,由于传统 Taylor 平板理论公式忽略了冲击波波速的非线性变化 ,导致其在预报近距离水下爆炸冲击波壁压脉宽时出现偏差。为此,给出了比例爆距R/W1/3为0.11～5.30 m/kg1/3 (R为爆距,W为炸药质量)下的冲击波速度拟合公式,对传统Taylor理论公式进行修正。修正后,在R/W1/3=0.11 m/kg1/3下,壁压脉宽及冲量偏差大幅减小;在R/W1/3≥0.21 m/kg1/3下,两者偏差均小于12%。此外,在处理水下近场和中远场爆炸问题时,发现数值耗散会导致壁压峰值被明显削弱,于是提出了一种可行的数值策略消除计算中数值耗散导致的削弱效应,结果与修正的Taylor平板理论公式吻合良好,峰值偏差均小于9%。改进后的冲击波壁压理论公式及数值计算方法可为舰船抗爆抗冲击领域提供理论和技术支撑。     

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。     

POZD涂层方形钢筋混凝土板抗接触爆炸试验研究

为研究聚异氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料（polyisocyanate oxazodone，POZD）涂层方形钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的破坏模式和抗爆性能，对POZD涂层方形钢筋混凝土板进行接触爆炸条件下试验研究。试验中采用建筑结构中楼面设计常用的钢筋混凝土板为研究对象，通过11次独立的爆炸试验，分析了不同POZD涂层厚度对抗爆性能的影响，观测了钢筋混凝土板在不同装药量和不同POZD涂层厚度条件下的破坏模式和破坏特征，研究结果表明:涂层POZD钢筋混凝土板的主要破坏模式为钢筋混凝土板正面爆炸成坑，背面POZD涂层的圆锥状鼓起。POZD涂层鼓起主要是在爆炸冲击波作用下POZD涂层从基体板脱离并出现较大塑性变形所致。当冲击波荷载强度超过POZD材料的极限抗拉强度时，在涂层锥尖处形成较小的圆孔装剪切破坏，涂层的其他区域保持完好，从而让钢筋混凝土板不会产生较大范围的震塌破坏。在强冲击波荷载作用下利用POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性，可以通过自身的大变形很好地延长爆炸荷载的作用时间和耗散时间，吸收较大冲击波能量，从而约束混凝土震塌碎片，提高钢混混凝土板的抗爆性能。随着POZD涂层厚度增加，板的抗接触爆炸作用下的抗爆能力越强，临界震塌破坏装药量越多。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

Effect of loading conditions and initial state on the spall fracture of an explosive RDX-based compound

Results from examination of the spall fracture ofGTK-70 explosive compound under shock loading are reported. Specimens 20 and 30 mm thick were impacted by 1.0-mm-thick steel plates accelerated by an explosion to velocities of 180–370 m/sec. Calculations of the loading conditions and spall fracture of the specimens are performed in an elastoplastic formulation. An analysis of the data obtained yields a simple empirical relation among the maximum tensile stress in the spall plane, the stress gradient in the tensile pulse, and the maximum stress in the loading shock wave. Normalization of the specimens leads to a certain decrease in the fracture load. Institute of Experimental Physics, Sarov 607190. Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 40, No. 5, pp. 18–22, September–October, 1999.     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。