爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应

为了找出爆炸动力作用下的隧道衬砌结构薄弱部位和力学规律,建立了土体隧道动力分析整体有限元模型;利用显式动力有限元程序Ansys/Ls-dyna进行了数值模拟,探讨了土体隧道衬砌结构在爆炸作用下不同部位的时间历程曲线;分析了爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应。结果显示:隧道衬砌结构肩部在x、y方向的位移都较大;隧道衬砌结构顶部在y方向的位移较大;隧道衬砌结构顶部、肩部的加速度峰值最大并且加速度曲线均出现了两次或多次峰值。这反映了爆炸冲击波有比较强烈的多次反射;各部位压力时程曲线波动较大,按照肩部、顶部、胯部、底部、腰部的顺序先后到达峰值;顶部和肩部σx峰值最大,顶部和底部σy峰值最大,顶部、肩部、底部τmax峰值最大。顶部和肩部出现最大拉应力说明爆炸对拱顶拱肩损伤较大,隧道衬砌结构将会最先在这两处发生破坏。     

饱和土体中压力隧洞衬砌-土相互作用解析研究

基于Biot理论，采用渗流一力学耦合模型研究分析了内水压力作用下饱和土体中压力隧洞衬砌一土的相互作用问题。假定衬砌和土体均为饱和多孔介质，且衬砌和土体完全接触。运用积分变换理论，在hplace变换域中得到了衬砌和土体中的应力、位移和孔隙水压力解答，并利用bplace数值逆变换得到时域中的解。文末的算例分析结果表明：(1)采用渗流一力学耦合模型能较好地反映隧洞衬砌与土体相互作用中应力和变形的随时间变化过程；(2)衬砌和土体的相对刚度对隧洞的计算结果有很大影响。     

深埋圆柱形隧洞黏弹性衬砌-土系统稳态振动的解析解

衬砌和土体具有黏弹性性质.将土骨架和衬砌结构视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究了深埋圆柱形隧洞衬砌和土体系统的动力特性.基于黏弹性理论,根据界面连续性条件,分别得到了黏弹性土体和衬砌结构的径向位移、应力等的解析表达式.在此基础上,对比分析了经典弹性土和弹性衬砌系统、分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性.考察了土体和衬砌的模量比、衬砌厚度、分数导数阶数、材料参数比对系统动力响应的影响.结果表明:经典弹性土和弹性衬砌系统与分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性存在较大差异.随着分数导数阶数的增加,衬砌的径向位移和环向应力幅值明显减小;土体的黏性对系统动力特性的影响大于衬砌黏性的影响.     

钢筋混凝土盾构衬砌结构的三维数值分析

结合地铁盾构隧道工程实例，应用三维有限元模型和ANSYS程序分析了上部和周围土体荷载作用下钢筋混凝土衬砌的应力、应变分布与开裂规律。模型考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的弹塑性性质，通过刚度折减考虑了管片接头不连续性对衬砌应力、应变与开裂性质的影响。     

基于分数导数本构的粘弹性土层—隧洞衬砌系统的稳态动力响应

将混凝土衬砌材料视为具有分数导数本构的粘弹性体,在频率域研究了深埋圆形隧洞粘弹性土的稳态动力响应。利用衬砌的内边界条件和混凝土衬砌与土体界面处的连续性条件,得到了粘弹性土体和衬砌稳态振动的应力和位移解析解。进行了隧洞衬砌厚度、土体阻尼比、本构阶数、材料参数比等对土体的位移和应力幅值影响的算例分析,结果表明:材料参数比对系统动力特性有较大影响,随着材料参数比的增加,位移和应力幅值减小;随着土体的阻尼比、衬砌厚度的增加,位移和应力幅值减小;当材料参数比Tσ/Tε=3时,随着分数导数阶数增大,响应幅值减小。     

内部荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应解答

考虑土与衬砌结构的动力相互作用,本文研究了内源荷载作用下,圆柱形孔洞的动力响应问题.将土体和衬砌结构视为弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到土体及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,可确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了土中圆形衬砌结构的动力响应随土体和衬砌结构参数的变化规律.     

准饱和土体中圆形衬砌对弹性波的散射

采用Vardoulakis和Beskos提出的准饱和土体的波动控制方程,根据Helmholtz矢量分解定理,得到了准饱和土中P1波(快压缩波)、P2波(慢压缩波)和S波(剪切波)的波数的势函数表达式.将准饱和土体和圆形衬砌视为各向同性的均质体,运用波函数展开法将入射波、散射波和折射波的势函数展开成Fourier-Bessel函数的级数形式,根据准饱和土体与衬砌边界处应力和位移连续及衬砌内完全自由的边界条件,得到了平面P1波入射下,准饱和土体内深埋圆形衬砌的散射系数和折射系数的理论解,通过数值计算分析了饱和度对准饱和土体和衬砌的DSCF(动应力集中因子)及准饱和土体的PPCF(孔压集中因子)的影响规律,结果表明:准饱和土体的DSCF随着饱和度的增大而减小,衬砌的DSCF基本不受饱和度的影响,而准饱和土体的PPCF则随着饱和度的增大而增大.     

爆炸荷载作用下饱和半空间中衬砌隧道弹性动力响应IBIEM模拟

基于Biot两相介质理论，采用一种高精度间接边界积分方程法（IBIEM）研究了饱和半空间中浅埋衬砌隧道在内部爆炸荷载作用下的瞬态弹性动力反应。通过典型算例，给出了爆炸荷载作用下隧道附近地表位移、衬砌动应力、围岩径向位移和衬砌表面孔隙水压的时程响应，并对比分析了饱和半空间和全空间中隧道动力响应的区别。研究表明：覆土层厚度对浅埋隧道-围岩整体动力响应特征具有明显影响；衬砌表面透水状态对爆炸荷载的时程响应的影响不显著；随半空间饱和介质孔隙率增加，围岩受隧道内部爆炸影响程度降低，衬砌承担的爆炸作用增大；当和直达波、衬砌内部反射波的峰值叠加作用时，半空间表面反射波对衬砌隧道拱顶附近响应影响显著，使得衬砌动应力幅值、径向位移相比深埋情况大幅度增加。     

饱和土与衬砌动力相互作用的圆柱形孔洞内源问题解答

考虑饱和土与衬砌结构的动力相互作用,该文研究了内源荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应问题.将饱和土体和衬砌结构分别视为流固耦合介质和弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到饱和土体位移应力的表达式及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了饱和土中圆形衬砌结构随土体和衬砌结构参数变化的动力响应规律.     

半封闭分数导数粘弹性衬砌隧道的频域响应

混凝土衬砌具有粘弹性性质，以往的经典Kelvin模型、弹性理论和壳体理论都不能刻画其蠕变的全过程。本文基于饱和多孔介质理论，在频率域研究了轴对称荷载和流体压力作用下饱和粘弹性土中半封闭分数导数型衬砌隧洞的稳态动力响应。在引入隧洞部分透水边界条件的基础上，通过分数阶导数粘弹性模型描述衬砌的应力—位移本构关系，并利用衬砌内边界以及接触面的连续性条件，得到了饱和土和衬砌的应力、位移和孔压解答。考察了分数导数阶数、材料参数以及衬砌和土体相对渗透系数的影响。研究表明：分数导数阶数对系统响应影响较大，且依赖于衬砌的材料参数。另外，相对渗透系数对系统响应的影响很大。     

聚能射流侵彻页岩储层损伤裂隙形成机制

为研究药型罩对聚能射孔弹侵彻页岩储层的射孔和损伤致裂效果的影响机理，建立了射孔弹-空气-页岩三维模型，设置药型罩的锥角分别为50°、60°、70°和80°，壁厚分别为0.5、1.0和1.5 mm，材料分别为铜、钢、钛和钨。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算，分别从射流速度与形态、页岩射孔效果及页岩孔裂隙形成规律特征等进行系统性分析。研究结果表明：在射孔弹结构中，随着药型罩锥角的减小，射流速度提高、杵体速度降低、侵彻深度增大同时开孔孔径减小。在一定范围内，适当减小药型罩的壁厚，可以提高射流速度、减小杵体质量、增大侵彻深度和开孔倾斜度。药型罩材料对射流速度、杵体结构和页岩射孔效果均有显著影响，其中钨药型罩射孔弹的侵彻深度最大但开孔孔径最小，钛药型罩射孔弹的侵彻深度最小但开孔倾斜度最大，铜比钢药型罩射孔弹的侵彻深度略大但开孔孔径略小。通过研究不同对照组的页岩孔裂隙形成规律特征发现，页岩孔裂隙发育主要发生在杵体对页岩的再扩孔阶段，减小射流初始扩孔孔径、增大杵体直径、提高杵体速度，可以促进页岩孔裂隙发育程度。     

Hurling of shells by hollow charges

Results of the numerical solution of the problem of one-dimensional hurling of shells by hollow explosive charges are elucidated. The results of the numerical solution are compared with asymptotic formulas. Numerous domestic and foreign papers have been devoted to the question of hurling shells by explosive charges. A numerical solution of the problem of convergence of a ring to the center under the effect of detonation products is presented in [1–3]. The problem of hurling a shell by a hollow explosive charge with an internal lining is considered in [4]; the solution of the problem of hurling a shell by a hollow explosive charge without the cavity lining is presented in [5] on the basis of the energy-balance equations; however, the complete picture of the processes occurring in the detonation products is not considered.Translated from Zhurnal Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki, No. 3, pp. 161–166, May–June, 1976.     

P波作用下饱和土中深埋圆形复合式衬砌隧道动应力响应研究

采用波函数展开法,推导出了平面P波入射下饱和土中深埋圆形双层衬砌动应力集中问题的解析解,并将该解退化为弹性介质中双层衬砌对平面P波散射的稳态解,验证了计算结果的正确性。研究结果表明,饱和土中双层衬砌的内边界动应力集中系数值大于外边界;外侧衬砌及内侧衬砌弹性模量对衬砌的动应力集中系数影响较大,在保证外侧衬砌稳定性较好的条件下,内侧衬砌尽可能选择刚度较小的材料;增加外侧衬砌及内侧衬砌的厚度可明显地减小衬砌内的动应力集中系数。     

安全壳中钢衬壳热屈曲问题理论与实验研究(I)———理论分析部分

钢衬壳热屈曲问题是核工程安全壳设计中的主要问题把铆固之间的钢衬壳视为钢衬板的特殊缺陷形式，利用Ｋｏｉｔｅｒ初始后屈曲理论分析了完善和具有初始缺陷钢衬壳的弹性热后屈曲性态给出了用挠度－温度载荷表示的钢衬壳的后屈曲平衡路径表达式和屈曲临界载荷表达式具体分析了三种钢衬壳模型：四点铆固钢衬壳、四边固支钢衬壳和五点铆固钢衬壳给出了钢衬的初始缺陷、锚钉间距、钢衬厚度等参数对钢衬热屈曲载荷的影响结果对安全壳中钢衬壳的设计有很好的参考价值     

Effect of imperfect bonding on axisymmetric elastodynamic response of a lined circular tunnel in poroelastic soil due to a moving ring load

A two-dimensional elasticity analysis for steady-state axisymmetric dynamic response of an arbitrarily thick elastic homogeneous hollow cylinder of infinite length, which is imperfectly bonded to the surrounding fluid-saturated permeable formation, subject to an axially moving ring load, is presented. The problem solution is derived by using Biot’s dynamic theory of poroelasticity in conjunction with double Fourier transformation with respect to time (frequency) and axial coordinate (axial wave number). The analytical results are illustrated with numerical examples in which a concrete tunnel lining of uniform wall thickness is imperfectly bonded to a surrounding water-saturated poroelastic formation of soft/stiff frame characteristic. Numerical solutions for the radial shell mid-plane and formation displacements are calculated by analytical (numerical) inversion of the Fourier transformation with respect to the frequency (axial wave number). Primary attention is focused on the influence of bonding condition at the liner/soil interface, formation material type, and load velocity on the system’s dynamic response. Limiting cases are considered and good agreements with the solutions available in the literature are obtained.     

一种高精度欧拉算法在成形装药金属射流问题中的应用

构建了一套高精度的求解成形装药金属射流问题的数值方案，给出了适用于欧拉程序的同时考虑塑性温升和冲击温升的计算方法,通过固体炸药爆炸的经典算例证明了程序是高精度的。对成形装药金属射流进行了模拟，给出了炸药的起爆、金属衬垫的失效以及射流的形成过程。研究了衬垫形状对射流形状、速度和温度的影响,通过数值分析发现，随着衬垫顶角的增大，射流的长度变短，速度减小，衬垫材料的利用率有所增加;在爆炸载荷作用的初期，衬垫的温度随着衬垫顶角的减小而增大，而当射流形成并趋于稳定之后，4种衬垫构型产生的射流温度十分接近。     

Post-buckling behavior of a point-supported cylindrical liner shell of concrete pressure vessels

Using W. T. Koiter's initial post-buckling theory, this paper deals with the critical load and post-buckling behavior of a point-supported cylindrical liner shell encased in a concrete pressure vessel while the liner shell is subjected to axial and lateral compressions. The reasonable spacing of anchors is given. The results show that the point-supported cylindrical liner shell has a relatively complicated post-buckling behavior. The behavior is subject to the change of anchor spacing in both axial and circumferential directions. When the ratio of the anchor spacing in the two directions satisfies a certain condition, the liner shell will carry the maximum load.     

爆炸载荷作用下铀气溶胶形成机理研究

针对铀材料在爆炸载荷作用下形成放射性气溶胶的过程,采用光滑粒子流体动力学方法开展了数值模拟和实验研究。通过将颗粒动力学和SPH方法结合,建立了炸药爆轰作用于铀金属壳的数值模拟模型,以铀材料比内能为气溶胶转化判据,获得了铀材料转化为气溶胶的物理过程,得到了在相同爆炸当量下,不同质量铀材料的气溶胶转化效率,并与实验结果进行了对比分析。结果显示,铀材料在爆炸载荷作用下,当其比内能达到1.9 MJ/kg时,即可认为完全转变为气溶胶,对于本文中的爆炸装置结构形式,当炸药质量为铀材料质量的6倍时,转化率超过90%。实验验证了数值模拟结果,表明该方法能够对铀材料的气溶胶转化过程进行准确描述。     

爆炸载荷下仿贝壳结构的动态响应

贝壳珍珠层是一种具有高强度和高韧性的天然材料,这种优异的性能主要来源于多尺度、多层级的“砖泥”结构。本文受贝壳特殊结构的启发,构建了仿贝壳砖泥结构的有限元模型,并进行了爆炸实验。通过实验发现:在爆炸冲量为0.047 N·s时,试件发生灾难性破坏,使得中心处发生掉落,且伴随着试件夹持端的剪切破坏,与数值模拟结果具有良好的一致性。在实验基础上,对仿贝壳砖泥结构在爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。研究发现,在爆炸载荷下仿贝壳砖泥结构会产生五种不同的破坏模式,包括:Ⅰ,结构整体无损伤;Ⅱ,结构前表面无明显破坏,后表面发生破坏;Ⅲ,结构发生掉落型贯穿破坏,夹持端无剪切破坏;Ⅳ,结构发生小块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏;Ⅴ,结构发生大块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏。并且给出了不同破坏模式的临界阈值,单层砖泥结构的破坏阈值为0.019 N·s,五层砖泥结构的破坏阈值为0.047 N·s,当冲量超过破坏阈值时,试件发生灾难性破坏。研究分析了堆叠层数对仿生结构的力学响应,在同一冲量下,随着层数的增加,结构的破坏模式发生改变,由贯穿型破坏逐渐变为仅发生一定塑性变形。随着层数增加,结构的损伤阈值增加。最后提出仿贝壳砖泥结构的增韧机理主要有裂纹偏转和微裂纹。