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。     

以新型空壳颗粒复合材料为分配层的成层防护结构抗爆性能试验研究

以成层式人防工程为试验研究背景,分别采用黄沙和新型空壳颗粒复合材料做分配层,开展大比尺集团装药化爆模拟试验,考察其衰减爆炸冲击波的能力。试验结果表明,采用颗粒复合材料构建的分配层,在相同装药量下,遮弹层的变形和破坏明显大于黄沙分配层,应力波上升沿加大,波形脉宽增加,平均峰值应力大概是黄沙分配层的0.65左右,除装药正下方的个别颗粒遭受粉碎性破坏外,绝大部分空壳颗粒依然完好,只是表层泡沫陶瓷略有破损。这说明新型空壳颗粒复合材料不但对爆炸波有非常明显的衰减弥散作用,而且具备承受多次打击的能力。用这种材料做分配层,可大幅提高地下人防工程的抗爆能力。     

多层梯度点阵夹芯结构抗爆性能研究

基于CONWEP对多层梯度点阵夹芯板在爆炸载荷下的动态响应进行了模拟研究。在相同爆炸载荷下,对四种梯度点阵模型的后面板中心挠度峰值进行了对比分析,讨论了各模型每层芯子的总变形能随相对密度比的变化规律,并对多层点阵夹芯板各层的变形情况进行了比较。分析结果表明:对于三层金字塔点阵夹芯结构,强弱相间的点阵夹芯板充分利用了前两层芯子的变形吸能,从而对第三层芯子和后面板起到了很好的保护作用;且在350g TNT炸药和200mm爆距的爆炸载荷下,相对密度比为0.5的强弱相间点阵夹芯板的后面板中心挠度峰值最小,抗爆冲击性能最优。     

夹芯圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的抗冲击特性

采用声固耦合方法对夹芯圆柱壳和等质量的普通圆柱壳在爆炸载荷作用下的应变、速度和加速度进行有限元计算。结果表明:夹芯防护层对爆炸冲击波可起到较好的衰减作用,即通过芯层的塑性变形,耗散了冲击过程中产生的大部分能量,对里面的圆柱壳体起到较好的保护作用,由于夹芯防护层的存在,与等质量的普通圆柱壳相比,夹芯圆柱壳能够承受更强的爆炸冲击波,降低结构的整体变形。     

用柔爆索构成沿圆柱壳体周向呈余弦分布的冲量载荷

利用柔爆索爆炸加载模拟脉冲X射线辐照产生的汽化反冲冲量进行结构响应实验研究,需要对柔爆索载荷的分布特征进行直接的实验测定。按照优化设计结果在圆柱壳体周围排布一定数量的柔爆索,测量柔爆索爆炸在圆柱壳体表面不同角度处产生的冲量。测量结果表明通过优化设计柔爆索间距及柔爆索与圆柱壳体之间的距离可得到沿圆柱壳体周向呈余弦分布的冲量载荷。     

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。     

轻质泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能研究

通过实验研究和有限元模拟,重点关注了泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能和能量吸收机理.给出了爆炸载荷下泡沫金属夹芯壳结构的典型动力失效模式,分析了关键几何拓扑参量对其抗爆炸冲击性能的影响规律,模拟了爆炸载荷下夹芯壳结构的整个塑性动力响应过程,讨论了夹芯壳结构各组成部件的能量耗散分配机制.结果表明,夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能可以通过优化承载范围和结构配置而提高;夹芯壳结构的能量吸收能力与其失效机制相关,且泡沫金属芯层的贡献最大.研究结果可为强动载荷服役条件下泡沫金属夹芯复合结构的防护要求及优化设计提供技术支持.     

用光力学和有限元法确定钢壳的动态响应

本文提出了壳体在冲击载荷作用下三维位移分布的光力学方法的实验解和有限元数值解。采用一种新型的电磁脉冲加载装置,实现了对试件施加重复性很好的冲击载荷,利用测得的力一时间关系曲线作为外力边界条件,用逐步积分法对壳体在冲击载荷下的动态响应作了分析。光力学方法的实验解和有限元数值解吻合较好。     

长方体单腔室空腔环境内爆炸效应的实验研究

为了获得在典型空腔内发生爆炸后,结构壁面上爆炸载荷的分布规律和空腔结构的破坏形式,以国防工事和人防工事的等级设计规范为依据,设计了长方体单腔室空腔模型,并对该模型进行了药量逐渐递增直至可使结构破坏的内爆炸实验。用压力传感器和加速度传感器分别记录了单腔室壁面上爆炸载荷的压力时程曲线和结构壁面振动的加速度时程曲线,分析了壁面上爆炸载荷的分布规律以及模型结构的破坏形式,并将首个峰值的实测数据与理论计算和数值模拟结果进行了对比,探讨了3种研究方法产生误差的原因。     

局部淬火对金属柱壳动态断裂行为的影响

采用高能束局部淬火技术对金属柱壳进行预制破片,结合淬硬层组织和性能的变化特征,对内部爆炸载荷作用下壳体的动态断裂行为进行了研究,并将其与壳体自然破碎结果进行了对比。实验结果表明:壳体局部由于快速熔化-凝固导致相变,形成淬硬层,其组织主要为针状马氏体,晶粒细化,硬度提高约64%,但冲击功下降15.4%~35.0%,脆化倾向明显;淬硬层对剪切带形成敏感性有着明显影响,壳体基本沿淬硬层断裂并发生破碎,破片形状规则,质量范围为0.2g~0.3g的有效破片比重接近90%,远高于自然破碎的有效破片比重(35%)。     

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。     

核爆X光辐照铝靶产生的脉冲应力波的简化解析估算

高空核爆炸大约有７０％的能量以Ｘ射线形式向外辐射，高能通量密度的Ｘ射线辐照在空间结构物上，在其表面的能量沉积将产生脉冲应力波（通常又称为热击波），这样的脉冲应力波可造成壳体材料的动力学破坏。对于试验研究人员来说希望采用简化解析模型对于其参数作出直观、快速的预测。并以简化模型估算了核爆Ｘ射线谱的特征、Ｘ光辐照铝靶产生的脉冲应力波的初始参数及其沿铝靶厚度的衰减特性。     

星型负泊松比超材料防护结构抗爆抗冲击性能研究

采用数值方法对星型宏观负泊松比效应夹芯结构的抗冲击响应过程以及抗水下爆炸过程中的破坏形式进行了研究:探讨了星型负泊松比结构胞元壁厚、层数和胞元泊松比等参数对弹体侵彻及水下爆炸防护性能的影响。研究结果表明:对于高速或超高速弹体侵彻问题，单纯依靠结构性的被动防御无法应对；负泊松比效应蜂窝夹芯防护结构相较常规防护结构具有良好的水下抗爆性能；等质量条件下，泊松比的变化对抗爆性能影响明显，层数3层、泊松比为?1.63的星型夹芯结构的抗爆性能相对更优；等壁厚条件下，其水下抗爆性能随蜂窝胞元层数减小而增强。     

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。     

爆炸冲击下珊瑚砂动态本构模型

以珊瑚砂为主要覆盖域的岛礁在面临动力灾变时,确定岛礁工程抵抗极端冲击荷载的阈值至关重要,珊瑚砂的动态本构关系是防护工程设计的关键要素。本文中,根据SHPB实验和静态压缩实验的结果,提出了一种基于应变率强化规律确定珊瑚砂物态方程的方法,并确定了珊瑚砂动态本构模型的参数。分别基于流体弹塑性模型和Perzyna黏塑性帽盖模型,结合LS-DYNA有限元程序,通过对侵彻和爆炸的数值计算,验证了模型的适用性。基于建立的模型,对不同相对密实度的珊瑚砂开展了侵彻和爆炸数值计算,结果表明,密实度对爆炸波的衰减影响较大、对侵彻深度的影响较小。     

聚氨酯泡沫铝复合结构抗爆吸能试验及数值模拟分析

通过对聚氨酯泡沫铝和混凝土组成的复合结构进行接触爆炸试验,探讨了聚氨酯泡沫铝的吸能性能,并进行数值模拟分析。结果显示:聚氨酯泡沫铝的吸能性能明显优于泡沫铝,吸能层厚度对吸能效果影响很大,多层结构的聚氨酯泡沫铝吸能性能对比厚度一致的单层吸能层结构没有明显的改善;在保证了比较合理的吸能层厚度后,防护结构的每一层材料层存在着一个最佳的厚度组合来保证复合层优良的抗爆性能。     

非线性应力波传播理论的发展及应用

应力波传播理论是分析结构和材料在爆炸/冲击载荷作用下的响应及破坏特性的基础,在国防和民用工程上有重大价值。本文对作者们近半个世纪来在非线性应力波传播理论的发展及其工程应用方面所开展的主要研究作一回顾和讨论,包括：几类非线性应力波相互作用及失效,非线性粘弹性波传播理论及应用,动态破坏和应力波相互作用,以及应力波理论在防护工程中的应用等。