水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的抗爆性能

在水下爆炸冲击荷载作用下,结构动力响应较之静态荷载和地震荷载作用下要复杂得多。通过大 量的数值模拟,探讨了混凝土重力坝在水下爆炸冲击荷载作用下,大坝高度、库前水位对大坝抗爆性能的影 响,为大坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。数值计算中,构建了重力坝水下爆炸全耦合数值模型,并考虑 爆炸冲击作用下混凝土的高应变率效应。研究结果表明:对于混凝土重力坝,随着大坝高度的增加,大坝的抗 爆性能增强;库前水位对大坝的抗爆性能影响较大,通过降低库前水位可有效提高大坝的抗爆性能。     

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DYNA, 对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究 表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量; 重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌 破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。     

混凝土重力坝爆炸荷载数值分析及抗爆性能研究

利用LS-DYNA非线性有限元程序,基于Eulerian和Lagrangian耦合的方法,研究了RHT本构模型模拟的混凝土板在爆炸荷载下的动力反应,并且将数值结果与现场实验结果进行比较,由此说明了RHT本构模型模拟爆炸荷载下混凝土动力反应的有效性。研究了2 t TNT炸药在距离坝体上游面10 m不同起爆深度的情况下,有泡沫混凝土保护层和无泡沫混凝土保护层的坝体动力响应及其损伤状况。计算结果表明,无泡沫混凝土保护层时,坝体上游面主要损伤区域位置总是随起爆深度的增加向坝体底部移动;当上游表面有泡沫混凝土保护层时,坝体上游表面的损伤明显变小,下游面的损伤较无保护层情况也明显减小。表明泡沫混凝土能够有效减小混凝土大坝在爆炸荷载下的损伤,在提高混凝土大坝的抗爆性能方面起到很好的保护作用。     

混凝土重力坝爆炸荷载数值分析及抗爆性能研究

利用LS-DYNA非线性有限元程序,基于Eulerian和Lagrangian耦合的方法,研究了RHT本构模型模拟的混凝土板在爆炸荷载下的动力反应,并且将数值结果与现场实验结果进行比较,由此说明了RHT本构模型模拟爆炸荷载下混凝土动力反应的有效性。研究了2tTNT炸药在距离坝体上游面10m不同起爆深度的情况下,有泡沫混凝土保护层和无泡沫混凝土保护层的坝体动力响应及其损伤状况。计算结果表明,无泡沫混凝土保护层时,坝体上游面主要损伤区域位置总是随起爆深度的增加向坝体底部移动;当上游表面有泡沫混凝土保护层时,坝体上游表面的损伤明显变小,下游面的损伤较无保护层情况也明显减小。表明泡沫混凝土能够有效减小混凝土大坝在爆炸荷载下的损伤,在提高混凝土大坝的抗爆性能方面起到很好的保护作用。     

圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能野外实验与数值模拟

通过6根圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(UHPSFRCFDST)柱爆炸破坏实验,研究了轴压、折合距离、空心率和迎爆面形状对其动态响应及损伤破坏的影响,并运用LS-DYNA软件建立了爆炸荷载作用下UHPSFRCFDST柱动态响应的有限元模型。在验证了模型有效性的基础上,运用参数化分析方法,研究了轴压比、空心率、含钢率、内层和外层钢管径厚比及其强度等关键参数对圆形UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。结果表明:有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及损伤破坏;在小于临界轴压时,提高轴压比能够提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能,但超过临界轴压后继续提高反而会加重其损伤破坏;减小空心率或内、外层钢管径厚比均可有效提升UHPSFRCFDST柱的抗爆性能,提高含钢率或外层钢管强度也能达到相同效果,但提高内层钢管强度对其抗爆性能的提升作用并不显著。     

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。     

高水位运行下近水面水下爆炸对拱坝结构的影响

为预测近水面水下爆炸作用下拱坝结构的动态响应和损伤,基于有限元程序Abaqus/Explicit,采用声学介质描述库水,并采用拱坝-地基-库水系统有限元模型,考虑键槽作用的两种极端情况(完好和失效)及混凝土的受拉、受压损伤,假设50kg当量TNT炸药爆炸距离大坝迎水面水平距离为10m,对某133m高的薄拱坝进行了持时1s的显式动力时程分析.计算结果表明:靠近爆炸源的坝段径向加速度响应峰值大于其它坝段1倍以上,键槽失效情况下3号坝段向上游方向的位移峰值比键槽完好情况时大28%,键槽是否正常工作会影响大坝各坝段之间的动力响应传递,导致坝体损伤发展的差异;坝体损伤范围比较集中,0.3s 后损伤发展基本完成,坝面不会出现大面积的宏观断裂破坏;键槽失效时,3号坝段底部下游两侧混凝土可能破坏,可考虑在拱坝横缝上配置跨缝钢筋作为键槽失效情况的安全储备.     

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.     

水面舰艇舷侧防雷舱结构模型抗爆试验研究

对水面舰艇防雷舱结构模型进行水下抗爆能力系列试验,探讨了有无水中防御结构的利弊及防护效果。系统研究了舰艇舷侧防御结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理,并对防雷舱进行水下抗爆设计。经过一系列的模型试验,证明设计水下舷侧防雷舱结构能够大大减小水下接触爆炸对舰体的破坏作用,防止重要舱室进水,从而使结构的水下抗爆能力得到有效提高。     

考虑动水压力和流固耦合的库水-坝体-地基系统建模与动力分析

结合动水压力模型和罚函数耦合算法，考虑地基和坝体结构的接触以及边界效应，构建动水压力和流固耦合作用下的库水-坝体-地基地震响应分析模型和方法。通过与试验结果及解析解和实测数据对比，验证了本文模型和方法能准确反映系统地震荷载和分析整体耦合系统的动力响应，引入罚函数处理流固耦合界面能提高计算收敛速度。进一步以某重力坝工程实际为背景，验证本文构建的模型和方法适用于库水-坝体-地基耦合系统动力分析的可行性，并分析了地震作用下地基变形对系统动力响应的影响。     

The effect of concrete slab–rockfill interface behavior on the earthquake performance of a CFR dam

Earthquake response of the concrete slab is mostly depended upon its conjunction with rockfill. This study aims to reveal the effect of concrete slab–rockfill interface behavior on the earthquake performance of a concrete-faced rockfill dam considering friction contact and welded contact. Friction contact is provided by using interface elements with five numbers of shear stiffness values. 2D finite element model of Torul concrete-faced rockfill dam is used for this purpose. Linear and materially non-linear time-history analyses considering dam–reservoir interaction are performed using ANSYS. Reservoir water is modeled using fluid finite elements by the Lagrangian approach. The Drucker–Prager model is preferred for concrete slab and rockfill in non-linear analyses. Horizontal component of 1992 Erzincan earthquake with peak ground acceleration of 0.515g is used in analyses. The maximum and minimum displacements and principal stresses are shown by the height of the concrete slab and earthquake performance of the dam is investigated considering different joint conditions for empty and full reservoir cases. In addition, potential damage situations of concrete slab are evaluated.     

舰船底部液舱结构在水下爆炸作用下的动态响应实验研究

实验研究了舰船底部液舱双层板结构在水下爆炸作用下的动态响应问题。对舰船底部液舱模型在空载、半载和满载状态下进行了水下爆炸实验,测量了底部液舱外板和内板的壁压、加速度和动态应变等参数。在此基础上,分析了船体底部液舱外板和内板在水下爆炸作用下的响应特点,液舱满载时水下爆炸冲击波的透射作用和半载液舱飞溅载荷对内底的冲击作用等问题。     

瓦斯爆炸载荷作用下矿用柱壳救生舱抗爆性分析及结构优化

矿用救生舱是矿井安全生产中必备的救生装备,其稳定性和抗爆性能决定着逃生人员的生存概率。本文中设计了一种圆柱壳结构救生舱,优化了该救生舱在瓦斯爆炸载荷作用下的抗爆性能:首先,采用ANSYS/LS DYNA软件模拟并验证了爆炸流场载荷;其次,采用ALE流固耦合算法揭示了真实环境下爆炸流场与救生舱的耦合作用;然后,对其进行抗爆性模拟分析及结构设计优化;最后,对比分析了原模型和优化模型的动力响应、强度及能量变化特征,结果表明优化后的救生舱抗爆性满足国家规范要求。     

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。     

水下爆炸下典型舰船结构整体损伤模式表征方法及图谱研究

随着舰船抗爆炸冲击总体结构优化设计及水中兵器攻击效能评估研究的深入,建立水下中近距非接触爆炸作用下舰船整体损伤模式的快速判定方法尤为重要。通过Abaqus软件建立了爆炸冲击波和气泡联合作用下舰船结构整体损伤特性的数值模拟方法并进行了实验验证;分析了水下爆炸载荷强度及舰船结构强度等参数变化对结构整体损伤模式的影响,提出了综合反映爆炸冲击波和气泡联合作用的新型冲击强度因子C₄,表征舰船结构总体强度的结构强度因子S,初步构建了舰船整体损伤模式分布图谱C₄-S。研究结果表明,建立的数值方法能较好预测舰船结构整体损伤模式和总体变形,误差不超过10%;提出的两类因子能分别合理表征水下爆炸强度和舰船结构强度,构建的损伤模式分布图谱能较好区分不同爆炸强度、舰船结构强度下的舰船整体中拱、中垂、鞭状损伤模式,可实现对水下爆炸下舰船整体损伤模式的快速判定。     

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。     

水下成组药包爆炸作用下冰盖动态响应数值模拟

利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了成组药包水下爆炸冰盖动态响应模型,通过数值计算,得到了冲击波峰值压力变化规律,峰值压力与理论计算结果基本吻合。本文分析了冰盖在成组药包水下爆炸冲击载荷下的应力分布及垂直位移响应特征。结果表明,冰盖迎爆面为压缩破坏,背爆面为拉伸破坏,两者数值均十分接近,其中迎爆面最大压力值可达18.12MPa,冰盖近爆炸点最大垂直位移为1.211cm,两药包连线中点最小位移为0.15cm,达到脆性冰盖形成贯通裂隙的基本条件,从而确定了冰盖在水下成组药包大间距布设条件下,其动态破坏形式是以产生裂隙为主要特征。     

3D numerical simulation on fluid-structure interaction of structure subjected to underwater explosion with cavitation

In the underwater-shock environment,cavitation occurs near the structural surface.The dynamic response of fluid-structure interactions is influenced seriously by the cavitation effects.It is also the difficulty in the field of underwater explosion.With the traditional boundary element method and the finite element method(FEM),it is difficult to solve the nonlinear problem with cavitation effects subjected to the underwater explosion.To solve this problem,under the consideration of the cavitation effects and fluid compressibility,with fluid viscidity being neglected,a 3D numerical model of transient nonlinear fluid-structure interaction subjected to the underwater explosion is built.The fluid spectral element method(SEM) and the FEM are adopted to solve this model.After comparison with the FEM,it is shown that the SEM is more precise than the FEM,and the SEM results are in good coincidence with benchmark results and experiment results.Based on this,combined with ABAQUS,the transient fluid-structure interaction mechanism of the 3D submerged spherical shell and ship stiffened plates subjected to the underwater explosion is discussed,and the cavitation region and its influence on the structural dynamic responses are presented.The paper aims at providing references for relevant research on transient fluid-structure interaction of ship structures subjected to the underwater explosion.     

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。