超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能

用大掺量超细工业废渣取代水泥,最大粒径为2.5 mm的天然砂取代粒径为600 m的磨细石英砂,并掺加高弹高强粗集料(最大粒径分别为15、10 mm的玄武岩石子),制备出不同强度等级的超高性能水泥基复合材料(UHPCC).对9块靶体进行了接触爆炸实验,对比分析了靶体材料的爆炸破坏现象,结果表明,制备的超高性能水泥基复合材料具有优异的抗爆炸、抗震塌性能.由爆炸漏斗坑尺寸计算分析得到3种材料的抗爆炸系数,分析表明其抗爆炸系数与材料本身的抗拉强度的平方根成反比,提出了超高性能水泥基复合材料爆炸漏斗坑深度计算公式,以期为防护工程材料的设计提供参考.     

超高韧性水泥基复合材料—纤维混凝土组合靶体抗两次打击试验研究

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composites, UHTCC）具有超高的韧性、良好的耐久性和优异的耗能效果,这些特性使得UHTCC在防护工程中具有广阔的应用前景。为了更好地研究UHTCC与纤维混凝土组合结构在二次打击条件下的抗侵彻性能,首先测量了UHTCC和聚乙烯醇纤维增强混凝土（polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, FRC）的基本力学参数。然后采用25 mm口径的弹道滑膛炮对直径为750 mm、高为600 mm的圆柱形UHTCC靶体、FRC靶体、UHTCC-FRC组合靶体（UHTCC-FRC composite target）进行了弹体速度为550 m/s的二次侵彻试验,得到了弹体和三类靶体的破坏数据,包括弹体的侵彻深度、弹体的磨蚀、靶体迎弹面的开坑直径和面积、弹坑深度、迎弹面的裂纹数量以及裂纹最大宽度。在此基础上分析了骨料、结构形式和两次打击的间距对UHTCC-FRC组合靶体抗侵彻性能的影响。结果表明:相同试验条件下,与普通混凝土和超高性能混凝土相比,UHTCC能够有效的减小迎弹面的开坑直径,但会增加弹体侵彻深度;将50 mm的UHTCC置于组合靶的迎弹面可以有效地减少迎弹面的开坑直径;弹体二次侵彻深度大于弹体一次侵彻深度,靶体在二次冲击下的开坑面积小于靶体初次冲击下的开坑面积。     

活性粉末混凝土抗多次侵彻实验研究及数值预测

活性粉末混凝土（reactive powder concrete,RPC）具有超高的强度和优异的阻裂性能。为了研究RPC在多次冲击荷载下的损伤规律,采用25 mm口径滑膛炮对直径为600 mm、高600 mm的RPC圆柱形靶体进行了多次侵彻实验,得到了每次侵彻后靶体的破坏数据,并根据实验数据确定了Forrestal经验公式中的相关系数。基于K&C本构模型和现有RPC基本力学性能的实验数据,修正了K&C模型的强度面参数、损伤参数、状态方程参数、损伤演化模型以及应变率效应相关参数,系统地确定了RPC的K&C模型参数。采用LS-DYNA软件中的重启动功能模拟了弹体多次侵彻RPC靶体的破坏结果,模拟结果与实验结果基本一致,验证了模拟方法的有效性。对长2 200 mm、宽2 200 mm、高1 260 mm的RPC靶体抗侵彻实验进行了数值预测,得到了侵彻深度与弹速之间的关系、弹体贯穿靶体时的极限速度以及弹体侵彻过程中的峰值加速度。     

超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻性能研究

采用普通混凝土成形工艺和热水养护制度,制备出了抗压强度120~250 MPa的超高性能水泥基 复合材料。在获得优异静态力学性能的基础上,进行了超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻研究,分析了侵 彻过程中的靶体破坏形态。根据获得的侵彻深度数据,在J.T.Gomez等提出的多次侵彻模型基础上,修正了 与靶体抗压强度有关的多次侵彻深度计算经验方程。     

基于块体单元离散模型的地铁车站爆炸破岩与防护研究

地铁已成为大、中型城市主要交通工具,然而地铁车站一直是恐怖爆炸袭击的重点对象,直接影响地铁运营安全,增强地铁车站结构防护抗爆能力至关重要.本文采用理论分析、数值模拟相结合的研究方法,利用单元内连续、单元间非连续的计算方法,构建块体单元离散弹簧动力学模型,建立地铁车站三维计算模型,模拟地铁车站内部爆炸状况,研究爆炸波空间传播和耗散规律及对构筑物破坏作用;分析低能爆炸作用下车站支柱混凝土、钢管护层混凝土和泡沫钢板夹芯护层混凝土抗爆性能,根据不同防护结构衰减应力波和吸能性能,优化地铁车站构筑物防护结构型式,提高车站抗爆能力,具有重要的实际应用价值.     

砌体填充墙的抗爆性能

为了揭示砌体填充墙的抗爆破坏机理,在野外实验中,测得了爆炸条件下砌体填充墙上的爆炸荷载及位移,得到了墙的抗爆性能、破坏模式以及碎片的飞散和分布情况。实验结果表明,墙体的破坏模式与荷载的大小有关,其破坏主要由灰缝的破坏引起。结合实验现象,采用分离式建模的精细化数值模拟方法,得到了不同荷载条件下裂缝的发展过程、墙体的边界条件对墙体的破坏模式的影响,确定了墙体不同破坏等级时的药量,进一步说明本文中数值模拟方法的合理性。     

接触爆炸荷载作用下溢流坝的抗爆性能

以黄登重力坝的溢流坝为研究背景,考虑混凝土的高应变率效应,运用Lagrange-Euler耦合算法建立大坝-库水-空气-炸药全耦合数值模型,研究溢流坝在接触爆炸荷载作用下的抗爆性能。分析满库与空库时溢流坝在爆炸冲击波作用下的动力响应及损伤程度,并进一步研究满库时大坝在不同炸点的水下接触爆炸荷载作用下的动力响应及损伤分布。研究结果表明,满库时水下爆炸比空库时爆炸的动力响应及损伤程度大得多;溢流坝的抗爆薄弱部位主要集中在溢流道顶部及坝体上游折坡处。研究溢流坝的抗爆性能时应重点研究满库时水下爆炸对大坝的破坏特性。     

爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。     

铝氧比对含铝炸药性能影响的数值模拟

为了研究铝氧比对含铝炸药在混凝土介质中爆炸性能的影响,采用数值模拟与实验相结合的方法,针对铝氧比分别为0、0.257、0.632的含铝炸药,利用AUTODYN有限元程序建立计算模型,计算了柱形装药在混凝土介质中的爆炸破坏过程,并且得到了在比例距离为2.5~10的范围内,3种含铝炸药爆炸形成的冲击波压力时程曲线。计算结果表明:冲击波峰值压力的衰减指数随炸药的铝氧比增大而减小,衰减指数分别为2.1、1.71、1.60;另外,当含铝炸药的铝氧比为0.257时比冲击波能最大。     

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。     

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．     

钢纤维钢筋混凝土板爆炸局部破坏效应

在前人的实验基础上,针对中高强钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸破坏效应进行了94炮野外化爆实验,详细介绍了实验参数设计,系统分析了不同装药量及结构参数条件下钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸破坏特征,即爆炸成坑、临界震塌、爆炸震塌、临界贯穿和爆炸贯穿。得出了钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸5种典型破坏形态及其相应的破坏参数指标值,对爆炸成坑和结构震塌的主要影响因素得出了初步结论,为爆炸局部破坏分级及结构抗局部破坏设计提供了实验依据。     

Flat ended projectile penetrating ultra-high strength concrete plate target

Reactive powder concrete (RPC), a composite that has been developed in recent years, is a special mixture that is cured to have a higher compressive strength than that of concrete (about 200 MPa). Adding a few steel fibers can markedly increase its mechanical properties, such as tensile and bending strength, impact resistance and toughness. Hence, RPC is highly promising for use in the containment structures of nuclear power plants and in the protection of military facilities. This study evaluates the resistance of ultra-high strength concrete targets by high-velocity impact experiments. Test variables include the impact velocity and the amount of steel fibers added. The experimental results reveal that RPC plates, because of their higher compressive strength, are more fragile than normal concrete (NC) plates. However, adding a small amount of steel fibers significantly improved the impact resistance of the target plates. Moreover, a numerical simulation based on the nonlinear finite element code LS-DYNA was performed. The results of the numerical simulation have a good agreement with the experimental data and can be used for further research.     

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。     

温压炸药的特性及发展现状

温压炸药的爆炸涉及到起爆、爆轰、冲击波的传播与反射、多相湍流和多模化学反应等, 是一个多尺度、多物质、多因素、多物理场耦合过程, 深化温压炸药高效释能的关键基础理论, 揭示温压爆炸的反应机理并有效控制和利用是温压武器创新发展的关键科学问题, 对高威力温压炸药的配方设计、温压武器的研制和使用具有重要指导意义. 本文描述了温压爆炸的基本原理, 讨论了温压炸药的概念和内涵, 从炸药种类、释能特点、能量构成、爆炸反应机制、爆炸效应增强机理、杀伤机制等方面阐述了温压炸药的特征, 分析了温压炸药有限空间内部爆炸威力的评估方法以及温压炸药的研发状况, 并提出了相关发展建议, 以期为高威力温压炸药的设计、温压弹的研制及毁伤评估提供指导.      

侵彻条件下两类靶体材料静阻力的探讨

以空腔膨胀理论为主要理论工具，通过比较侵彻近区塑性材料和脆性材料动力学行为的差异，对两类不同材料静阻力（R_t）的本质进行探讨，并对脆性材料侵彻的若干应用问题提出建议。研究表明:（1）R_t是靶体介质以固体特性抵抗局部扩孔、具有时间平均特性的弹体横截面平均应力，其具体取值随着材料的物理力学特性、侵彻模型、撞击速度等因素而变化，因此不是材料的固有特性。（2）对于塑性靶体的非变形侵彻问题，静态空腔膨胀理论的结果能够对R_t作出比较合理的预测；对于拟流体侵彻问题，一般需要对静态空腔膨胀理论的结果加以修正。（3）脆性材料的R_t主要取决于破碎后介质的力学特性而与完整材料的力学特性关系不大，且与单轴抗压强度之间不满足纯粹的单调关系；当侵彻速度较低时，应考虑侵彻速度对侵彻阻力的强化作用，这种强化作用的本质是内摩擦；当侵彻速度足够高时，脆性材料体现出恒定不变的“动力硬度”，其反映了材料的本征阻力特性。（4）提高脆性材料的侵彻阻力的关键在于减小应力波峰值后环向拉应力的幅值、抑制材料的破碎速度和程度，具体措施包括主动或被动地增加外围压、对基质中添加增韧增强纤维等；为了实现对脆性材料侵彻问题更高精度的数值模拟，建议更加重视对破碎介质动力学特性的研究。     

炸药参数对高锰钢爆炸硬化性能的影响

为了研究炸药参数对高锰钢爆炸硬化效果的影响,对两种不同密度的炸药进行爆速测试,并利用该炸药分别对高锰钢试样进行爆炸硬化实验,测试了从硬化表面向材料内部的硬度、抗拉强度和冲击韧性随深度的变化。测试结果表明:高锰钢试样在相同深度下,经过密度1.38 g/cm3炸药3次爆炸硬化得到的硬度大于密度1.48 g/cm3炸药2次爆炸硬化后的硬度,而冲击韧性小于密度1.48 g/cm3炸药作用后的冲击韧性;从爆炸硬化表面向下15 mm内,经过密度1.38 g/cm3炸药3次爆炸硬化得到的抗拉强度大于密度1.48 g/cm3炸药2次爆炸硬化后的抗拉强度,但深度大于15 mm时,经过密度1.38 g/cm3炸药3次爆炸硬化得到的抗拉强度小于密度1.48 g/cm3炸药2次爆炸硬化后的抗拉强度。从硬化后试件的硬度、抗拉强度以及冲击韧性这3方面考虑,使用单次爆炸冲量较小的炸药进行多次爆炸硬化效果较好。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土的实验与数值模拟研究

为了得到钢筋混凝土目标在动能弹高速冲击作用下的破坏数据，基于大口径发射平台进行了100 mm口径卵形弹体高速侵彻钢筋混凝土靶体的实验，弹体质量为5.4 kg，靶体尺寸分为2 m × 2 m × 1.25 m 和 2 m × 2 m × 1.50 m两种，混凝土抗压强度为50 MPa，弹体侵彻速度为1 345～1 384 m/s，实验获得了弹体的侵彻深度及钢筋混凝土靶体的破坏数据。通过“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”建立钢筋混凝土靶体模型，结合Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型对实验工况进行计算。数值模拟给出了侵彻过程中钢筋的拉压力变化和分布规律，很好地模拟出贴近迎弹面钢筋在弹体高速冲击作用下伴随混凝土反向飞溅而产生的反向拉伸现象及靶体背面钢筋在混凝土崩落作用下发生的拉伸现象；数值模拟得到的弹体侵深数据、现象与实验结果吻合良好，实验验证了“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”的可靠性。