水下爆炸对重力坝的毁伤效应及最优爆距

为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应，并探讨是否存在“最优爆距”，基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型，并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600 mm，炸药量为2.2 g，重力坝模型几何比尺为1/80，包含5组爆深（50～250 mm），每组爆深对应12组爆距，爆距范围为10～200 mm，相应比例爆距范围为0.077～1.54 m/kg1/3。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度，并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明，对于重力坝整体结构破坏，如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏，水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”，即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低；与之类似，随着爆距的增加，重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40 mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同，5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40 mm附近，表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。     

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。     

近场水下爆炸气泡脉动及水射流的实验与数值模拟研究

海上作战时,近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律,开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明,气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着,基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟,结果表明:爆距在0.821～0.867倍最大气泡半径时,存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点;固支方板加快了气泡坍塌的进程,炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早;射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小,并在临界点附近达到最大值,射流速度最大可达621 m/s,射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后,给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。     

钢筋混凝土排架结构的抗爆破坏等级

为了研究钢筋混凝土排架结构在大当量爆炸冲击波下的破坏规律，依据最大TNT当量为3 t的爆炸试验，对排架主体结构的抗爆破坏等级进行数值模拟研究。通过量纲分析得到1/2缩比模型的荷载参数和结构尺寸。基于Abaqus有限元软件，利用CONWEP方法实现爆炸加载，分别计算装药0.5 t爆距33 m和装药3 t爆距33 m两种工况下排架结构的破坏形态，并与试验结果进行对比。进一步通过控制药量和距离，计算不同超压和冲量下缩比模型的破坏形态。研究结果表明，排架的关键破坏特征为中间承重柱的倾覆转动；数值计算与试验破坏形态吻合较好，特征位移和特征转角的最大相对误差分别为5.6%和4.6%。以承重柱的倾覆角作为划分依据，将计算结果分为3种破坏等级，拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度预估。     

爆炸荷载在圆截面桥梁墩柱上的分布规律

墩柱是桥梁结构的主要承载构件，研究爆炸荷载在墩柱上的分布规律是分析爆炸荷载作用下桥梁结构动态响应的前提。以圆截面桥梁墩柱为研究对象，基于LS-DYNA软件建立了桥梁墩柱的有限元模型，综合考虑炸药当量、爆心高度、爆炸距离和墩柱直径等影响因素，基于数值模拟得到爆心高度低于0.3倍墩柱高度，比例距离为0.5～2.1 m/kg1/3和墩柱直径为0.15～1 m时，爆炸荷载冲量沿墩柱高度和横截面方向上的分布。结果表明:沿墩柱高度方向，地面爆炸或爆心高度为0.1倍柱高时，墩柱前表面冲量近似“单线性”分布，当爆心高度距地面0.2和0.3倍柱高时，墩柱前表面冲量近似“双线性”分布；沿横截面方向的平均净冲量与其前表面冲量之比为常数。基于上述爆炸荷载冲量分布规律，进一步提出了爆炸荷载作用在桥梁墩柱上总净冲量的计算方法，从而为桥梁墩柱抗爆响应分析与设计提供一定的理论基础。     

水下爆炸载荷作用下加筋板的毁伤模式

利用有限元软件MSC.Dytran研究了不同药量和爆距水下爆炸载荷作用下加筋板结构的毁伤模式,并进行了实验验证。研究了不同参数对毁伤模式的影响,并分析了不同毁伤模式之间的临界载荷值及判别条件。从毁伤模式的角度提出了接触爆炸与非接触爆炸的判别条件。     

岩体加固抗爆炸性能

为进一步提升岩体的抗爆炸性能，采用相似模型实验和数值模拟的方法对采用交叉锚索进行加固的围岩进行了抗爆性能分析，对比分析了加固前后岩体的爆炸压力分布规律、应变分布规律、爆腔大小以及锚索参数对加固效果的影响。研究结果表明:无论岩体是否加固，爆心附近岩体内爆炸压力峰值、径向应变峰值、环向应变峰值与比例距离均呈负幂指数衰减，在相同的爆炸药量作用下，随着距爆点距离的增大，压力、应变峰值迅速减小；在集团装药条件下，岩体内的爆腔不呈球形而呈上细下粗的花瓶形，且无加固岩体的爆腔高度较大；交叉锚索角度变化对介质压缩半径的影响较小；随着交叉锚索密度的增大，加固介质中自由场压缩波峰值降低约20%～35%左右，介质的破坏半径小约30%左右。该研究结果可为地下防护工程设计和围岩加固提供参考。     

水下爆炸对沉箱重力式码头毁伤效应

通过开展不同爆距下水下爆炸对沉箱重力式码头模型毁伤效应试验，对水下荷载进行了采集分析，对毁伤因素、毁伤模式和毁伤机理开展了研究，初步讨论了爆距的影响。结果表明:试验中未形成完整的气泡脉动过程，荷载超压主要出现在冲击波传播阶段，爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波是主要的毁伤因素；水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤程度大、模式多、机理复杂，主要毁伤部位为迎爆面外墙、迎爆侧管沟、封仓板和面板；爆距越近码头毁伤越严重；当爆距过近时，爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收，迎爆面毁伤程度大幅增大，码头其他部位毁伤程度增幅放缓。     

离心机水下爆炸缩比实验原理及数值研究

对离心机水下爆炸缩比实验方法进行探究,对离心机水下爆炸缩比实验的相似理论进行了推导,通过数值计算分析,探究了原模型、离心机缩比实验及常规缩比实验的冲击波载荷、气泡载荷以及气泡动力学行为。结果表明:常规缩比实验不能对气泡行为及垂直方向的近场载荷进行准确的预报,若要保证远场气泡脉冲峰值误差小于10%,则爆距需大于9.5倍气泡最大半径。而离心机缩比实验能够对原模型进行准确的预报,以小当量装药模拟大当量装药水下爆炸整个物理过程,且冲击波和气泡两个阶段完全相似。同时,水深也可以进行几何缩比,克服了常规缩比方法的缺陷。     

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。     

含能微球敏化乳化炸药水下爆炸能量输出特性研究

将内部含有烷烃的含能微球引入乳化基质,得到一种新型乳化炸药。采用水下爆炸实验探究微球质量分数对乳化炸药水下爆炸性能的影响,得到含能微球质量分数为0.2%～7%的乳化炸药水下爆炸冲击波压力-时程曲线。依据压力结果,通过公式计算和分析得到炸药的水下冲击波峰值压力、比气泡能、比冲击波能以及比爆炸能等水下爆炸参数。实验结果表明:含能微球质量分数0.2%的乳化炸药的峰值压力最大,并且随着微球质量分数增大而下降;乳化炸药的比气泡能随着含能微球质量分数的增大先上升再下降,微球质量分数为4%的比气泡能最大;乳化炸药的爆速、比冲击波能以及比爆炸能均随着含能微球质量分数的增大而下降。     

PBX-01炸药水中爆轰产物状态方程研究

提出通过水中实验确定炸药的水中爆轰产物JWL状态方程参数的方法;选择PBX-01高能炸药进行水中实验,利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸药的水中实验模型,将实验结果与数值计算结果进行对比,确定PBX-01炸药水中爆轰产物的JWL状态方程参数。研究结果显示,圆筒实验确定的JWL参数在反映炸药水中爆轰产物的膨胀状态时有所不足,水中实验确定的JWL状态方程参数能够更准确地描述PBX-01炸药水中爆轰产物的膨胀过程,因此对水中爆炸的研究需要通过水中爆炸实验建一套状态方程参数。     

近场水下爆炸气泡与双层破口结构的相互作用

针对双层结构在水中受到水下爆炸冲击这一问题，利用欧拉有限元数值模型对近场水下爆炸气泡与双层破口结构的相互作用机理进行了研究，分析了舱室涌流及流场演化等规律。首先，通过放电实验对数值模型进行了验证，结果表明,数值结果和实验结果吻合较好；然后，总结了不同破口尺寸、不同起爆位置和不同壳间水位条件下的耦合作用规律。在内部空气、流体惯性以及破口的联合作用下，气泡演化过程中会出现气泡分割现象。当内层破口尺寸系数小于0.5时，内舱室内会出现二次涌流现象，且涌流形态较细长；炸药起爆位置系数小于0.1时，自由液面处会出现破碎和重闭合现象；壳内水位对舱室涌流量的影响作用较为复杂，当水位满舱时，急速涌流会减少船艇的应急时间。     

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。     

水下爆炸近场峰值压力的数值模拟

为了研究水下爆炸近场内的压力状态，使用SPH (smoothed particle hydrodynamics)方法，采用C-J爆轰模型，对水下爆炸过程进行了数值模拟。通过与峰值压力规律和中场内经验公式的比较，验证了程序的可靠性。对水下爆炸过程进行了波系分析，与不同维数水下爆炸的数值模拟结果进行了对比研究。结果表明:比距离R/a=6是波形变化的一个分界点，在R/a＜6的近场范围内，峰值压力的拟合分为两段更合适。另外，对数值结果的lnP_m-ln(R/a)曲线进行了分段幂次拟合，得到了与数值模拟结果非常吻合的拟合曲线。     

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。     

CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究

为研究CL-20基炸药、CL-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2 m×2 m×2 m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生、膨胀和收缩过程。拟合得到气泡脉动过程中气泡半径、速度、加速度对时间的变化曲线,对比分析了CL-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律。在实验条件下,首次直观地拍摄到CL-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象。实验表明:CL-20基含铝炸药的气泡半径、脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段。     

Investigation on charge parameters of underwater contact explosion based on axisymmetric SPH method

This paper investigates the effects of charge parameters of the underwater contact explosion based on the axisymmetric smoothed particle hydrodynamics （SPH） method. The dynamic boundary particle is proposed to improve the pressure fluctuation and numerical accuracy near the symmetric axis. An in-depth study is carried out over the influence of charge shapes and detonation modes on the near-field loads in terms of the peak pressure and impulse of shock waves. For different charge shapes, the cylindrical charge with different length-diameter ratios may cause strong directivity of peak pressure and impulse in the near field. Compared with spherical charge, the peak pressure of cylindrical charge may be either weakened or enhanced in different directions. Within a certain range, the greater the length-diameter ratio is, the more obvious the effect will be. The weakened ratio near the detonation end may reach 25% approximately, while the enhanced ratio may reach around 20% in the opposite direction. However, the impulse in different directions seems to be uniform. For different detonation modes, compared with point-source explosion, the peak pressure of plane-source explosion is enhanced by about 5%. Besides, the impulse of plane-source explosion is enhanced by around 5% near the detonation end, but close to those of the point-source explosion in other directions. Based on the material constitutive relation in the axisymmetric coordinates, a simple case of underwater contact explosion is simulated to verify the above conclusions, showing that the charge parameters of underwater contact explosion should not be ignored.