爆炸荷载下沉箱重力式码头模型毁伤效应

在野外条件下开展了不同爆炸荷载条件下沉箱重力式码头模型毁伤效应实验，得到了沉箱重力式码头模型在1 kg TNT当量空中爆炸、水下爆炸以及结构内部爆炸后的毁伤模式，并针对不同毁伤模式给出了相应的抢修建议。实验结果表明:空中爆炸荷载下码头仅面板局部破坏形成爆坑；水下爆炸荷载下码头迎爆面及相近区域形成大量裂缝；结构内部爆炸荷载下码头仓格大变形破坏且中间面板被掀飞；从横向对比来看，在相同爆炸当量下空中爆炸荷载下码头毁伤程度最小，结构内部爆炸荷载下码头毁伤程度最大。     

水下爆炸对高桩码头毁伤效应的试验研究

为了研究水下爆炸作用下高桩码头的破坏模式和毁伤机理，考虑不同炸药位置，设计制作2个高桩码头模型，进行水下爆炸试验，记录了水下荷载数据和码头模型毁伤现象，探析了炸药位置对高桩码头毁伤效应和破坏机理的影响。研究表明:水下爆炸作用下码头受到2次超压荷载，分别为初始冲击波、水底反射波组成的冲击波载荷和气泡脉动载荷；水下爆炸作用下，高桩码头的主要毁伤部位为桩基的中部和顶部、面板、纵梁以及面板与纵、横梁连接处；炸药位置直接影响高桩码头破坏模式，减小爆距会加剧桩基毁伤效应，当炸药位于面板下方时，码头上部梁板结构的毁伤程度较大。     

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。     

水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为试验研究

为加深水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为认识，设计典型圆柱壳结构模型，开展了水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应光电联合测试，获得了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用高速光学物理图像、动态应变、超压载荷、毁伤模式等试验数据。通过高速光学物理图像和三维激光扫描毁伤形态的分析，给出了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用物理过程及最终毁伤模式；通过动态应变的分析，给出了圆柱壳结构迎爆面和背爆面在加载过程中应变拉伸压缩转变和响应阶段的划分；通过超压载荷的分析，明确了装药爆轰完全性以及接触爆炸加载下结构吸能对超压的影响。研究表明：爆距的变化会显著影响圆柱壳结构的毁伤形态，近距加载下圆柱壳结构主要呈现塑性大变形，接触加载下圆柱壳结构主要呈现撕裂破坏；近距加载下圆柱壳结构迎爆面空化区的形成及溃灭形成的二次加载毁伤效应不容忽视，值得深入研究；研究成果可为水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构毁伤评估提供参考和依据。     

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。     

接触爆炸作用下高聚物复合板毁伤特性分析

高聚物材料具有成型快和膨胀性能好的特点，该材料与碎石和钢筋的复合结构应用于地基处理和城市道路脱空除险加固，具有明显优势。本文中，设计并制作了高聚物碎石板和钢筋高聚物板，开展了接触爆炸冲击下的试验研究，通过毁伤尺寸和所测冲击波数据探讨了2种板的毁伤特性。基于ANSYS/AUTODYN非线性显式有限元程序，建立了试验中毁伤更严重的钢筋高聚物板的接触爆炸全耦合模型，并通过与试验结果的对比，验证了所建耦合模型的准确性和适用性。参数化分析了钢筋高聚物板对炸药量和板厚的敏感性，并利用多参数非线性回归分析方法，提出了钢筋高聚物板迎爆面和背爆面破坏直径的预测公式。结果表明：接触爆炸作用下，高聚物碎石板的毁伤模式以接触部位的局部震塌冲切破坏为主，除此之还有一些毁伤裂纹；钢筋高聚物板的破坏模式主要是迎爆面爆坑毁伤、背爆面剥落损伤和中心冲切贯穿破坏。高聚物碎石板和钢筋高聚物板对爆炸冲击波都具有良好的衰减作用，有望应用到抗爆炸冲击防护领域。     

舷侧近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

为探究舷侧近距离爆炸对水面舰船的毁伤效应，设计了大尺度舱段模型，并开展了舷侧近距离水下爆炸试验，试验后测量了舱段模型破坏范围及破坏模式、模型典型部位冲击环境数据、典型部位动态响应。综合对比可发现:（1）舷侧近距离水下爆炸下，在爆心区域可对舱段模型形成严重毁伤破坏，但毁伤范围有限，基本以局部破坏为主；（2）舷侧近距离水下爆炸下可形成较为明显的水射流载荷，主要是由气泡与非完整边界、自由面在耦合过程中形成的，与传统研究的气泡收缩失稳引起的水射流载荷形成机理存在一定的差异；（3）基于板格能量计算方法，建立了舷侧外近距离爆炸下舷侧爆炸破口计算公式，与试验结果吻合较好；（4）近距离爆炸下，舷侧外板的破坏模式与爆距存在较大的关系。本文的研究成果对舰船抗爆防护具有很强的指导意义。     

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。     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察，结合数值模拟，分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明，舱内爆炸下，舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别，其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述；舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力，其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上；舱室板架结构主要有4种失效模式，其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生；舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加，但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度，减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

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。     

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。     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

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。     

JPC聚能装药对钢筋混凝土墙毁伤效应的试验与数值模拟研究

为了满足高侵深和大穿孔的要求，设计一种聚能杆式弹丸（jetting projectile charge, JPC），开展大尺寸钢筋混凝土墙的毁伤效应试验。在此基础上，基于修正参数的K&C(Karagozian&Case)模型进行数值模拟，研究JPC高速侵彻和爆炸冲击波对钢筋混凝土墙的联合破坏作用，分析墙体厚度对破坏效果的影响规律。结果表明，在1.67倍和2.50倍装药直径的炸高条件下，JPC均能够有效贯穿80 cm(6.67倍装药直径)厚的钢筋混凝土墙，形成直径大于6 cm(0.50倍装药直径)的柱状孔洞；聚能装药的多载荷毁伤特性决定了钢筋混凝土墙的破坏结果，爆炸冲击波能够加剧墙体正面开坑和背面崩落的破坏范围；墙体厚度对于墙体正面漏斗坑的直径与深度及内部侵彻孔洞直径均无显著影响；随着墙体厚度增大，背面漏斗坑直径逐渐减小，深度却逐渐增大。     

船体水下近距非接触爆炸损伤计算之两步迭代法

船体水下近距非接触爆炸产生的破口计算过程复杂，涉及船体板架、武器装药和爆距方位等诸多因素，工程实践中通常应用经验公式求解。基于舰船遭受定向型战斗部攻击、毁伤面近似垂直于毁伤轴和爆炸过程瞬时发生满足近似能量守恒基本条件，根据爆炸冲击波初始动能与爆炸作用区域结构塑性变形能等量传递的假设，给出了计算方法。考虑了附着加强筋的船体壳板等效厚度对抵御冲击波毁伤的影响，运用爆炸冲击波作用下船体壳板产生的极限应变超过板材动态极限应变导致壳板开裂这一基本原理，设计了两步迭代法计算流程，给出了简捷易用的迭代计算表格。针对4种典型装药当量冲击波作用下，5～20 m长度舱段，11 m以内爆炸距离，6和8 mm这2种典型厚度船体壳板遭受爆炸冲击受损情况进行了768组数据计算。引入平面拟合方程，通过判断截平面相似度分析，给出了计算方法的适用性判据，探讨了计算参数的适用范围，以保证两步迭代法能够客观反映水下近距非接触爆炸的实际破坏效果。结合经验公式计算结果和破损舰船受损实测数据，对该方法进行了检验，实践表明：两步迭代法易于工程实践且具有较好的准确性。