锥台嵌挤预应力约束混凝土的抗侵彻性能

在侧限约束条件下，混凝土材料的抗侵彻性能可得到较大提高，在此基础上施加预应力围压，其抗侵彻性能可进一步提高，但现有预应力方法对约束混凝土施加预应力较为困难。基于此，提出了一种相对简便的锥台嵌挤预应力约束方法，采用楔形块楔紧的原理，将锥面倾角为3°和直径微大于约束环的锥台形混凝土靶体挤入与之匹配的约束钢环内，通过锥面配合契紧的方式对混凝土靶体沿径向施加预应力，以锥台靶体的下压深度、盈差以及压入力的大小等指标控制预应力大小。采用LS-DYNA软件验证了该方法施加预应力的可行性，并通过重启动算法开展了预应力约束混凝土靶的抗侵彻性能研究。数值计算结果表明，靶体预应力随着其下压深度或盈差的增大近似线性增加，且混凝土靶体的抗侵彻性能随预应力增大而提高，但预应力过大时靶体内部发生损伤，导致其抗侵彻性能反而快速下降。对钢环强度、混凝土强度、含钢率和弹体速度等参数进行敏感性分析，结果表明，合理匹配钢环强度和混凝土强度，并选择合适的靶体含钢率，可有效提高靶体的预应力、抗侵彻性能以及钢材利用率；且弹体初速度越高，预应力对提高靶体抗侵彻性能的作用越明显。提出的锥台嵌挤预应力约束方法可为提高混凝土等脆性材料的抗侵彻性能提供一种新思路和方法。     

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

弹体超高速侵彻石灰岩靶体地冲击的数值模拟研究

为探究超高速动能武器的对地破坏效应及其影响因素,采用数值模拟方法对弹体超高速侵彻的地冲击规律进行了研究。首先,基于石灰岩静动态力学性能实验数据对材料模型参数进行了标定,并对已有弹体大范围着速侵彻石灰岩靶体进行了模拟,验证了所采用材料模型和数值模拟方法的合理性。随后,开展了钨合金长杆弹超高速侵彻石灰岩靶体的数值模拟,细致分析了地冲击传播的现象和机理:弹体超高速侵彻靶体时,弹靶交界面处会产生瞬时高压,并以应力波的形式在靶体中传播,对靶体内部造成破坏,且当弹体初速度高于3.0 km/s时,地冲击显著增强。最后,进一步研究了不同弹靶参数对地冲击的影响,发现从相对深度来看,弹体参数（弹体长径比、密度）对地冲击规律影响不大;而靶体特征特别是孔隙率对地冲击传播具有较大影响。     

泡沫混凝土弹塑性损伤模型在组合式防护结构中的应用

为了将新型泡沫混凝土动态弹塑性损伤模型应用到防护结构中,首先开展组合式防护结构预制孔装药爆炸试验;随后利用新泡沫混凝土材料模型对试验进行数值模拟验证,并将新模型的模拟结果与LS-DYNA中Soil and Foam模型的模拟结果进行对比;最后,基于验证的数值模型,开展以梯度泡沫混凝土作为分配层的组合式防护结构预制孔装药爆炸的数值模拟,探讨梯度泡沫混凝土层界面层数和排列方式对组合式防护结构抗爆性能的影响。结果表明,新泡沫混凝土材料模型的模拟结果与试验结果吻合良好,与Soil and Foam模型相比,新模型在应力波传播和损伤破坏方面预测更好,泡沫混凝土层界面层数和排列方式对作用在主体结构上的应力以及分配层的损伤破坏情况有一定的影响。     

考虑靶背自由表面和开裂影响的刚性尖头弹贯穿金属靶板模型

将靶体视为不可压缩材料,假定空腔膨胀产生塑性-弹性响应分区,构造了靶背自由表面效应的衰减函数。将衰减函数乘以可压缩幂次硬化材料的阻力方程,得到了弹体贯穿金属靶板的阻力函数。基于弹性衰减-塑性衰减-开裂3个阶段,建立了同时考虑靶体可压缩性、靶背自由表面和开裂影响的弹体贯穿有限厚金属靶板的分析模型,推导得出了弹体瞬时速度的解析方程,并采用数值方法计算得到了弹体的过载、瞬时速度和残余速度。通过与6组实验数据和已有模型的对比得到,当靶板厚度和弹体冲击速度在一定范围内时,需要考虑自由表面效应的影响。     

混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先,基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律,利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围;然后,分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明:Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;定义混凝土中装药质量系数和耦合常数,可定量描述装药埋深和测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可较准确地快速预测不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度时爆炸波峰值应力。研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供参考。     

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。