内爆炸载荷下圆管变形、损伤和破坏规律的研究

以物理统计和唯象研究相结合的方法,建立了微孔洞型的损伤函数模型和损伤演化方程,以变形热力学,Ｄｒｕｃｋｅｒ公设和内变量理论为基础建立了含损伤热塑性材料的增量型本构关系,用所建立的本构关系及损伤演化方程对内部爆轰作用下的圆管破坏过程完成了系列数值模拟,数值结果与实验结果相比较,在圆管变形过程,破坏时间,破坏速度,破坏应变,破坏应变率等信息方面都是基本一致的。     

爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破坏

利用爆炸压力模拟器进行钢筋混凝土简支梁爆炸冲击实验,详细介绍了实验设计,通过实验系统分析了钢筋混凝土(RC)梁变形破坏特征以及钢筋作用机理和对变形破坏的影响,并建立了RC梁的分离式有限元模型,利用LS-DYNA分析了实验过程,对计算结果与实验结果进行了比较,分析了误差产生的原因,得到了爆炸冲击荷载作用下RC梁的损伤破坏特征和机理,可为毁伤评估和结构抗爆设计提供参考。     

箱型结构内部爆炸破坏研究进展

结构内部爆炸破坏机理和规律是常规武器毁伤效能预测与评估、建筑物和舰船抗爆防护设计的重要支撑。基于结构内爆炸载荷、内部爆炸作用下结构塑性响应、内部爆炸作用下箱壁结构破坏模式、内部爆炸作用下多箱型结构破坏模式和分布四个方面详细论述了箱型结构内部爆炸破坏的研究现状及存在的问题,并对内部爆炸后续研究给出了建议。建议研究并建立更加复杂的结构内部爆炸载荷和破坏效应描述模型、内部爆炸作用下箱壁的动力响应机理、多箱型结构与内部爆炸波产生的耦合效应、内部爆炸作用下结构的破坏模式和破坏范围的快速准确预测方法等。     

螺栓连接结构的爆炸冲击破坏

为了建立真实可信的螺栓连接破坏模型,利用瞬态分析软件LS-DYNA分析了螺栓连接部件在爆 炸冲击下的破坏情况,提出了简化破坏模型的建立方法。建立了M24螺栓连接3维有限元模型,使用部分降 温法进行了螺栓预应力的加载,然后结合弹塑性材料本构模型和面-面接触算法计算了在不同爆炸冲击情况 下有、无预应力螺栓和螺栓-螺母连接的变形破坏情况。根据计算结果总结了冲击波入射角度和预紧力大小 对螺栓连接破坏的影响规律,并建立了螺栓连接结构的简化破坏模型。最后提出了提高螺栓连接抗冲击能力 的一些措施,为设备整体抗冲击计算模型的建立及抗冲击设计提供参考。     

内聚爆炸载荷下热塑性中厚球壳的变形和层裂

考虑温度和损伤对材料参数的影响,计入温度和损伤对材料塑性变形发展的耦合作用,以本构关系的内变量理论为基础得到了热塑性本构关系的普适显式表达式以及增量形式的热塑性本构方程,结合在实际中有重要意义的内聚爆炸载荷作用下的球壳层裂问题,建立了含损伤热塑性球壳破裂问题的完备方程组,使用有限差分方法,完成了对问题的数值模拟,并对结果进行了分析。     

薄壁柱壳在内部爆炸载荷下膨胀断裂的研究

以柱形爆炸装置为研究对象 ,讨论了其薄壁壳体在爆炸载荷下的动态断裂准则。给出了典型的FAE模型及在数值计算时必要的简化条件。对回收的壳壁破片进行了SEM扫描电镜观测 ,分析了金属材料在高应变率下膨胀断裂的微观机制。采用解耦的、考虑应变强化的粘塑性本构方程 ,根据损伤破坏理论推导出以临界应变为依据的改进断裂准则 ,计算表明断裂参数理论解与数值模拟结果一致 ,并得到了实验方面的例证。     

爆炸荷载下岩石破坏的数值流形方法模拟

为了更好地利用数值流形方法对动力学问题进行分析,在对原数值流形方法中的动力学问题求解思想进行分析的基础上,采用动力有限元方法中的Newmark法对该算法进行了改进。改进后的数值流形方法与原来相比具有三个明显的优势：（1）当选择合适的参数后,该方法能够保证解的无条件收敛;（2）可以采用比原算法大得多的时间步长;（3）充分考虑了动力学问题中的阻尼效应。最后通过一个算例说明了改进后的数值流形方法能够很好地模拟岩石在冲击载荷作用下破坏的全过程,克服了有限元法不能模拟岩石破坏后块体运动情况的不足。     

爆炸载荷下顺层台阶边坡渐进破坏规律数值分析

在连续–非连续单元方法（continuum−discontinuum element method,CDEM）框架中引入了岩体损伤破裂模型及爆生气体绝热膨胀模型,开展了爆炸载荷下顺层台阶边坡渐进破坏过程的数值分析,探讨了爆破距离、结构面产状、结构面强度等因素对边坡顺层结构面破坏特征的影响规律。结果表明,爆破作用下,顺层结构面将发生拉剪复合型破坏,结构面倾角越大、结构面强度越低、爆破距离越小,顺层边坡越容易出现失稳破坏。相较于爆破距离,结构面强度对结构面破裂面积的影响更大,随着结构面强度的增大,破裂面积迅速减小。

     

内部爆炸作用下钢筒变形过程的电探针测量技术

为了研究圆柱形爆炸容器在炸药爆炸作用下的变形过程,设计了电探针测量内部爆炸作用下钢筒变形的方法。采用数值模拟方法进行预估,在钢筒的中心进行了120g TNT和180g TNT当量球形装药下的爆炸加载实验,获得了爆炸不同时刻钢筒径向位移随时间的变化关系,电探针测量钢筒最大变形与实验后钢筒变形测量结果较好吻合。

     

内部爆炸作用下钢箱结构变形规律性实验

箱型结构内部爆炸能够造成比空爆更严重的破坏效果。本文中设计了3个边长600 mm、板厚4 mm的实验试件,并分别用98.4、194.7和355.8 g的TNT炸药进行了内部爆炸实验,得到了所有试件的变形特征。箱体壁板的变形都呈现向外凸出(鼓起)的特点,壁板中心的最终挠度随着爆炸TNT当量的增大而近似成线性增长,拟合了箱体壁板挠厚比与爆炸当量之间的经验公式。通过三维数字图像相关技术,得到了箱体壁板的动态响应过程:爆炸发生后,壁板中心最先产生向外鼓起;壁板中心随后变形增长,同时变形向四周传播;壁板中心变形达到最大值后,板的变形会产生一定量的振荡回缩。     

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。     

高压泄爆导致的二次爆炸

基于计算结果和相关实验结果,通过理论分析,对高压泄爆导致的二次爆炸机理进行了系统的阐述。泄爆后,泄出的高压可燃气体在泄爆口附近形成可燃云团,由于欠膨胀,云团内存在稀疏波低压区和Mach干高压区。火焰射流泄出后,在一定条件下,可使Mach干高压区内的可燃云团爆炸式燃烧,压力迅速上升,以致产生二次爆炸。     

准静态变形破坏的近场动力学分析

基于近场动力学理论,提出新的更能反映非局部长程力特性的物质点间作用力函数,并通过在物质点运动方程中引入局部阻尼、构造分级加载算法和系统失衡判断准则,实现了采用统一的近场动力学模型和算法进行从准静态变形、裂纹萌生和扩展直至结构破坏全过程的连续模拟和准确定量计算。     

底部近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

底部近距离爆炸可对水面舰船造成致命性打击,为探究其破坏机理,本文中开展了底部近距离爆炸下舱段模型的毁伤试验,获取了舱段模型破损区域试验数据、非破损区域的冲击环境数据。同时借助舷侧近距离爆炸试验结果、底部中远场爆炸试验结果,综合对比可发现：（1）底部近距离爆炸下,舱段模型会呈现整体隆起变形、爆心区域撕裂并伴有较大凹陷变形、舷侧外板大面积屈曲失稳等典型特征;（2）相比舷侧爆炸方位,底部爆炸对舱段模型具有很强的综合毁伤效果,底部爆炸相对舷侧爆炸对舱段模型的综合毁伤效果可提高40%以上;（3）在冲击环境方面,底部近距离爆炸下非破损区域测点中高频段的冲击谱曲线变化趋势基本与中远场爆炸一致,但在低频阶段,底部近距离爆炸下的谱位移要远高于中远场爆炸工况。

     

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。     

钢箱内部爆炸破坏的SPH数值模拟

随着恐怖袭击的不断演化,船舶、桥梁等以钢箱为主要支撑的战略性结构逐渐成为恐怖袭击和敌方军事打击的重要目标。本文中采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法对钢箱内部爆炸过程进行了数值模拟,对比实验,分析了钢箱内部爆炸时钢箱表面的变形过程,得到了钢箱表面挠度值的变化趋势、不同时刻钢箱表面压强和von Mises应力的分布情况、钢箱表面中心点处速度和压强的变化趋势,验证了SPH方法在模拟钢箱内部爆炸问题上的有效性。通过进一步数值模拟,探讨了钢箱内部不同位置爆炸时钢箱的破坏形式和损伤程度,结果表明:炸药在钢箱内部角隅处爆炸时,钢箱的损伤程度最严重;炸药在钢箱内部正中心爆炸时,钢箱的损伤程度最轻。     

泄爆过程中二次爆炸的动力学机理研究

在容积为0.00814m3的柱形泄爆容器中，对泄爆现象进行实验研究. 容器内充满当量比为1的甲烷-空气预混气，采用底端中心点火，泄爆压力为230±15kPa. 基于k-ε湍流模型和EBU燃烧模型，利用同位网格的SIMPLE算法，对该现象进行了数值模拟. 实验和计算获得的外轴线上4个测压点的压力曲线和外流场的阴影和数值照片，形象地描述了高压泄爆时外部流场的变化. 数值结果与实验结果基本一致. 根据实验和数值结果，详细地讨论了泄爆过程中二次爆炸产生的动力学机理. 泄爆的初始阶段，在破膜激波的引导下，泄出的未燃气体因欠膨胀在外流场形成稀疏波低压区和悬激波高压区. 高压区可燃气体密度和温度上升，成为高密度的预热区域. 随后，火焰以射流形式从泄爆口泄出，点燃可燃气云. 受湍流等因素的影响，特别在高密度的预热区域，燃烧速率可能迅速增大，从而导致二次爆炸.     

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。     

TNT内爆炸准静态压力特性

为研究密闭空间内TNT爆炸准静态压力特性,通过理论分析得到了准静态压力计算模型,以爆炸罐和爆炸舱室为典型密闭空间环境开展了系列TNT内爆炸实验。结果表明,准静态压力的上升伴随着内爆炸冲击波的多次反射,反射结束后准静态压力到达峰值,药量-容积比是准静态压力的主要影响因素,准静态压力峰值及上升速率随着药量-容积比的增加而增加;基于实验数据拟合得到了TNT内爆炸准静态压力峰值经验公式,可用于准静态压力峰值预估及内爆炸威力评估。