深水位地下渗流诱发的地面塌陷模型试验

为研究深水位渗流侵蚀致塌问题,设计了一种常水头平面应变试验装置,测试不同土样的物理特性,观测塌陷的形成过程,探讨含水量、黏土含量、盐粒级配对空腔尺寸、模型表面沉降以及塌陷状态的不同影响.试验结果表明:土样的力学性能和渗透系数均会随土样成分的不同而产生较大波动;试验过程可分为空腔水下扩展、空腔水上扩展、模型塌陷3个阶段,...     

神经网络状态方程在强爆炸冲击波数值模拟中的应用

强爆炸数值模拟的主要挑战在于如何准确地描述爆炸产物状态方程。利用BP神经网络和强爆炸产物状态数据对神经网络产物状态方程进行训练,并将得到的状态方程植入自编的一维球对称数值模拟程序,对强爆炸冲击波参数进行了计算。结果显示,计算得到的冲击波峰值超压、冲击波到时、正压时间与标准值吻合较好,证明将神经网络状态方程应用于强爆炸冲击波数值模拟是可行的。研究结果对确定强爆炸数值模拟方法具有很好的借鉴意义。

     

地下爆炸地震波的数值模拟及震源函数的研究

利用广义反射、透射系数矩阵和离散波数方法 ,计算了水平分层花岗岩介质中近场 (十几公里 )范围内三次地下爆炸的地表粒子速度垂直分量波形 ,并通过对实测波形的拟合 ,得到了地下爆炸激发的地震震源函数。     

地下空腔解耦爆炸的数值模拟

采用一种Euler算法和Lagrange算法相结合的有限差分算法计算地下空腔解耦爆炸。对腔内气体,采用Euler网格,对腔外岩石,采用Lagrange网格,对不同半径的空腔爆炸引起的远场应力波和震源函数开展了数值模拟,重点分析了空腔尺度对震源函数的影响。结果表明,空腔增大会降低远场应力波峰值、地下爆炸的耦合强度和震源函数稳态值,但拐角频率随空腔的增大而增大。     

乙烯储罐气体泄漏诱发蒸气云爆炸的数值模拟

储罐会因腐蚀或人为误操作等原因引发泄漏,造成泄漏气体扩散或气云爆炸事故。为了揭示此种事故的发展过程及影响规律,应用计算流体力学软件FLACS,研究了泄漏和环境风两个主要影响因素对乙烯气体扩散及爆炸的影响。结果表明:气云扩散距离和体积随泄漏速率增加而增大;当泄漏速率低于6 kg/s时,不同泄漏方向上的气云扩散距离及体积相近;当泄漏速率高于6 kg/s时,气体泄漏扩散和气云形成过程因受到障碍物影响,随阻塞率增大,气云扩散距离减小,气云体积增加。当泄漏方向垂直于储罐组中轴线,泄漏速率为18 kg/s时,气云扩散距离最大为81.5 m;当泄漏方向平行于储罐组中轴线,泄漏速率为24 kg/s时,气云体积最大达到9 604 m³。爆炸波的冲击压力随泄漏速率升高而升高;环境风会加快可燃气体稀释,有效降低气云爆炸发生的概率,降低爆炸强度,达到爆炸压力峰值的时间更早,可使高温在更短的时间内下降。泄漏速率为24 kg/s时,与泄漏储罐紧邻的储罐表面上被冲击到的爆炸超压仅为6.88 kPa,但温度高达2 384 K,因此,为避免事故发生时的二次灾害,救援中对储罐组的冷却降温尤为重要。     

爆炸冲击震动模拟平台的研制

为了模拟核爆、化爆冲击震动环境,根据能量守恒和弹性碰撞原理,研制了悬挂式爆炸冲击震动模拟平台。该平台能够完成水平向和垂直向冲击试验,通过对锤重、锤高和垫层厚度等参数的合理选择,性能指标可达到:水平向冲击加速度峰值5~1 500 m/s2,作用时间50~4 ms;垂直向冲击加速度峰值10~1 000 m/s2,作用时间60~4 ms。性能试验表明,该平台能够为防护工程结构抗震及其他有关冲击振动问题的研究提供安全、方便、经济、可靠的试验手段。     

钢筋混凝土箱梁近场爆炸响应的试验与数值模拟

为了研究近场爆炸作用下单箱三室混凝土箱梁的动力响应和破坏特征,开展了缩比试件爆炸试验和数值模拟。以原型桥梁主梁截面按1∶3缩比设计和制作了箱梁试件,测量了3 kg TNT药柱爆炸作用下试件的反射超压、钢筋应变、竖向位移及破洞形态;采用LS-DYNA软件进行了箱梁爆炸响应模拟,结合试验数据验证了数值模拟方法的可靠性;分析了TNT当量、起爆位置、混凝土强度、配筋率对箱梁抗爆性能的影响。结果表明：3 kg TNT药柱于箱梁中间箱室中心正上方0.4 m处起爆时,在中间箱室顶板中心形成一个椭圆形的贯穿破口,破口沿横、纵桥向长度分别为41.50、45.50 cm;中间箱室顶板底面的混凝土发生大面积剥落,呈现喇叭状冲切破坏特征;多室箱梁的超宽截面形式使得其爆炸响应沿横桥向分布不均匀;箱梁底板竖向位移峰值和钢筋应变峰值随药量的增大而增大,采用最小二乘法得到了对应的拟合曲线表达式;不同起爆位置下,中间箱室底板中心的竖向位移均大于两侧箱室中心的。     

不同当量强爆炸早期火球现象的数值模拟

采用一维球对称辐射流体力学方程组,研究了不同当量强爆炸早期火球阵面、冲击波的形成发展过程,对计算结果进行了相似律分析。结果表明,随爆炸当量增加,火球阵面、冲击波扩张速度加快,火球扩张过渡阶段开始结束位置及持续范围增加,火球中心温度下降变慢;在火球阵面以冲击波扩张传播以后,火球阵面参量满足立方根相似律。     

入水后爆炸问题的数值模拟技术

应用各种数值计算方法及计算处理技术,编制程序实现了对弹体入水后爆炸问题全过程的数值模拟.其中弹体与水,爆轰产物气体与弹壳之间的相互作用通过流固耦合技术来描述;水面与空气、爆轰产物与水、空气之间的相互作用采用VOF方法(Volume-of-Fluid)来描述;采用了刚体-柔体转换、单元失效删除等计算技术以更高效、更好地模...     

水下爆炸冲击波的数值模拟研究

应用商业有限元程序MSC.DYTRAN数值模拟了球形药包在无限水域中爆炸产生的冲击波。通过和经验公式计算结果的比较,证明采用合理的计算参数和有限元模型能够较好地模拟水下爆炸冲击波的传播过程。通过调整水的状态方程参数,达到了提升冲击波峰值应力的效果,从而有效地降低了单元数量和计算时间。     

石灰岩中核爆冲击震动效应的化爆模拟

根据爆炸能量相似律,提出了采用化爆模拟核爆在石灰岩中爆炸的冲击震动效应的方法。通过对核爆和化爆分别在石灰岩中爆炸的冲击震动效应的分析,建立了化爆与核爆之间自由场峰值应力和峰值速度的模拟关系式,并利用最小二乘法,拟合出了最终的模拟表达式。经过对关系式的计算表明:拟合出的关系式较可靠,在已知化爆的基础上可近似计算核爆的峰值应力及峰值速度。     

大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置

针对当前地下爆炸物理模型实验无法模拟大当量地下爆炸抛掷弹坑和疏松鼓包现象的难题,基于相似理论,采用地下爆炸效应真空室模型实验方法,研制了考虑重力影响的大当量地下爆炸效应模拟实验装置。整套装置由容器罐体、快开门密闭机构、爆源系统、真空泵组、量测控制系统等组成,提出的新型爆源模拟装置可以实现精确起爆控制。该装置可模拟0.1~100 kt TNT、埋深20~400 m范围内不同比尺的地下核爆炸成坑和隆起实验,同时也能够模拟不同装药配置方案、不同地质条件下的大当量地下浅埋化爆抛掷实验。典型的核爆抛掷成坑模型实验结果表明,装置实验参数精确可调,实验过程可控,实验结果可信,为钻地核武器地下爆炸毁伤效应分析和大型工程爆破效果预测预报提供了实验室模拟和科学研究设备,填补了爆炸离心机无法模拟大当量地下爆炸抛掷成坑效应的空白。

     

地下开采过程损伤场演化与地表变形的时变分析

以形状随时间变化的物体——时变体为研究对象,将损伤理论与时变力学结合,引入与时变过程相关的损伤参数,形成损伤时变力学分析方法。针对岩石介质特性给出了弹性损伤时变力学本构方程,并利用虚功原理建立相应数值化方法和分析过程。利用损伤时变力学分析方法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析,给出形状时变引起的损伤场与地表移动的动态演化过程,并对比了非时变以及施工分析结果。研究表明,损伤时变分析可得到连续变化的位移及损伤演化图,相比非时变的常规分析和施工分析能更好地模拟连续施工,为工程施工分析与预测提供更加科学和有效的手段。为实现开采过程的经济和安全,应该采用损伤时变力学的分析方法。     

二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源的研制

针对当前大当量地下爆炸真空室模拟试验中爆源起爆方式高度依赖火药制品等问题,基于地下爆炸相似理论和二级气炮原理,自主研制了二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源装置。装置利用二级高压气体驱动弹珠同步击碎玻璃球壳,释放球内高压气体,以模拟真实爆炸气体生成物的推出。整套爆源装置的发射参数：高压气室充气压力4 MPa,玻璃球壳内残余稳态气体压力约为3 kPa,能够用于0~20 kt当量地下爆炸成坑效应的真空室模拟。爆源适用性试验验证表明,该爆源装置的爆破机制和爆破效果满足大当量地下抛掷爆炸真空室模拟试验的功能需求,且具有较高的安全性、可控性和可操作性,为开展相关模拟试验提供了新的技术方法。

     

水饱和花岗岩本构模型及地下爆炸波的数值研究

采用广义自洽方法描述介质的细观几何结构,基于混合物理论建立了水饱和岩石含损伤弹塑性本构模型,提出了一个适用于爆炸波数值计算的饱和水体积分数演化方程,也即给出了本构关系中的闭合方程.使用Biot有效应力描述水压对岩石强度的影响,在有效应力空间里建立了水饱和岩石剪切屈服和破坏的强度准则,并引入了剪胀效应对强度的影响因子.对地下封闭核爆炸的力学效应开展了数值模拟,系统地研究了含水花岗岩中地下爆炸波的传播特征以及含水量对爆炸应力波传播规律的影响.     

一种岩石损伤本构模型在地下强爆炸中的应用

为了描述地下爆炸波的传播,建立了一种考虑塑性硬化、剪胀和损伤软化效应的岩石本构模型,并应用于地下强爆炸自由场的数值计算,获得的速度和位移波形以及峰值速度衰减曲线等与国外地下试验测量数据和同类计算相比十分接近,从而验证了本构模型的有效性。     

离心机和密闭加压容器中水下爆炸相似关系

水下爆炸冲击波和气泡脉动的共同作用不能仅依据几何相似条件进行模型试验,相关的尺寸缩比模型试验可以借助密闭加压罐或离心机进行。通过量纲分析和π定理对模型试验的相似理论进行了推导,分别探讨了密闭加压容器和离心机中水下爆炸的相似关系及其适用范围,并对原型工况和尺寸缩比为1/20和1/30的模型工况基于LS-DYNA进行了数值模拟。结果表明:加压模型试验中水下爆炸冲击波、气泡脉动半径和周期可以满足相似关系,但是气泡迁移和射流不符合相似关系;离心模型试验中水下爆炸冲击波和气泡脉动基本完全相似。     

强爆轰驱动飞片的数值模拟研究

在一维流体动力学程序中,使用了JWLT状态方程,对强爆轰驱动飞片的实验模型进行了数值模拟研究,得到了炸药爆轰产物的压力和密度分布,验证了强爆轰的存在,同时得到了二级飞片自由面的速度曲线,与实验测量结果符合较好,为解释实验结果和设计新的强爆轰实验提供了计算依据,同时验证了程序的正确性。     

航空油料在舱室内燃爆危害的数值分析

不同舱室结构内航空油料的燃爆参数存在差异,为了解和掌握不同结构舱室内航空油料的燃爆危害性,运用计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对不同结构航空油料舱室内的航空油料蒸汽燃爆问题进行了数值模拟。结果表明：密闭航空油料舱中的航空油料蒸汽预混燃爆时,油舱各处压力分布较均匀,无隔板密闭舱室和含不完全分割隔板密闭舱室内航空油料的最大燃爆压力分别为0.76、0.74 MPa,即舱室内的不完全分割隔板对航空油料燃爆时所产生的最大压力无显著影响;隔板等特殊结构的存在使舱室内部产生了气流漩涡,增大了燃料消耗的速率,导致火焰面传播速度及压力上升速率增大,舱室内各处燃料的质量分数由火焰面决定。

     

装药弹体侵彻混凝土厚靶中的炸药摩擦起爆模型

基于炸药的热爆炸理论,采用炸药的热点温度（也称为临界起爆温度）作为起爆判据,分析了装药弹体在侵彻混凝土厚靶过程中的炸药安全性问题,建立了炸药摩擦起爆的热传导模型。对模型进行了量纲一化分析,得出量纲一热流率幅值Qm与炸药和弹壳界面量纲一温度峰值Tmax的关系,以及可在实际工程中应用的临界量纲一控制参数Qmc,同时得到了反映摩擦产生的热量在炸药与弹壳间分配比例关系的量纲一参数Ⅰ。结果表明,炸药装药和弹壳接触面间的强摩擦是形成热点、从而导致炸药早炸的一个重要因素。