不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟

针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。     

NUMERICAL MODELING FOR FLUID-STRUCTURE INTERACTION UNDER BLAST AND IMPACT LOADING RESPONSE

建立了基于位移相等条件的流固耦合数值模拟程序框架,通过串联弱耦合方式对爆炸冲击波作用下流固耦合效应进行数值模拟. 其中非线性固体位移场采用基于Lagrange方法描述的时域间断伽辽金有限元方法进行处理. 基于修正弹簧近似的非结构动网格新技术,非定常流场采用格心格式的有限体积方法进行求解. 数值模拟结果表明: 该文所发展的弱耦合分析程序在流固耦合数值模拟过程中具有可靠的计算精度. 同时,程序对于爆炸强间断气动冲击载荷冲击作用下固体变形引起流场的反射和叠加效应, 以及流场变化引起复杂的固体响应具有良好的耦合求解能力.     

颅脑爆炸伤致伤机制及防护研究进展

颅脑爆炸伤是现代战争中士兵面临的主要伤害之一,近年来受到广泛关注。冲击波经由颅脑传播带来的直接伤害被称为初级爆炸伤。目前,初级颅脑爆炸伤致伤机制尚不明确,可能是应力波传播、颅骨弯曲变形、颅脑空化及躯干压缩等多种因素共同作用的结果。该研究是涉及多学科交叉、多物理场耦合及短时和长时效应共存的复杂问题,需要通过建立描述冲击波和颅脑相互作用的高精度、多尺度和多物理场数值模型,发展测量颅骨应变、颅内压力、加速度等力学指标的物理测试系统,结合人体和动物病理、生理、行为学等综合因素分析,最终揭示颅脑爆炸伤致伤机制。本文中介绍了初级颅脑爆炸伤致伤机制,给出了颅脑爆炸伤的行为学、生理学相关的医学评价指标,以及颅骨应变、颅内压力等关键力学评估指标,提出了基于致伤机制和评价指标的防护结构设计方法,包括基于新型防冲击波材料的头盔系统改进、头盔缓冲系统设计、增加头部保护系统的封闭性等,最后展望了在精细化建模、原位实验及防护系统设计等诸多方面的发展趋势。     

一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法

水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。     

轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法

爆破孔壁压力峰值是进行非流固耦合爆破动力响应分析的重要参数。针对轮廓爆破孔壁压力峰值的计算方法问题,理论分析了爆炸冲击波与弹性壁面的相互作用,推导了空气冲击波与弹性壁碰撞后压力增大倍数的理论解,并采用流固耦合动力有限元数值分析方法,研究了3种岩体介质、2种轮廓爆破常用炸药、5种常用不耦合系数、2种轴向装药系数工况下轮廓爆破的冲击波碰撞压力增大倍数和炮孔壁压力峰值。结果表明:轮廓爆破时,爆炸冲击波与孔壁碰撞后压力增大倍数并不是常值,与炸药特性、孔壁介质条件、不耦合装药系数等因素相关,孔壁压力峰值也与上述因素密切相关。基于模拟的孔壁压力峰值数据的统计分析,并结合理论推导成果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式,提出了一种新的轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法。     

不耦合装药爆破孔壁压力峰值的实验研究

不耦合装药爆破孔壁压力峰值是控制岩体轮廓成形质量及进行非流固耦合爆破振动响应数值模拟分析的重要参数,本文采用实验方法研究了不耦合装药爆破的孔壁压力峰值:利用材质为20钢的无缝薄壁钢管模拟不耦合装药爆破炮孔,以高灵敏度、高精度的应变片为传感器,选用超动态应变仪采集钢管内置柱状炸药卷爆炸过程中钢管外壁产生的环向应变,应用动荷载作用下薄壁圆筒的动力响应计算方法,反演分析采集的钢管外壁环向应变数据,得到了爆破过程中空气冲击波作用于钢管内壁的冲击荷载压力峰值,间接测量了不耦合装药爆炸后的孔壁压力峰值。实验获得了6种不耦合装药工况下的爆破孔壁压力峰值测试数据,并计算了相应工况下实验值较准静态爆生气体压力的增大倍数,拟合结果表明压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长。同时也分析了部分试验工况下爆炸测试结果不理想的原因,研究成果可为轮廓爆破孔壁压力峰值的测试与计算提供参考。     

水中爆炸冲击波作用下混凝土墩动态响应初步分析

用水下爆炸冲击分析（ＵＳＡ）方法,在假设条件下,数值模拟了混凝土结构物水中爆炸冲击波作用下的加速度及压力响应,是对浅层水中爆炸流－固耦合动力学问题数值解的初步尝试。     

远距离爆炸荷载作用下钢框架几何相似律研究

根据Π定理推导了远距离爆炸荷载作用下钢框架原型结构与缩比模型的几何相似律表达式。基于已有的钢框架子结构爆炸实验,采用AUTODYN建立了钢框架子结构数值模型,验证了流固耦合方法在结构爆炸响应分析中的可靠性。在此基础上,对比了流固耦合方法和解析爆炸边界方法在钢框架远距离爆炸数值模拟中的准确性和计算效率,结果表明,解析爆炸边界方法可以合理地模拟远距离爆炸荷载作用下钢框架的动态响应,且计算效率较高。最后,采用该方法分析了具有不同相似比的两层三跨钢框架结构在远距离爆炸荷载作用下的动态响应及毁伤效应,结果表明:该结构的动态响应和毁伤效应符合几何相似规律。     

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

水中爆炸冲击波载荷作用下舰船结构动态响应的数值模拟

采用大型通用有限元软件MSC.DYTRAN,对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了数值模拟。分别从结构的变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理和响应特征。     

基于空气流场压力分析的头盔冲击波防护效能研究

研究典型战斗头盔对爆炸冲击波致颅脑冲击伤的防护效能。首先开展了50 g TNT距有无头盔防护下头部模型1 m处爆炸的抗爆试验,采集了有无防护下头部前额、颅顶、颅后冲击波超压并进行了对比分析;建立了具有典型颅脑结构的头部有限元模型并进行爆炸冲击波加载,对试验工况进行了仿真再现,通过试验结果验证了仿真模型有效性;同时利用数值仿真对不同工况下冲击波流场压力变化规律进行分析;进一步利用数值仿真研究了泡沫衬垫对头盔防护能力的影响。研究结果表明,典型战斗头盔可使前额空气超压衰减为无防护时的54.5%,但是会使颅后空气超压增强为无防护时的2.19倍,对颅后冲击波防护产生负面效果;头盔悬挂中泡沫衬垫能消弱头盔对颅后防护的负面效果,提高头盔对冲击波的防护能力。     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

锥形长药柱水下爆炸冲击波参数计算方法

为了计算锥形长药柱水下爆炸冲击波压力,以及研究长脉宽冲击波的传输特性,基于叠加原理建立了冲击波压力-时间曲线的计算方法,通过实验验证了该方法的有效性,在此基础上分析了锥形长药柱不同方位冲击波压力的分布规律。研究结果表明:锥形长药柱产生的冲击波压力具有各向异性,在起爆端一侧形成的是具有厚波头特征的低幅值长脉宽冲击波,在装药径向形成的是接近指数衰减的高幅值冲击波,而在远离起爆端的冲击波压力幅值和脉宽则介于前两者之间。锥形长药柱与球形装药冲击波分布的差异是由于装药形状和起爆方式的改变所导致的,由于装药不同部位起爆的时间差,导致水下爆炸冲击波在不同位置的叠加效果存在明显差异,药柱周围流场中形成的冲击波压力具有方向性。利用提出的计算方法得到的计算结果与实验结果和数值模拟结果吻合较好,研究结果可为锥形长药柱水下爆炸冲击波威力场和毁伤评估提供参考和依据。     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。     

水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题.本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法,考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题,提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法,该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解,并利用地震波的内部子结构输入方法,将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷,从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入;本文采用圆形爆源子结构区域,并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程.进一步,基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件,该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处.本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化,并采用高精度吸收边界大大减少计算区域,既保证了计算精度,又降低了单元数量,具有较高的计算效率和较强的实用性.通过数值算例分析,验证了本文模型与方法的准确性,模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线,并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.     

A study of blast wave loading on cantilevers

A study has been made of the response of elastic-plastic and brittle circular-cross-section cantilevers when subjected to blast wave loading. It is demonstrated how the deformation or failure of such cantilevers enables them to be used as blast wave gauges. In addition, the deformation of cantilever-type structures can be used to assess the characteristics of accidental explosions. Two numerical models have been developed to describe the deformation of a dynamically loaded cantilever. Both models assume that the plastic deformation is localized in a region near the fixed end, and that the loading force is a function of the dynamic-pressure time-history and a variable drag coefficient, which depends on the Reynolds number, Mach number and angle of attack of each discretized element of the cantilever. The first model assumes a rigid-plastic response of the cantilever. It was found that this model accurately described the response of cantilevers made of 50/50 lead/tin alloy. It overestimated the deformation of cantilevers made of more elastic materials when exposed to blast waves from high explosives and in a shock tube. The second model assumes an elastic-plastic response. The algorithm is based on the premise that the elastic curvature of the cantilever is limited by the plastic yield stress of the material and that as the curvature approaches this limit the cantilever rotates by the amount needed to keep the curvature constant and equal to this maximum. It has been shown that this algorithm minimizes the curvature of the cantilever at the base. This model provided good predictions of the deformation of cantilevers made of aluminum and steel. The numerical models were evaluated by studying the response of cantilevers exposed to shock waves in a shock tube, and to the blast waves from two explosions of ammonium-nitrate/fuel-oil charges of approximately 2.5 kt. The response to the shock tube flows was recorded by high speed photography which showed good agreement between the observed modes of deflection and those predicted by the elastic-plastic model. The models also provided good predictions of the deformation of a wide range of cantilevers, made of a variety of materials and of different diameters and lengths, when exposed to the free field blast waves. It is demonstrated how the numerical models can be used to determine the type of cantilever that might be used as a gauge for monitoring the blast wave from an explosion, or for evaluating the deformation of a cantilever exposed to the blast wave from an accidental explosion so as to characterize the explosion. Received 23 September 1996 / Accepted 11 November 1996     

结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.