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。     

水下爆炸近壁面流场局部空化形成机理

为深入认识水下爆炸近壁面流场局部空化的形成机理,采用自行研制的转镜式分幅相机,获得了炸药水下爆炸近壁面流场局部空化效应的光学图像,结合数值模拟和Taylor平面波理论、空泡动力学理论,分析了近壁面空化效应的形成过程。结果表明：界面反射的稀疏波作用和水中空化核的膨胀发展是水下爆炸近壁面流场空化效应形成的原因;外界流场压力对空泡初期膨胀运动影响较小,对空泡后期运动行为影响较大;低压环境下不同尺度空泡的运动行为存在较大差异,小尺度空泡（半径小于10μm）在低压环境下处于快速膨胀、溃灭状态,对流场空化影响较小;大尺度空泡（半径大于10μm）可失去稳定性,半径持续增大,对流场空化区的形成影响较大;水中不同尺寸空泡空间分布的随机性可导致空化区成长过程中呈现非规则形状。     

三元可燃混合气体爆炸极限实验及预测方法

为了控制并预防原油的储存及输运过程中挥发气体造成的安全风险,在20 L球形爆炸容器内开展了由原油中挥发轻烃CH₄、C₃H₈和C₂H₄构成的三元可燃混合气体的爆炸极限实验,提出并验证了基于Le Chatelier定律及Chemkin模拟的一维层流预混火焰模型预测三元可燃混合气体爆炸极限的方法。结果表明,三元可燃混合气体爆炸极限始终位于3种纯组分的爆炸极限内,随着某一纯组分增加呈现出接近其爆炸极限的趋势。3种纯组分对爆炸上限的影响要强于对爆炸下限的影响,其中C₂H₄对三元可燃混合气体爆炸上限影响尤为显著。两种预测方法的预测结果均与实验规律性一致。Le Chatelier定律预测混合气体爆炸下限较准确,但对爆炸上限的预测随着C₂H₄的增加偏差增大,修正后偏差明显减小;Chemkin预测爆炸下限虽存在一定偏差,但在实验偏差的允许范围内,可作为一种预测三元可燃混合气体爆炸下限的新方法。     

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。

     

一种新型危险品仓库结构设计及其安全距离

安全距离是危险品仓库建设和研究中重点关注的问题之一。为减小危险品仓库的安全距离,结合现行规范和危险品仓库建设现状,针对一种由浅埋式库房主体、顶部堆土和钢筋混凝土分配板组成的新型危险品仓库形式开展了3组缩尺模型野外爆炸试验,记录了各组试验的爆炸过程,统计了冲击波超压峰值和爆炸破片的飞散范围,给出了爆炸冲击波的安全距离,分析了分配板、库房强度等因素对冲击波传播和破片飞散的影响。研究表明,这种新型危险品仓库可实现定向泄爆,有效限制库房两侧及后方爆炸冲击波的传播和爆炸破片的飞散,使库房两侧及后方的安全距离最大减小77%;与覆土库相比,库房后方的安全距离可减小约50%。钢筋混凝土分配板是新型危险品仓库的重要组成部分,同无分配板库房相比,最大可使后方安全距离减小30%。与波纹钢库房主体相比,强度较高的钢筋混凝土库房主体可使库房后方的安全距离最大减小38%。     

三角形格构式塔身杆件风荷载及流动干扰特性

针对输电塔结构精细设计及优化设计对杆件风荷载准确输入的要求,选用完全结构化的多块网格,通过求解N-S方程得到了不同风向角条件下的三角形塔身节段模型流场并利用风洞试验对其体型系数进行验证．与各国规范的对比分析表明,《英国杆塔荷载规范》可用于相关设计工作;分析了不同杆件风荷载随风向角变化的成因,指出了迎风面积变化主导了最上游主材的风荷载特性,而其它两根主材的风荷载同时受到迎风面积变化及上游杆件流动干扰的影响;利用不同高度、不同展向位置的截面流线方法研究了塔身节段模型杆件之间的流动干扰性态,结果表明,如下四种流动干扰行为共同决定了节段模型的杆件风荷载特性：a）相互独立的流动干扰杆件群;b）屏蔽作用;c）两组独立的斜置阵列的流动干扰作用;d）尾迹干扰作用．     

钙质砂介质中爆炸波传播规律的试验研究

开展了一系列钙质砂和石英砂的地面爆炸试验,主要对比分析了两种砂土介质中爆炸波的传播规律,包括峰值压力、弹塑性波速及升压时间、爆坑尺寸等。试验结果表明,爆炸波在钙质砂中的传播与在石英砂中存在较大差异：地面爆炸作用下钙质砂爆坑较石英砂爆坑的直径和深度更小,且成坑形状为两阶同心圆;钙质砂中弹性波速为236～300 m/s,石英砂中弹性波速为218～337 m/s,弹性波速和塑性波速均随炸药质量增加而增大;爆炸波在钙质砂中的升压时间随比例距离的增加而增加,而在石英砂中升压时间随比例距离变化不明显,且较钙质砂中升压更迅速;在地面爆炸作用下,低含水率钙质砂的衰减系数为2.86,石英砂为2.79。     

基于爆炸切割试验的有机玻璃本构模型参数反演

为了获取爆炸切割数值模拟中有机玻璃（PMMA）的材料本构模型参数,建立了一种基于神经网络的有机玻璃Johnson Holmquist ceramics (JH-2)本构模型参数反演方法：基于从爆炸切割试验和现有研究得到的JH-2本构模型经验参数,确定本构模型参数的调整区间;使用LS-DYNA数值模拟软件对2.5 mm宽爆炸切割索切割14 mm PMMA平板过程进行数值模拟并收集平板损伤数据集;建立PMMA平板本构模型参数与损伤数据之间的神经网络模型;通过训练完成的神经网络模型对PMMA平板的JH-2本构模型参数进行反演。为验证通过反演参数的可靠性,进行了4.2 mm宽爆炸切割索切割19 mm PMMA平板试验和有限元数值模拟,计算结果中的平板损伤情况与实验结果相差较小,表明通过反演获得的JH-2本构模型参数能较好地应用于PMMA平板爆炸切割数值模拟。传统材料参数获取方法,该参数反演方法相较于可以通过较少的试验及测试,获得比较准确的材料本构模型参数。     

内爆炸载荷下泡沫铝夹芯圆管塑性动力响应及能量耗散机理

通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制.采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验.结构轴向变形分为3个区:大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区.在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下,提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法.通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型,探索结构能量耗散机制.通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制,结合内外管的弯曲变形及芯层压缩,给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解.以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集.进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响.结果表明:内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大,而芯层厚度和外管壁厚的影响较小;如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时,具有较好的抗爆性;数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.     

多孔聚氨酯基复合削爆屏障的防护性能

针对削弱爆炸恐怖袭击危害这一公共安全领域的热点难题,开展新型削/防爆结构的研究刻不容缓。聚氨酯泡沫具有密度低、微观结构易设计、在爆炸载荷作用下不会产生二次杀伤性破片等优点,在新型削爆结构方面具有良好的应用前景。基于削弱爆炸危害的研究背景,搭建了定向冲击波流场装置对聚氨酯平板进行爆炸加载实验,并通过流固耦合数值模拟对实验进行了验证。在此基础上,利用已验证的模拟方法针对聚氨酯(polyurethane, PU)、水体环形复合屏障面向内爆炸载荷的削弱效应进行了模拟分析。以屏障的总体积相等作为设计前提,对比了PU/水、水、水/PU这3种屏障的冲击波削弱性能,并分析了聚氨酯密度对性能的影响规律。结果表明：削爆屏障的存在迫使冲击波发生反射、绕射、透射以及波与波之间的相互作用。相比于纯水屏障,PU/水屏障在自重下降32%的同时,依然能够有效削减冲击波峰值(可达13.3%),主要利用了内侧聚氨酯波的低阻抗来降低冲击波的反射强度。