基于新型轴对称无网格方法的水下爆炸冲击波和气泡运动数值模拟

采用无网格光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics,SPH）方法,结合粒子体积自适应技术（volume adaptive scheme, VAS）构建高精度、高效率的新型轴对称SPH模型,实现水下爆炸冲击波和气泡运动模拟。在冲击波传播阶段,通过与经验公式及文献理论值对比,验证了该轴对称SPH模型的精度。针对气泡脉动模拟,选取典型的双气泡耦合问题,分析气泡形态和压力载荷的力学特性,讨论了两气泡之间的距离参数对气泡相互作用过程的影响。结果表明,该新型轴对称SPH模型可实现水下爆炸过程压力载荷和气泡形态演化的精确预报。     

侧爆作用下土中竖井结构弹塑性变形特征分析及计算

针对土中钢板-钢筋混凝土竖井结构在常规武器爆炸作用下塑性铰线形成前的动力响应问题,综合采用模型试验、有限元数值仿真方法,分析了竖井结构中远距离爆炸作用下的变形过程及特征,确定了以量纲一环向相对位移α₁作为结构变形程度的判据。推导了土中竖井结构在常规武器爆炸作用下的动力响应理论解,分析了按照弹性理论计算的量纲一环向相对位移α_1e和有限元计算得到的弹塑性量纲一环向相对位移α_1p的关系及其比值α_1p/α_1e的影响因素,构建了基于弹性解的弹塑性量纲一环向相对位移α_1p工程算法。提出了以量纲一环向相对位移α₁作为结构变形程度的判据,并确定了结构闭环塑性铰线出现、破坏模式改变的阈值为α₁=3%;对比了理论与数值模拟计算结果,验证了提出的理论计算方法可以较好地计算钢板-混凝土竖井组合结构在常规武器爆炸作用下弹性阶段的动力响应;结构长径比、结构缩尺比例、装药量大小对α_1p/α_1e随α<...     

重大工程设施抗爆韧性设计的思考

分析了工程设施抗爆韧性设计的必要性，提出了重大工程抗爆韧性的概念与设计目标。针对民用关键基础设施、军事防护工程，从提高鲁棒性、降低间接损失、迅速恢复等方面讨论了相应的韧性实现技术。结合韧性与经济性关系，建立了基于预期总损失与工程总价值之比的韧性指数计算模型，综合考虑韧性指数与建设、恢复成本，可用于韧性设计方案决策优化。最后提出发展建议，包括加强针对重大工程抗爆韧性的技术支撑体系研究；加快工程抗爆韧性定量评估方法研究；加快重大工程抗爆韧性数据决策平台建设；选择典型重大工程并开展抗爆韧性设计示范应用，推进相关标准规范制定。     

爆炸地冲击扰动诱发含结构面围岩破坏模拟试验

为研究远区爆炸作用产生的地冲击扰动对深埋洞室破坏的影响机制,采用地冲击效应模拟试验装置开展了相似模拟试验研究。采用边长为1.3 m的立方体试件,实现了从地应力加载（1 000 m埋深）、洞室开挖到爆炸地冲击扰动加载全过程的模拟。试验过程中,将各类传感器放置在试件和洞室内部,监测试验过程中的应力、应变、位移变化,以及洞室内部的破坏情况。通过在试件顶部施加不同峰值的冲击扰动荷载,再现了碎屑崩出、裂隙连通导致块体崩出、块体滑移和断层激活等破坏现象,初步得到了深埋洞室的安全阈值。分析得到了含裂隙围岩、块系围岩和含断层围岩在不同地冲击扰动作用下的破坏机制。试验结果表明,较小的动力扰动即可诱发深埋洞室的破坏,并且随冲击扰动次数的增加和冲击荷载峰值的增大,洞室破坏程度会加剧;此外,在爆炸远区,地冲击扰动仍可诱发工程灾害。     

爆炸作用下浅埋拱结构轴向荷载分布

为探究土中浅埋直墙拱结构轴向荷载分布规律,利用LS-DYNA软件模拟了在不同爆炸距离和装药量条件下结构的轴向荷载分布情况。对比不同装药质量及不同爆炸距离作用下轴向荷载的分布形态发现,对于发生整体响应的结构,其轴向荷载分布形态仅受爆炸距离控制,并可用正态分布函数描述。基于对爆炸距离与荷载分布形态的函数关系拟合,得出了爆炸作用下拱结构轴向荷载分布形态的计算方法。基于正态分布置信区间理论,计算不同置信区间的结构响应,提出了一种确定拱结构轴向荷载计算范围的方法。     

混凝土靶侵爆条件下破坏深度的模型实验研究

为研究混凝土靶侵彻后空腔对爆炸效应的影响,开展了450～700 m/s速度下混凝土靶体侵彻与爆炸模型实验。基于10组实验结果,结合量纲分析等方法,研究了侵彻结果对爆坑深度的影响。结果表明,可采用无量纲冲击系数表征侵彻深度、开坑体积以及侵彻损伤值等侵彻效应,不考虑装药长径比的影响,侵彻后爆炸带来的破坏深度增加量h_e主要受无量纲冲击系数I_p与爆炸系数I_e的影响。利用实验数据获得了长径比为5时h_e的影响规律:(1) I_p较小时,侵彻深度较小,I_e的变化对爆炸弹坑深度h_e变化影响较小;(2) 随着I_p的增加,h_e不断增加,但增加幅度逐渐变小,I_e对h_e的影响不断变大;(3)随着I_p增加到一定程度,h_e趋于常数,I_e对h_e的影响趋于稳定。     

扰动作用下矿柱滑移失稳的理论分析

动力扰动作用下,处于高静载状态的岩石极易沿已有裂缝产生滑移,造成滑移型岩爆等动力灾害。通过能量分析和变分原理对动力扰动诱发高应力矿柱断裂滑移失稳（滑移型岩爆）的力学机理进行分析,得出了动力扰动条件下矿柱失稳的充要条件。通过开展动静组合荷载作用下的矿柱滑移失稳试验,验证了理论分析的正确性。研究表明：矿柱的动力滑移失稳只会发生在峰后阶段,对于处在峰前稳定平衡状态的矿柱,若要发生动力滑移失稳,需要爆破振动、巷道断裂等人工或者自然活动所产生的动力扰动达到一定量值,同时还需满足加载刚度k1小于峰后的滑移刚度k2。因此,对矿柱断裂滑移型岩爆量级的预测则须准确地确定过剪应力的量值。     

不同厚度充填体—围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力-应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa,峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生“X”形剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好地表征不同充填体厚度试件的全过程应力-应变曲线,验证结果表明模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。     

深部围岩地冲击扰动作用的模拟试验技术

为模拟深部高围压硐室结构在爆炸地冲击扰动作用下的长持时加载过程，开展了模拟装置的调试和试验工作。分析了爆炸作用下，远场扰动应力波的主参量，并采用量纲分析获得了满足相似定律的仪器参数指标。利用模拟试验装置，分析探讨了气室压力、电磁阀开启时间、活塞速度、水压以及整形材料等因素对冲击波形、正压时间、升压时间和峰值的影响规律。结果表明，整形材料的刚度越低，应力波形的正压时间及升压时间越长，峰值相对越低；活塞撞击速度越高，应力峰值越高，但是正压时间及波形无明显变化。通过控制电磁阀开闭时间和气室气体压力值，可以控制活塞撞击的速度。通过改变整形材料和活塞撞击速度，实现了正压时间在3.5～5.0 ms之间的调整、升压时间在0.9～2.5 ms之间的调整，峰值在4～8 MPa之间的调整，调整后输出的压力波形可有效模拟深部围岩中远区爆炸应力波。采用有机玻璃复合结构作为试件，验证了装置在模拟深部围岩地冲击扰动作用的可行性及可靠性。上述研究证明了装置可为室内试验提供参数可控的爆炸地冲击扰动，丰富了深部地质力学试验系统模拟爆炸扰动的研究。     

深部围岩地冲击扰动作用的模拟试验技术

为模拟深部高围压硐室结构在爆炸地冲击扰动作用下的长持时加载过程，开展了模拟装置的调试和试验工作。分析了爆炸作用下，远场扰动应力波的主参量，并采用量纲分析获得了满足相似定律的仪器参数指标。利用模拟试验装置，分析探讨了气室压力、电磁阀开启时间、活塞速度、水压以及整形材料等因素对冲击波形、正压时间、升压时间和峰值的影响规律。结果表明，整形材料的刚度越低，应力波形的正压时间及升压时间越长，峰值相对越低；活塞撞击速度越高，应力峰值越高，但是正压时间及波形无明显变化。通过控制电磁阀开闭时间和气室气体压力值，可以控制活塞撞击的速度。通过改变整形材料和活塞撞击速度，实现了正压时间在3.5～5.0 ms之间的调整、升压时间在0.9～2.5 ms之间的调整，峰值在4～8 MPa之间的调整，调整后输出的压力波形可有效模拟深部围岩中远区爆炸应力波。采用有机玻璃复合结构作为试件，验证了装置在模拟深部围岩地冲击扰动作用的可行性及可靠性。上述研究证明了装置可为室内试验提供参数可控的爆炸地冲击扰动，丰富了深部地质力学试验系统模拟爆炸扰动的研究。