2023年 43卷 第10期
PDF 
本文被引
在线阅读
2023, 43(10): 102201.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0397
摘要:
聚能装药水下爆炸过程中会产生高速聚能侵彻体和强间断冲击波等多种毁伤元。由于聚能侵彻体和冲击波的作用时间接近，且聚能装药水下爆炸作用时序的理论并不完善，因而认识两者的作用时序对聚能型战斗部作用下舰船结构的毁伤研究具有重要意义。首先，基于接触爆炸理论和牛顿第二定律，推导药型罩压垮后加速度和速度公式的基本形式。随后，基于欧拉控制方程，建立聚能装药空中和水下爆炸数值模型，得到装药和药型罩交界面处压力时程曲线，定量地确定药型罩压垮的加速度和速度公式，通过理论公式可解决不同炸高下聚能侵彻体和直达冲击波先后到达目标的问题。为了验证理论公式的可靠性，讨论了空气域长度为5倍装药半径时的复杂工况，数值模拟结果和理论推导结果基本一致：当空气域长度为5倍装药半径时，炸高在3倍装药半径之外，冲击波先于侵彻体。提出了药型罩压垮的加速度和速度理论公式的形式和求解聚能侵彻体和冲击波作用时序问题的思路，为分析聚能装药水下爆炸聚能侵彻体和冲击波的作用时序提供了理论依据。
聚能装药水下爆炸过程中会产生高速聚能侵彻体和强间断冲击波等多种毁伤元。由于聚能侵彻体和冲击波的作用时间接近，且聚能装药水下爆炸作用时序的理论并不完善，因而认识两者的作用时序对聚能型战斗部作用下舰船结构的毁伤研究具有重要意义。首先，基于接触爆炸理论和牛顿第二定律，推导药型罩压垮后加速度和速度公式的基本形式。随后，基于欧拉控制方程，建立聚能装药空中和水下爆炸数值模型，得到装药和药型罩交界面处压力时程曲线，定量地确定药型罩压垮的加速度和速度公式，通过理论公式可解决不同炸高下聚能侵彻体和直达冲击波先后到达目标的问题。为了验证理论公式的可靠性，讨论了空气域长度为5倍装药半径时的复杂工况，数值模拟结果和理论推导结果基本一致：当空气域长度为5倍装药半径时，炸高在3倍装药半径之外，冲击波先于侵彻体。提出了药型罩压垮的加速度和速度理论公式的形式和求解聚能侵彻体和冲击波作用时序问题的思路，为分析聚能装药水下爆炸聚能侵彻体和冲击波的作用时序提供了理论依据。
2023, 43(10): 102202.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0415
摘要:
为探究大体积混凝土水下接触爆炸破坏分区特征，基于水中爆炸冲击波与混凝土的相互作用过程分析，建立了综合考虑爆炸冲击波冲击破碎和爆轰产物准静态压拉致裂机制的混凝土爆炸破坏分区计算方法，并与有限元数值模拟和试验实测数据开展对比验证。结果表明：与空中接触爆炸相比，水对爆轰产物膨胀起抑制作用，使得爆炸荷载持时增加、作用于周围介质的冲量增大；采用建议的环向压碎判据计算破碎区，并将开裂区分为动态压裂、准静态压裂和准静态拉裂区的计算方法能够很好地预测混凝土水下接触爆炸破坏分区范围；炸药类型和起爆水深一定时，混凝土的抗拉强度和抗压强度比对开裂区范围起重要影响。
为探究大体积混凝土水下接触爆炸破坏分区特征，基于水中爆炸冲击波与混凝土的相互作用过程分析，建立了综合考虑爆炸冲击波冲击破碎和爆轰产物准静态压拉致裂机制的混凝土爆炸破坏分区计算方法，并与有限元数值模拟和试验实测数据开展对比验证。结果表明：与空中接触爆炸相比，水对爆轰产物膨胀起抑制作用，使得爆炸荷载持时增加、作用于周围介质的冲量增大；采用建议的环向压碎判据计算破碎区，并将开裂区分为动态压裂、准静态压裂和准静态拉裂区的计算方法能够很好地预测混凝土水下接触爆炸破坏分区范围；炸药类型和起爆水深一定时，混凝土的抗拉强度和抗压强度比对开裂区范围起重要影响。
2023, 43(10): 102203.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0556
摘要:
为了建立钙质砂场地爆炸成坑效应的计算方法，首先在开挖出的钙质砂模型场地开展了不同当量、不同埋深的野外爆炸实验，然后基于有限元与光滑粒子流耦合算法建立了适用于钙质砂爆炸成坑计算的数值模型，并分析了炸药形状和土体参数对爆坑形态的影响，最后建立了适用于钙质砂场地中的爆坑计算公式。结果表明：埋置爆下，钙质砂场地爆坑尺寸大于硅质砂土中的爆坑尺寸；光滑粒子流算法能较好地揭示钙质砂场地中爆坑轮廓的形成机理；炸药形状和土体密实度等参数对于钙质砂爆坑形态具有不同程度的影响，拟合得到的钙质砂场地接触爆和埋置爆抛掷型爆坑尺寸计算公式，可较好地预测不同爆炸当量作用下的爆炸成坑尺寸。
为了建立钙质砂场地爆炸成坑效应的计算方法，首先在开挖出的钙质砂模型场地开展了不同当量、不同埋深的野外爆炸实验，然后基于有限元与光滑粒子流耦合算法建立了适用于钙质砂爆炸成坑计算的数值模型，并分析了炸药形状和土体参数对爆坑形态的影响，最后建立了适用于钙质砂场地中的爆坑计算公式。结果表明：埋置爆下，钙质砂场地爆坑尺寸大于硅质砂土中的爆坑尺寸；光滑粒子流算法能较好地揭示钙质砂场地中爆坑轮廓的形成机理；炸药形状和土体密实度等参数对于钙质砂爆坑形态具有不同程度的影响，拟合得到的钙质砂场地接触爆和埋置爆抛掷型爆坑尺寸计算公式，可较好地预测不同爆炸当量作用下的爆炸成坑尺寸。
2023, 43(10): 103101.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0335
摘要:
FRP-混凝土-钢双壁空心管柱（FRP-concrete-steel double skin tubular columns）目前已在桥梁墩柱中得到应用，抗冲击性能是其推广应用的重要指标。为此，基于前期试验，采用ABAQUS软件建立了考虑轴力与侧向冲击耦合影响的有限元模型。首先，分析了轴力-冲击联合作用下该类构件的抗冲击机理；其次，重点研究了FRP厚度和缠绕角度、轴压比、冲击速度、空心率、内钢管径厚比与材料强度对抗冲击性能的影响；最后，给出了轴力-冲击耦合作用下构件动力放大系数的计算公式。结果表明，混凝土的塑性变形是构件抗冲击的主要耗能机制；轴力对构件抗冲击性能有明显影响，当轴压比大于0.7时，轴力对抗冲击性能有削弱作用；内钢管径厚比对构件抗冲击性能影响较小；建议的计算公式可较好地预测该类构件的抗冲击承载力。
FRP-混凝土-钢双壁空心管柱（FRP-concrete-steel double skin tubular columns）目前已在桥梁墩柱中得到应用，抗冲击性能是其推广应用的重要指标。为此，基于前期试验，采用ABAQUS软件建立了考虑轴力与侧向冲击耦合影响的有限元模型。首先，分析了轴力-冲击联合作用下该类构件的抗冲击机理；其次，重点研究了FRP厚度和缠绕角度、轴压比、冲击速度、空心率、内钢管径厚比与材料强度对抗冲击性能的影响；最后，给出了轴力-冲击耦合作用下构件动力放大系数的计算公式。结果表明，混凝土的塑性变形是构件抗冲击的主要耗能机制；轴力对构件抗冲击性能有明显影响，当轴压比大于0.7时，轴力对抗冲击性能有削弱作用；内钢管径厚比对构件抗冲击性能影响较小；建议的计算公式可较好地预测该类构件的抗冲击承载力。
2023, 43(10): 103102.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0065
摘要:
压缩荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值的识别是理解岩石渐进破坏过程和分析岩石宏观破坏机制的重要基础。对大理岩、粗花岗岩和细花岗岩开展了单轴压缩和动态冲击试验，引入岩石裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变两个参数，根据岩石单轴压缩破坏时裂纹径向面积应变曲线斜率的不同，把以上三种岩石分成类型Ⅰ（大理岩）和类型Ⅱ（粗花岗岩和细花岗岩）岩石。研究表明，对于类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石，分别利用其裂纹轴向应变和裂纹轴向应变刚度曲线特征点能准确识别出岩石在静态压缩荷载下裂纹稳定扩展应力σsd、裂纹不稳定扩展应力σusd以及裂纹相互贯通应力σct，证明了仅利用轴向应变数据就可对类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石静荷载下应力阈值进行识别。而后将裂纹轴向应变法推广至动态冲击荷载下岩石的应力阈值识别，解决了动态冲击压缩载荷作用下试样难以进行裂纹扩展应力阈值识别的问题。与静态荷载下岩石的裂纹扩展应力阈值不同，在动态冲击荷载下，岩石裂纹稳定扩展应力与峰值强度的比值有所减小，裂纹不稳定扩展应力和裂纹相互贯通应力阈值相等，且与峰值强度的比值也有所减小，岩石产生更多的贯通裂纹，试样破坏时破碎程度更高。
压缩荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值的识别是理解岩石渐进破坏过程和分析岩石宏观破坏机制的重要基础。对大理岩、粗花岗岩和细花岗岩开展了单轴压缩和动态冲击试验，引入岩石裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变两个参数，根据岩石单轴压缩破坏时裂纹径向面积应变曲线斜率的不同，把以上三种岩石分成类型Ⅰ（大理岩）和类型Ⅱ（粗花岗岩和细花岗岩）岩石。研究表明，对于类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石，分别利用其裂纹轴向应变和裂纹轴向应变刚度曲线特征点能准确识别出岩石在静态压缩荷载下裂纹稳定扩展应力σsd、裂纹不稳定扩展应力σusd以及裂纹相互贯通应力σct，证明了仅利用轴向应变数据就可对类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石静荷载下应力阈值进行识别。而后将裂纹轴向应变法推广至动态冲击荷载下岩石的应力阈值识别，解决了动态冲击压缩载荷作用下试样难以进行裂纹扩展应力阈值识别的问题。与静态荷载下岩石的裂纹扩展应力阈值不同，在动态冲击荷载下，岩石裂纹稳定扩展应力与峰值强度的比值有所减小，裂纹不稳定扩展应力和裂纹相互贯通应力阈值相等，且与峰值强度的比值也有所减小，岩石产生更多的贯通裂纹，试样破坏时破碎程度更高。
2023, 43(10): 103103.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0199
摘要:
首先，选择以蓝宝石陶瓷为迎弹层、二氧化硅无机玻璃和聚碳酸酯有机玻璃为吸能层和聚氨酯为胶结材料的透明夹层结构为研究对象，采用一级轻气炮对试样进行了冲击实验，试样呈现陶瓷层弯曲失效破坏主导和冲击压缩破坏主导的2种破坏模式，通过高速摄像详细记录裂纹动态扩展过程。然后，采用Abaqus 有限元软件对多组结构层厚度配比的透明夹层结构进行120、150、180 m/s 速度的弹体冲击模拟，针对陶瓷材料引入了基于JH-2 本构模型的子程序，并结合单元删除法，对裂纹扩展和碎片飞溅过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合较好。最后，采用BP 神经网络算法对冲击点后侧位移峰值进行了预测，单层和多层神经网络模型平均计算耗时分别为1和3 min，与位移峰值的数值模拟结果相比，2种神经网络模型预测结果的平均相对误差分别为7.6% 和3.2%。该BP 神经网络模型计算时效和精度都满足要求，相比传统消耗5 h的有限元计算，节省大量时间，可对透明夹层结构的设计提供指导。
首先，选择以蓝宝石陶瓷为迎弹层、二氧化硅无机玻璃和聚碳酸酯有机玻璃为吸能层和聚氨酯为胶结材料的透明夹层结构为研究对象，采用一级轻气炮对试样进行了冲击实验，试样呈现陶瓷层弯曲失效破坏主导和冲击压缩破坏主导的2种破坏模式，通过高速摄像详细记录裂纹动态扩展过程。然后，采用Abaqus 有限元软件对多组结构层厚度配比的透明夹层结构进行120、150、180 m/s 速度的弹体冲击模拟，针对陶瓷材料引入了基于JH-2 本构模型的子程序，并结合单元删除法，对裂纹扩展和碎片飞溅过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合较好。最后，采用BP 神经网络算法对冲击点后侧位移峰值进行了预测，单层和多层神经网络模型平均计算耗时分别为1和3 min，与位移峰值的数值模拟结果相比，2种神经网络模型预测结果的平均相对误差分别为7.6% 和3.2%。该BP 神经网络模型计算时效和精度都满足要求，相比传统消耗5 h的有限元计算，节省大量时间，可对透明夹层结构的设计提供指导。
2023, 43(10): 103105.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0486
摘要:
辐照条件下，一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷，氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质，而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合，但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用，当初始孔洞数密度达到一定临界值时，材料内部没有新的孔洞成核，因此，层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征，给出了这一临界值的计算方法，并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时，在完善孔洞增长(void growth， VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上，借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果，对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下，当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时，需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响；反之，可以采用简单的层裂损伤模型，不需要计算孔洞成核，但由于增长孔洞之间的相互影响，损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。
辐照条件下，一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷，氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质，而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合，但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用，当初始孔洞数密度达到一定临界值时，材料内部没有新的孔洞成核，因此，层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征，给出了这一临界值的计算方法，并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时，在完善孔洞增长(void growth， VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上，借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果，对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下，当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时，需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响；反之，可以采用简单的层裂损伤模型，不需要计算孔洞成核，但由于增长孔洞之间的相互影响，损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。
2023, 43(10): 103304.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0143
摘要:
基于高速摄影技术，开展了冰孔约束条件下的弹丸倾斜入水实验；通过对比分析无冰环境与冰孔约束条件下的弹丸入水运动过程，并将入水运动过程分为空泡扩张、空泡闭合以及空泡溃灭三个阶段进行了研究，得到了冰孔约束条件下弹丸入水的空泡演化特性；通过对比同一直径冰孔约束条件不同入水初速下弹丸的空泡演化过程及速度变化规律，总结得出了入水初速对于冰孔约束条件下弹丸空泡演化特性以及入水运动特性的影响规律。研究结果表明：空泡扩张阶段，冰孔约束条件下产生的喷溅较为分散，弹丸背水面产生部分隆起；此外，冰孔约束条件下的空泡扩张受到阻碍，空泡最大直径减小。空泡闭合阶段，冰孔约束条件下的空泡闭合时间提前，并且撞击冰板的反射流冲击空泡侧壁使空泡发生局部冲击溃灭。空泡溃灭阶段，冰孔约束条件下的溃灭尾迹由局部冲击溃灭、脱落溃灭和正常溃灭组成；空泡溃灭产生的尾迹旋涡较小。随着入水初速的提高，空泡的长度和最大直径明显增大，局部冲击溃灭的宽度增加；冰孔约束条件会使得弹丸在空泡扩张阶段的速度衰减幅度增大，空泡的闭合时间提前，开始溃灭的时刻延后。
基于高速摄影技术，开展了冰孔约束条件下的弹丸倾斜入水实验；通过对比分析无冰环境与冰孔约束条件下的弹丸入水运动过程，并将入水运动过程分为空泡扩张、空泡闭合以及空泡溃灭三个阶段进行了研究，得到了冰孔约束条件下弹丸入水的空泡演化特性；通过对比同一直径冰孔约束条件不同入水初速下弹丸的空泡演化过程及速度变化规律，总结得出了入水初速对于冰孔约束条件下弹丸空泡演化特性以及入水运动特性的影响规律。研究结果表明：空泡扩张阶段，冰孔约束条件下产生的喷溅较为分散，弹丸背水面产生部分隆起；此外，冰孔约束条件下的空泡扩张受到阻碍，空泡最大直径减小。空泡闭合阶段，冰孔约束条件下的空泡闭合时间提前，并且撞击冰板的反射流冲击空泡侧壁使空泡发生局部冲击溃灭。空泡溃灭阶段，冰孔约束条件下的溃灭尾迹由局部冲击溃灭、脱落溃灭和正常溃灭组成；空泡溃灭产生的尾迹旋涡较小。随着入水初速的提高，空泡的长度和最大直径明显增大，局部冲击溃灭的宽度增加；冰孔约束条件会使得弹丸在空泡扩张阶段的速度衰减幅度增大，空泡的闭合时间提前，开始溃灭的时刻延后。
2023, 43(10): 104201.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0127
摘要:
超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域，电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样，但在物理上有内在统一性，即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据（或驱动电路真实数据）确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题，将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS，实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明，编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验（包括气体、液体、化合物和金属）提供了有力的支撑，还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。
超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域，电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样，但在物理上有内在统一性，即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据（或驱动电路真实数据）确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题，将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS，实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明，编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验（包括气体、液体、化合物和金属）提供了有力的支撑，还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。
2023, 43(10): 104202.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0030
摘要:
Chapman-Jougeut理论是预测波后爆轰物理量状态的有力工具，但以往的研究未考虑模型中的不确定因素及其影响。事实上，不确定度会影响数值模拟的预测能力和可靠性。首先，通过剖析爆轰机理，深入挖掘爆轰建模与模拟中的不确定因素。假设PBX-9502的初始密度和爆速服从对数正态分布，结合真实的试验数据，通过参数估计和Anderson-Darling假设检验法标定初始密度和爆速的概率密度函数。Beta分布用以定量刻画没有物理意义的、唯象参数的不确定度，形状参数和支集源于工程经验。Rosenblatt变换将相关的、非Gauss随机变量转化成相互独立的标准正态分布。然后，使用非嵌入多项式混沌研究高维爆轰不确定度传播。具体而言，针对一元多项式混沌，正交多项式通过Gauss-Hilbert空间中的Gram-Schmidt方法导出，六点Gauss求积方法用以计算多项式混沌的系数。使用权重和Gauss求积点的全张量积计算多元多项式混沌。最后，通过多元多项式混沌得到感兴趣量的概率密度函数以及对应的期望、标准差和置信区间等Gauss统计量。研究结果表明：波后压力波动较大，置信区间较宽，与孙承纬的“爆轰压力测量值分散性较大”的结论相吻合。同时感兴趣量的试验结果落入模拟结果的置信区间内，研究结果能增强模型的可靠性和鲁棒性。所用方法可扩展到更加复杂状态方程的爆轰系统。
Chapman-Jougeut理论是预测波后爆轰物理量状态的有力工具，但以往的研究未考虑模型中的不确定因素及其影响。事实上，不确定度会影响数值模拟的预测能力和可靠性。首先，通过剖析爆轰机理，深入挖掘爆轰建模与模拟中的不确定因素。假设PBX-9502的初始密度和爆速服从对数正态分布，结合真实的试验数据，通过参数估计和Anderson-Darling假设检验法标定初始密度和爆速的概率密度函数。Beta分布用以定量刻画没有物理意义的、唯象参数的不确定度，形状参数和支集源于工程经验。Rosenblatt变换将相关的、非Gauss随机变量转化成相互独立的标准正态分布。然后，使用非嵌入多项式混沌研究高维爆轰不确定度传播。具体而言，针对一元多项式混沌，正交多项式通过Gauss-Hilbert空间中的Gram-Schmidt方法导出，六点Gauss求积方法用以计算多项式混沌的系数。使用权重和Gauss求积点的全张量积计算多元多项式混沌。最后，通过多元多项式混沌得到感兴趣量的概率密度函数以及对应的期望、标准差和置信区间等Gauss统计量。研究结果表明：波后压力波动较大，置信区间较宽，与孙承纬的“爆轰压力测量值分散性较大”的结论相吻合。同时感兴趣量的试验结果落入模拟结果的置信区间内，研究结果能增强模型的可靠性和鲁棒性。所用方法可扩展到更加复杂状态方程的爆轰系统。
2023, 43(10): 105101.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0375
摘要:
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。
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。
2023, 43(10): 105201.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0151
摘要:
钻爆法在岩体开挖工程中应用广泛，其工作效率与岩体结构及地质环境密切相关。初始应力会显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为及破坏特征，导致深部岩体超/欠挖等问题。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了不同初始应力下岩体的爆破损伤特性及破裂机理。基于弹性力学建立单孔爆破动静组合理论模型，分析了静态应力分布及动态应力演化特征，揭示了初始应力作用下岩体爆破损伤机制。通过经验公式及动态力学试验对Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) 模型参数进行标定与修正，并结合室内爆破实验及理论结果对数值模型进行验证。此外，在单孔爆破数值模型中分析了爆炸压力演化规律、裂纹扩展行为及分形特征，结果表明数值模拟结果可以较好地论证理论模型的合理性。研究发现：环向拉应力是影响爆破裂纹扩展的重要因素，当初始应力较大时，合理调整环向应力分布可改善岩体爆破碎裂效果，实际工程中可结合预裂技术进行地压调控改变应力分布。
钻爆法在岩体开挖工程中应用广泛，其工作效率与岩体结构及地质环境密切相关。初始应力会显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为及破坏特征，导致深部岩体超/欠挖等问题。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了不同初始应力下岩体的爆破损伤特性及破裂机理。基于弹性力学建立单孔爆破动静组合理论模型，分析了静态应力分布及动态应力演化特征，揭示了初始应力作用下岩体爆破损伤机制。通过经验公式及动态力学试验对Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) 模型参数进行标定与修正，并结合室内爆破实验及理论结果对数值模型进行验证。此外，在单孔爆破数值模型中分析了爆炸压力演化规律、裂纹扩展行为及分形特征，结果表明数值模拟结果可以较好地论证理论模型的合理性。研究发现：环向拉应力是影响爆破裂纹扩展的重要因素，当初始应力较大时，合理调整环向应力分布可改善岩体爆破碎裂效果，实际工程中可结合预裂技术进行地压调控改变应力分布。
2023, 43(10): 105401.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0108
摘要:
为了探究水雾特性与爆炸载荷衰减效果之间的关系，在爆炸驱动的激波管内两种不同特性的水雾环境下进行了不同强度的爆炸实验，并评估了两种水雾对爆炸冲击波超压和比冲量的衰减效果。实验结果表明：喷雾区域内的压力分为两个上升阶段，第一个阶段为透射冲击波的压力，第二个阶段为液滴二次雾化和弛豫过程导致的压力上升；冲击波掠过的喷雾区域越长，水雾对压力峰值和比冲量的衰减效果越好；冲击波强度的增加将削弱水雾对爆炸载荷的衰减效果；Sauter平均直径为136.04 μm、体积分数为1.72×10−3的水雾使压力峰值衰减了34.2%~60.9%，使比冲量衰减了9%到54%；Sauter平均直径为255.34 μm、体积分数为3.43×10−3的水雾使压力峰值衰减了48.4%~78.6%，使比冲量衰减了14%~66%；冲击波压力峰值的衰减率随着冲击波-雾滴之间的比例交换面积增加而线性减少。
为了探究水雾特性与爆炸载荷衰减效果之间的关系，在爆炸驱动的激波管内两种不同特性的水雾环境下进行了不同强度的爆炸实验，并评估了两种水雾对爆炸冲击波超压和比冲量的衰减效果。实验结果表明：喷雾区域内的压力分为两个上升阶段，第一个阶段为透射冲击波的压力，第二个阶段为液滴二次雾化和弛豫过程导致的压力上升；冲击波掠过的喷雾区域越长，水雾对压力峰值和比冲量的衰减效果越好；冲击波强度的增加将削弱水雾对爆炸载荷的衰减效果；Sauter平均直径为136.04 μm、体积分数为1.72×10−3的水雾使压力峰值衰减了34.2%~60.9%，使比冲量衰减了9%到54%；Sauter平均直径为255.34 μm、体积分数为3.43×10−3的水雾使压力峰值衰减了48.4%~78.6%，使比冲量衰减了14%~66%；冲击波压力峰值的衰减率随着冲击波-雾滴之间的比例交换面积增加而线性减少。
2023, 43(10): 105402.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0562
摘要:
为探究组合多孔介质与氮气幕抑制瓦斯爆炸的协同作用，在自主设计的爆炸管道内开展了爆炸实验。氮气幕距离点火位置0.9 m。实验选择的组合多孔介质是由孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与20、30、40 ppi的泡沫铁镍形成的组合体，以及10 ppi的泡沫铁镍与20、40 ppi的泡沫铜组成的组合体。研究表明：合理改变多孔介质的组合能提升与氮气幕共同抑制瓦斯爆炸的效果；第一层使用泡沫铁镍和第二层使用泡沫铜的组合显著削减火焰到达多孔介质时的强度，降低超压峰值，同时能够防止刚度低的泡沫铜形变而造成淬熄失败；抑爆效果最佳的组合为孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与40 ppi的泡沫铜形成的组合多孔介质。
为探究组合多孔介质与氮气幕抑制瓦斯爆炸的协同作用，在自主设计的爆炸管道内开展了爆炸实验。氮气幕距离点火位置0.9 m。实验选择的组合多孔介质是由孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与20、30、40 ppi的泡沫铁镍形成的组合体，以及10 ppi的泡沫铁镍与20、40 ppi的泡沫铜组成的组合体。研究表明：合理改变多孔介质的组合能提升与氮气幕共同抑制瓦斯爆炸的效果；第一层使用泡沫铁镍和第二层使用泡沫铜的组合显著削减火焰到达多孔介质时的强度，降低超压峰值，同时能够防止刚度低的泡沫铜形变而造成淬熄失败；抑爆效果最佳的组合为孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与40 ppi的泡沫铜形成的组合多孔介质。
