爆炸力学的计算模拟和实验研究前沿进展

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的抗压强度和延性拉伸性能，在民用和防撞设施中有着广阔的应用前景。尽管已经进行了大量的实验研究来研究UHPC的性能，但对模拟UHPC行为的方法的研究很少。本文首先概述了水力发电机组中广泛使用的类混凝土材料本构模型，然后对连续帽面（CSC）模型进行了全面校准，以模拟UHPC在静态和低应变速率载荷下的力学行为。四组参数：（1）破坏面参数；（2） 帽盖和硬化参数；（c） 损伤参数；（4）通过大量可用的UHPC材料试验数据，系统地校准了单轴抗压强度在101MPa至238MPa范围内的应变速率参数。提出了一种计算方法，以解决现有关于UHPC断裂能的结论不一致的问题，这对UHPC损伤的建模有很大影响。此外，还提出了一种将UHPC的工程单轴拉伸应变转换为真实单轴拉伸应力的方法，UHPC的拉伸断裂能也是如此。为了验证校准后的CSC模型在模拟超高压混凝土在静态载荷下行为方面的准确性，对超高压混凝土样品的单轴拉伸和压缩试验以及钢-超高压混凝土-钢组合梁的三点弯曲试验进行了模拟。模拟了UHPC圆柱体的现有三轴压缩试验，以验证约束条件下校准CSC的准确性。此外，还模拟了UHPC柱的低速冲击试验，以进一步验证校准CSC模型的可靠性，从而捕捉到UHPC构件在低应变速率载荷下的结构行为。研究发现，校准后的CSC模型在模拟UHPC的材料性能和UHPC构件在静态和低应变速率载荷下的结构行为方面表现出优异的性能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

变截面混凝土结构广泛应用于海洋工程、水利工程和土木工程等领域，而变截面结构对水下接触爆炸的损伤机理非常复杂，包括爆炸冲击的局部损伤和结构整体振动的失稳。以重力坝为例，建立了重力坝在水下接触爆破作用下的耦合分析模型，对重力坝在非水下爆炸作用下的动力响应进行了原型试验，验证了流固相互作用方法的可靠性，并通过重力坝内部爆破损伤的小规模现场试验验证了本文所采用的混凝土动力损伤模型的可靠性。分析了重力坝在水下接触爆炸作用下的破坏机理。提出了一种重力坝在水下接触爆炸作用下的稳定性分析方法，该方法可以同时考虑大坝在爆炸引起的振动阶段和破坏后的静态阶段的稳定性。分析了重力坝在水下接触爆炸作用下的动力稳定性。并提出了一种可用于评估大坝各阶段安全水平的稳定性评估标准。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

考虑到碾压混凝土（RCC）重力坝的施工技术，大坝不可避免地存在分层现象，这可能会影响大坝的爆破响应。本文旨在研究碾压混凝土层对碾压混凝土重力坝在水下接触爆炸荷载作用下的破坏模式和动力响应的影响。首先，提出了零厚度粘性单元模型来模拟碾压混凝土层的裂缝行为。选择混凝土梁的冲击试验来验证其可靠性。利用考虑应变速率效应的混凝土损伤塑性模型，模拟了混凝土在爆炸荷载作用下的各种响应。大坝-水库-地基相互作用采用欧拉-拉格朗日耦合方法进行描述。通过混凝土结构的现场爆破试验验证了数值方法的有效性。其次，分别建立了考虑碾压混凝土层和不考虑碾压混凝土的重力坝-水库地基系统的数值模型。在验证算法的基础上，利用这些模型探讨了碾压混凝土层对大坝爆破性能的影响。最后，进一步研究了碾压混凝土层参数对大坝非线性响应和破坏模式的影响，包括最大牵引力、断裂能和层厚。结果表明，这些层显著改变了失效模式。碾压混凝土层是大坝的薄弱环节，会降低大坝的抗爆性能。因此，在进行防爆研究时，考虑层是至关重要的，碾压混凝土坝不能简单地简化为普通混凝土坝。为了保证大坝的安全，重要的是确保层具有足够的强度和断裂能，以及适当的厚度。

 

 

 

 

 

炮弹穿透多层目标时的高脉冲过载影响着装药的性能，装药是许多武器的重要组成部分。当压缩应力波从自由表面反射时，在装药中产生拉伸应力波，这是发生损伤的主要原因。本文采用应变速率相关内聚区模型，系统地研究了装药在多次高冲击过载下的损伤行为。其中，通过将预测结果与实验结果进行对比，确定了描述电荷宏观损伤演化的临界δn（nor-mal separation）。我们的数值结果表明，电荷边缘的δn大于内部的δn，并且宏观损伤区域与横向方向之间的角度随着目标倾角的增加而增加。研究发现，斜向侵彻时的最大δn和宏观损伤比均大于正向侵彻。随着弹丸速度的增加，最大δn和总宏观损伤比例增加，严重宏观损伤区域更靠近尾部。随着焦油间距的扩大，最大δn和总宏观损伤比例都呈非单调变化，而从严重宏观损伤区到尾部的距离也在扩大。

 

 

 

 

在易燃易爆材料的生产和储存过程中，装壳炸药的破片场分布对确保安全具有重要意义。本研究首次使用连续不连续单元法（CDEM）来解决模拟含壳炸药时遇到的自然碎片生成和跨尺度计算等问题。以有限离散元的耦合计算为核心，利用基于连续力学的壳体等效层爆轰产物耗散模型、动态阻力飞行计算以及高效的点面和面接触算法，设计了自然破片离散单元生成算法。因此，建立了一种完整模拟炮击炸药自然碎片（从爆炸到碎片着陆）全时空场的方法。特别是，CDEM考虑到了一种复杂的情况，即由于在储存过程中被炮击的炸药相互堆叠而引发多起爆炸。与商业软件（AUTODYN）计算和测试数据的比较验证了该方法的准确性和有效性，从而为对炮弹爆炸物的碎片分布和安全状况进行精细研究提供了充分的条件。