爆炸-冲击动力学(blast&impact engineering)最新研究进展

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文一：

混凝土砌体墙体防爆聚脲涂层体系的试验与数值研究

摘要：

爆炸事件可能导致结构损坏，产生通常来自马索尼墙的高速碎片。为了减少爆炸造成的损坏程度，一种解决方案是提高结构的强度。这可以通过改造来实现。在防爆安全领域，实验测试对评估和理解这种现象及其对结构的影响具有重要价值。然而，在爆破环境中进行试验是困难和昂贵的。因此，数值模拟通常被用作实验测试的替代方案。在这项研究中，四堵混凝土砌体墙在两次不同的全尺寸爆破试验中进行了测试；其中一面墙未加固，另外三面墙采用不同的聚脲涂层体系重新成型。此外，使用有限元代码的数值模型被应用于再现实验测试。几何模型是使用详细的微观建模方法创建的。为了校准模拟，使用定量和定性数据对现场测试和数值模型之间的结果进行了比较。对聚脲层的断裂极限进行了参数研究。经过测试的聚脲涂层被证明是非承重混凝土砌体墙的一个很好的改造选择。根据目前的工作，发现6mm的厚度在改造混凝土砌体墙方面提供了令人满意的改进，尽管10mm厚的层会显著增加聚脲的断裂极限。所用的数值模拟方法似乎是再现爆破试验的一种可接受的方法。

图：CMU 墙体的主要尺寸和边界条件的细节: a)前视图; b)侧视图; c)测试前的墙体照片。

图：从未加固墙的数值建模中获取的图像序列（正面和背面）。

图：CMU 墙体的几何模型: a)墙体的正面; b)各部分的网格细节; c)墙体的后面。

图：用聚脲系统 A 保护的墙体背面在不同时刻的水平位移(m)的轮廓。

图：数值模拟和实验测试结果的比较。

文二：

无粘结预应力混凝土预制节段梁与整体梁爆炸性能的数值研究

摘要：

本研究旨在数值研究预制/预制节段混凝土梁（PSCB）在烈性炸药爆炸下的响应。对LS-DYNA中一种新的、有效的预应力施加方法进行了探索和应用。对PSCB与传统整体梁在抗爆荷载作用下的工作机理进行了全面的研究和讨论。数值结果表明，梁的爆炸损伤主要由三种不同的机制引起，即爆炸应力波和塑性铰的传播，以及梁的自由振动挠度（整体响应）。在节点闭合的早期阶段，整体梁和节段梁中存在类似的应力波传播和由此产生的损伤。这两种梁的不同损伤模式主要是由于塑性铰的传播和梁的自由振动偏转。损伤更严重，且在整体梁中分布良好，而PSCB的损伤主要集中在爆炸物旁边的节段和接头周围。节段之间的相对运动提供的能量吸收机制是PSCB损伤减少的主要原因。尽管PSCB具有较大的位移，但与整体梁相比，它表现出更好的抗爆性能。增加预应力加筋率或有效预应力可以减少梁的峰值位移和残余位移，但会增加混凝土损伤。增加节段的数量会导致更大的梁位移响应，但会减少混凝土损伤。发现能量耗散（ED）杆可以有效地将节段结合在一起，从而使节段梁具有与单片梁相似的爆破性能。

图：爆炸造成的破坏。a）桥梁被炸弹炸毁，伊拉克2009年[7]。b）贝鲁特港口爆炸，黎巴嫩2020[8]。

图：节段柱的数值模型

图：近距离 TNT 爆炸作用下混凝土柱的试验研究。A)实地测试装置样本的几何形状和加固细节(尺寸以毫米为单位)。

图：爆炸引起的应力波的传播（半梁）。

文三：

钢筋 GFRP 筋混凝土板在冲击荷载作用下的动力性能

摘要：

钢筋混凝土板是常见的结构元件，可能会受到冲击载荷。尽管钢筋混凝土板的使用和纤维增强聚合物（FRP）作为传统钢筋板的替代品的使用越来越多，但各种参数对其在冲击载荷下响应的影响尚未得到适当评估。本研究采用实验室实验和数值模拟的方法，研究了钢筋材料、钢筋数量和布置、混凝土强度和板厚对钢筋混凝土板动力性能的影响。试验研究了15块1000×1000mm混凝土板，包括2块75mm厚的素混凝土板、5块75mm厚钢筋混凝土板、6块75mm厚玻璃纤维增强聚合物（GFRP）钢筋混凝土板和2块100mm厚的钢筋混凝土板在落锤冲击载荷下的性能。研究并比较了不同板的破坏模式、裂纹发展、位移时间、应变时间和加速度时间响应。使用LS-DYNA显式软件对试件进行了有限元分析和模拟。实验和数值模型的结果一致，表明增加配筋率或板厚可以增强钢筋混凝土板在冲击载荷下的性能。通过调整GFRP的用量和排列，可以获得比钢筋板更好的性能，考虑到这种材料的耐腐蚀性，可以使其成为合适的钢筋材料选择。

图：测试设置。

图：(a)模型样本的数值分析示例及(b)坠落重量的详细资料。

图：试样的尺寸和钢筋细节。（所有尺寸均以毫米为单位）

文四：

直接接触爆炸作用下钢筋混凝土板的尺寸效应

摘要：

混凝土的静态尺寸效应是众所周知的；然而，关于钢筋混凝土板在直接接触爆炸作用下的尺寸效应的研究仍然很少。了解尺寸效应，使比例模型试验结果能够应用于全尺寸结构在爆炸作用下的真实损伤，具有重要意义。本文介绍了一项由11个直接接触爆炸试验组成的实验研究，以研究钢筋混凝土板中的尺寸效应现象。结果表明，爆炸尺寸效应明显；也就是说，即使上部弹坑尺寸大致相同，较小尺寸的试样底部剥落损伤也较小。此外，随着钢比例的增加，损伤面积趋于减小。无损检测可以通过成像检测爆炸后钢筋混凝土板的损伤位置和深度。最后，建立了基于LS-DYNA的有限元模型，并通过试验结果对钢筋混凝土板在直接接触爆炸下的数值研究进行了验证。

图：钢筋混凝土板中钢筋的详细信息（单位：mm）。

图：TNT块的成组装药方法（单位：mm）。

图：RCS在小当量爆炸下的试验照片和图纸。（a） 80毫米上表面（b）80毫米下表面（c）160毫米上表面，（d）160毫米下表面。（e） 320毫米上表面（f）320毫米下表面（g）640毫米上表面，（h）640毫米下表面。

图：大当量爆炸下的试验损伤状态和数值结果。（a）上表面（b）下表面（单位：cm）。

图：爆炸前后损伤的比较。(a)80毫米厚(b)160毫米厚(c)320毫米厚(d)640毫米厚。

文五：

动荷载作用下泡沫混凝土的损伤特性和能量吸收特性

摘要：

了解多孔材料在动态载荷下的损伤和能量吸收是很重要的。泡沫混凝土作为一种典型的轻质多孔材料，近年来引起了人们的广泛关注。基于分裂Hopkinson压杆（SHPB）试验，通过对试件碎片形态的分形分析，定量描述了密度为300 kg/m3、450 kg/m3和700 kg/m3的泡沫混凝土在60 s-1至250 s-1的应变速率范围内的损伤行为。通过计算应力波作用产生的能量，讨论和分析了应力波的能量吸收特性。结果表明，随着应变速率的增加，分形维数以二次函数的形式增加，并在140 s-1的应变速率下表现出跃迁行为能量吸收过程具有弹性变形阶段、破碎阶段和破坏后阶段的特征。能量吸收率（即吸收能量与入射能量之比）随着应变速率的增加而增加，三种不同密度的泡沫混凝土的最大能量吸收率分别为15.1%、18.4%和25.4%。定义了能量吸收损伤敏感性（DSe）来描述能量吸收特性与分形维数之间的关系，它将动态施加的能量、整体损伤和碎片分布联系起来。最后，基于有限元方法进行了数值模拟，再现了泡沫混凝土的动态损伤过程，进一步揭示了泡沫混凝土对能量的吸收特性。