爆炸载荷下水中混凝土损伤破坏规律研究

摘要

混凝土作为一种典型的非匀质脆性材料，其应用比较广泛，特别是近年来随着人防、水利水电以及海岸工程等兴起，研究爆炸载荷下水中混凝土损伤破坏规律具有很重要的理论及应用价值。以往的研究工作多集中在空气中混凝土在爆炸载荷下的损伤破坏研究，而混凝土介质受水下爆炸冲击波作用下的损伤破坏规律及其机理的研究很少，相关的实验研究难度较大。本文的研究工作是在本课题组以及前人的实验基础上完成的，重点是研究水环境中的混凝土介质受爆炸载荷作用下的损伤破坏规律，取得了一些有意义的成果。
　　 对浅水和水深变化不大的一类工程问题，采用不考虑水重力附加水压影响，只考虑水介质惯性效应的简化模型，开展了如下有关工程问题的数值分析。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，建立了简化的二维轴对称单层网格模型，通过数值模拟分析了不同环境下无限大混凝土靶板在平面接触爆炸载荷下的损伤破坏，初步分析了靶前靶后介质不同(水和空气)对混凝土靶板层裂破坏的影响，得出了靶板破坏的差异主要是由后方的介质的不同引起的。分析了具有不同防护层的混凝土靶板在水下爆炸冲击波作用下的损伤破坏，系统地比较了软、硬、多孔材料以及三者的不同组合形式对混凝土靶板的防护作用，优选出可以作为工程应用的橡胶和钢板的组合防护形式。研究了具有不同填充材料的混凝土空心柱在水下爆炸载荷下的损伤破坏，分别分析了不同的填充材料对混凝土空心柱的抗爆炸载荷的影响，对水中混凝土柱的工程防护设计提供了一定的借鉴意义。
　　 对深水和水深变化范围较大的一类工程问题，采取同时考虑水重力附加水压影响和水介质惯性效应的改进(精确)模型，对如下的工程问题进行了系列的数值模拟研究。以三峡工程三期RCC围堰拆除的单耗实验为基础，分别模拟了边长为1.0m的混凝土立方体在50g装药量、0~l00m水深情况下，以及在25m水深，50~200g装药量下爆破损伤破坏的情况，装药结构为不耦合装药。比较了水下和空中爆炸冲击波对混凝土损伤破坏的差异，分析了水深对混凝土爆破破坏的影响，计算结果得出了水深对混凝土爆炸破坏的影响规律，并显示爆炸近区破坏随着水深的增加无显著变化，而远区破坏随水深增加明显下降。计算结果表明，数值模拟与实验数据比较接近。
　　 本文得到的结论具有一定的工程应用价值，可以为水下人防工程的混凝土柱、混凝土墙的防护设计以及水利水电、海岸工程中围堰拆除等提供一定的参考。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2水下爆炸冲击波对混凝土结构动态破坏的研究现状

1.3本文的主要工作

第二章混凝土本构理论、流固耦合算法与有限元软件LS-DYNA简介

2.1混凝土本构理论发展概述

2.2几种主要混凝土本构模型

2.2.1基于弹性力学的本构关系

2.2.2基于弹塑性理论的本构模型

2.2.3基于粘弹性和粘塑性的本构关系

2.2.4基于内时理论的本构模型

2.2.5基于损伤力学的模型

2.3 H-J-C本构模型

2.4流固耦合算法

2.5 LS-DYNA程序算法基础

2.5.1 LS-DYNA主要算法简介

2.5.2 LS-DYNA程序理论基础

2.5.2 LS-DYNA中炸药、空气、和水的材料模型

2.6本章小结

第二章浅层水下爆炸冲击波对不同形式混凝土靶板损伤破坏的数值模拟

3.1引言

3.2平面爆炸冲击波对混凝土靶板的损伤破坏模拟

3.2.1有限元模型信息

3.2.2结果与讨论

3.3具有不同防护层结构的混凝土靶板损伤破坏模拟

3.3.1模型信息

3.3.2结果与分析

3.4具有不同填充材料的混凝土柱损伤破坏模拟

3.4.1模型信息

3.4.2结果与分析

3.5本章小结

第四章混凝土水下不耦合爆破特性的研究

4.1混凝土爆破破坏的物理过程

4.2爆破近区破坏过程

4.2.1压缩粉碎区的破坏过程

4.2.2破裂区的破坏过程

4.2.3自由面的破坏作用

4.4水下爆破单耗试验

4.5有限元模型信息

4.6损伤破坏的数值模拟

4.6.1陆上和水下爆破损伤破坏的对比

4.6.2不同水深爆破损伤破坏的对比

4.7本章小结与讨论

第五章全文总结及对未来研究工作的展望

5.1全文总结

5.2对研究前景的展望

参考文献