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混凝土介质爆破损伤破坏与环境因素的耦合效应研究

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2混凝土动态损伤破坏和周围的环境因素间的耦合效应研究概况

1.3本文的主要内容

第二章混凝土的本构、爆破理论及有限元软件AUTODYN概述

2.1混凝土本构关系发展概述

2.2以弹性力学为基础的模型

2.3以经典塑性力学为基础的模型

2.3.1 D-P准则和帽盖模型

2.3.2 Drucker公设和Il'yushin公设

2.4粘弹塑性模型

2.4.1 Bodner-Partom粘塑性模型

2.4.2 Johnson-Cook粘塑性模型

2.5含损伤的混凝土本构关系

2.5.1损伤的定义

2.5.2几种损伤演化模型和含损伤本构模型介绍

2.6 ANSYS/AUTODYN介绍

2.6.1 ANSYS/AUTODYN水下爆炸仿真的技术特色

2.6.2 AUTODYN中炸药、空气及水采用的状态方程

2.7近区爆破理论

2.7.1爆破近区的概念

2.7.2压缩粉碎区的破坏过程

2.7.3破裂区的破坏过程

2.7.4自由面的破坏作用

2.7.5压缩粉碎区、破裂区及爆破漏斗半径的计算

2.8爆炸荷载的工程计算

2.8.1炸药的爆轰压力

2.8.2耦合装药条件下的爆轰压力和入射压力

2.8.3不耦合装药条件下的爆轰压力

2.8.4爆炸载荷数值模拟

2.9本章小结

第三章球形装药混凝土在不同环境中(水和空气)爆破差异的分析

3.1问题描述和模型建立

3.2计算中采用的参数

3.3数值模拟结果和分析

3.3.1混凝土中几个典型空间点的速度时程曲线

3.3.2混凝土中几个典型空间点的压力时程曲线

3.3.3损伤发展

3.4基于线弹性理论的水中爆破药量的工程近似分析

3.5本章小结

第四章柱形耦合装药情况下混凝土爆炸破坏的数值模拟

4.1起爆方式的影响

4.1.1计算模型及参数

4.1.2数值模拟结果和分析

4.2埋深的影响

4.2.1计算模型

4.2.2数值模拟结果和分析

4.3本章小结

第五章柱形非耦合装药情况下混凝土爆炸破坏的数值模拟

5.1问题描述和模型建立

5.2数值模拟结果和分析

5.2.1炮孔间隙填充物不同情况下的分析

5.2.2炮孔水介质不耦合装药下的分析

5.3本章小结

第六章全文总结和展望

6.1全文总结

6.2未来展望

参考文献

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摘要

混凝土是一种典型的非均匀脆性介质,它应用比较广泛,涉及到采矿、人防和水利等领域。在不同的应用领域,混凝土所处的工作环境不尽相同,如界面(临空面、不连续面)、周围介质(水、空气)、装药结构(耦合、非耦合)以及充填或嵌入的吸能减震材料(典型空壳颗粒)等等。应力波载荷下的混凝土动态损伤破坏和周围的环境因素间的耦合效应是多样化的而且很复杂,也是采矿、人防等工程的热点问题之一。本文以此类问题为背景开展了有关的研究工作,取得了一些有意义的成果:
   以本课题组及前人的实验为基础,基于有限元分析软件ANSYS/AUTODYN,通过数值模拟分析了混凝土介质爆破产生的损伤破坏与环境因素间的耦合影响,系统地比较了在周围介质不同、起爆方式不同、埋深不同、装药结构不同等等情况下混凝土的爆炸损伤差异,并初步分析了其机理。
   建立了简化的二维轴对称模型,分析了球形装药混凝土在不同环境(水和空气)中的爆炸差异。经分析得到有限体积混凝土介质在空气中和水中的爆破差异主要体现在外边界附近区域(反射拉伸波影响区域),水中爆破外侧部分的点的负压峰值,速度等比在空气中会有不同程度的降低。相比于空气中爆破,在水中爆破情况下混凝土在此区域中更难于产生拉伸破环。要使混凝土在水中爆破后在外边界附近区域能达到与空气中类似的拉伸破坏效果,药量需要增大2-3倍。
   分析了柱形耦合和非耦合装药情况下混凝土爆炸破坏受到诸如起爆方式、埋深、不耦合系数等因素的影响,验证了反向起爆优于正向起爆,埋深不同时存在一个自由面附近损伤破坏减小的临界点,得到了非耦合装药情况下径向不耦合系数大于3后,爆炸造成损伤急剧减小的结论。
   本文得到的结论具有一定的工程应用价值,可对诸如围堰爆破拆除等工程实际应用提供一定的参考。

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