分层防护层对爆炸波的衰减和弥散作用研究

【摘要】： 成层式防护结构是当前我国人防工程的主要形式，在以空袭为主要打击手段的高科技战争背景下，如何改进成层式防护结构对各种导弹或航弹等武器爆炸后产生的冲击波的防护效果，是当前防护工程领域研究的重点课题。其中，利用应力波在分层介质中的传播原理对成层式防护结构的分层结构进行改造，进而分析爆炸波在结构中的传播规律以及结构的毁伤效应是本文的重点所在。其研究成果不但能够给成层式防护结构的改进和优化提供有益的理论和实践依据，而且对各种军事和民用中防护层的设计和推广有很大的参考价值，是一项极具学术意义和应用前景的课题。本文的主要研究内容如下： 运用应力波在分层介质界面上的透反射原理，推导出弹性波在多层介质中的应力峰值和能量随材料波阻抗变化的传递规律，指出按照材料波阻抗软硬相间的排列顺序可以达到将透射波峰值和能量降低的最佳效果。利用一维差分程序模拟的分层介质中弹塑性应力波的传播规律表明，从硬材料到软材料的界面可以起到削弱应力波峰值和降低波的能量以及增加波形弥散的作用，其效果与界面两边材料的力学性能如波阻抗比、屈服强度比有关。 通过对混凝土、黄土、沙土、泡沫混凝土等工程材料以及由它们构成的不同分层组合试件的SHPB冲击实验，在不同加载速率下，对各种材料或组合件的入射和透射应力峰值、能量进行了对比。结果显示，在一维应力或一维应变条件下，泡沫混凝土的抗冲击性能最好，黄土次之，混凝土和沙最差。多层组合试件的实验表明，分层材料中加入泡沫混凝土后其抗冲击吸能效果显著增加。采用国际通用动力学软件LSDYNA对SHPB实验进行数值模拟，计算结果和实验结果取得了一致，同时进一步研究了材料的本构对应力波传播的影响。 以现行人防指挥工程为基准，采用1：4相似比，进行了几种不同分层防护结构的大比尺野外爆炸相似模拟试验，研究分层防护结构对爆炸波的衰减、阻尼和导向作用。试验分别采用平面装药加载和集团装药加载两种形式来模拟核爆和普通爆破航弹爆炸条件下防护结构所承受的冲击载荷。试验结果显示，平面装药加载下加入泡沫混凝土的多分层设置的人防工程对爆炸波峰值应力、应力冲量和震动加速度的衰减效果要明显优于分配层仅为沙的单层设置的人防工程。 通过LSDYNA软件对集团装药加载下的模拟试验进行了数值模拟，进一步对现场爆炸试验进行了必要的补充分析，并采用数值模拟分析了相同冲量但强度和持续时间不同的载荷下，不同分层方式对人防结构的毁伤效应的影响。结果表明，分层总厚度相等的条件下，适当增加分层数目可以有效减小冲击载荷对结构的压、剪损伤和拉伸破坏，降低结构所受的冲击能量，尤其对于高强度、持续时间短的脉冲载荷，多分层防护结构的抗毁伤能力优势更为明显。