● 摘要
局部战争的威胁和恐怖主义的猖獗，对重大民用和军事工程的安全问题提出了新的挑战，撞击和爆炸冲击荷载效应的研究成为各国广泛关注和深入研究的重要课题。撞击和爆炸是复杂的能量传递过程，尚无成熟的理论计算方法，目前主要依靠试验总结的经验公式。该类问题的现场试验及观测通常耗资巨大，方案有限且可重复性不强，常规模型试验受相似律的限制，难以真实地展现原型的力学行为和破坏过程，而离心模型试验在该问题的研究上具有传统物理试验不可比拟的优势。国外进行撞击和爆炸的离心模型试验研究已有数十年历史，在国防军事等领域取得不少研究成果，但限于保密要求，可收集到的公开文献资料不多，国内的研究尚处于起步阶段。本研究拟在国外可以借鉴的研究成果基础上，验证国内自主开发的撞击及爆炸离心模拟试验系统的可行性，掌握撞击和爆炸离心模型试验的关键技术；通过量纲分析、离心模型试验和数值模拟，对撞击和爆炸冲击荷载效应的规律进行探讨。本研究拟为国内撞击和爆炸冲击荷载效应的研究提供一种先进的技术手段，为进一步的工程应用打下基础。主要创新性成果如下： 1．通过试验探索，验证国内自主开发的撞击和爆炸离心模拟试验系统的可行性，同时，对该系统在进行相应试验时的难点和不足进行分析，并提出改进方案。 2．利用该试验系统，进行了平头弹低速撞击黏土、砂中爆炸成坑和坝前水下爆炸的离心模型试验研究。 平头弹低速撞击黏土的离心模型试验中，研究不同发射初速度和不同离心加速度下平头弹撞击黏土发生的侵彻效应，根据试验结果，结合量纲分析，得出该条件下，弹丸最终侵彻深度与发射初速度之间的关系为 利用该公式，可以预测同等条件下弹丸侵彻深度和在已知侵彻深度情况下反算弹丸撞击初速度。 砂中爆炸成坑的离心模型试验中，考虑了药量、埋深和离心加速度对成坑效应的影响，根据试验结果，结合量纲分析，拟合考虑药量、埋深和离心加速度水平的弹坑体积无量纲表达式为 该公式可以用来预测砂中爆炸成坑的体积。分析模型中加速度传感器采集到的数据表明，加速度响应的比例峰值随比例距离的增加呈幂函数衰减；加速度响应的比例峰值随重力当量的增加呈幂函数增长；在本试验模型中，冲击波传播速度在200m/s至714m/s之间，随离心加速度的大小和离心加速的次数增加而增加。 混凝土坝蓄水情况下坝前水下爆炸模拟试验研究了坝前不同距离和不同水下深度的爆炸下大坝的动力响应。试验中监测到在水下爆炸作用下，大坝发生垂直于水面方向的加速度响应，其大小与大坝水平方向的加速度响应大小相当。该试验为今后完善试验设计和提高测量技术积累了宝贵的经验，为进一步研究水下爆炸对水工建筑的影响打下基础。 3．基于DDA程序，引入JWL状态方程和空腔半径计算公式规范爆炸荷载的计算和加载问题，使之能更好地应用于爆炸分析。同一药包在不同埋深下的爆炸成坑效应模拟结果与工程实践中观察到的现象吻合。