一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法技术

本发明专利技术公开的一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法，属于爆炸力学和冲击动力学领域。本发明专利技术通过爆轰理论分析爆炸能量的传播过程；基于变形势能理论计算混凝土结构在遭受爆炸载荷作用下的变形能量；结合格里菲斯断裂理论统计混凝土结构破碎过程中的能量耗散情况；采用运动学理论及动能定理确定爆炸载荷下混凝土结构次生破片的初始动能；然后基于能量守恒原理确定爆炸载荷下混凝土结构破碎程度；实现对爆炸冲击过程中不同时期的能量耗散情况和混凝土结构次生破片参数信息的有效预测。本发明专利技术适用于军事防御及爆破等领域，根据所述参数信息优化混凝土结构，改善爆炸防御效果或对混凝土结构的爆破效果。果或对混凝土结构的爆破效果。果或对混凝土结构的爆破效果。

【技术实现步骤摘要】
一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法


[0001]本专利技术涉及一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法，属于爆炸力学和冲击动力学领域。

技术介绍

[0002]已经有相当多的实验表明，混凝土结构在遭受到爆炸冲击载荷作用时会出现断裂和破碎现象，并且随着爆炸载荷的提升或距爆源间隔的减小，混凝土结构的破碎现象会愈加严重。在爆炸载荷作用下，由于混凝土的剥落和破碎而产生大量高速的混凝土次生破片，这些破片具有较高的能量，且运动随机性较强，破片覆盖面积大，极可能对爆炸区域内的人员和设备造成损伤和危害，是爆炸破坏后的潜在威胁。此外，爆破技术在矿石开采，铁路修建，水利水电等城市建设工程项目中也被广泛应用，爆破过程中炸药的破碎能耗和能量利用率，爆破后的矿石块度分布，碎块粒径尺寸等因素均直接影响着爆破工作的效果和成本。
[0003]现阶段对于爆炸场景下次生破片粒径尺寸和块度分布情况的测定方法主要分为两个方面：(1)基于已有的实验规律，结合部分实验的拟合参数，通过数值模拟计算软件建立工程实用的爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法。例如Rabczuk使用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟得到了爆炸冲击下混凝土块体的碎片质量和粒径分布情况。但这一类方法需要用到大量实验拟合的实验参数，限制了方法的应用范围；(2)结合实验测试仪器，通过观测爆炸冲击实验过程，建立基于仪器测试数据下混凝土结构遭受爆炸载荷后破碎程度的预测方法。目前主要的测定方法有高速摄影法，电视摄影法和筛分分析法。Wu等通过筛分分析的方法收集了多种粒径尺寸下爆炸实验产生的混凝土次生碎片，发现回收的碎片尺寸既服从Weibull分布，又服从Rosin
‑
Rammler
‑
Sperling
‑
Bennet(RRSB)分布。但现阶段的预测方法仅限于计算混凝土破片的大致分布趋势和规律，未能对未知爆炸工况下的混凝土结构破碎程度进行定量预测。因此仍需进行深入的探讨。

技术实现思路

[0004]鉴于现有方法对爆炸载荷作用下混凝土结构破碎程度和次生破片参数信息定量预测能力的不足，本专利技术的主要目的是提供一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法，通过耦合爆炸冲击波的传播扩散和爆炸冲击过程中各阶段能量耗散的主要机制，突破定量计算爆炸载荷下混凝土结构破碎参数的瓶颈，有效预测爆炸冲击过程中不同时期的能量耗散情况和次生破片的参数信息，为爆炸防御的结构优化和爆破方案的制定提供关键技术支撑。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法，通过爆轰理论分析爆炸能量的传播过程；基于变形势能理论计算混凝土结构在遭受爆炸载荷作用下的变形能量；结合格里菲斯断裂理论统计混凝土结构破碎过程中的能量耗散情况；采用运动学理论及动能定理确定爆炸载荷下混凝土结构次生破片的初始动能；然后基于能量守恒原理确
定爆炸载荷下混凝土结构破碎程度；实现对爆炸冲击过程中不同时期的能量耗散情况和混凝土结构次生破片参数信息的有效预测，为爆炸防御的结构优化和爆破方案的制定提供关键技术支撑。
[0007]本专利技术公开的一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：求解不同种类炸药的TNT当量，获取各种炸药的爆炸初始能量；
[0009]TNT当量是反映不同炸药威力的重要指标，将各种炸药的爆炸威力换算成TNT当量的计算方法在爆炸力学和工程爆破领域得到了广泛应用。结合TNT炸药的爆炸参数，采用能量换算公式对实际爆炸场中的炸药进行TNT当量换算并计算得到对应质量炸药的爆炸初始能量。
[0010]步骤1.1、采用如下的TNT当量换算公式，对不同种类的炸药进行TNT当量的换算，具体形式为：
[0011][0012]式中M为TNT当量，Q为单位质量的TNT炸药的爆炸转换能量，M
s
为实际炸药的药量，Q
s
为单位质量的实际炸药的爆炸转换能量。
[0013]步骤1.2、采用如下爆炸能量计算方法，确定炸药爆炸的初始爆炸能量，具体形式为：
[0014]E0＝MQ＝ρ0v0Q (2)
[0015]其中E0为炸药爆炸的初始爆炸能量，ρ0为TNT炸药密度，v0为炸药的体积。
[0016]步骤2：根据步骤1计算结果，兼顾爆炸能量在传播扩散过程中的转移，获得作用到混凝土结构处的爆炸冲击能量；
[0017]当炸药在无界介质中爆炸时，爆炸产物最终会占据某个极限比容，基于爆炸产物的状态方程和能量守恒方程能够得到爆炸后沉积于爆炸产物中的能量，结合步骤1中获取的爆炸初始能量确定传递至爆炸冲击波中的能量。通过爆炸冲击波的扩散面积与混凝土结构迎爆面的面积参数，获取作用到混凝土结构处的爆炸冲击能量。
[0018]步骤2.1、当炸药在无界介质中爆炸时爆炸产物经过一段时间飞散后，最终占据某个极限比容v
∞
，此时爆炸产物剩余压力等于周围介质压力即大气压p0。根据爆炸产物的状态方程和能量守恒方程得到：
[0019][0020]其中v0为爆炸产物的初始比容，k为气体参数。确定极限比容后，能近似求得沉积于爆炸产物中的能量E
∞
。
[0021][0022]由上述公式得到炸药爆炸后转移至冲击波中的能量E
y
为：
[0023][0024]根据理想气体方程，爆炸产物的极限比容能够通过下式得到：
[0025]v
∞
/v0＝(p
H
/p
a
)
1/k (6)
[0026]p
H
＝(k
‑
1)ρ0Q＝ρ0D2/2(k+1) (7)
[0027]D为炸药的爆速。由此可计算得到传递至爆炸冲击波中的能量为：
[0028][0029]步骤3：根据混凝土材料的应变能密度计算原理，获取混凝土结构在爆炸载荷作用下的变形能量；
[0030]混凝土结构在受到爆炸载荷作用时会通过应力和应变的形式将承受的爆炸冲击能量贮存为混凝土的材料势能，这部分能量即为混凝土结构的变形能。通过对混凝土材料变形能密度的计算，得到混凝土结构在遭受爆炸载荷作用下的变形能量。
[0031]混凝土材料的应变能密度包括材料的体积改变能密度和形状改变能密度，应变能密度的具体形式为：
[0032]V
ε
＝V
v
+V
d (10)
[0033][0034][0035]上式中V
ε
为应变能密度，V
v
为混凝土材料的体积改变能密度，V
d
为混凝土材料的形状改变能密度，σ
m
为峰值应力，μ为泊松比，E为混凝土材料的弹性模量。建立如下混凝土结构在遭受爆炸载荷下的变形能量方程：
[0036][0037]其中E
d
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：求解不同种类炸药的TNT当量，获取各种炸药的爆炸初始能量；步骤2：根据步骤1计算结果，兼顾爆炸能量在传播扩散过程中的转移，获得作用到混凝土结构处的爆炸冲击能量；步骤3：根据混凝土材料的应变能密度计算原理，获取混凝土结构在爆炸载荷作用下的变形能量；步骤4：基于Griffith断裂理论和破碎能耗表面积学说，得到混凝土结构在破碎过程中的能量耗散情况；步骤5：结合抛体运动学理论和动能定理，获取不同粒径尺寸下混凝土次生破片的初始动能；步骤6：通过对各个粒径范围内的混凝土破片进行分布统计，得到特定粒径破片的能量分布函数；步骤7：根据步骤6特定粒径破片的能量分布函数并基于能量守恒定理，得到混凝土次生破片的参数信息；步骤8：根据步骤2到步骤7获得的爆炸冲击过程中不同时期的能量耗散情况和次生破片的参数信息，根据所述参数信息优化混凝土结构，改善爆炸防御结构或对混凝土结构的爆破效果。2.如权利要求1所述的一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法，其特征在于：步骤1的实现方法为，步骤1.1、采用如下的TNT当量换算公式，对不同种类的炸药进行TNT当量的换算，具体形式为：式中M为TNT当量，Q为单位质量的TNT炸药的爆炸转换能量，M
s
为实际炸药的药量，Q
s
为单位质量的实际炸药的爆炸转换能量；步骤1.2、采用如下爆炸能量计算方法，确定炸药爆炸的初始爆炸能量，具体形式为：E0＝MQ＝ρ0v0Q (2)其中E0为炸药爆炸的初始爆炸能量，ρ0为TNT炸药密度，v0为炸药的体积。3.如权利要求2所述的一种爆炸载荷下混凝土结构破碎程度的预测方法，其特征在于：步骤2的实现方法为，当炸药在无界介质中爆炸时，爆炸产物最终会占据某个极限比容，基于爆炸产物的状态方程和能量守恒方程能够得到爆炸后沉积于爆炸产物中的能量，结合步骤1中获取的爆炸初始能量确定传递至爆炸冲击波中的能量；通过爆炸冲击波的扩散面积与混凝土结构迎爆面的面积参数，获取作用到混凝土结构处的爆炸冲击能量；步骤2.1、当炸药在无界介质中爆炸时爆炸产物经过一段时间飞散后，最终占据某个极限比容v
∞
，此时爆炸产物剩余压力等于周围介质压力即大气压p0；根据爆炸产物的状态方程和能量守恒方程得到：
其中v0为爆炸产物的初始比容，k为气体参数；确定极限比容后，能近似求得沉积于爆炸产物中的能量E
∞
；由上述公式得到炸药爆炸后转移至冲击波中的能量E
y
为：根据理想气体方程，爆炸产物的极限比容能够通过下式得到：v
∞
/v0＝(p
H
/p
a
)
1/k (6)p
H
＝(k
‑
1)ρ0Q＝ρ0D2/2(k+1) (7)D为炸药的爆速；由此可计算得到传递至爆炸冲击波中的能量为：4.如权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：许香照，宁建国，任会兰，马天宝，李健，杨帅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：