梯度泡沫填充混凝土的动态压剪实验方法与冲击破坏机理研究

Foam concrete has found a wide variety of applications in civil engineering. One of the typical instances is known as Engineered Material Arresting System (EMAS), which can effectively reduce the aircraft damage and life loss in overrun accidents. In this application, foam concrete is subjected to rolling impact loads imposed by aircraft wheels, which is more complicated than the typical axial impact. And foam concrete usually has uniform property. The two factors limit the adaptability of current foam concrete for arresting various types of aircrafts. In this proposed project, a new type of foam-filled concrete with density gradient will be investigated as a promising candidate for EMAS, with focuses on the dynamic compression-shear testing methods and impact failure mechanisms. The specific issues to be addressed include: i) Experimental study on the rolling impact of gradient foam-filled concrete (GFFC). A testing system will be designed and developed to simulate the impact of aircraft wheels on GFFC. ii) Investigation on the indicative methods for impact property and failure mechanisms of foam-filled concrete subjected to the compression-shear impact. iii) Characteristic and evaluation of the energy absorption efficiency of GFFC under impact of aircraft wheels. New designs and manufacturing techniques for advanced GFFC could be proposed based on this study. The research work will contribute to the progress of failure theories of GFFC as well as the development of related testing technologies, which are also of importance for engineering applications.

泡沫混凝土广泛用于土木工程，近几年一个新型应用是将其用于机场的飞机拦阻系统，以减轻飞机越出跑道的危害。在该应用中，泡沫混凝土承受飞机机轮的滚动冲击，该冲击不同于通常的轴向冲击，且泡沫混凝土性能单一，导致现有拦阻系统无法满足多种机型对拦阻的要求。本项目研究梯度泡沫填充混凝土的动态压剪实验方法与冲击破坏机理，为该材料在飞机拦阻系统中实现宽范围机型拦阻效果开展基础研究。具体内容包括：（1）研究滚动冲击缩比实验加载与测量技术方法，研制测试设备并开展梯度泡沫填充混凝土的机轮滚动冲击实验研究；（2）研究泡沫填充混凝土在压剪复合加载条件下的冲击性能表征方法和破坏机理；（3）研究梯度泡沫填充混凝土在机轮滚动冲击下的能量吸收特性及其吸能效果的评估方法，提出新型梯度拦阻材料设计的新概念和新的制备工艺方法。该研究不仅有利于促进梯度泡沫填充混凝土破坏理论和丰富实验力学测试方法与技术，而且具有重要的工程意义。

本项目开展了泡沫填充混凝土的动态压剪实验方法与冲击破坏机理研究，进行了如下工作：.1）根据EMAS的要求设计了泡沫填充混凝土配合比，研究了其准静态压缩力学性能，建立了泡沫填充混凝土准静态压缩本构模型，研究了EPS颗粒含量对泡沫填充混凝土压缩力学性能的影响。基于蒙特卡罗法随机分布规律建立了泡沫填充混凝土细观结构模型，研究了EPS颗粒尺寸和分布对泡沫填充混凝土力学性能的影响。.2）搭建了高速摄影机同步触发的落锤冲击实验装置及测量系统，对泡沫填充混凝土进行冲击压缩和冲击压剪实验，结合数字图像相关分析方法，分析了不同泡沫含量的泡沫填充混凝土在不同冲击条件下的破坏行为。利用有限元分析软件LS-DYNA建立了泡沫填充混凝土落锤冲击压缩实验的宏观各向同性有限元模型，在验证数值模拟准确性的基础上，分析了不同EPS体积含量和冲击速度下泡沫填充混凝土的冲击压缩力学性能。.3）研究了泡沫填充混凝土在圆柱平头和缩比机轮准静态贯入载荷下的力学响应，在此基础上，开展了缩比机轮冲击贯入实验，得到了不同泡沫体积含量和冲击速度下泡沫填充混凝土的动态贯入曲线，并采用量纲分析方法对机轮动态贯入曲线进行了预测。建立了泡沫填充混凝土机轮冲击贯入实验的宏观各向同性有限元模型，分析了贯入速度对泡沫填充混凝土动态力学响应的影响。.4）通过对机轮冲击拦阻材料受力过程的理论分析和数值模拟，研究了泡沫填充混凝土在机轮滚动冲击吸能效果的评估方法，研究了泡沫含量、机轮初始冲击速度和机轮荷载等参数对泡沫填充混凝土能量吸收特性的影响，并进行了符合拦阻距离和拦阻荷载要求的多目标优化。