爆炸载荷作用下混凝土结构毁损过程的“态型”近场动力学模拟

The failure process and antiknock security of concrete structures under explosion loads have increasingly attracted more attention from academia and engineering. The explosion of concrete structures involves complex mechanical behaviors of multiphase mediums in extreme conditions, such as high speed, high temperature and high pressure. Traditional numerical methods have difficulties in solving these problems. The nonlocal peridynamic theory has a unique advantage in analysis of discontinuous, large deformation and damage problems. And it is used to establish a state-based peridynamic constitutive model suitable for concrete structures under explosion loads. The explosive detonation, gas motion and the effect of explosion products interacting with solid structures will be studied. A hybrid model of peridynamics and finite element method and an adaptive analysis method will be proposed. The contact-impact algorithm of peridynamics and the explosive numerical simulation technology will be improved. We plan to build a practical peridynamic numerical calculation system and develop an efficient and general peridynamic software for civil engineering. We also attempt to obtain the progressive failure process and failure modes of concrete structures under near field contact explosion and penetration explosion respectively, and to reveal the dynamic response, damage effect, failure process and modes. As consequences, our research achievements will provide a scientific basis and support for the antiknock safety assessment and comprehensive protection for the concrete structures, and it will promote the development of peridynamic theory and some other related disciplines.

爆炸荷载作用下混凝土结构的毁损破坏过程和抗爆安全已日益引起学术界和工程界的高度重视。混凝土结构的爆炸毁损过程涉及多相介质在高速、高温、高压等极端条件下的复杂力学行为，传统数值方法面临很大困难。本项目基于分析非连续、大变形和破坏问题具有独特优势的非局部近场动力学理论，建立适用于爆炸荷载作用下混凝土结构破坏分析的“态型”近场动力学模型，研究炸药爆轰、气体传播、爆炸产物与固体结构相互作用的效应；提出近场动力学─有限元混合模型与自适应算法，发展近场动力学的冲击接触算法和炸药爆炸数值模拟技术；开发具有自主知识产权的高效通用计算软件，形成能应用于工程实际问题的近场动力学计算体系；模拟典型弹头的爆炸破碎和动能弹冲击侵彻作用下混凝土结构的破坏规律，给出混凝土结构发生近场接触爆炸和侵彻爆炸的动力响应、毁损效应、破坏过程和破坏模式。促进近场动力学理论方法的完善，为混凝土结构抗爆安全评估及综合防护提供科学依据。

爆炸冲击荷载作用下混凝土结构的毁损破坏过程已日益引起学术界和工程界的高度重视，传统数值方法在求解混凝土结构的爆炸毁损过程时面临很大困难。本项目基于分析非连续、大变形和破坏问题具有独特优势的非局部近场动力学理论，采用理论推导、试验和数值方法相结合的手段，建立适用于爆炸冲击荷载作用下混凝土结构破坏分析的态型近场动力学模型，发展相应的数值计算体系，开发高效通用的计算软件，实现爆炸冲击荷载作用下混凝土结构损伤累积和渐进破坏全过程的连续仿真。. 围绕本项目的研究目标和研究内容，课题组四年来潜心研究，取得了以下成果：（1）总结分析了爆炸荷载作用下混凝土结构破坏分析的研究进展，构建了一个新的非常规态型近场动力学模型，提出了相应的隐式-显式混合计算格式和刚柔接触问题的分析方法；（2）提出了近场动力学微分算子的绝对值和相对值表达式，构建了基于近场动力学微分算子的高阶修正非常规态型近场动力学模型（包括键关联模型），发展了相应的数值计算体系；（3）应用所提出的键关联非常规态型近场动力学模型，模拟分析了混凝土冲击层裂与爆炸冲击毁伤问题，建立了修正的共轭键型近场动力学 模型，计算得到了混凝土重力坝在动能弹高速侵彻下的毁伤效应和破坏模式；（4）开展了含裂纹砂岩巴西盘的冲击破坏试验和压缩试验研究，得到了相应的动力特性与裂纹扩展特征，采用近场动力学方法进行了相应的数值模拟，计算结果与试验结果具有很好的一致性；（5）建立了数字图像相关技术（DIC）与近场动力学混合方法，克服了DIC在处理不连续变形和裂纹扩展时的困难；（6）研究了多物理场耦合作用分析的近场动力学理论和方法，建立了基于PD微分算子的广义键型近场动力学热传导模型和数值计算方法，得到了裂纹对非均质混凝土导热性能的影响；（7）建立了基于黏聚单元的混凝土三维细观数值模型，发展了界面过渡区弹性损伤和砂浆各向异性塑性损伤本构关系，进行了混凝土宏观力学性能评估与破坏机制研究。. 研究成果促进了近场动力学理论和方法的完善，为混凝土结构抗爆安全评估及综合防护提供了科学依据。