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鋼管約束混凝土抗侵徹性能研究 版權信息
- ISBN：9787030751096
- 條形碼：9787030751096 ; 978-7-03-075109-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
鋼管約束混凝土抗侵徹性能研究 內容簡介
隨著準確制導武器的快速發展，防護工程面臨的威脅日益嚴重，如何提高結構的抗打擊能力是防護工程重點關注的課題。本書在分析混凝土結構抗侵徹性能研究現狀的基礎上，開展了鋼管約束混凝土結構單元和蜂窩鋼管約束混凝土的系列侵徹試驗，分析了鋼管約束混凝土的抗侵徹性能；基于驗證的有限元模型，明晰了蜂窩鋼管約束混凝土的抗侵徹機理；針對鋼管約束混凝土的特性，建立了徑向受彈性約束的有限動態空腔膨脹模型及相應的剛性彈侵徹約束混凝土深度預測模型，模型精度得到了試驗結果的驗證。
鋼管約束混凝土抗侵徹性能研究 目錄
目錄
序
前言
第1章 基本概念與基本方法 1
1.1 引言 1
1.2 混凝土防護結構抗侵徹技術 2
1.3 混凝土抗侵徹研究方法 2
1.3.1 侵徹試驗 2
1.3.2 數值模擬 4
1.3.3 工程模型 5
1.4 鋼管約束混凝土抗侵徹研究 7
1.4.1 抗侵徹性能試驗 7
1.4.2 抗侵徹機理數值模擬 9
1.4.3 侵徹深度工程模型 9
第2章 多邊形鋼管約束混凝土結構單元抗侵徹性能試驗 11
2.1 試件設計 11
2.1.1 試件規格與打擊工況 11
2.1.2 混凝土配合比 12
2.2 材料靜力性能 14
2.2.1 混凝土 14
2.2.2 鋼管 15
2.3 試驗方法與結果 16
2.3.1 試驗裝置 16
2.3.2 試驗結果 17
2.4 試驗結果分析與討論 26
2.4.1 侵徹過程 26
2.4.2 漏斗坑深度 27
2.4.3 侵徹深度 28
第3章 不同邊長正六邊形鋼管約束混凝土結構單元抗侵徹性能試驗 32
3.1 試驗工況 32
3.2 損傷模式 32
3.3 混凝土損傷參數 36
3.3.1 漏斗坑深度與漏斗坑體積 37
3.3.2 侵徹深度與侵徹阻力 38
第4章 正六邊形蜂窩鋼管約束混凝土抗侵徹性能試驗 43
4.1 靶體類型與打擊工況 43
4.1.1 靶體類型 43
4.1.2 單發打擊工況 45
4.1.3 多發打擊工況 47
4.2 試驗結果與分析 47
4.2.1 試驗結果 47
4.2.2 損傷模式 50
4.2.3 漏斗坑參數分析 62
4.2.4 侵徹深度數據分析 68
第5章 正方形蜂窩鋼管約束混凝土抗侵徹性能試驗 74
5.1 試件設計與打擊工況 74
5.1.1 試件設計 74
5.1.2 單發打擊工況 76
5.1.3 多發打擊工況 77
5.2 試驗結果與分析 77
5.2.1 試驗結果 77
5.2.2 損傷模式 81
5.2.3 漏斗坑參數分析 89
5.2.4 侵徹深度數據分析 93
5.3 侵徹阻力比較與討論 97
第6章 蜂窩鋼管約束混凝土抗侵徹機理的數值模擬 101
6.1 仿真模型的建立與驗證 101
6.1.1 仿真模型的建立 101
6.1.2 仿真模型的驗證 110
6.2 抗侵徹機理分析 113
6.2.1 侵徹過程分析 113
6.2.2 約束機理分析 119
6.3 影響因素分析 124
第7章 蜂窩鋼管約束混凝土的有限柱形空腔膨脹理論與侵徹深度工程模型 129
7.1 Hoek-Brown準則簡介 129
7.2 有限柱形空腔膨脹模型 131
7.2.1 基本假定與約束剛度 131
7.2.2 核心混凝土響應模式與基本方程 135
7.3 有限柱形動態空腔膨脹響應 138
7.3.1 中低約束有限柱腔模型 138
7.3.2 高約束有限柱腔模型 142
7.3.3 適用條件與求解步驟 143
7.3.4 數值算例分析 145
7.4 剛性彈侵徹深度預測公式 153
7.4.1 侵徹阻力 153
7.4.2 隧道侵徹深度 154
7.4.3 硬芯槍彈侵徹深度公式及其驗證 156
參考文獻 161
序
前言
第1章 基本概念與基本方法 1
1.1 引言 1
1.2 混凝土防護結構抗侵徹技術 2
1.3 混凝土抗侵徹研究方法 2
1.3.1 侵徹試驗 2
1.3.2 數值模擬 4
1.3.3 工程模型 5
1.4 鋼管約束混凝土抗侵徹研究 7
1.4.1 抗侵徹性能試驗 7
1.4.2 抗侵徹機理數值模擬 9
1.4.3 侵徹深度工程模型 9
第2章 多邊形鋼管約束混凝土結構單元抗侵徹性能試驗 11
2.1 試件設計 11
2.1.1 試件規格與打擊工況 11
2.1.2 混凝土配合比 12
2.2 材料靜力性能 14
2.2.1 混凝土 14
2.2.2 鋼管 15
2.3 試驗方法與結果 16
2.3.1 試驗裝置 16
2.3.2 試驗結果 17
2.4 試驗結果分析與討論 26
2.4.1 侵徹過程 26
2.4.2 漏斗坑深度 27
2.4.3 侵徹深度 28
第3章 不同邊長正六邊形鋼管約束混凝土結構單元抗侵徹性能試驗 32
3.1 試驗工況 32
3.2 損傷模式 32
3.3 混凝土損傷參數 36
3.3.1 漏斗坑深度與漏斗坑體積 37
3.3.2 侵徹深度與侵徹阻力 38
第4章 正六邊形蜂窩鋼管約束混凝土抗侵徹性能試驗 43
4.1 靶體類型與打擊工況 43
4.1.1 靶體類型 43
4.1.2 單發打擊工況 45
4.1.3 多發打擊工況 47
4.2 試驗結果與分析 47
4.2.1 試驗結果 47
4.2.2 損傷模式 50
4.2.3 漏斗坑參數分析 62
4.2.4 侵徹深度數據分析 68
第5章 正方形蜂窩鋼管約束混凝土抗侵徹性能試驗 74
5.1 試件設計與打擊工況 74
5.1.1 試件設計 74
5.1.2 單發打擊工況 76
5.1.3 多發打擊工況 77
5.2 試驗結果與分析 77
5.2.1 試驗結果 77
5.2.2 損傷模式 81
5.2.3 漏斗坑參數分析 89
5.2.4 侵徹深度數據分析 93
5.3 侵徹阻力比較與討論 97
第6章 蜂窩鋼管約束混凝土抗侵徹機理的數值模擬 101
6.1 仿真模型的建立與驗證 101
6.1.1 仿真模型的建立 101
6.1.2 仿真模型的驗證 110
6.2 抗侵徹機理分析 113
6.2.1 侵徹過程分析 113
6.2.2 約束機理分析 119
6.3 影響因素分析 124
第7章 蜂窩鋼管約束混凝土的有限柱形空腔膨脹理論與侵徹深度工程模型 129
7.1 Hoek-Brown準則簡介 129
7.2 有限柱形空腔膨脹模型 131
7.2.1 基本假定與約束剛度 131
7.2.2 核心混凝土響應模式與基本方程 135
7.3 有限柱形動態空腔膨脹響應 138
7.3.1 中低約束有限柱腔模型 138
7.3.2 高約束有限柱腔模型 142
7.3.3 適用條件與求解步驟 143
7.3.4 數值算例分析 145
7.4 剛性彈侵徹深度預測公式 153
7.4.1 侵徹阻力 153
7.4.2 隧道侵徹深度 154
7.4.3 硬芯槍彈侵徹深度公式及其驗證 156
參考文獻 161
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鋼管約束混凝土抗侵徹性能研究 節選
第1章基本概念與基本方法 1.1引言 矛者攻，盾者守，從冷兵器戰爭到信息化戰爭，二者就一直相互較量、共同發展。在“矛”方面，隨著鉆地武器的發展，國防工程面臨的挑戰日趨嚴峻[1]；新型鉆地彈的侵徹性能不斷提高，打擊精度和殺傷威力越來越高[2，3]。同時，近年來世界各地局部戰爭頻發，城市作戰成為主要形式，各種槍彈和炸彈/航彈破片對人員、裝備及各種重要建筑物構成威脅。因此，如何提高軍用裝備、國防工程和重要民用建筑物的防護能力已成為防護領域的重要課題。在“盾”方面，隨著防護技術的發展，侵徹/穿甲問題也由*初的軍事領域，如裝甲設計、工事設計、地面與地下國防工程建設等[4]，逐漸向能源、建筑、交通和航空航天等民用領域發展，如核反應堆的安全殼、發電站的冷卻塔、石油射孔、高大建筑的防撞擊、高速行駛車輛與乘客的安全防護[5-9]，以及飛機、衛星和空間站等防飛鳥、隕石和破片撞擊等[10，11]。此外，近幾十年來，全球范圍內恐怖襲擊事件數量不斷攀升[12]，其中汽車炸彈和箱包炸彈等恐怖爆炸襲擊產生的沖擊波和碎片不僅可能對建筑結構造成整體破壞，也可能因局部侵徹而導致人員設備損傷。因此，如何應對恐怖襲擊，提高民用結構的防護能力也是結構工程師和防護專家亟待解決的問題。 混凝土在防護結構中應用廣泛，提高混凝土的強度和韌性是提高混凝土抗彈性能的有效途徑。對于混凝土抗侵徹問題，如何提高遮彈結構和防彈墻等防護結構抗一次和多次打擊能力成為研究熱點。混凝土是典型的脆性材料，且脆性隨著強度的提高而增大，斷裂韌性的增加遠不及強度的提高[13]；一次打擊下容易產生大范圍的裂紋，且損傷范圍隨打擊次數的增加不斷擴大，對整個防護結構的防護能力產生十分不利的影響。本書研究的鋼管約束混凝土利用鋼管對混凝土的側向約束，使混凝土在侵徹過程中處于三向受壓狀態，從而提高混凝土的抗壓強度和變形能力[14，15]，限制裂紋的產生和發展，使混凝土的破壞由脆性模式轉變為延性模式[16]，進而提高其抗侵徹性能。蜂窩鋼管約束混凝土結構與普通混凝土結構相比，具有以下優勢：①利用蜂窩鋼管的阻裂、阻波作用，減小沖擊侵徹作用對相鄰單元的損傷；②可充分發揮高強混凝土的優勢，降低其脆性，并提高韌性，便于高強混凝土的工程應用；③便于規模化預制生產，方便現場拼裝組合及修復、更換，在軍事應用方面具有廣闊的前景。 1.2混凝土防護結構抗侵徹技術 設置遮彈層是提高防護工程生存能力的有效方法[17]。早期遮彈結構主要采用塊石、砂和土等傳統材料與混凝土組成的層式結構，隨著新材料、新結構和新技術的發展，混凝土防護結構抗侵徹性能不斷提高[18-21]，但應用新材料成本較高且抗多發打擊的效果不夠理想[22]，而應用新結構可以充分發揮不同材料（結構）的性能，且成本較低。現有新結構主要有表面異形結構、非均勻結構和組合結構三種。 （1）表面異形結構[23，24]，通常是指設置在遮彈結構基本層之上的偏轉層，其原理是使彈丸在著靶時產生偏航角，使彈體產生偏航甚至跳彈，進而減小侵徹深度，如表面異形偏航板、球面柱異形表面技術[1，25-28]等。 （2）非均勻結構，通常是指利用材料或結構的非均勻性，使彈體在侵徹過程中受到非對稱阻力作用的結構，如混凝土柵板結構[29]和泡沫混凝土結構[30，31]。在材料或結構中加入芯體或塊體也是非均勻結構經常采用的方法，該類結構能夠使彈丸在侵徹過程中發生偏轉或使彈丸產生破壞，從而達到減小侵徹深度的目的，如鋼纖維混凝土加鋼球[32]、剛玉塊石混凝土[33，34]等。 （3）組合結構，通常利用不同性能的結構進行組合，充分發揮各種結構自身性能，進而達到提高整體結構抗侵徹性能的目的，如分層結構[35-37]、鋼板-混凝土-鋼板復合結構[38]和鋼管約束混凝土結構[39-41]。但是，分層效應可能對其抗侵徹性能產生削弱或不利影響[42，43]；而鋼管約束混凝土利用鋼管的側向約束作用使混凝土處于三向受壓狀態，從而提高了混凝土的抗侵徹性能[44]。 1.3混凝土抗侵徹研究方法 目前，混凝土侵徹問題的研究多針對半無限混凝土靶，采用的主要研究方法包括侵徹試驗、數值模擬和工程模型三種[45，46]。 1.3.1侵徹試驗 侵徹試驗是*基本、*可靠的方法，相關研究可以追溯到18世紀前Euler開展的彈丸侵徹試驗研究[4]。20世紀40年代以來，隨著混凝土應用的逐步推廣，混凝土結構的抗侵徹性能研究受到大批學者的關注。學者們提出了大量的半無限混凝土靶侵徹深度預測經驗公式，如別列贊公式、修正Petty公式、美國陸軍工程兵ACE公式、Kar公式、NDRC公式、Whiffen公式和Forrestal公式等[47]。20世紀70年代，Backmann等[48]對穿甲力學領域的發展進行了全面總結。現有試驗研究多以縮比試驗替代原型試驗，縮比模型雖然可以降低試驗費用和周期，但依據縮比試驗得到的經驗公式外延性差，適用范圍有限。 侵徹試驗表明，彈丸的著靶速度、彈體形狀和彈丸材質是影響彈丸侵徹能力的主要因素。彈丸著靶速度不同，彈丸的損傷特性差異較大。當彈丸著靶速度較低時，即在常規彈丸著靶速度范圍內（小于約1000m/s），侵徹后彈丸變形較小，彈體可視為剛體[49，50]；當彈丸著靶速度超過一定范圍時，彈靶撞擊過程中彈丸變形嚴重，彈頭發生嚴重磨蝕和質量損失，甚至在侵徹過程中發生失穩現象[51，52]，表現出一定的流體性質；隨著彈丸著靶速度的進一步提高，彈頭的流體性質越來越明顯[53，54]，可能出現侵徹深度隨著靶速度增大而減小的現象。Frew等[55]、Forrestal等[56]和孫傳杰等[57]進行了不同形狀彈丸侵徹半無限混凝土靶試驗，分析了彈體形狀和彈丸著靶速度等對侵徹深度的影響。混凝土靶體損傷機理與彈丸著靶姿態、彈著點和著靶速度等因素密切相關[58，59]。 常規彈丸著靶速度下，半無限混凝土靶侵徹過程可分為開坑和隧道侵徹兩個階段。對于隧道侵徹階段，當彈丸著靶速度較低時，響應模式為彈性-裂紋-粉碎；隨著彈丸著靶速度的提高，裂紋區消失，響應模式轉變為彈性-粉碎。此外，混凝土靶的平面尺寸對其抗侵徹性能也有影響，Frew等[60]進行的侵徹試驗結果表明，當彈丸著靶速度小于340m/s時，模擬半無限混凝土靶的合理尺寸應不小于12倍彈丸直徑。 混凝土是典型的脆性材料，侵徹過程中可能產生大面積的破壞，通過改善混凝土性能可提高其抗侵徹能力。改善混凝土性能主要是提高混凝土材料的強度和韌性，增加彈丸與混凝土之間的作用時間，耗散彈丸侵徹過程中的能量。提高混凝土性能的方法主要包括以下幾個方面：一是提高混凝土強度[61-63]，但提高混凝土強度的同時，混凝土的脆性增大，效費比也有所下降；二是設置鋼筋[64，65]，整體上增加含鋼率可以提高混凝土的抗侵徹能力，并可以在一定程度上減小混凝土的破壞范圍，但當鋼筋網布置較稀疏時，其增強效應不明顯[38，66]；三是采用高性能混凝土和超高性能混凝土[67-69]，通過增加纖維提高混凝土的韌性，改善混凝土的抗裂性能，從而減小混凝土的破壞區域[70-75]和提高混凝土抗多發打擊的性能，但抗首發打擊的性能并無明顯提高[76-78]。此外，在活性粉末混凝土中摻入鋼絲網，不僅能改善混凝土的韌性[79]，還具有較高的效費比。 提高混凝土粗骨料的硬度或增大粗骨料粒徑可以提高其抗侵徹性能，混凝土粗骨料的硬度、粒徑對有限厚度靶貫穿極限速度和破壞程度影響較為顯著[67]，粗骨料對混凝土抗侵徹能力有重要貢獻。現有試驗表明，隨著靶體粗骨料粒徑的增大，靶體可以吸收更多彈體動能，靶的抗侵徹能力提高[63，80，81]；粗骨料的硬度對彈體的磨蝕效應有一定影響，粗骨料硬度提高，將增加侵徹過程中彈體質量損失[55，59]；而對于鋼纖維混凝土，粗骨料粒徑與鋼纖維摻量存在較優匹配[82]。 1.3.2數值模擬 侵徹試驗研究周期長、費用高，隨著計算機技術的發展，數值模擬已成為研究侵徹問題的重要手段。數值模擬可以再現彈丸侵徹靶體的動態過程，模擬整體與局部的損傷，為侵徹機理的研究提供可視化平臺。數值模擬結果的有效性和精度主要取決于采用的計算方法、材料模型以及網格劃分等因素，但需要侵徹試驗的檢驗。 1）材料模型 彈丸材料多為金屬，大量試驗表明，彈丸在侵徹混凝土過程中所表現出的材料性能與彈丸的著靶速度密切相關，著靶速度不同，彈丸的力學性能也不同[83-85]。當著靶速度較低時，彈丸變形可忽略，材料模型可采用剛體模型；隨著著靶速度的提高，彈丸會發生塑性變形和磨蝕等現象，通常可采用Johnson-Cook模型或彈塑性硬化模型[86]模擬彈丸在高應變率、大變形和高溫等作用下的強度特性及變形特點。 混凝土作為典型的脆性材料，在侵徹過程中表現出拉伸斷裂、剪脹、剛度退化和應變率效應等現象。常用的模型有CSCM（continuous surface cap model）、HJC（Holmquist-Johnson-Cook）模型、TCK（Taylor-Chen-Kuszmul）模型和RHT（Riedel-Hiermaier-Thoma）模型等。CSCM考慮了高壓軟化效應，能夠較好地反映混凝土大應變時的非彈性響應，可用于描述微裂紋和空穴等非彈性體積變化引起的變形，適用于模擬混凝土在沖擊荷載作用下的動態響應[87]，但該模型主要適用于低圍壓混凝土，對高圍壓、高應變率和高強、高性能混凝土不適用。TCK模型考慮了含裂紋體的等效體積模量、裂紋密度和碎片尺寸等因素，能夠模擬混凝土的拉伸損傷，模擬混凝土剝落現象的效果較好[88，89]。RHT模型考慮了應變硬化、失效面、壓縮損傷和應變率效應等動態響應影響因素，適用于處理混凝土的壓縮損傷，能較好地描述侵徹過程中混凝土的損傷變化。HJC模型考慮了混凝土在沖擊載荷作用下的動態本構模型，能夠模擬大應變、高應變率和高壓等情況，能較好地描述混凝土在沖擊載荷作用下的壓縮損傷動態行為[90，91]，但該模型是一個塑性模型，對于描述彈丸侵徹混凝土初期的剝落與開坑不夠理想。 2）求解算法 混凝土侵徹問題的求解方法主要有有限元法（finite element method，FEM）和光滑粒子流體動力學（smoothed particle hydrodynamics，SPH）法等，常用軟件主要有LS-DYNA和AUTODYN等。 有限元的求解算法主要有Lagrange算法、Euler算法和ALE算法[92]。Lagrange算法將坐標固定在變形體上，坐標網格隨變形體的變形而改變；該算法便于處理材料間的界面和自由面，計算效率高，但容易產生網格畸變。Euler算法是將坐標固定在空間上，分析給定空間上質點的運動規律；該算法有效避免了網格畸變的問題，處理大變形問題較為理想，但在處理不同材料間界面時不夠理想，計算耗時長。ALE算法綜合了Lagrange算法和Euler算法的優點，先將網格固定在變形體上，間隔一定的時間步長后再按一定的規則重新構造網格；該算法既避免了較大的畸變，又比Euler算法提高了計算效率和計算精度，適用于處理超高速碰撞問題。 SPH法[93]是一種無網格粒子法，采用一系列可以傳遞核函數的粒子來等效連續材料。該方法和有限元法一樣可以追蹤物質場變量信息和材料變形過程中的瞬態特性；該方法克服了傳統網格的缺陷，避免了網格畸變等問題[86]，適用于研究高速碰撞等大變形問題[93-96]，但計算效率不高。FEM-SPH耦合法既避免了網格畸變、方便處理邊界條件和自由面，又提高了計算效率，成為研究脆性材料侵徹問題的有效途徑。該方法用SPH法描述局部作用大變形區域，以避免大變形區域Lagrange網格所造成的畸變問題，且符合脆性材料的變形狀態特征；用FEM描述核心大變形區域以外的小變形區域，可大幅提高計算效率。因此，FEM-SPH耦合法
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