爆炸载荷作用下混凝土的破坏行为研究

The research on dynamic response and damage mechanism of concrete structure under explosion loading is a very important requirement for national security. This project focuses on the research on the failure behavior of concrete under explosion loading and the numerical simulation of full digital physical process: (1) Based on the experimental data of explosives explode inside concrete and at a certain distance, the dynamic response and the failure characteristics of concrete structure are obtained; (2) A mechanical model of concrete failure under explosion loading is established according to the coupled damage and plastic theory; (3) A three-dimensional coupled Euler method and Lagrange particles algorithm which can reasonable describe the failure behavior of concrete under explosion loading and the corresponding parallel hydrocode are developed; (4) Using the developed parallel hydrocode, the influence of the charge, explosion location and concrete material parameters on the explosion damage effect are discussed, and the large scale numerical simulation of the full digital physical process of concrete structure failure under explosion loading is realized. The achievements of this project could provide the technical support for the damage effectiveness evaluation on the ammunition and the design of protective engineering.

爆炸载荷作用下混凝土结构的动态响应及损伤破坏机理研究在国家安全方面具有十分重要的需求。本项目将围绕爆炸载荷作用下混凝土的破坏行为开展研究，重点突破爆炸载荷作用下混凝土的破坏机理和全数字物理过程数值模拟的难题：（1）开展炸药近炸/内炸混凝土的实验研究，获取混凝土结构的动态响应及破坏特征；（2）基于损伤与塑性耦合的理论，建立爆炸载荷作用下混凝土破坏行为的力学模型；（3）发展一种能够合理描述爆炸载荷作用下混凝土破坏行为的三维Euler方法与Lagrange粒子的耦合算法，并开发相应的并行数值计算程序；（4）采用所开发的计算程序研究装药量、爆炸位置、混凝土材料参数等因素对爆炸毁伤效果的影响，实现爆炸载荷作用下混凝土结构破坏的全数字物理过程的大规模数值模拟。本项目的研究成果可为弹药毁伤评估和防护工程设计提供关键技术支撑。

围绕爆炸载荷作用下混凝土的破坏行为问题，开展了爆炸载荷下混凝土破坏行为的实验研究，获得了强冲击载荷下混凝土的破坏过程及基础参数，为理论和数值分析提供了数据支撑；基于损伤与塑性耦合的理论，给出了混凝土的损伤演化规律，并发展了适用于数值计算的混凝土材料的动态本构模型，有效地预测了爆炸载荷作用下混凝土的破坏行为；结合上述提出的本构模型，建立包含本构关系、破坏准则及状态方程的爆炸载荷作用下混凝土破坏行为的力学模型；提出了兼具Euler方法和Lagrange方法优势的三维耦合算法，解决了Euler型数值方法难以精确追踪材料变形的难题；开发了基于Euler与Lagrange方法耦合计算方法三维并行计算程序，突破了大规模数值计算的难题（小型集群上计算规模达到1亿以上），实现了爆炸载荷下混凝土结构破坏的全物理过程大规模数值模拟，获得了装药量、爆炸位置等因素对爆炸毁伤效果的影响规律，揭示了在爆炸载荷作用下混凝土破坏的物理机制。. 本项目的研究成果可作为研究爆炸载荷作用下混凝土破坏行为的理论依据，所提出的三维Euler与Lagrange方法耦合计算方法可精确捕捉物质界面并追踪材料的变形历程，并可拓展应用于各类爆炸与冲击问题的数值模拟研究。本项目的研究成果亦可为弹药毁伤评估、防护工程设计和工业安全设计等领域提供关键的理论和技术支撑，具有很好的应用前景。