爆炸冲击下重力坝不确定性动力行为及数值预测方法

Based on random mathematics and risk theory point of view, some basic problems in uncertainty dynamic behavior under explosion shock and its numerical prediction method are focused on. For investigation of material performance and the material constitutive under high strain rate, systematic SHPB experiments on different concert mixtures of gradation are carried on to reveal the variability and statistical law of the mechanical parameters of concrete. Physical mechanism and random characteristics in the impact dynamic constitutive damage evolution are statistically analyzed from both the macro and mesoscopic scales. For investigation of the shock loading characteristics, statistical models of different types of explosion load are established to reveal the distribution characteristics of parameters in computational formulas of explosion loads. On structural response level, the developed program is used to analysis the probability distribution of the structural response of gravity dam under explosion shock, then the stochastic mathematical model and numerical prediction method is put forward to make a description of uncertainty dynamic behavior of the gravity dams under the shock loads. This research pays more attention on multidisciplinary basic problems involving the impact dynamics, stochastic mathematics and engineering mechanics and so on. Research results are beneficial complementarity of the explosion shock response of structure deterministic analysis and it is important to reveal uncertainty dynamic behavior of the gravity dams under the shock loads, to make a more reasonable anti-explosion protection design based on reliability theory.

本课题从随机数学和风险理论的研究观点出发，聚焦爆炸冲击下重力坝结构的不确定性动力行为及数值预测方法中的基础问题。在材料本构层面，基于室内试验数据，研究不同级配大坝混凝土材料在高应变率下的力学性能的变异性和力学参数的统计规律，从宏、细观不同尺度上探索混凝土冲击动力本构中损伤演化的随机特征和物理机制；在荷载层面上，建立不同类型爆炸荷载的统计模型，揭示爆炸荷载特征参数的分布特征；在结构响应层面上，编制程序分析重力坝冲击动力反应参数的概率分布特征，最终构建爆炸冲击荷载下重力坝不确定性动力行为描述的随机数学模型及数值分析预测的方法体系。课题的研究涉及冲击动力学、随机数学与工程力学等多学科的基础问题，研究成果是对结构爆炸冲击响应确定性分析方法体系的有益补充，对揭示重力坝结构爆炸冲击动力响应的不确定行为特征、发展基于可靠性理论的结构抗爆防护设计具有重要意义。

本课题从随机数学和风险理论的研究观点出发，聚焦爆炸冲击下重力坝结构的不确定性动力行为及数值预测方法中的基础问题。主要研究内容包括：研究不同级配大坝混凝土材料在高应变率下的力学性能的变异性和力学参数的统计规律；探索混凝土冲击动力本构中损伤演化的随机特征和物理机制；建立不同类型爆炸荷载的统计模型，揭示爆炸荷载特征参数的分布特征；构建爆炸冲击荷载下重力坝不确定性动力行为描述的随机数学模型及数值分析预测的方法体系。以上研究表明，碾压混凝土的级配效应对其动态力学特性有一定影响，包括：动态抗压强度，极限应变和断裂韧性。冲击载荷下的动态尺寸效应与众所周知的静态尺寸效应有显著的不同，在静态尺寸效应中，峰值强度、极限应变和韧性等动态力学性能随试样尺寸的增大而增大，且应变率相似。在统一的应变率下，碾压混凝土的动态力学性能均服从对数正态分布。且随着应变率的增加，动态力学性能的离散性增大。通过以上研究，基于损伤力学的概念，结合统计分析，提出了一种新的统计本构模型。此外，本文还提出了一种实用的参数确定方法，该方法考虑了离散性和应变率效应，使模型参数与常规力学性能直接相关。在已有爆炸荷载公式、计算图表和相关试验统计数据的基础上，建立空中爆炸荷载统计模型。在考虑爆炸荷载的不确定性情况下，运用动力学显式算法分析坝体结构的不确定性动力响应特征，结果表明，结构爆炸动力峰值响应量大致服从正态分布，在重力坝结构的抗爆防护设计中应合理考虑爆炸荷载变异性的影响。