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2023年 第44卷 第S1期    刊出日期：2023-12-08

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战斗部动态爆炸破片威力场综述

姜金佐, 徐翔云, 任王军, 于潇, 么梅利

2023, 44(S1):  1-8.  doi:10.12382/bgxb.2023.0715

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长期以来,战斗部动态爆炸破片威力场得到了研究学者们的关注,动爆作用下破片的速度、质量和密度等参数得到了重点研究,尤其战斗部静爆、动爆之间的关联性、差异性问题研究是热点之一。为深入探讨杀爆战斗部动爆破片威力场研究进展,通过总结现有相关文献研究焦点,阐述了影响破片速度场、破片质量分布场、破片飞散方向及破片飞散密度的主要因素,并指出了现有文献在分析相关因素时存在的问题、难点及下一步发展方向;其中重点分析了战斗部自身运动条件对破片威力场分布的影响,并对当前该领域研究中面临的困难进行了探讨,进而提出了下一步研究工作的建议:发展完善动爆试验测试技术、完善战斗部动爆破片威力场理论模型以及优化战斗部动爆作用过程数值模拟技术。

涂覆聚脲混凝土自锚式悬索桥主梁抗爆性能试验与数值模拟

周广盼, 王荣, 王明洋, 丁建国, 张国凯

2023, 44(S1):  9-25.  doi:10.12382/bgxb.2023.0863

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为研究爆炸荷载作用下涂覆聚脲混凝土自锚式悬索桥主梁的抗爆防护效果,以山东湖南路大桥为背景,通过试验和数值模拟结合的方法对自锚式悬索桥主梁的爆炸破坏特征和动力响应进行研究。采用2发3kg TNT和1发5kg TNT药柱,开展1∶3缩尺节段箱梁试件的2发单次爆炸试验和1发重复爆炸试验,分别编号为G(未涂覆聚脲箱梁)、PCG(涂覆聚脲箱梁首次起爆)、PCGR(涂覆聚脲箱梁二次起爆),试件顶面涂覆聚脲厚度为1.5mm。通过LS-DYNA软件进行试件爆炸响应数值模拟及验证。研究结果表明,聚脲涂层可有效增强混凝土箱梁的抗爆性能,3kg TNT在中间箱室上方0.4m处首次起爆时,试件G中间箱室顶板形成贯穿性椭圆形破洞;试件PCG中间箱室顶板未贯穿,仅发生轻微的局部凹陷;5kg TNT二次起爆后,试件PCGR中间箱室顶板出现近似圆形贯穿性破洞,1号和3号箱室在支撑处出现明显裂缝。涂覆聚脲后自锚式悬索桥主梁抗爆性能得到至少20%的提升,300kg、500kg、800kg、1000kg TNT当量作用下,未涂覆聚脲主梁顶板混凝土均出现贯穿性破洞;涂覆聚脲后仅在TNT当量为1000kg时发生轻微贯穿。

单向式、穿廊式坑道中温压炸药爆炸冲击波消波性能及机理

纪玉国, 张国凯, 李干, 邓树新, 徐天涵, 姚箭, 李杰, 王明洋, 何勇

2023, 44(S1):  26-40.  doi:10.12382/bgxb.2023.0745

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依托自主搭建的坑道试验平台,开展了温压炸药在单向式和穿廊式坑道的爆炸试验。综合冲击波超压、正压时间和比冲量3项参数,研究了两种坑道中的冲击波传播规律,分析了坑道构型对波形演化及消波性能的影响,阐释了消波差异的形成机理。结果表明,在单向式和穿廊式坑道中,冲击波由支坑道进入主坑道后会在坑道迎爆面和背爆面产生多种相互作用,形成多峰波形。单向式坑道比冲量较直通式坑道没有明显差异,堵口爆炸和口内爆炸的转弯超压系数分别为1和1.2。穿廊式坑道较直通式坑道有了明显的消减效果,消波后的转弯超压系数和转弯冲量系数均约为0.6。单向式和穿廊式坑道中的冲击波消减效果差异源于冲击波到达主、支坑道连通位置后的传播路径差异。

基于烤燃实验和数值模拟的战斗部装药热安全性

寇永锋, 杨坤, 张斌, 肖迤文, 鲁建英, 陈朗

2023, 44(S1):  41-49.  doi:10.12382/bgxb.2023.0917

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为了研究炸药战斗部装药的热安全性,提出基于烤燃炸药温度、驱动活塞运动速度和反应压力确定反应模型参数并计算分析战斗部装药热安全性的方法。以RDX/Al/Binder炸药为例,采用设计的多点测温和驱动活塞运动速度及燃烧压力测量烤燃实验,分别对装药点火前的热反应温度和点火后的活塞运动速度及反应压力进行测量。通过数值模拟计算,标定炸药热分解反应动力学和燃烧反应模型参数,实现反应剧烈程度的定量描述,采用网格节点分离计算方法计算战斗部壳体的破裂,实现战斗部装药烤燃全过程的数值模拟。研究结果表明,对于战斗部RDX/Al/Binder炸药装药,加热速率越慢,装药点火时间越延迟,其点火区域越接近装药中心区域,壳体破裂越严重,壳体动能越大,装药反应越剧烈。

多次内爆炸荷载下剪力墙累积毁伤破坏试验

柏准, 胡玉涛, 钱秉文, 姚杭, 李献, 郭学康

2023, 44(S1):  50-58.  doi:10.12382/bgxb.2023.0768

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随着导弹武器制导精度和侵彻能力的提高,多次内部爆炸毁伤逐渐成为打击建筑物的重要形式。剪力墙作为建筑物中重要的结构构件,内爆炸下的毁伤机制和破坏模式有待深入研究。为较好地再现剪力墙的约束条件和荷载环境,利用一个1/3缩尺钢筋混凝土剪力墙结构,对剪力墙开展不同TNT当量的多次内爆炸试验。通过分析构件的裂缝分布、损伤情况和跨中位移等,探讨内爆炸威力、加载次数等对剪力墙构件的破坏模式、毁伤等级的影响。试验结果表明:内爆炸荷载较弱时,多次作用将使剪力墙的破坏模式由弯曲破坏向弯剪破坏、且以弯为主转变;当内爆炸荷载较强时,剪力墙的破坏模式由弯剪破坏且以剪为主向完全剪切破坏转变;多次内爆炸作用后,当剪力墙存在初始轻度毁伤时,其抵抗变形能力强于不存在初始损伤的剪力墙,当剪力墙存在初始中度及其以上毁伤时,其抵抗变形能力弱于不存在初始损伤的构件;开展剪力墙构件的累积毁伤评估时,应考虑多次毁伤间的相互关联性。

硬目标内弹体斜侵彻状态的基本演化特性

陈柏翰, 沈子楷, 邹慧辉, 王伟光, 王可慧

2023, 44(S1):  59-66.  doi:10.12382/bgxb.2023.0865

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为归纳已有硬目标内弹体斜侵彻受力和运动模型的普遍模式,基于刚性弹假设和弹靶分离思想,将弹体侵彻硬目标的过程视为侵彻力场中的运动。依据侵彻力场的时间平移不变性和关于正侵彻的对称性,推导了不依赖具体受力模型的弹道稳定性和弹体状态参数演化的共有规律。具体地,在正侵彻工况下、弹体完全侵入硬目标时,给出了弹体运动稳定性判据;在斜侵彻工况下或弹体不完全侵入硬目标时,也给出了弹体运动平衡性与稳定性判据的数值求解方法。上述判据均表明弹体速度、角速度和攻角对于弹体侵彻状态演化有重要影响,而攻角的影响最为显著。此外,对于侵彻过程中的任意时刻,还依据分析力学方法证明了侵彻状态演化的封闭性。上述关于弹体运动平衡性、稳定性和状态演化封闭性的推导具有通用性质,可为侵彻试验和仿真工况的设计提供指导。

列车碰撞事故下轮轨动态作用机理与脱轨抑制技术

刘腾, 周雄飞, 王成全, 敬霖

2023, 44(S1):  67-78.  doi:10.12382/bgxb.2023.0752

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随着铁路运营里程的不断增长,列车碰撞事故难以完全避免,且一旦发生将会造成严重的人员伤亡和财产损失。为尽可能减小列车碰撞事故中的脱轨风险,考虑车辆端部吸能装置和轮轨接触状态,建立三编组列车碰撞有限元模型,仿真模拟列车碰撞可移动障碍物和刚性墙引起的轮对动态响应;讨论不同运行速度和碰撞角度对列车脱轨行为的影响规律,提出一种安装在转向架上具备横垂向限位作用的脱轨抑制装置,分析对比安装脱轨抑制装置前后轮对的运动姿态、位移、侧滚角以及轮轨作用力。研究结果表明:列车碰撞后以横移/抬升耦合作用的形式脱轨;脱轨抑制装置可在一定程度上调整碰撞事故后轮对的运动姿态,限制轮对横移、抬升和侧滚运动,并承担部分轮轨作用力,导致轮轨迅速恢复正常接触状态,具备较好的脱轨抑制能力。

近场水下爆炸气泡与混凝土组合板相互作用的试验研究

李旭, 岳松林, 邱艳宇, 王明洋, 邓树新, 刘念念

2023, 44(S1):  79-89.  doi:10.12382/bgxb.2023.1074

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混凝土组合板(作为水工结构中的基本构件)在水下近场爆炸作用下的响应特征及对气泡运动的影响规律,是评估水下爆炸对工程结构毁伤的关键科学问题。通过开展一系列钢筋混凝土板、钢-混凝土-钢组合板的水下爆炸试验,研究了不同爆距下气泡与两种类型板构件相互作用的动态过程。获得以下规律:长径比为1的柱形装药最大半径同经验公式计算结果一致;在相同壁面条件下,随着爆距的减小,气泡脉动周期增大,气泡逐渐被壁面吸附,脉动及高速射流造成的毁伤效果增强;在相同工况条件下,钢筋混凝土板对气泡脉动过程的影响弱于钢-混凝土-钢组合板,壁面刚度越大,高速射流方向性越显著、作用效果越强。

近场水下爆炸荷载作用下桥墩动力响应分析

周龙云, 李小军, 闫秋实

2023, 44(S1):  90-98.  doi:10.12382/bgxb.2023.0717

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为研究水下爆炸对桥墩造成的破坏,采用任意拉格朗日-欧拉方法对水下爆炸荷载作用下的桥墩的动力响应和损伤机理进行分析和讨论。通过水下爆炸试验验证有限元模型的正确性,建立水下爆炸荷载作用下的桥墩有限元模型;以桥墩剩余竖向承载力为性能指标,提出桥墩在爆炸荷载作用下的损伤评估方法,讨论了TNT质量、起爆位置等因素对桥墩损伤程度的影响。研究结果表明:近场水下爆炸产生的气泡脉动对桥墩造成的损伤不容忽视,桥墩外侧起爆时,TNT质量与桥墩剩余承载力呈指数关系;TNT当量相同时,桥墩内部爆炸造成的损伤最严重。

冲击波-破片联合载荷对固支方板的耦合作用机理

周猛, 梁民族, 林玉亮

2023, 44(S1):  99-106.  doi:10.12382/bgxb.2023.0732

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针对冲击波-破片联合载荷的耦合特性,开展了冲击波和破片对固支方板的联合作用效果研究。采用经试验结果验证的有限元模型分析了炸药驱动预制破片的飞散过程,讨论了不同载荷类型下靶板的变形和失效模式,阐释了冲击波和破片载荷耦合作用的毁伤机制。研究结果表明:在爆炸场近区,冲击波和破片无论哪种载荷先到达靶板,只要二者到达间隔小于靶板响应时间,载荷之间都存在耦合毁伤效应;冲击波和破片单独作用下靶板的主要变形失效模式分别为挠曲变形和剪切穿孔,冲击波作用下破片穿孔处易发生起裂、破孔贯穿;耦合作用下冲击波和破片对靶板的作用机制与单一载荷不同,一方面侵彻穿孔降低了靶板强度使冲击波作用下靶板产生的挠度增大,另一方面冲击波产生的挠度变化使得侵彻作用时刻推迟、侵彻时间增长、破片传递给靶板的能量更多;相比于冲击波和破片单独作用的简单叠加,耦合作用下靶板的残余挠度增加了19.2%。

超高强钢筋混凝土梁在静态加载下的抗弯性能试验

张丛琨, 张仲昊, 汪维, 李磊, 何翔

2023, 44(S1):  107-116.  doi:10.12382/bgxb.2023.0751

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为研究配置超高强钢筋混凝土梁的抗弯性能,设计制作11组不同钢筋强度、混凝土强度、配筋率的钢筋混凝土梁,采用四点弯曲静力加载的方式,对试件的破坏形态、弯曲响应、屈服荷载、极限承载力及裂缝宽度等进行试验研究。结果表明,加强钢筋的强度可以提高钢筋混凝土梁的最大承载能力;增加混凝土强度对梁的抗弯承载能力影响相对较小;增加纵向钢筋配筋率能够明显提高钢筋混凝土梁的抗弯承载能力;HTRB600/700超高强钢筋混凝土梁在受力形态、弯曲响应和破坏模式方面与普通钢筋混凝土梁相同,其屈服荷载和极限承载力仍然可以按照相关规范公式进行计算;对于受弯梁构件,HTRB600级钢筋的抗拉强度设计值建议取520MPa,HTRB700级钢筋的抗拉强度设计值建议取610MPa;在短期荷载作用下超高强钢筋混凝土梁试件实测的最大裂缝宽度值比相关规范计算值大,因此提出了一个最大裂缝宽度调整系数k并进行了计算公式的修正,经过调整后得到的计算值与试验实测值吻合度较高。

自旋对弹体侵彻效应的影响

陈柏翰, 王笠镔, 邹慧辉, 王伟光, 王可慧

2023, 44(S1):  117-124.  doi:10.12382/bgxb.2023.0864

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为解释带有自旋角速度的侵彻弹体在试验和仿真中的更好表现,开发了考虑自旋角速度的弹体侵彻模型。姿态动力学分析表明了一般侵彻情况下自旋角速度引起弹体非平面运动,正侵彻情况下则出现自旋弹体保持平面运动的特殊情况。基于空腔膨胀模型的推导表明,弹靶接触处的切应力方向改变是自旋弹体侵彻阻力减小的原因之一,与剪切效应导致的空腔表面正应力衰减共同构成了侵彻深度增加的机制。刚体运动学推导表明,多层间隔靶侵彻情况下,靶间进动导致弹体轴线与靶面法向夹角增速减缓甚至减小,是弹道稳定性增加的重要原因。自旋角速度改变了弹体侵彻过程的受力和运动形式,导致其侵彻深度和弹道稳定性增加,总体上对弹体侵彻效应起积极作用。

强荷载作用下随机分布非均匀颗粒材料的仿真

李艺烁, 付用全, 白峰涛

2023, 44(S1):  125-131.  doi:10.12382/bgxb.2023.0755

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混凝土内的骨料排布、重力式沉箱码头内抛石的分布、杀爆弹的破片分布等都是不均匀的、随机的,在数值模拟过程中通常将其简化为均匀分布,这种简化会对模拟结果的准确性产生影响,但尚未定性分析。为此提出非均匀颗粒材料生成算法,并将其应用到混凝土骨料、沉箱码头抛石、杀爆弹碎片的生成中,以通过数值模拟研究其在高应变率下的失效破环。选取沉箱码头为研究对象,将填石沉箱码头的数值模拟结果与简化的填砂沉箱码头数值模拟结果进行对比,分析二者的荷载情况和损伤状况。研究结果表明,冲击波在填石码头的传播速度快于填砂码头的传播速度,并且填石沉箱码头破坏比填砂沉箱码头严重。

一种双面感压式光纤土压力传感器

周会娟, 余尚江, 陈晋央, 陈显, 孟晓洁

2023, 44(S1):  132-137.  doi:10.12382/bgxb.2023.0932

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针对现有的光纤光栅式土压力传感器易因光栅受力不均匀而导致光栅反射谱展宽甚至出现啁啾而降低测量精度等问题,基于菱形金属框架结构和金属化光纤光栅设计制作了一种双面感压式土压力传感器,将光纤光栅直接焊接固定在菱形金属结构对角线的两端,通过菱形金属结构将外界压力放大后作用于光栅两端,使得光栅栅区始终处于悬空且均匀受力状态,避免了光栅受力不均匀导致的光谱展宽及啁啾现象,采用焊接工艺避免了胶粘带来的蠕变、老化、失效等问题,保证了传感器较高的测量精度和较好的长期稳定性。理论分析和实验结果表明,研制的光纤式土压力传感器波长-压力灵敏度系数约为624pm/MPa,量程为3.5MPa。

喷涂聚脲加固双向砌体墙抗燃气爆炸性能数值分析

柳锦春, 王钰颖, 孙妮

2023, 44(S1):  138-143.  doi:10.12382/bgxb.2023.0733

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为研究燃气泄爆荷载作用下双向砌体墙的抗爆能力及聚脲对墙体的加固性能,采用有限元动力分析软件LS-DYNA对未加固砌体墙和聚脲迎爆面、背爆面、双面加固的墙体,分别施加荷载峰值大小不同、作用时间均为100ms的均布荷载,进行动态响应和抗爆性能分析。结果表明:未加固墙体在超压峰值为50kPa的燃气爆炸荷载作用下即发生倒塌破坏,其抵抗100ms爆炸冲击荷载的峰值介于40kPa和50kPa之间;相对于迎爆面加固双向墙体,背爆面加固的方式更加经济实用,在50kPa荷载作用下,迎爆面加固的墙体发生开裂倒塌,而背爆面和双面加固墙体分别只有35.3mm和33.6mm的位移,且背部的聚脲涂层能有效防止碎片飞溅。

4340钢弹侵彻45号钢靶的温升数值模拟

余双洋, 彭永

2023, 44(S1):  144-151.  doi:10.12382/bgxb.2023.0734

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为获得弹体侵彻金属靶板过程中弹体温升的基本特性,采用一级轻气炮开展了4340钢球头弹侵彻45号钢靶的温升实验研究,并基于实验条件使用ANSYS/LS-DYNA软件建立了4340钢弹侵彻45号钢靶板的有限元模型,在数值模拟模型与实验结果拟合良好后,通过改变初始条件的方法详细讨论了4340钢弹侵彻45号钢靶时弹体初始速度、靶板厚度以及弹体侵彻2层靶板对弹靶间温度分布的影响。结果表明:弹体在侵彻过程中温升主要分布在弹体头部位置;弹体侵彻过程中的温升随着速度的增加而增加;当侵彻2层靶板时,弹体温升主要发生在侵彻第1层靶板过程中。

不同高温作用后混凝土劣化损伤性能

张仲昊, 汪维, 张国凯, 王振, 吴汩

2023, 44(S1):  152-159.  doi:10.12382/bgxb.2023.0731

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混凝土作为普遍使用的建筑材料,为进一步探索其在受到高温冷却后劣化损伤性能,使用ϕ74mm大口径分离式霍普金森压杆对不同温度冷却处理后的C30混凝土材料进行动态力学性能试验,得到其不同温度后、不同应变率下的应力-应变曲线,并针对其动态抗压强度、损伤变量及破碎形态进行了探讨。结果表明:在100~200℃范围内,混凝土的动态抗压性能下降有限,但当温度达到400℃及以上时,其力学性能下降明显,破碎形态严重。过高的温度会对混凝土材料造成损伤,高温冷却会使混凝土产生应变软化效应,高应变率下混凝土材料也体现出了应变率强化效应。过多的裂缝扩展也一定程度上抑制了损伤变量的增长。在相同温度处理后,应变率越高会使混凝土试样破碎越严重。且过高的温度会加剧混凝土的劣化损伤。

Z型扩散室内爆炸冲击波传播规律

吴张君, 王雪明, 余雯君, 邓树新, 陈建宇, 晋冬艳, 于冰冰

2023, 44(S1):  160-169.  doi:10.12382/bgxb.2023.0896

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基于LS-DYNA软件建立Z型扩散室三维数值计算模型,探讨扩散室在不同特征参数入射冲击波作用下的消波效果,并探讨了不同特征尺寸对扩散室消波效果的影响。研究结果表明:长短持时对扩散室的消波效果有明显影响,扩散室在短持时冲击波作用下的消波效果比长持时条件下提高8%;扩散室的消波效果会随着入射冲击波峰值强度的增大而提高,当入射冲击波的峰值强度大于0.9MPa后提高作用不明显;当扩散比和长径比为5时扩散室的消波性能最佳;扩散室扩散比的增加对扩散室的消波效果有明显增强作用;长径比的增强对扩散室消波效果的作用规律不明显。

爆炸荷载作用下三相饱和钙质砂的液化特性

黎晓冬, 王亚松, 邱艳宇, 王明洋, 岳松林, 王建平, 邓树新

2023, 44(S1):  170-179.  doi:10.12382/bgxb.2023.0739

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由于钙质砂内部含有大量孔隙,钙质砂通常处于三相饱和状态,其液化特性与完全饱和状态有明显不同。采用自主研制的装置开展三相饱和钙质砂的大尺寸爆炸模型试验,分析三相饱和状态下钙质砂的爆炸液化特性,建立三相饱和钙质砂的超孔隙水压力的长期消散模型。针对三相饱和钙质砂自身特点建立其动力液化模型,通过对爆炸试验进行数值模拟验证模型的可靠性。有关研究结果为沿海岛屿的爆炸灾后地基稳定性分析及安全防护设施建设提供了重要参考。

爆炸冲击波在变向通道中传播规律数值模拟

余雯君, 陈胜云, 邓树新, 于冰冰, 晋冬艳

2023, 44(S1):  180-188.  doi:10.12382/bgxb.2023.0889

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基于LS-DYNA软件对单次变向通道内TNT爆炸进行模拟以验证利用LS-DYNA模拟的准确性,研究了变向角度θ和曲率半径R对变向通道内冲击波传播规律的影响。研究结果表明,当θ和R较小时,θ和R的变化对通道变向处冲击波参数的变化影响较大,对于远场处的影响较小;当θ为90°、R为0mm时,通道内变向处外壁面所受压力是内壁面所受压力的2.17倍;随着θ的增大,反射冲击波超压峰值减小,冲击波能量分配趋于变向后通道,远场处超压峰值先减小后增大;随着R的增加,冲击波在变向处的反射现象不明显,反射冲击波的超压峰值低;随着θ和R的增加,外壁面与内壁面所受反射压力超压峰值之差减小;当θ和R分别增加到一定程度时,改变θ和R对整个通道内冲击波参数变化的影响并不明显,但外壁面压力仍然略高于内壁面压力。

基于量纲分析法的钢筋混凝土柱体缩比模型的构建

王佳, 尹建平, 李旭东, 伊建亚, 王志军

2023, 44(S1):  189-195.  doi:10.12382/bgxb.2023.0716

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以典型钢筋混凝土柱体为主要研究对象,基于相似理论和量纲分析法推导爆炸加载下钢筋混凝土柱体的相似律关系,并使用有限元仿真软件LS-DYNA对不同比例缩比模型进行数值模拟,以验证相似律关系;通过量纲分析法得到相似律关系式,对柱体挠度进行等比例计算转化。相似律计算结果和数值模拟结果对比表明,柱中最大位移误差小于10%,表明新建立的相似律关系式精度满足工程应用,可以为后来学者研究爆炸加载下钢筋混凝土柱体的毁伤提供一定帮助。

智能物流装备在火炸药行业黑灯工厂中的应用

何爱军, 刘银莲, 于靖, 贾凡

2023, 44(S1):  196-208.  doi:10.12382/bgxb.2023.1000

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采用机器代替人工,实现自动化、智能化的物流是我国的火炸药工厂实现黑灯工厂的必经之路。火炸药黑灯工厂包括生产设备、检测设备、物流设备、管理系统四大类。黑灯工厂的物流主要起物资管理、出入库管理、自动运输作用,须满足自动化数据采集、出入库、调度、数字化管理等要求。从原材料入场至成品出厂,火炸药黑灯工厂的物流按功能归纳为装卸、运输、贮存三类,贮存类建议采用自动化立体库、货柜等,运输类建议采用自动导引车、有轨导引车等,装卸类建议采用机器人、无人叉车等。在不具备5G专网基础的情况下提出了红外无线通信和二维码通信的解决方案。研究结果表明,在满足保密通讯、防爆的基本要求条件下,根据产线的特点,从贮存、运输、装卸等环节选择或定制合适的物流装备,可逐步构建符合火炸药生产特殊要求的黑灯工厂。