浅埋爆炸应力波在层状介质中传播规律的计算分析

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层状介质在自然界分布广泛,同时也是机场跑道、码头地基等常见构筑物的构造形式。在矿山开采和军事打击中常通过浅埋爆炸的方式进行破岩、毁伤。除了浅埋爆炸近区的直接毁伤,爆炸应力波引起的振动也对远处地表设施存在一定的影响,本文从浅埋爆炸应力波在层状介质中传播规律出发,研究了浅埋爆炸在远场的波动效应。此项研究,对于矿山开采及机场等重要目标的防护提供了一定的理论指导。本文以机场跑道为研究背景,将机场跑道层状介质等效为分层的弹性介质,基于弹性动力学的理论以及压力声学的理论,运用了理论分析和数值模拟的方法,研究了浅埋爆炸在远场的波动效应。主要内容如下:(1)运用一维应力波在两层介质分界面上反射透射的原理,分析了在层状介质中反射透射的规律,表明介质的波阻抗决定着反射透射的应力幅值以及能量的关系。以机场跑道为对象,计算分析了一维应力波垂直入射时,各层介质中应力和能量的分配关系,并与单一界面相比,表明波阻抗依次递增(递减)的层状介质,不会降低其透射的强度。(2)通过Comsol Multiphysics数值模拟软件构建了土层—碎石层—混凝土层—空气层频域分析模型,自定义了透射系数和吸收系数,将应力波分解为独立的纵波和剪切波,分别求解了不同角度、不同频率下的透射系数和吸收系数以及应力和能量的变化,结果表明,在低频时,透射系数和吸收系数变化平缓,应力波的透射能力强;在高频时,应力波通过层状介质,透射系数和吸收系数变化显著,应力幅值和能量衰减严重;由于结构固有频率的存在,透射系数和吸收系数呈周期性振荡变化,且两者表现出对立变化的关系;随着入射角度的增大,应力波的透射能力下降显著,在高频时尤为突出;在相同频率下,随着入射角度的增大,剪切波应力和能量的衰减要比纵波显著,原因在于剪切波速小,波长短,在层状介质中容易散射和吸收。(3)通过Comsol Multiphysics数值模拟软件建立了土层—碎石层—混凝土层—空气层时域分析模型,从瞬态的角度分析了爆炸应力波在层状介质中的传播特性,结果显示,爆炸的瞬间,爆炸波向四周扩散,迅速衰减,遇到不用介质的分界面时,会发生反射透射的现象;在爆心正向方应力幅值和能量衰减缓慢,距爆心不同方向处,衰减显著,这与频域分析的结果相一致;虽然在微秒级别的爆炸脉冲的激励下,但应力波在各层介质中却保持固有的波长传播;随着时间的推移,会形成稳定的破坏区,破坏区的空间尺寸呈对称分布。
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