《Defence Technology》：Shock wave decoupling and blast mitigation in underground dome bunkers via uhpfrc and composite shielding: A coupled eulerian-lagrangian approach
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本研究考察地下钢筋混凝土穹顶掩体在强烈地下爆炸作用下的动态破坏与抗爆性能。研究采用Abaqus/Explicit中的三维耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian，CEL）数值框架，评估由传统整体式结构向新型解耦双穹顶屏蔽构型的
本研究考察地下钢筋混凝土穹顶掩体在强烈地下爆炸作用下的动态破坏与抗爆性能。研究采用Abaqus/Explicit中的三维耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian，CEL）数值框架，评估由传统整体式结构向新型解耦双穹顶屏蔽构型的转变。第一阶段将1,650 kg TNT在2.5 m爆距下的90°侧向爆炸确定为最不利工况。该威胁矢量完全绕过穹顶的压缩拱作用，导致灾难性的起拱线剪切冲切破坏和4.32%的混凝土体积损失。第二阶段在该关键威胁矢量下评估七种主动减缓架构。结果表明，采用超高性能纤维增强混凝土（Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete，UHPFRC）和钢衬里的“强力式”整体硬化（案例1和2）由于阻抗耦合而吸引巨大动力荷载，产生接近700 g的严酷基础加速度。尽管中间土填充核心（案例4）和厚蜂窝钢蜂窝芯（案例5b）可减轻混凝土损伤，但由于高质量耦合或结构刚度，它们分别传递487 g和951 g的极端基础加速度。相反，连续超弹性三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）夹层（案例6）在现象学上起低通滤波器作用，通过展宽冲击脉冲，防止内部避难所发生灾难性跨中墙体贯穿（尽管基础节点处出现局部屈服），同时将基础加速度限制在最低362 g。通过引入无量纲损伤-惯性比（Damage-to-Inertia Ratio，DIR），本研究表明保护设计有必要从刚性抵抗转向受控超弹性顺应。
Syed Mohammad Abbas、Mahmood Mohammed Taib Maaroof和Akil Ahmed围绕地下穹顶掩体在严重侧向地下爆炸下的冲击波解耦与抗爆开展研究。研究背景是地下指挥控制设施面临钻地武器（Earth-Penetrating Weapons，EPWs）和非对称爆炸威胁；现代EPWs可绕过覆土防护，高当量深部爆炸产生强地冲击，侧向或斜向爆炸又绕过穹顶受压拱而直接作用于竖墙和结构腋部。传统钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）在此类冲击下易发生快速脆性断裂和远场剥落，碎片危及人员与内部设备。现有防护包括UHPFRC、钢衬里、双顶牺牲屏蔽、土填充、金属蜂窝和EPDM等，但缺乏针对复杂三维整体式穹顶在受限侧向土爆下的严格比较；且全面加固不经济，需针对几何脆弱性优化。为此，研究人员采用三维耦合欧拉-拉格朗日（CEL）框架，分两阶段识别最不利威胁并比较七种主动减缓架构，提出以受控超弹性顺应替代刚性抵抗的设计方向。
关键技术方法：研究人员在Abaqus/Explicit中建立三维CEL模型；混凝土（NSC/UHPFRC）采用Johnson-Holmquist II（JH-2）损伤模型，土体采用Mohr-Coulomb塑性模型，金属采用Johnson-Cook（J-C）模型，TNT采用Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程（Equation of State，EOS），空气按理想气体处理，EPDM采用三阶Ogden超弹性模型；计算域为60 m×60 m×80 m，上40 m空气、下40 m土体，欧拉域EC3D8R约1000 mm，混凝土C3D8R约125 mm，钢筋T3D2并嵌入约束，蜂窝S4R，衬里和夹层C3D8R多层离散；设置非反射出流边界、固定基底和通用接触罚函数，经网格收敛分析后采用125 mm/1000 mm离散；数值框架以Tan等缩尺现场试验为基准验证，材料参数取自Xu和Zuo、Pham等、Kapoor和Ray、Huang等及Johnson和Cook等既有验证文献。
研究结果：5.1 基础阶段I：未加固穹顶威胁评估。通过1,650 kg TNT在2.5 m爆距下表面、0°、45°和90°爆炸对比，得出90°侧向爆炸为最不利工况，绕过压缩拱并造成起拱线剪切冲切，混凝土体积损失4.32%。5.2 阶段II主动减缓策略。5.2.1 本征材料硬化（案例1和2）。案例1整体UHPFRC通过抑制弥散拉伸开裂和剥落，但仍发生起拱线局部斜剪冲切，体积损失3.64%，峰值反射压力167.3 MPa，基础加速度693 g，体现刚度-损伤悖论和声阻抗耦合。案例2增设30 mm钢衬里，通过钢衬连续承拉阻止碎片喷射，体积损失降至2.47%，但峰值反射压力达178.4 MPa，基础加速度604 g。5.2.1.3 运动学后果：基础加速度与内部设备危害。通过滤波后基础加速度比较，得出整体硬化虽保护外壳，却向内部传递接近700 g的高频冲击，威胁设备与人员。5.2.2 拓扑重构I：阻抗解耦与土拱（案例3和4）。案例3空气腔通过混凝土-空气界面反射拉伸使外穹顶剥落并形成6.5 m×3.5 m破口，内穹顶压力降至50.3 MPa，但气体和土粒进入空腔造成内穹顶局部贯穿，体积损失2.20%，基础加速度256 g。案例4土填充通过滞回压实、颗粒摩擦和波散射使内穹顶压力最低41.2 MPa并延迟至12.5 ms，体积损失1.89%，但质量惩罚使基础加速度升至487 g。5.2.3 拓扑重构II：牺牲金属蜂窝（案例5a和5b）。案例5a薄10 mm蜂窝通过屈曲吸能，但局部撕裂后碎片高速撞击内穹顶，压力116.3 MPa，体积损失1.86%，基础加速度380 g。案例5b厚30 mm蜂窝通过稳定屈曲折叠而不撕裂，体积损失1.66%，但刚性连接导致最高基础加速度951 g。5.2.4 拓扑重构III：超弹性与混合夹层屏蔽（案例6和7）。案例6连续EPDM夹层通过大变形、偏斜剪切流和低通滤波展宽脉冲，外穹顶形成6.0 m×3.0 m破口，但内穹顶跨中不贯穿，仅基础节点局部塑性屈服，压力117.4 MPa，体积损失1.71%，基础加速度最低362 g。案例7钢/EPDM混合夹层通过钢面板塑形和EPDM耗能阻止气体进入，但钢面板刚度使基础加速度达543 g，比纯EPDM高50%，体积损失1.92%，压力117.2 MPa。5.2.5 系统比较与优化矩阵。5.2.5.1 宏观惯性-损伤能量分配：通过峰值压力、基础加速度、体积损失及归一化损伤-惯性比（DIR）比较，得出刚性/惯性耦合（5b、4）抑制损伤但传递高加速度，强力硬化（1、2）DIR分别为0.142和0.111，EPDM案例6 DIR为0.128，在防止内穹顶跨中贯穿与限制g荷载间取得平衡。5.2.5.2 阶段II防护性能矩阵：通过多属性比较，得出案例6在未贯穿体系中基础加速度最低，案例5b加速度最高，案例4压力最低但质量耦合严重。5.2.5.3 地下防护统一设计建议：通过上述比较，研究人员建议拒绝刚性硬化，采用受控顺应和多层双穹顶，其中连续EPDM夹层双穹顶为兼顾结构生存与内部设备生存的最优方案。
讨论部分总结：讨论将性能差异归因于声阻抗失配、超弹性偏斜剪切流和保守无摩擦界面假设，强调能量在材料损伤与惯性传递之间的分配，并提出DIR作为无量纲比较指标；设计上应从“刚性抵抗”转向“受控超弹性顺应”，未来需开展不确定性量化和敏感性分析。研究结论翻译如下：刚度诱导冲击吸引——整体UHPFRC壳在近场冲击下发生严重脆性粉碎，因与周围岩土声阻抗失配，过高刚度吸引峰值地冲击并储存高幅弹性应变能；核心解耦机制——多层双穹顶可解耦结构响应与直接冲击，金属蜂窝芯虽提供牺牲吸收，但局部压溃锁固导致高频加速度尖峰；超弹性波滤波——含无粘结EPDM夹层的双穹顶（案例6）防护最优，受限弹性体芯通过偏斜剪切流耗散爆炸动量、展宽冲击脉冲上升时间并防止内穹顶跨中灾难性贯穿；局部边界屈服——主动弹性体屏蔽保持可用避难空间并将基础加速度限制在最低362 g（优于土填充的487 g），但强侧向爆炸仍在刚性基础腋部节点诱发局部塑性剪切屈服；设计启示与未来展望——本文防护性能排序由声阻抗失配、超弹性偏斜剪切流和保守无摩擦界面假设等一阶力学机制控制，未来需在不同土层、多轴摩擦系数和无约束装药重量下开展全局不确定性量化和敏感性分析，以转化为设计规范。
