K8型单层球面网壳在爆炸荷载下的数值模拟

论文摘要

911事件中世贸大厦的倒塌,连续不断的伊拉克和巴基斯坦等地的汽车炸弹袭击均给所在国家乃至全世界的政治经济环境和人民生命财产造成了巨大的破坏和不可估量的损失。其中,大跨度空间结构往往作为一个地区的象征或标准性建筑,这类具有重要意义的结构在爆炸荷载下的预期性能理应引起研究者的重视,并且在爆炸发生尽可能减小该类结构的损失及破坏至关重要。本文首先利用ALE算法和爆炸爆轰产物的JWL状态方程,研究了TNT炸药在自由空气域中的传播规律。利用ANSYS/LS-DYNA建立了跨度为40m的K8型单层球面网壳结构的四分之一模型,在划分空气单元网格时采用渐变网格的划分方式,既保证了峰值超压急剧降低处的精度,又减小了计算量。提取了峰值超压的模拟值与各经验公式进行对比,证明了数值模拟的可靠性和适用性。利用ANSYS/LS-DYNA软件对不同TNT炸药当量的爆炸荷载作用下的40m跨度的K8型单层球面网壳进行了分析,通过考察结构的各部分的塑性发展、断裂和网壳的变形情况,定义了单层球面网壳在爆炸荷载下的四种响应模式:结构无损伤、构件塑性发展、网壳大变形和泄爆型破坏。同时分析了各种响应模式中的动力响应规律,包括节点位移、杆件应力、网壳塑性发展和结构塑性发展。最后,通过改变网壳矢跨比、炸点距离、屋面板厚度和檩托尺寸这些参数,定性的分析它们对结构响应的影响。此外,研究了屋面板开洞率、开洞数量和开洞位置对结构响应的影响,得出了屋面板泄爆的规律,为工程中结构的爆炸防御设计提供理论基础和参考数据。选择实际工程中常用的压型钢板,并且对承受爆炸荷载作用的压型钢板和平面钢板的响应规律进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 爆炸冲击波荷载及其传播规律
• 1.2.2 爆炸对钢结构构件的破坏研究
• 1.2.3 结构在爆炸下的响应研究
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 有限元动力分析理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 ANSYS/LS-DYNA程序原理
• 2.2.1 ANSYS/LS-DYNA简介
• 2.2.2 ANSYS/LS-DYNA控制方程
• 2.2.3 流固耦合算法介绍
• 2.3 相似理论简介
• 2.3.1 量纲分析
• 2.3.2 π定理
• 2.4 动力有限元理论简介
• 2.4.1 动量守恒方程的有限元离散
• 2.4.2 动量方程的差分相似
• 2.4.3 时间步长的计算
• 2.4.4 人工粘性的计算
• 2.5 本章小结
• 第3章 爆炸冲击波的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.1.1 空中爆炸的现象
• 3.1.2 爆炸冲击波的传播过程
• 3.2 空气和炸药的材料模型
• 3.2.1 炸药的材料模型和状态方程
• 3.2.2 空气的材料模型和状态方程
• 3.3 爆炸冲击波的流场流动
• 3.3.1 爆炸冲击波超压
• 3.3.2 爆炸冲击波经验公式
• 3.4 爆炸冲击波的数值模拟及分析
• 3.4.1 计算模型介绍
• 3.4.2 爆炸冲击波在自由空气中传播的数值模拟分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 K8型单层球面网壳在爆炸荷载下的响应模式
• 4.1 引言
• 4.2 爆炸荷载下网壳结构的参数设置
• 4.2.1 结构模型介绍
• 4.2.2 钢材的材料模型
• 4.3 爆炸荷载下网壳结构典型动力响应
• 4.3.1 典型响应模式一
• 4.3.2 典型响应模式二
• 4.3.3 典型响应模式三
• 4.3.4 典型响应模式四
• 4.4 响应模式的定义
• 4.4.1 不同炸药当量结构动力响应分析
• 4.4.2 响应模式
• 4.5 本章小结
• 第5章 动力响应参数分析及泄爆研究
• 5.1 引言
• 5.2 动力响应参数分析
• 5.2.1 参数选取
• 5.2.2 矢跨比的影响
• 5.2.3 炸点距离的影响
• 5.2.4 屋面板厚度的影响
• 5.2.5 檩托尺寸的影响
• 5.3 不同屋面板泄爆形式的影响
• 5.3.1 屋面板开洞面积的影响
• 5.3.2 屋面板开洞数量的影响
• 5.3.3 屋面板开洞位置的影响
• 5.4 不同屋面板形式的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢