爆炸荷载作用下石油化工控制室动力响应分析

论文摘要

石油化工企业生产过程中使用的原材料大都是易燃、易爆的,在产品生产、储存、运输、使用及废弃处置等过程中发生的火灾、爆炸事故也越来越多,造成危害也越来越大。在石油化工工业生产装置中,控制室是工艺过程的指挥中心,对装置生产过程进行集中控制、监视,同时承担所有人员避难所的功能,是装置界区内最关键的部位。在石油化工企业发生的爆炸事故中,控制室一旦被破坏将会使整个工厂区陷于瘫痪,造成严重的财产损失,甚至威胁人员的生命安全。因此,对石油化工控制室进行爆炸荷载作用下的动力响应分析及抗爆性能研究具有有着重要意义。基于上述研究目的,本文主要进行了以下研究工作:（1）基于爆炸基本原理和国内外研究现状,本文利用比较成熟的大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,采用流固耦合方法分别对空气中有、无障碍物两种情况下的爆炸冲击荷载进行数值模拟,得到了爆炸冲击波的传播规律及不同比例距离的超压时程曲线,总结了不同爆炸距离对冲击波超压峰值模拟结果的影响,并将数值模拟结果与美国规范TM5-1300及经验公式进行对比分析,对得到的爆炸荷载进行了校核。（2）本文以现有的某一真实石油化工企业控制室为研究对象,借助ANSYS/LS-DYNA软件建立其数值计算模型。采用TNT当量法对石油化工企业多发的蒸气爆炸进行模拟,通过ALE算法实现空气和钢筋混凝土结构之间的流固耦合作用。并采取一定措施克服计算过程中出现的计算时间过长、计算结果不稳定等困难。（3）利用上述模型对不同炸药量下石油化工控制室结构构件动力响应进行数值计算。对结果进行分析,得到了相应爆炸荷载用下石油化工控制室结构上作用荷载的特点及结构构件变形、运动形式等响应特点,并结合结构整体变形的影响,对控制室结构各构件的破坏机理进行了分析,为石油化工控制室抗爆防护设计提供参考。（4）将相同爆炸荷载作用下数值模拟结果与国内外规范进行比较,验证了数值模拟结果的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 爆炸冲击荷载的研究
• 1.2.2 爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构及构件动力响应研究
• 1.2.3 建筑结构抗爆设计规范
• 1.2.4 目前存在的主要问题
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 结构抗爆动力分析理论基础
• 2.1 爆炸波的形成与传播
• 2.2 爆炸相似定律
• 2.3 自由空气中爆炸冲击波的主要参数及经验公式
• 2.3.1 峰值超压
• 2.3.2 正压作用时间
• 2.3.3 冲击波比冲量
• 2.3.4 超压随时间的变化规律
• 2.4 自由空气中爆炸冲击波对目标物的作用
• 2.4.1 空气冲击波的反射
• 2.4.2 空气冲击波的绕流作用
• 2.5 地面结构物上的冲击波荷载
• 2.6 有限元软件ANSYS/LS-DYNA 在结构抗爆中的应用
• 2.6.1 有限元软件ANSYS/LS-DYNA 介绍
• 2.6.2 几种爆炸物本构模型简介
• 2.6.3 爆炸模拟方法
• 2.7 本章小结
• 第3章 爆炸荷载的数值模拟及验证
• 3.1 引言
• 3.2 流固耦合算法
• 3.3 数值模型
• 3.3.1 材料模型
• 3.3.2 有限元模型
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 距爆心不同距离爆炸荷载模拟结果的比较
• 3.4.2 数值模拟计算结果与国内外规范及经验公式的比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 石油化工抗爆控制室结构数值模型建立
• 4.1 引言
• 4.2 有限元模型
• 4.3 材料模型
• 4.4 求解控制措施
• 4.5 本章小结
• 第5章 爆炸荷载作用下石油化工控制室动力响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型
• 5.3 爆炸荷载分析
• 5.3.1 控制室迎爆面荷载
• 5.3.2 控制室侧面荷载
• 5.3.3 控制室顶面荷载
• 5.3.4 控制室背面荷载
• 5.4 控制室结构剪力墙动力响应与破坏机理
• 5.4.1 不同位置结构剪力墙动力响应分析
• 5.4.2 考虑结构整体变形影响的剪力墙破坏机理分析
• 5.5 控制室结构框架柱动力响应与破坏机理
• 5.5.1 不同位置结构框架柱动力响应分析
• 5.5.2 考虑结构整体变形影响的框架柱破坏机理分析
• 5.6 控制室结构屋面板动力响应与破坏机理
• 5.6.1 不同位置结构屋面板动力响应分析
• 5.6.2 考虑结构整体变形影响的屋面板破坏机理分析
• 5.7 控制室结构框架梁动力响应与破坏机理
• 5.7.1 不同位置结构框架梁动力响应分析
• 5.7.2 考虑结构整体变形影响的框架梁破坏机理分析
• 5.8 数值模拟结果与规范对比
• 5.9 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢