氢气泄爆作用下结构动力响应特性研究

氢能因具有环保高效等优点，被公认为21世纪最具发展前景的清洁能源，缺点是在使用过程中极易发生爆炸事故。泄爆作为爆炸防护的重要手段，可以有效提高结构在爆炸过程中的安全性和可靠性。为获得结构在氢气泄爆作用下的动力响应特性，本文从实验和数值模拟两个方面展开研究。在12 m×2.5 m×2.5 m的大尺度ISO标准容器中开展了一系列氢气泄爆实验，主要考虑氢气体积分数、点火位置、障碍物布置等参数的影响，并对结构内部超压荷载特征和动力响应演化规律进行了分析。结果表明，结构位移由首个超压峰值主导，并在该阶段与方舱内超压趋势保持一致，且两者峰值之间保持线性关系；加速度则由不稳定燃烧引起的超压高频振荡主导。在实验范围内，位移峰值受氢气体积分数影响显著，且随着氢气体积分数增大而增大。加速度峰值则还受到点火位置的影响，中心点火的情景要大于后端点火的情景。障碍物数量对结构动力响应的影响并非单调关系。此外，基于现场环境振动测试结果，建立了该结构的基准有限元模型。数值模拟及实验结果吻合良好，因此该基准有限元模型可进一步用于不同工况下氢气泄爆荷载作用下结构动力响应的预测和分析。     

撞击荷载作用下单层椭圆抛物面网壳的动力稳定分析

利用ANSYS/LS-DYNA 有限元程序,考虑几何非线性和材料非线性效应,开展单层椭圆抛物面网壳结构在撞击荷载作用下的动力稳定性研究.分析了该类网壳在以一定高度的自由落体撞击作用下的撞击力响应(撞击力、节点位移、杆件轴力和能量)及网壳失稳模态,进一步根据产生的动力响应对其在撞击作用下的弹塑性动力稳定问题进行了判定.结果表明:网壳结构在撞击作用下失稳时,撞击力时程曲线形状基本上呈陡峭的三角形脉冲荷载形式,其最大峰值和脉宽与撞击冲量及网壳所处变形阶段的刚度性能相关;特征节点的位移响应突然增大,失稳部位杆件的轴力大幅减小,结构的变形能和总能量也突然增大,整个结构变形形状发生突变;节点的残余位移、撞击力和持时等特征参数都产生一致性突变.     

离散多层绕带容器在爆炸载荷作用下动力响应的数值模拟研究

运用LS-DYNA3D对不同缠绕角度的离散多层绕带容器在内部中心爆炸载荷作用下的动力响应进行了数值模拟。模拟结果与实验结果、理论分析以及单层圆柱高压容器的动力响应作了比较。研究结果表明,内部中心爆炸载荷作用下,容器绕带层应力分布比较均匀;相同炸药当量条件下,缠绕角度越大,最外层绕带中心的最终位移越大。结果还表明,离散多层绕带容器具有只漏不爆的良好抗爆性能,是单层结构容器不具备的。计算结果可为构建爆炸容器的工程设计标准提供参考。     

柱状装药爆炸条件下厚壁圆筒爆室内 流场及结构动力响应分析

借助非线性动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA,采用基于罚函数的流固耦合算法,对厚壁圆筒爆 室在柱状装药爆炸作用下的动态响应过程进行了数值模拟研究。分析了厚壁圆筒爆室内柱状装药爆炸非定 常流场的演化过程以及筒体的动力响应特征。给出了爆炸流场的压力云图、筒壁受到的爆炸压力峰值及冲量 的分布规律、筒体的等效应力云图以及等效应力的分布规律等。流场压力及筒体应变的计算结果与实测结果 吻合较好,并将动力响应的有限元计算结果与理论解进行了比较,证明轴对称平面应变假设下的理论解可以 给出问题的保守估算。分析表明,该厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下在弹性范围内工作,爆室的强度设 计是安全的。     

考虑材料损伤累积单层柱面网壳在强震下的失效研究

采用考虑钢材损伤累积的本构模型,对跨度15米单层柱面网壳在强震下的失效进行了系统的研究。在大量算例的基础上,考察了屋面质量、矢跨比、初始几何缺陷和长宽比等结构几何参数的变化对柱面网壳失效特征和失效极限荷载的影响,探讨了结构的强震失效模式及失效机理。对大量强度破坏算例在失效时刻的特征响应进行统计分析,建立了考虑材料损伤累积的单层柱面网壳动力损伤模型,可对结构在不同荷载强度下的损伤程度进行评估;提出了单层柱面网壳强震失效判别准则,用于判别单层柱面网壳在强震下的失效极限荷载。     

爆炸荷载作用下配筋砌体结构的动力响应

基于大型非线性动力有限元软件LS-DYNA,通过改变墙体的约束情况、砌体材料的强度等级、纵 向配筋率、高宽比、荷载峰值、墙体距爆心点距离、墙体开洞以及粘贴玻璃纤维复合材料等,得到配筋砌体墙在 爆炸荷载作用下的变形规律、破坏情况以及结构墙体中砌体材料、钢筋的应力和位移随时间的变化规律。同 时对各种不同工况下配筋砌体墙的防爆性能进行比较,找出了影响结构响应最为重要的因素,给配筋砌体墙 防爆设计提供参考。     

水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为试验研究

为加深水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为认识,设计典型圆柱壳结构模型,开展了水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应光电联合测试,获得了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用高速光学物理图像、动态应变、超压载荷、毁伤模式等试验数据。通过高速光学物理图像和三维激光扫描毁伤形态的分析,给出了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用物理过程及最终毁伤模式;通过动态应变的分析,给出了圆柱壳结构迎爆面和背爆面在加载过程中应变拉伸压缩转变和响应阶段的划分;通过超压载荷的分析,明确了装药爆轰完全性以及接触爆炸加载下结构吸能对超压的影响。研究表明：爆距的变化会显著影响圆柱壳结构的毁伤形态,近距加载下圆柱壳结构主要呈现塑性大变形,接触加载下圆柱壳结构主要呈现撕裂破坏;近距加载下圆柱壳结构迎爆面空化区的形成及溃灭形成的二次加载毁伤效应不容忽视,值得深入研究;研究成果可为水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构毁伤评估提供参考和依据。     

椭圆封头圆柱形爆炸容器动力响应的数值模拟

采用显示非线性动力有限元软件LS-DYNA,在不同TNT当量下对椭圆封头圆柱形爆炸容器进行了数值模拟。模拟结果表明:对椭圆封头与圆筒组合而成的理想结构,爆心环面的应变在初始响应阶段就达到了最大值,并且其值大于筒体上其他点的最大应变;实际结构中法兰对爆炸容器的动力响应有很大的影响,当法兰的质量超过一定值之后,容器爆心环面会产生应变增长现象。在容器的设计工作中要加强容器的爆心环面并适当地选择法兰。     

建筑物内气体爆炸效应简化计算研究综述

根据当前受限空间内气体爆炸效应的研究成果,综述了建筑物内气体爆炸事故发生时室内压力、结构荷载及动力响应的简化计算方法,内容包括室内气体爆燃压力及结构荷载特点、爆燃压力和结构响应计算模型等。重点阐述了基于实验数据的泄爆压力关联式和反映燃气爆燃主要物理过程的压力简化计算模型,并分析了各类计算模型的适用性、存在问题以及爆燃荷载特征对结构响应的影响;探讨了考虑建筑功能特点影响的工程简化计算模型,对建筑物内爆燃压力计算应重点考虑点火位置、爆室几何特征、火焰燃烧速率、湍流效应以及泄爆结构开启过程等因素;对爆燃事故中结构响应的计算,应考虑爆燃荷载时程、结构初始静载与动载耦合、结构支座边界受载变化等因素。     

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm（起爆点位于拱结构正上方和正下方）,通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler (ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明：相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。     

Damage model and damage assessment for single-layer reticulated domes under exterior blast load

Long-span reticulated dome is often considered as a landmark building of a region, so it is very important to investigate the dynamic response and propose the damage assessment method of reticulated dome under blast loading. In this article, a fine finite element model of Kiewitt8 (K8) single-layer reticulated dome was established by using ANSYS/LS-DYNA. The effects of standoff distance, charge weight, rise–span ratio, span, and roof weight on the responses of K8 single-layer reticulated dome were numerically studied. The results showed that the blast-resistant performance of reticulated dome with smaller rise–span ratio and larger span under exterior blast load was more advantageous. Although the blast-resistant capacity of reticulated dome with large span and large roof weight was favorable, the plastic deformations of reticulated dome members were small and the utilization of material was low at failure state. According to the dynamic response characteristics of plentiful K8 single-layer reticulated domes at different damage levels, a damage model of K8 single-layer reticulated dome under exterior blast load was proposed in this article to indicate the damage level and determine the ultimate strength. Besides, a new damage criterion for K8 reticulated dome was also defined. This damage model was defined based on the physical phenomena at different damage levels, which made the strength failure criterion had definite physical meaning. Using the proposed damage criterion and a new search algorithm for pressure and impulse, the pressure–impulse diagrams for the typical K8 reticulated dome were derived from the numerical simulations to evaluate the damage level of reticulated dome under blast loading. Finally, a method to determine the safety standoff distance for reticulated dome under given TNT charge weight was also proposed.     

轻质金属泡沫夹芯曲板的抗爆炸冲击响应研究

夹芯结构具有高比强度、高比刚度和优异的吸能能力,已经被广泛应用于工程结构用来抵御高强度的爆炸冲击载荷。本文采用有限元数值模拟方法研究了爆炸载荷作用下四边固支夹芯曲板的动力响应。比较了同等质量下夹芯曲板、夹芯平板、实体曲板和实体平板四种结构的抗爆炸冲击性能,讨论了不同曲率和非对称因子对结构动力响应的影响,得到了使得夹芯曲板抗爆炸性能最佳的非对称因子。研究结果表明：夹芯曲板的抗爆炸冲击性能优于等质量的夹芯平板、实体曲板和实体平板结构,增大夹芯曲板的曲率能够提高结构的抗爆炸冲击性能。     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

地震作用下基于响应敏感性的单层球面网壳冗余度分析方法研究

冗余特性是结构鲁棒性的重要组成部分,也是损伤情况下结构安全性的体现。在地震等动力荷载作用下单层球面网壳结构的倒塌模式由诸多因素决定,其中结构的冗余度是重要的影响因素。为合理评估地震作用下的结构冗余度,本文基于结构响应对单元材料弹性模量的敏感性提出地震作用下的结构构件冗余度评价方法,并对一星型网壳在地震作用下的弹性、弹塑性冗余度进行分析,以验证方法的有效性。结果表明,结构冗余度能够反映构件在结构中的重要性,冗余度值的大小是构件重要性的衡量指标,低冗余度构件是结构的关键构件。利用结构的冗余度分布,可以采取加强低冗余构件的措施,从而实现网壳结构倒塌模式的优化控制。     

不同爆炸载荷下TA2钛合金圆管膨胀破坏过程

金属柱壳破坏过程与材料、结构及载荷等相关,断裂结果呈现多种形式,采用有限元结合实验对不同爆炸载荷作用下,TA2钛合金圆管的破坏机制开展研究。有限元结果显示:对于理想均质柱壳,由于冲击波传播使壁厚中间形成二次塑性区,圆管壁厚中部的等效塑性应变总是大于内、外壁。在较高爆压下,裂纹在加载阶段从试样壁厚中部起始,沿45°或135°向内外壁剪切扩展;而在较低爆压下,破坏发生在自由膨胀阶段,断裂从内壁起始向外壁剪切扩展,两者破坏过程和机制不同,总体来说,与实验现象符合较好。相关实验中出现的一些外壁拉伸断裂现象,可能与试样的几何、材料缺陷等因素相关,其对金属圆管爆炸破坏的影响值得进一步关注。     

撞击载荷作用下单层球面网壳动力响应模型实验研究

通过单层KIEWITT8型网壳模型在落锤撞击作用下的实验,研究单层网壳在撞击作用下的动力稳定性。利用动态应变仪和力传感器,获取了落锤撞击网壳时撞击力时程曲线、杆件轴力时程曲线和稳定临界力。利用高速摄影机拍摄了撞击历程、撞击失稳模态及破坏形态。结果表明:撞击作用为三角脉冲荷载形式,其最大幅值和脉宽与撞击冲量和网壳所处变形阶段的刚度性能相关;撞击荷载持续作用的时间为3.00~22.36 ms;撞击接触时间的突然增大对应着网壳的失稳;杆件开始响应的时刻比撞击力开始作用的时刻滞后0.2~0.4 ms;对失稳前的撞击,落锤回弹速度较大;对失稳时的撞击,落锤回弹速度很小;模型具有较大的后屈曲抗撞击能力,在顶点垂直撞击下没有发生连续断裂。     

Simply approximate estimation of local failure position of a free-free slender shell

Dynamic plastic failure characteristics of a space free-free slender shell subjected to intense dynamic loading of suddenly applied pressure unsymmetrical triangle distributed along its span was studied. Both rigid perfectly plastic (r-p-p) analytical method and finite element method based elastic perfectly plastic (e-p-p) material idealization and shell element model were adopted to predict the local failure position in the structure. It was shown that both r-p-p and e-p-p model could estimate a plastic “kink” taking place in the slender shell, which reflects the strain localization of deformation. The comparison for the position of “kink” predicted by using r-p-p and e-p-p methods is found to be reasonable good.     

舱内爆炸载荷下箱型舱室角隅连接结构设计

通过有限元软件LS-DYNA建立了舱内爆炸载荷下箱型舱室动响应数值模型,并借助文献试验结果验证了数值模型的可靠性,研究了平板型、内凹型、外凸型、箭头型、箭矢型、背面弧型等6种角隅连接结构对舱内爆炸载荷下箱型舱室变形、特征位置压力和破坏模式的影响,分析了内爆效应下角隅连接结构的失效机理。数值结果表明:舱壁角隅位置是舱内爆炸载荷作用下舱室易发生破坏撕裂的特征位置;相比无连接结构,平板型连接结构对舱壁最大塑性变形改善最大,降低幅度达到了31.9%;背面弧型连接结构能够使箱型舱室角隅等效塑性应变降低约60%;设置连接结构能够改变高塑性应变的发生位置,进而改变箱型舱室的破坏模式;采用平板型、内凹型、背面弧型连接结构的箱型舱室能够有效避免角隅失效破坏。