近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好,证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明,相比普通混凝土夹层,泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播,大幅降低洞室内部空气的压力峰值,降低超压对人体器官的损伤,提高洞室内部人员的生存几率;采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

聚氨酯泡沫铝复合结构抗爆吸能试验及数值模拟分析

通过对聚氨酯泡沫铝和混凝土组成的复合结构进行接触爆炸试验,探讨了聚氨酯泡沫铝的吸能性能,并进行数值模拟分析。结果显示:聚氨酯泡沫铝的吸能性能明显优于泡沫铝,吸能层厚度对吸能效果影响很大,多层结构的聚氨酯泡沫铝吸能性能对比厚度一致的单层吸能层结构没有明显的改善;在保证了比较合理的吸能层厚度后,防护结构的每一层材料层存在着一个最佳的厚度组合来保证复合层优良的抗爆性能。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用,开展室外爆炸破坏实验,分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究,并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照,验证了模型的可行性,对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律,并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态;泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形,降低试件的破坏程度;泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好;增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。     

缝合复合材料泡沫夹层结构稳定性研究

随着复合材料结构在航空航天领域的应用日渐广泛,非主承力结构壁板趋向于采用高比刚度的泡沫夹层结构。采用缝合工艺虽能提高泡沫夹层结构的面外性能和层间性能,但对泡沫夹层结构其它性能的影响并不明晰。通过压缩稳定性试验对泡沫夹层结构的稳定性进行研究,夹层结构分别采用单向带面板和织物面板。研究对象包括未缝合泡沫夹层结构和不同缝合密度的缝合泡沫夹层结构。试验结果表明:缝合会降低泡沫夹层结构的稳定性,缝合密度增加时,泡沫夹层结构稳定性性能降低。     

预应力混凝土结构抗爆性能试验研究

随着我国城市建设的飞速发展,人们迫切希望能将预应力混凝土结构用于平战结合的大跨度地下工程。但由于迄今为止国内外对预应力混凝土结构的抗爆性能知之甚少,长期以来预应力混凝土在抗爆结构中的应用一直是个禁区。本文给出了一例后张无粘结部分预应力混凝土梁板柱形结构模型在平面装药爆炸条件下的大比尺化爆相似模拟试验。模型的几何相似比例为1∶5,加载平面空气冲击波超压分别为70kPa、130kPa和320kPa。试验结果给出了在完全弹性状态、荷载略高于设计承载力状态和接近极限破坏状态下无粘结部分预应力混凝土结构的宏观试验现象和大量实测试验参数和实测波形曲线,并进行了简单的数据分析。试验结果表明:设计合理的预应力混凝土梁板柱形结构具有很好的延性,不会发生令人担心的脆性破坏,完全可以用于抗爆结构。     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能野外实验与数值模拟

通过6根圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(UHPSFRCFDST)柱爆炸破坏实验,研究了轴压、折合距离、空心率和迎爆面形状对其动态响应及损伤破坏的影响,并运用LS-DYNA软件建立了爆炸荷载作用下UHPSFRCFDST柱动态响应的有限元模型。在验证了模型有效性的基础上,运用参数化分析方法,研究了轴压比、空心率、含钢率、内层和外层钢管径厚比及其强度等关键参数对圆形UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。结果表明:有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及损伤破坏;在小于临界轴压时,提高轴压比能够提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能,但超过临界轴压后继续提高反而会加重其损伤破坏;减小空心率或内、外层钢管径厚比均可有效提升UHPSFRCFDST柱的抗爆性能,提高含钢率或外层钢管强度也能达到相同效果,但提高内层钢管强度对其抗爆性能的提升作用并不显著。     

单钢板混凝土剪力墙抗爆性能研究

钢板混凝土剪力墙作为一种新型的抗侧力构件,具有良好的耗能能力和抗冲击性能,已逐渐应用于建筑工程结构的抗震和防护结构的抗爆设计。设计了3个试件,分别为普通钢筋混凝土板、单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板,开展了钢板混凝土剪力墙的接触爆炸试验,并通过非线性程序LS-DYNA建立了3个钢板混凝土剪力墙试件的数值模型,对比分析了不同试件在接触爆炸作用下的动态响应、破坏模式和抗爆性能。试验和数值分析结果表明：接触爆炸作用下,试验设计的3种试件呈现3种破坏模式;普通钢筋混凝土板中部发生混凝土贯穿破坏,钢筋发生较大弯曲变形;单侧钢板混凝土板由于栓钉拔出发生钢板和混凝土分离,丧失整体性和继续承载能力;夹心钢板混凝土板发生上层混凝土压碎,夹心钢板、上层和下层混凝土板连接性能较强,整体性较好,具有继续承载的能力,且夹心钢板混凝土板跨中挠度和混凝土碎块飞溅距离较小。单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板配置钢筋网可以显著增强混凝土层和钢板的连接性能,有效减小上下层混凝土的碎裂和剥落,增强其整体性和抗爆性能。

     

泡沫铝夹层结构抗冲击性能的近场动力学模拟分析

针对某光学舱所采用的泡沫铝夹层防护结构在破片冲击下的抗冲击性能问题,采用Monte-Carlo方法创建了泡沫铝结构的二维细观模型,在常规态型近场动力学理论中引入了Mises屈服准则和线性各向同性强化模型,建立了近场动力学塑性本构的数值计算框架。基于近场动力学计算程序模拟了低速冲击作用下泡沫铝夹层结构的塑性变形以及有机玻璃背板的裂纹扩展形态,分析了泡沫铝芯材孔隙率对该夹层结构抗冲击性能和损伤模式的影响规律。结果表明：泡沫铝夹层结构良好的塑性变形能力是其发挥缓冲与防护作用的主要因素,并且在一定范围内,泡沫铝芯材孔隙率越高,则夹层结构具有更好的抗冲击性能;当泡沫铝孔隙率从0.4提升到0.7时,泡沫铝对冲击物的动能吸收率从90%提高到99%;模拟结果与实验结果具有较好的一致性,验证了模拟结果的准确性和分析结论的有效性。通过数值模拟,预测了有机玻璃背板的裂纹扩展形态,发现提高泡沫铝的孔隙率能获得更好的防护效果。     

含胶接缺陷的椭球泡沫夹层结构破坏机理与承载能力研究

采用试验和有限元方法,对含胶接缺陷的椭球泡沫夹层结构在外压作用下的破坏模式和承载能力进行了研究。针对国内在研的大尺寸椭球泡沫夹层结构,实施了全尺寸静力外压试验,发现初始胶接缺陷破坏了夹层结构界面应力传递的连续性;随着载荷增加,面板发生皱褶且脱胶界面继续扩展,从而降低结构整体承载能力。通过红外无损检测确定了缺陷的类型和形貌;采用预留相应初始脱粘面积、脱粘间隙以及内聚力单元模拟界面脱粘的有限元分析方法,对含胶接缺陷的椭球泡沫夹层结构承载能力进行预测。数值结果表明:含胶接缺陷结构易发生面板皱褶,且结构顶部和根部区域较易发生界面脱粘扩展。数值和试验结果取得了较好的一致性,本文结果可为同类结构设计提供参考。     

泡沫材料准静态力学性能实验研究

利用INSTRON-1185型万能材料试验机在准静态加载环境下对不同密度的聚氨酯泡沫的抗压、抗拉及抗弯性能进行了较系统的实验研究,分析了聚氨酯泡沫材料的力学性能及吸能特性随表观密度的变化规律.研究表明,聚氨醋泡沫材料的杭压性能优于其杭拉性能,该材料具有良好的吸能特性,且其吸能特性随密度的增大而提高.     

双向纤维腹板增强复合材料夹层板受弯性能实验研究

采用真空导入成型工艺,制备出双向纤维腹板增强复合材料夹层板。在四边简支条件下,对无腹板增强、不同腹板高度和间距的试件进行了集中加载实验,研究其受弯承载力、破坏形态等。结果表明:用双向纤维腹板来增强复合材料夹层板,可显著提高试件承载能力,还能有效减缓面层的剥离破坏;与此同时,腹板高度和间距的减小能减缓面板剥离现象;随着腹板高度增加和腹板间距减小,抗弯能力得到显著提高;增加腹板高度还能有效减小夹层板跨中挠度,但腹板间距对跨中挠度的影响并不明显。     

环氧树脂/泡沫铝一体型复合夹层板压缩及弯曲试验研究

提出了一种环氧树脂/泡沫铝一体型复合夹层板,通过准静态试验以及与纯泡沫铝、传统蒙皮夹层板的对比研究了其破坏过程、破坏形貌、破坏机理及压缩和弯曲力学性能。分别通过压缩应力-应变曲线和弯曲荷载-挠度曲线分析了复合层厚度对压缩及弯曲力学性能的影响,并与传统夹层板的力学性能进行了比较。结果表明,随着夹层板中环氧树脂/泡沫铝复合层厚度增加,其压缩弹性模量和抗压强度增加,弯曲承载力提高。相比传统蒙皮夹层板,由于表层和芯层之间没有明显界面,大大提高了夹芯板的整体性,在受力过程中不会出现表层剥离等现象。     

泡沫铝夹芯梁四点弯曲性能试验研究

通过准静态四点弯曲试验对泡沫铝夹芯梁的弯曲力学性能进行了测试,研究了它的破坏过程、破坏形态和典型荷载-位移曲线,分析了芯层厚度和面层厚度等参数对其弯曲力学性能的影响。结果表明,泡沫铝夹芯梁四点弯曲破坏过程历经三个阶段,呈现三种失效模式:整体弯曲破坏、局部屈曲破坏以及整体屈曲破坏;芯层厚度和面层厚度对夹芯梁的弯曲承载力和吸能效果有明显影响;在本试验参数范围内,芯层厚度为25mm,面层厚度为0.4mm时,夹芯梁具有最优弯曲力学性能。     

整体化复合材料结构残余应力实验研究

通过钻孔法测试了T型整体化复合材料结构件在不同固化工艺方案下的残余应力,并研究了多墙类加筋壁板的腹板和蒙皮的残余应力分布,以及不同钻孔深度对结构件内部残余应力测试结果的影响。研究结果表明:共固化方式下产生的残余应力要小于胶结共固化方式下的残余应力。     

杆弹侵彻钢纤维混凝土实验研究

采用DOP实验方法,进行了35CrMnSiA杆弹对不同钢纤维体积含量的钢纤维混凝土的侵彻实验.分别研究了杆弹着速和钢纤维体积含量对钢纤维混凝土杭侵彻性能的影响.实验表明,随着弹速增加,不同钢纤维含量的钢纤维混凝土侵彻深度都会增加,但钢纤维混凝土中弹体便深增加较素混凝土缓慢;而钢纤维能增强混凝土的抗侵彻性能,且随钢纤维体...     

高强钢波纹夹芯结构的力学性能研究

论文利用ABAQUS仿真软件分析了高强钢波纹夹芯结构在三点弯曲以及面内压缩时的力学响应.将计算结果与实验值和理论值进行了对比,验证了数值模拟的准确性.进而分析了芯板材料属性(高强钢DP900和普通低碳钢DC01)以及波纹芯板排列方向(横向、纵向)对夹芯结构力学性能的影响.分析结果表明DP900高强钢波纹芯板夹芯结构抗弯强度是DC01低碳钢夹芯结构的2.39倍,抗压强度是低碳钢夹芯结构的1.40倍,纵向波纹夹芯结构比横向波纹夹芯结构弯曲刚度高11.63倍.     

新型外包钢混凝土组合梁框架结构抗震性能的试验

为克服型钢混凝土柱-钢梁组合框架结构体系存在的缺点,提出了一种新型外包钢混凝土组合梁-型钢混凝土柱组合框架结构体系。设计制作了一榀一跨两层型钢混凝土柱-外包钢砼梁的组合框架结构模型,并通过施加恒定竖向荷载和低周反复水平荷载,对模型框架进行了抗震性能试验研究。结果表明,基于现行规范及作者新研究外包钢组合梁计算理论所设计的型钢混凝土组合框架在地震时能形成梁铰破坏机制,框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等均满足延性框架的抗震要求,且模型框架的有效延性系数达到了7.93。可见,新型型钢混凝土组合柱-外包钢混凝土组合梁框架结构的抗震性能优于钢框架结构和型钢混凝土柱-钢梁框架结构,可在高层建筑中应用。     

侵彻钢筋混凝土过程中弹丸过载特性的实验研究

实验测试了侵彻钢筋混凝土过程中弹丸的过载情况,得到侵彻过程中弹丸的加速度时程曲线。通过将实验测得的加速度时程曲线按其本身的特点划分成四个部分,每个部分代表弹丸与钢筋混凝土作用的不同阶段,分析了不同阶段弹丸与钢筋混凝土相互作用的特点。实验结果表明,含筋率为2%的钢筋混凝土靶板的抗侵彻能力明显高于含筋率为1%的钢筋混凝土靶板。研究结果为理论模型的建立打下了基础,也可为相关弹药和防护工程的优化设计提供参考。     

铝面板厚度对Nomex蜂窝夹层结构冲击后弯曲性能影响的试验研究

通过低速冲击试验和四点弯曲试验,研究了铝面板厚度对Nomex蜂窝夹层结构抗冲击能力和剩余强度的影响。结果表明:在冲击荷载作用下,面板发生变形的区域大小随面板厚度增加而变大,当面板厚度大于0.5mm时,变形区域直径趋于稳定;无论试件是否受到过冲击,在弯曲载荷作用下,0.2mm厚面板发生芯格内屈曲失稳,而其他厚度面板均发生格间失稳;对无冲击损伤的结构,0.2mm厚面板弯曲强度显著低于其他厚度面板;对含冲击损伤的结构,0.2mm厚面板的剩余强度百分比最高。