单层椭球壳结构在内爆炸下的失效机理研究

摘要

近年来，已有多起蓄意或偶然的爆炸事件发生于公共场所内，而大空间结构作为当下常规的公共建筑，对其抗爆性能进行研究、探讨内爆炸下大空间结构的失效机理就显得非常重要。 本文以单层椭球壳结构为研究对象，采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件，利用数值模拟的方法研究了单层椭球壳结构在内爆炸下的初期响应和后续响应，提出单层椭球壳在内爆炸下的失效机理。具体研究内容和成果如下： （1）进行无限自由空气域内的爆炸模拟，提取数值模拟结果中的峰值超压、正压作用时间，与经验公式进行对比，验证炸药建模的可信性。基于此，验证了初始体积分数炸药建模方式的可行性，不再需要变换空气域网格大小来实现不同尺寸炸药的建模。 （2）基于空爆算例，对炸药在椭球壳结构内部的爆炸进行了全过程模拟，研究了爆炸冲击波在结构内部的传播情况，并从两个层面（结构、炸药）、五个方面（失跨比、杆件截面惯性矩、连接刚度、炸药量、炸药摆放位置）考察了参数变化对内爆下结构初期响应的影响。 （3）研究了爆炸结束（气压恢复至标准大气压）后结构的后续响应，将后续响应模式分类为：结构轻微损伤、结构严重损伤、结构坍塌。从能量时程曲线探讨了结构位能、应变能、动能的转化关系，提出椭球壳结构在内爆炸下的失效机理。 （4）根据前面的研究成果，提出椭球壳抗内爆的设计建议。对结构抗爆最不利的炸药量为使结构连接即将脱开（断裂）的炸药量，中心爆炸时结构需要消耗的能量最多，结构设计方面应使用较高的矢跨比，并削减主体结构与围护结构的连接刚度。

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第1章 绪 论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容和方法

第2章 TNT炸药在空气中的爆炸数值模拟

2.1 引言

2.2 TNT自由空爆数值模拟

2.3 本章小结

第3章 单层椭球壳结构内爆炸数值模拟及参数影响分析

3.1 引言

3.2 内爆炸数值模型建立

3.3 数值模拟结果分析及验证

3.4 结构动力响应的参数影响分析

3.5 本章小结

第4章 单层椭球壳结构在内爆炸下的失效模式与机理分析

4.1 引言

4.2 椭球壳结构后续响应的数值模拟

4.3 椭球壳结构内爆炸后续响应结果的分析

4.4 本章小结

第5章 单层椭球壳结构抗内爆的设计建议

5.1 引言

5.2 内爆炸荷载对单层椭球壳的破坏

5.3 单层椭球壳的抗内爆设计要点

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 本文展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果