气云爆炸作用下抗爆结构的流固耦合分析

摘要

气云爆炸是日常生活及工业生产中经常发生的事故之一，严重威胁人们的生命以及财产安全。采用抗爆结构进行防护，是减轻或避免其损失的重要手段。明确气云爆炸作用下抗爆结构的动力响应特点，是建立可靠防护的基础。
　　准确预测气云爆炸作用下结构的动力响应需要考虑爆炸冲击波与结构间的流固耦合作用。本文在已有理论的基础上，采用数值模拟方法，对考虑流固耦合时抗爆结构在气云爆炸冲击波作用下结构的动力响应及相关问题进行研究:
　　1.分析了气云爆炸不同于理想爆源爆炸的特征，研究气云爆炸及流固耦合数值分析方法相关理论。
　　2.论述TNT当量法的特点，验证TNT当量法在本研究中的适用性。对开敞空间气云爆炸过程进行数值模拟，获得不同比例距离下爆炸冲击波超压峰值，与经验公式计算结果对比，验证数值模拟结果的正确性。
　　3.利用ALE方法模拟冲击波与结构间的耦合作用，明确了气云爆炸作用下抗爆结构的动力响应规律，分析混凝土强度等级、配筋率、门窗洞口及墙体厚度对结构动力响应的影响。
　　4.将考虑流固耦合时的计算结果与不考虑耦合时所得结果对比。研究表明，两种情况下计算结果规律基本一致，结构表面超压峰值平均差值为2.6％;考虑耦合作用时结构等效应力峰值明显大于不考虑耦合作用时的结果，等效应力峰值平均差值为26.3％。考虑流固耦合时，结构速度峰值与最大位移均大于不考虑耦合时计算的结果，速度峰值平均差值为25.5％，最大位移平均差值为13.4％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题工程背景和应用价值

1．2 国内外研究现状

1．2．1 气云爆炸研究现状

1．2．2 结构抗爆研究现状

1．2．3 流固耦合研究现状

1．3 本文的研究内容与研究目标

1．3．1 本文的研究内容

1．3．2 本文的研究目标

2 气云爆炸的基本理论及ALE方法

2．1 气云爆炸的基本理论

2．1．1 爆源的分类

2．1．2 气云爆炸的基本形式

2．1．3 描述气云爆炸的基本参数

2．2 流固耦合问题中的ALE方法

2．2．1 流固耦合问题概述

2．2．2 ALE方法

2．3 本章小结

3 气云爆炸荷载的数值模拟及有效性验证

3．1 气云爆炸强度的预测

3．2 TNT当量法及适用性

3．3 LS-DYNA有限元软件介绍

3．3．1 LS-DYNA软件简介

3．3．2 沙漏控制

3．3．3 流固耦合分析

3．3．4 无反射边界条件

3．4 气云爆炸荷载的数值模拟

3．4．1 计算模型

3．4．2 材料模型及状态方程

3．4．3 计算结果及分析

3．5 本章小结

4 气云爆炸作用下结构的动力响应

4．1 数值模拟结构模型

4．2 钢筋混凝土结构的有限元模型

4．3 材料模型

4．4 数值模拟结果及讨论

4．4．1 爆炸冲击波传播过程分析

4．4．2 结构的等效应力分析

4．4．3 结构的位移与速度分析

4．5 结构动力响应的影响因素分析

4．5．1 混凝土强度的影响

4．5．2 配筋率的影响

4．5．3 门窗洞口的影响

4．5．4 墙体厚度的影响

4．6 本章小结

5 气云爆炸作用下结构的流固耦合效应分析

5．1 爆炸荷载对比分析

5．2 结构的等效应力对比分析

5．3 结构的位移与速度对比分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献