爆炸冲击波与复杂结构动态耦合系统数值模拟方法及应用

摘要

发生在大型公共建筑和交通基础设施的爆炸事件不断增多，对目标结构造成严重破坏并带来巨大的生命财产损失，工程结构抗爆研究成为国际上的热点课题。目前，采用数值模拟方法进行爆炸问题研究已必不可少，如何真实反映爆炸冲击波作用下工程复杂结构的动力响应以及提高数值模拟的计算精度和计算效率越来越受到重视。
　　 本文将爆炸冲击波与结构动力响应作为统一系统，结合高性能计算平台，提出了爆炸冲击波一复杂结构动态耦合系统的三维精细数值模拟方法，实现了炸药起爆、爆炸冲击波传播及其与结构各个组成部件相互作用的完整过程，并将该方法在幕墙、桥梁和隧道工程的爆炸响应研究中得到了验证和应用。主要研究内容包括：
　　 研究了爆炸冲击波一复杂结构动态耦合系统的数值建模方法。炸药及周围的空气介质采用多物质ALE网格描述，结构采用Lagrangian网格描述，通过在爆炸场与结构之间定义三维耦合面，建立能量守恒的罚函数耦合模型实现二者的动态交互，结构系统内各构件的相互作用关系则采用三维接触模型模拟。基于上述建模特点，设计并实现了刚柔分段数值模拟方法，合理分配了爆炸问题的计算资源，在保证爆炸冲击波计算精度的同时提高了计算效率。
　　 研究了爆炸冲击波一复杂结构动态耦合系统的高性能计算方法。爆炸冲击波与结构相互作用数值模拟为非线性瞬态动力学问题，本文采用变时间步长的显式积分算法高效求解。基于递归坐标对分方法，结合上海超算中心曙光5000A高性能计算机的体系结构特点，提出了考虑爆炸冲击波与结构动态耦合计算均衡分区方法。针对矩形几何特征和环向几何特征耦合形式，将该方法分别应用于爆炸冲击波一幕墙动态耦合系统以及爆炸冲击波一隧道动态耦合系统的并行计算，取得了较好的加速比和并行效率。
　　 开展了爆炸冲击波一幕墙动态耦合系统数值模拟应用。以中央电视台新址幕墙抗爆试验为工程应用对象，基于上述数值模拟方法，建立了爆炸冲击波一幕墙耦合系统的全三维精细有限元模型，全面考虑了夹层中空玻璃面板、铝合金框、密封胶条、隔热冷桥、支撑钢结构、测试室等细部构件的共同影响。数值模拟真实再现了玻璃幕墙抗爆原型试验中爆炸冲击波与复杂幕墙系统的相互作用过程。研究了爆炸冲击波作用下幕墙系统各部件的动力响应，得到了与试验现场情况分析一致的模拟结果，证明了计算模型的有效性及模拟方法的正确性。分析比较了结构胶对整个幕墙系统抗爆性能的影响，为幕墙抗爆设计及改进提供了有益参考。
　　 开展了爆炸冲击波一桥梁动态耦合系统数值模拟应用。将拟实数值模拟方法引入上海闵浦二桥爆炸响应分析，建立了包含主梁、斜拉索、主塔、过渡墩、辅助墩、承台等的全桥模型，分析了爆炸波对整个桥梁结构的冲击作用。确定了模型网格精细度，保证了爆炸冲击波有效性。结合动态非线性材料本构，实现了桥面系的损伤破坏过程并评价了该桥面不同关键部位及加筋形式的抗爆性能。
　　 开展了爆炸冲击波一隧道动态耦合系统数值模拟应用。建立炸药一空气一衬砌一工作井一土层全耦合的整体有限元模型，通过在上海青草沙施工隧道中的应用，实现了爆炸冲击波在隧道内的传播过程，完整地再现了隧道及周围土体结构的冲击响应物理现象。研究了不同施工长度以及同一施工距离时不同当量炸药对隧道抗爆性能的影响，为隧道工程安全评估提供了参考依据。