基于LS-DYNA的砌体墙爆炸破坏数值模拟研究

摘要

随着国际恐怖主义的愈演愈烈，不论是在解救人质的过程中还是频繁发生的恐怖分子对民用设施的恶意袭击中，爆炸冲击荷载不可避免的会作用在外部维护结构上。由于砌体结构应用历史久远，在我国既有民用住宅体系中占有非常大的比例，砌体填充墙亦广泛的应用于各种建筑中，爆炸荷载作用于砌体墙的几率不容忽视。为了更好的打击敌人同时也为了减少恐怖袭击中的损失，针对砌体墙在爆炸冲击荷载作用下的力学响应进行分析是一个现实而又迫切的课题。
　　本文主要利用LS-DYNA软件，采用流固耦合算法对砌体墙在内部的爆炸载荷作用下的毁伤效果进行研究，以及采用CONWEP加载爆炸冲击波的方式对砌体墙在外部爆炸荷载作用下的破坏机理进行探索。主要研究内容和成果包括以下几个方面:
　　(1)建立了砌体墙内部爆破的三维数值模型，通过与试验数据进行对比，验证了材料参数、脆性损伤材料模型、流固耦合计算方法以及考虑了砌块和砂浆之间的粘结滑移的分离式精确模型的可行性。
　　(2)进一步分析了不同因素对最终爆破效果的影响。研究表明墙体最终爆洞尺寸随着材料强度的增强而减小;随着药量的增加，爆洞尺寸有所增大，但增长速率逐渐减小，且在X、Y方向存在微小差距;随着起爆深度的增加，近起爆点一端墙体表面的尺寸呈现减小趋势，距离起爆点较远一端墙体表面尺寸逐渐增大。通过对不同厚度墙体在不同药量作用下的爆洞效果进行模拟，结果表明若要达到一米见方的爆洞，不同厚度墙体所需药量在1000g到2000g之间不等。
　　(3)通过对砌体墙在外部爆炸载荷作用下的响应过程进行模拟，验证了加载方式的可行性。分析了各种工况下墙体的毁伤机理，得到了各毁伤效果图。
　　(4)随着比例距离的减小，墙体跨中挠度增大，毁伤愈加严重;四边支承边界墙体承受冲击波荷载远远优于两端支承;墙体的响应周期以及最大挠度均随着材料强度的增加减小，砂浆强度的改变对墙体最终破坏的影响要比砖块强度显著，同时不能盲目提高砌块强度，应考虑砖块和砂浆两种材料的协同作用;墙体厚度对砌体墙承受爆炸冲击荷载能力影响尤为显著;竖向荷载作用下，墙体对冲击波的承载能力远远小于无竖向荷载作用时，相对于未承载竖向荷载的墙体，承载墙体的最大挠度出现处明显上移，且上部结构对比于下部破坏严重;在近距离爆炸模拟中，分析了墙体破坏机理，结果显示不同于远距离冲击波作用下墙体的弯曲破坏，墙体在近距离爆炸冲击波作用下主要呈现冲切破坏模式。
　　最后，对全文所做的工作进行了总结，并对下一步研究工作进行了展望。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 选题背景

1．2 研究现状

1．2．1 国内外关于砌体墙的建模方法的研究现状及发展

1．2．2 国内外关于爆炸荷载下砌体墙的动态响应发展及研究现状

1．3 研究存在问题

1．4 问题提出的必要性、目的及意义

1、5 本文拟进行的研究工作

2．爆炸冲击荷载的基本理论

2．1 引言

2．2 爆炸现象概述

2．3 爆炸冲击波基本特性

2．3．1 冲击波衰减

2．3．2 冲击波超压

2．3．3 相似定律

2．4 目标结构对爆炸冲击波的反射作用

2．4．1．空气冲击波的正反射

2．4．2．空气冲击波的斜反射

2．5 小结

3．砌体墙内部爆破数值模拟

3．1 引言

3．2 有限元计算模型

3．2．1 几何模型

3．2．2 计算方法

3．2．3 材料模型

3．2．4 失效准则

3．2．5 接触算法

3．3 计算结果与分析

3．3．1 砌体墙破坏及应力传播过程

3．3．2 应力曲线

3．3．3 爆洞形成速度

3．3．4 砌体墙内部爆炸冲击作用机理分析

3．4 不同工况计算结果

3．4．1 不同药量作用下砌体墙的开孔效果

3．4．2 不同材料强度墙体的开孔效果

3．4．3 不同起爆深度的开孔效果

3．4．4 不同厚度墙体的开孔效果

3．5 小结

4．砌体墙外爆破数值模拟

4．1 引言

4．2 爆炸载荷的加载方式介绍

4．3 砌体墙外爆破计算模型及参数

4．3．1 几何模型

4．3．2．材料参数

4．4 外爆模拟结果分析

4．4．1 应力传播过程

4．4．2 位移云图及挠度曲线

4．4．3 砌体墙在外部爆炸荷载作用下的破坏机理分析

4．5 砌体墙外爆工况模拟

4．5．1 比例距离的影响

4．5．2 边界条件的影响

4．5．3 墙体厚度的影响

4．5．4 材料强度的影响

4．5．5 不同竖向载荷的影响

4．6 砌体墙临近爆炸研究

4．6．1 计算模型

4．6．2 应力传播过程与破坏形态

4．6．3 墙体临近爆炸破坏机理分析

4．7 小结

结论

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果