近爆冲击波和破片联合作用下I-V型夹芯板的防护性能研究

摘要

本文针对民用建筑物墙、板构件在近爆冲击波和破片联合作用下的防护研究，提出了一种新型 I-V型夹芯板防护结构。利用非线性有限元分析软件LS-DYNA，开展了近爆冲击波和破片联合作用下I-V型夹芯板的防护性能研究。具体成果如下： （1）建立了炸药-空气-破片-I-V型夹芯板有限元模型、选用材料模型、接触算法及耦合算法，将数值模拟结果与试验结果和理论结果对比，证明本文采用的有限元模型、材料模型及流固耦合方法是合理且有效的。 （2）近爆作用下，冲击波先于破片到达I-V型夹芯板，冲击波主要引起夹芯板的整体挠曲变形，而破片主要是局部穿甲效应；单独作用下，冲击波的冲击作用大于破片的侵彻作用；冲击波和破片联合作用下夹芯板的破坏效果具有叠加放大效应，明显大于两者单一作用下破坏效果的线性叠加。 （3）在相同的荷载工况及保持用钢量不变的前提下，对比6种不同夹芯板的防护性能，I-V型夹芯板防护效果最优。上、下面板厚度及夹芯层配置对I-V型夹芯板的防护性能有较大的影响。I-V型夹芯板在5种典型侵彻位置下防护性能基本相同，无局部防护性能薄弱部位，整体防护性能较好。随着破片尺寸的增大，I-V型夹芯板下面板的最大竖向峰值位移缓慢增大至最高点，然后快速下降。 （4）从I-V型夹芯板的质量损失、能量吸收和竖向峰值位移三个方面可以看出：随着炸药中心到测点的距离的增加引起比例距离增大，I-V型夹芯板整体的破坏程度不断减轻，且减轻的速率在增大；随着炸药的质量的增加引起比例距离减小，I-V型夹芯板整体的破坏程度在不断增大，且增大的速率是先增大后减小；随着炸药中心到测点距离的增大及相对应的炸药质量的增加引起比例距离不变，I-V型夹芯板整体的破坏程度在不断增大，且增大的速率是先增大后减小。 （5）从I-V型夹芯板的质量损失、能量吸收和竖向峰值位移三个方面可以看出：不同的炸药起爆位置引起的I-V型夹芯板的破坏程度不同，虽然炸药总质量没有变化，但实际有效作用装药量发生了改变；在轴向增加起爆点的个数并不能显著增大I-V型夹芯板的破坏程度。 （6）有I-V型夹芯板防护的钢筋混凝土板迎爆面只有少量的混凝土脱落，且无钢筋外露，背爆面无混凝土脱落，也无钢筋外露，塑性变形区域也较小，整体也没有形成贯穿破坏；有I-V型夹芯板防护的钢筋混凝土板迎爆面和背爆面的破坏程度均远远小于无防护的钢筋混凝土板。本文提出的I-V型夹芯板实际防护效果很好，能够为工程设计提供重要的参考。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状与水平

1.3 存在的问题

1.4 本文研究的主要内容

第2章 有限元软件和冲击波及破片基础理论

2.1 ANSYS/LS-DYNA相关理论

2.1.1 ANSYS/LS-DYNA软件简介

2.1.2 重启动

2.1.3 接触算法

2.1.4 计算方法

2.2 炸药爆炸破坏效应

2.2.1 爆炸冲击波破坏效应

2.2.2 爆炸碎片破坏效应

2.2.3 爆炸地震破坏效应

2.2.4 爆炸引发次生灾害

2.3 破片相关理论

2.3.1 破片数量和质量公式

2.3.2 破片运动规律

2.3.3 破片的侵彻效应

2.4 本章小结

第3章 数值模拟方法验证

3.1 近爆荷载作用下三角形波纹夹芯板模拟验证

3.1.1 试验材料及装置

3.1.2 有限元模型

3.1.3 数值模拟结果

3.1.4 试验结果和数值模拟结果对比

3.2 装药驱动平板运动模拟验证

3.2.1 理论计算模型

3.2.2 数值模拟有限元模型

3.2.3 理论计算结果和数值模拟结果对比

3.3 本章小结

第4章 近爆冲击波和破片联合作用下I-V型夹芯板的防护性能研究

4.1 数值计算模型

4.1.1 计算模型

4.1.2 材料模型

4.2 冲击波、破片单一作用及二者联合作用下I-V型夹芯板破坏模式差异

4.3 不同结构防护性能比较

4.3.1 质量损失

4.3.2 能量吸收

4.3.3 竖向峰值位移响应

4.4 上、下面板厚度和夹芯层配置对I-V型夹芯板防护性能的影响

4.4.1 质量损失

4.4.2 能量吸收

4.4.3 竖向峰值位移响应

4.5 不同的炸药侵彻位置对I-V型夹芯板防护性能的影响

4.5.1 质量损失

4.5.2 能量吸收

4.5.3 竖向峰值位移响应

4.6 破片尺寸大小对I-V型夹芯板防护性能的影响

4.6.1 质量损失

4.6.2 能量吸收

4.6.3 竖向峰值位移响应

4.7 炸药比例距离对I-V型夹芯板防护性能的影响

4.7.1 改变炸药中心到测点的距离

4.7.2 改变炸药的质量

4.7.3 比例距离不变

4.8 炸药的起爆方式对I-V型夹芯板防护性能的影响

4.8.1 质量损失

4.8.2 能量吸收

4.8.3 竖向峰值位移响应

4.9 本章小结

第5章 I-V型夹芯板的实际防护性能分析

5.1 有限元模型

5.2 材料参数

5.3 I-V型夹芯板的实际防护效果

5.3.1 破坏情况

5.3.2 质量损失

5.3.3 能量吸收

5.3.4 竖向峰值位移响应

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望