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新型复合泡沫铝夹层板抗爆性能研究

作　者: 张东新
导　师: 周广春；王伟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 爆炸复合泡沫金属夹层板结构数值模拟动力响应
分类号: TU352.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,针对民用和军用建筑结构的恐怖爆炸袭击事件不断发生,轻则危害建筑结构的安全使用,重则造成人员伤亡,给所在国家及地区的政治经济环境和人民生命财产造成了巨大的破坏和不可估量的损失。在现有设计规范对建筑结构的抗爆设计没有明确规定的情况下,设计人员往往采用加大截面厚度的方法进行抗爆加固。但是这种方法既不经济也不合理,有很多局限性,本文提出采取夹层板形式的新型抗爆抗冲击结构,以钢板作为外包板,以空心球/Al复合泡沫(简称复合泡沫铝)为芯体,组成三明治类型的夹层板结构,研究其抗爆效果。本文首先对80μm空心微珠/1199Al的基本物理参数进行了测量,对其在低速和中速变形条件下的力学性能进行了研究,分别进行了准静态压缩试验和落锤冲击试验,得到了80μm空心微珠/1199Al的密度、弹性模量、泊松比和应力应变曲线关系。将其吸能能力与普通泡沫铝进行了对比,发现复合泡沫铝具有更好的吸能能力,可以应用于抗爆抗冲击领域。利用ANSYS/LS-DYNA模拟了TNT炸药在无限空气域中自由爆炸的过程,提取了峰值超压的模拟值,并与国内外学者提出的经验公式和我国实际设计中采用的计算公式进行了对比,证明了数值模拟的可靠性和适用性。考察了夹层板结构在爆炸荷载作用下的动力响应特性,通过改变芯板厚度,外包板厚度,芯板材料,外包板材料,爆炸源与结构的距离,炸药当量这些参数,定性定量地分析了它们对夹层板结构的影响,为夹层板结构在抗爆抗冲击领域中的实际设计提供了参考数据。最后,本文提出了一种新型防护门,即在防护门中间的格构式网格梁与前后外包钢板的空隙中填充复合泡沫铝,借助ANSYS/LS-DYNA对比了有无复合泡沫铝耗能层的两种防护门结构在爆炸冲击荷载作用下的反应。结果表明复合泡沫铝能够反射冲击波,并吸收冲击能量,对爆炸冲击波具有很好的衰减性能,可以有效地控制防护门结构的变形,延缓其破坏,这种新型防护门能够保护门后的人和设备安全。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 引言  9-10
  1.2 课题研究的目的和意义  10-11
  1.3 研究现状  11-15
    1.3.1 泡沫铝力学性能的研究现状  11-12
    1.3.2 泡沫材料夹层板动力性能研究现状  12-13
    1.3.3 高性能泡沫铝的研究现状  13-15
  1.4 本文的主要研究内容  15-16
第2章空心球/AL 复合泡沫材料力学性能试验  16-28
  2.1 引言  16-17
  2.2 空心球/AL 复合泡沫的准静态拉伸试验  17-19
  2.3 空心球/AL 复合泡沫的准静态压缩吸能试验  19-21
    2.3.1 试验装置与原理  19-20
    2.3.2 试验结果  20-21
  2.4 空心球/AL 复合泡沫的轴向冲击试验  21-26
    2.4.1 落锤冲击试验装置与原理  21-23
    2.4.2 试样参数  23-24
    2.4.3 试验结果  24-26
  2.5 空心球/AL 复合泡沫与普通泡沫铝性能对比  26-27
  2.6 本章小结  27-28
第3章爆炸荷载的有限元数值模拟及其可靠性验证  28-39
  3.1 引言  28
  3.2 爆炸冲击波超压  28-29
  3.3 数值计算的基本原理和材料模型  29-34
    3.3.1 ALE 算法及多物质组  30-31
    3.3.2 动力有限元分析理论  31-32
    3.3.3 数值模拟采用的单元类型  32
    3.3.4 材料模型和状态方程  32-34
  3.4 爆炸冲击波传播的数值模拟及结果分析  34-38
    3.4.1 数值模拟的计算模型  34-35
    3.4.2 计算结果及对比分析  35-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章爆炸荷载作用下夹层板结构的动力响应分析  39-56
  4.1 引言  39
  4.2 有限元模型  39-40
  4.3 夹层板结构在爆炸荷载作用下的动力响应参数分析  40-55
    4.3.1 参数选取  40-41
    4.3.2 芯板厚度的影响  41-44
    4.3.3 不同外包板厚度  44-47
    4.3.4 不同芯板材料的影响  47-50
    4.3.5 不同外包板材料的影响  50-51
    4.3.6 不同爆炸距离的影响  51-54
    4.3.7 不同炸药量的影响  54-55
  4.4 本章小节  55-56
第5章新型防护门抗爆性能分析  56-64
  5.1 引言  56
  5.2 计算模型  56-58
  5.3 计算结果及分析  58-63
  5.4 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-71
致谢  71

新型复合泡沫铝夹层板抗爆性能研究

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