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结构泄压爆炸的冲击波特性研究

作　者: 姚元文
导　师: 刘立平
学　校: 重庆大学
专　业: 土木工程
关键词: 自由空间爆炸密闭空间爆炸泄压爆炸方形结构爆炸冲击波
分类号: TU352.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

城市化进程的发展,出现了大量的大型公共建筑和设施。地下空间开发利用的兴起,地下建筑结构如地下交通枢纽系统等大量涌现。爆炸仓库、爆竹烟花生产厂房等结构也与我们的日常生活息息相关。上述建筑结构的良好抗爆性能是减少人员伤亡和财产损失的主要因素之一,又因这类结构一般都会开有门、窗等洞口,在结构内部发生爆炸后,这些洞口就成为泄压的部位。泄压口的存在对结构内部的爆炸效应有很大的影响,因此开展结构的抗内部泄压爆炸研究就很有意义。泄压爆炸与结构的几何形状,炸药形式,比例距离,泄压口的位置、数量、开口方式等因素有关,本文针对方形结构在不同比例距离、不同泄压方式下爆炸的冲击波特性进行研究。在验证ANSYS/LS-DYNA对自由及密闭空间爆炸进行数值模拟有效性的基础上,首先研究自由大气中、半密闭空间、密闭空间中爆炸冲击波的特性,在此基础上重点研究结构泄压爆炸时冲击波的特性。本文主要结论有:①建立的自由空间、密闭结构、泄压结构内爆炸数值计算模型,选取的参数合理,可以有效模拟爆炸问题。②对自由空间、半密闭结构、完全密闭结构中爆炸进行了对比分析,得出了方形结构完全密闭情况下的爆炸冲击波特性:冲击波最先到达爆点的垂直距离壁面处,其反射超压峰值较自由空间时要大很多,并且随比例距离的减小这种差异更明显,随后冲击波向结构壁面交界及角部扩张,使这些部位出现压力场积聚现象;完全密闭情况下结构壁面处不仅存在爆炸冲击波超压荷载,同时还存在准静态气体压力作用,并且这种气体压力比例距离越小数值越大;结构的形状对内部爆炸的影响比较显著,爆炸冲击波因结构壁面的多次反射会叠加增强,结构的壁面交界处、角部等部位受压力积聚的影响,冲击波的传播更复杂,其超压峰值在同一大比例结构内甚至比爆点垂直距离处还要大。③小比例距离(Z=0.15m/kg^1/3--Z=1.0m/kg^1/3)不同泄压方式的爆炸冲击波特性:泄爆口处冲击波超压会出现多个连续峰值,且第二个峰值较第一个要大很多,这种差异随比例距离增大而减小;泄压口的存在可以有效的降低结构内的爆炸作用,这种泄爆作用对准静态气体压力影响很大,泄压面积越大,气体压力下降越显著;同种泄压面积下,在爆点垂直距离方向壁面上开孔泄爆效果最好,其次是在结构角部,最后是在结构壁面交界处;不同泄压面积下,在爆点垂直距离方向及结构角部同时开孔泄爆效果最好,其次是在与上述开孔方式之一的组合情况下,最差的是与上述两者开孔都无关系的其他组合情况;开孔面积大于50%时,随开孔面积的增大,泄爆效果变化不再明显。④大比例距离(Z=1.0m/kg^1/3--Z=2.0m/kg^1/3)不同泄压方式的爆炸冲击波特性:与小比例时相比,泄爆口处爆炸冲击波超压峰值下降很多,不再出现后续更大的超压峰值;泄压口的泄爆作用不再像小比例时那么显著,比例距离的影响也不再像小比例时那么突出;同种泄压面积下,结构角部处开孔泄爆效果最好。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-20
    1.2.1 爆炸力学的相关理论  11-14
    1.2.2 材料在冲击波荷载下的性能分析  14-16
    1.2.3 节点和构件在冲击波荷载下的响应分析  16-19
    1.2.4 抗爆设计方法  19-20
  1.3 本文研究的内容  20-23
2 爆炸动力学基本理论  23-41
  2.1 爆炸与爆炸冲击波  23-24
  2.2 量纲分析和爆炸相似定律  24-26
  2.3 大气中爆炸理论  26-35
    2.3.1 冲击波的传播  26-29
    2.3.2 冲击波的反射  29-30
    2.3.3 冲击波的初始参数  30-31
    2.3.4 冲击波参数的经验公式  31-35
  2.4 密闭结构内部爆炸时的超压荷载  35-37
  2.5 冲击波的破坏准则  37-38
  2.6 小结  38-41
3 数值模拟的原理及其验证  41-53
  3.1 有限元软件LS-DYNA 介绍  41-45
    3.1.1 LS-DYNA 发展历史  41-42
    3.1.2 LS-DYNA 算法控制  42-45
  3.2 数值模拟关键参数的确定  45-46
  3.3 数值模拟的有效性验证  46-52
    3.3.1 自由空间中爆炸  46-49
    3.3.2 密闭结构内爆炸  49-52
  3.4 小结  52-53
4 结构泄压爆炸的冲击波特性  53-87
  4.1 模型设计  54-56
  4.2 小比例泄压爆炸的冲击波特性  56-72
    4.2.1 自由空间、半密闭空间内爆炸  57-61
    4.2.2 密闭结构内部爆炸  61-62
    4.2.3 部分泄压空间内爆炸  62-72
  4.3 大比例泄压爆炸的冲击波特性  72-86
    4.3.1 自由空间、半密闭空间内爆炸  72-76
    4.3.2 密闭结构内部爆炸  76-77
    4.3.3 部分泄压空间内爆炸  77-86
  4.4 小结  86-87
5 结论与展望  87-89
  5.1 本文主要结论  87-88
  5.2 后续研究工作展望  88-89
致谢  89-91
参考文献  91-97
附录  97-111
  A. 冲击波各参数图表  97-101
  B. 冲击波超压应力云图及质点速度响应云图  101-111
  C. 作者在攻读硕士期间发表的论文  111

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