爆炸荷载作用下防护门的动态响应行为和反弹机理探讨

来源: www.sblunwen.com 作者:taotao 发布时间:2014-07-03 08:50 论文字数:87000字
论文编号: sb201407030018269989 论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:- 论文价格: 150
本文为防护论文,主要论述防护,梁板式钢结构防护门是用钢质材料做门框、门扇及骨架,门体内部可填充隔热材料,并配以特种铰页、多点连动锁点、抗爆插销、抗爆中挺、逃生锁、闭锁组成

第 1 章 绪论

 
1.1 选题意义以及工程背景
和平与发展已成为当今世界发展的主题,但战争的危险依然存在,像历史遗留问题、地区霸权主义,经济利益冲突,民主宗教问题等等,由它们引发的地区性冲突一直没有停息,发展到一定阶段就会引起战争。现代战争的特点可以概括为:“在核威慑条件下的常规战争”。一方面,核战争的可能性依然存在,“核技术将被越来越多的国家所掌握”,这是严酷的事实。另一方面,常规战争随时可能爆发,如北约轰炸南联盟,美国攻打阿富汗、伊拉克等等。并且,随着科学技术的进步,出现了一批大口径、大威力的炮航弹武器以及高精度的精确制导常规武器,使得炮航弹或导弹直接命中结构爆炸或近距离爆炸已成为现实,这就要求防护工程必须具有更高的抗力及隔震能力。
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1.2 高抗力防护门的研究现状
目前,国外挪威 NORFO 公司生产的型号为 TBS100 和 TS100 的防护门可以抵抗 10MPa 的核爆炸冲击波,TBS20 和 TBS30 系列的钢筋混凝土防护门,如图 1.1所示,核武器抗力级别为 0.3~1.1MPa,其中 TBS20 能够经受住 500 磅低阻式普通爆破弹在 2.5 米处的爆炸[12]。另外,荷兰的 SDI 公司生产的防护门核武器抗力级别可达 30MPa[13]。近日,乌克兰向公众开放了境内前苏联的一个潜艇洞库基地,该基地内部设置多道高抗力防护门,如图 1.2 所示,但具体抗力级别未公布[14]。国内相关文献报道的防护门静抗力最高可达 41MPa[11]。我国目前广泛采用总参工程兵科研四所设计研究的系列防护门,该系列已编制成标准图集,并广泛应用于抗力等级较低的国防和人防工程[15],如图 1.3(a)所示。对于特别重要的国防工程,海军、空军、二炮均自行研制了符合各自工程需要的高抗力防护门[8,21,157],如图 1.3(b)所示。
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第 2 章 典型梁板式钢结构防护门的动力响应及抗力分析
 
2.1 引言
梁板式钢结构防护门是用钢质材料做门框、门扇及骨架,门体内部可填充隔热材料,并配以特种铰页、多点连动锁点、抗爆插销、抗爆中挺、逃生锁、闭锁组成的能有效抵抗爆炸冲击波荷载作用的特种门,其中骨架梁是主要受力构件,其形式主要有平板、工字钢等,可按十字形、井字形等布置在门扇中间,并上下辅以面板。当爆炸荷载作用在面板上时,骨架梁能分担大部分荷载,使防护门的抗力明显提高,该类防护门由于抗力较低,常用于不太重要的人防、国防等工程口部,如:高层建筑的人防地下室、地铁车站的人防段、抗力等级较低的军事后方仓库、油料库、人员掩蔽部等工程。目前,对梁板式钢结构防护门只进行了一些初步探讨,Hsieh等[23]利用有限元程序研究了梁板式钢结构防护门的动力响应,得出肋梁能够承受大部分爆炸荷载,在铰页附近的肋梁首先发生局部屈服,并进行了静载抗压试验,试验结果与有限元结果吻合较好;方秦等[132]将有限单元法与优化设计方法应用于梁板式钢结构防护门,通过ANSYS有限元软件的参数化设计语言编制了有限元分析文件及优化控制文件,对防护门的截面和骨架梁布置方式进行了优化计算与分析,并研究了优化后防护门抵抗爆炸荷载的能力;郭海凰[2]利用ANSYS有限元程序分析了常规武器爆炸荷载作用下梁板式钢结构防护门的动态响应,并对现有的梁板式防护门进行了优化设计,给出了适合常规武器爆炸荷载作用下的新型防护门设计图纸;台湾国防大学中正理工学院的郑丁兴等[133-136]对防爆门在近距离爆炸下的行为进行了探讨,运用LS-DYNA有限元软件中的ALE方法模拟了爆炸行为,另利用爆热、爆温及比例距离的关系,提出了温度梯度方法,并探讨了零配件对整体防爆门的影响规律。
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2.2 典型梁板式钢结构防护门的抗力评估
 
2.2.1 有限元模型的建立
由于梁板式钢结构防护门多数属于定型产品,故计算采用一典型的梁板式钢结构单扇防护门 GF2025(5)[15],门扇尺寸为 2.12m×2.6m,洞口尺寸为 2m×2.5m,门扇内均匀设置三道主梁和三道次梁构成门扇骨架,周边用边梁连接,骨架上下焊接 8mm 钢面板,骨架区格内填充防火岩棉,门扇总厚度为 156mm,总重量约1886Kg。主梁和次梁采用工字钢,型号为 I14(H×W×tw×tf=140×80×5.5×9.1mm),边梁采用槽钢,型号为[14a(H×W×tw×tf=140×58×6.0×9.5mm),设计抗力 0.3MPa,如图 2.1 所示。门体材料采用 Q235 钢, 其力学参数为:弹性模量 E=2.06×105MPa,密度 ρ=7800 kg/m3,泊松比 v= 0.3,屈服强度 fy=215MPa。其中 1~5 点位置定义为1:门扇的中心点;2、3、4:主梁和次梁的交点;5:主梁和次梁网格的中心点,有限元模型中忽略门框、铰页和闭锁的影响,假设门扇四边简支于门框,理由是:(1)四边简支情况的位移大于考虑门扇、铰页接触关系后的位移,这种忽略可以使设计更加保守;(2)只研究门扇的动力响应行为,不考虑铰页闭锁对它的影响;(3)不考虑接触关系后可以使模型更加简单,计算速度更快;
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第 3 章 典型钢包钢管混凝土防护门的动力响应及抗力分析...............55
3.1 引言...................................55
3.2 混凝土抗爆性能分析的数值模型................................56
3.3 钢管混凝土抗爆性能分析的数值模型..................................63
3.4 典型钢包钢管混凝土防护门抗爆性能分析的数值模型....................67
3.5 钢包钢管混凝土防护门动力响应的影响因素分析.......................71
3.6 小结..........................................76
第 4 章 基于分布参数体系的防护门反弹机理分析.........................78
4.1 引言...............................................78
4.2 防护门动力响应及反弹的特点......................................79
4.3 爆炸荷载的选取...............................................81
4.4 基于分布参数体系的防护门反弹效应分析的理论基础..................83
4.5 剪力动力系数的确定............................................88
4.6 基于分布参数体系的防护门反弹效应的影响因素分析................94
4.7 小结.............................................103
 
第 6 章 典型梁板式钢结构防护门反弹效应的数值分析及设计建议
 
6.1 引言
第 4 章和第 5 章主要从理论方面研究了爆炸荷载作用下防护门的反弹机理,并对门扇的边界条件进行了简化,给出了门扇在常用爆炸荷载作用下的剪力动力系数和反弹抗力曲线,但是防护门的实际边界条件在空间和时间上具有非连续性,在动力响应的前半个周期,门扇的边界条件可以简化为四边简支,但在后半个周期却变成一对边自由,一对边四点(两闭锁和两铰页处)支承,这是理论分析无法考虑的。同时,理论分析只是考虑了防护门在弹性阶段的反弹力,而没有考虑防护门进入塑性阶段后的反弹规律。本章利用 ABAQUS 有限元软件对典型梁板式钢结构防护门在爆炸荷载作用下的反弹效应进行研究,充分考虑气密条、弹性模量、铰页配置、闭锁配置、比例爆距和荷载作用时间对门扇反弹效应的影响规律,提出防护门抗反弹设计的建议。
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第 7 章 结论与展望
 
7.1 本文的主要成果及结论
论文以实际工程中常用的梁板式钢结构防护门和钢包钢管混凝土高抗力防护门为研究对象,对这两类防护门在爆炸荷载作用下的动态响应行为和反弹现象进行了深入系统的理论和数值模拟研究,可为防护门在工程上的应用及改进提供进一步的试验及理论依据。论文工作主要包括爆炸荷载作用下防护门的抗力分析和反弹机理分析两大部分。在抗力分析中,建立了考虑温度影响、约束效应和应变速率效应影响的有限元模型,利用该模型对现有两种常用的防护门结构形式进行了抗力评估,分析了影响抗力的各种因素,给出了工程计算实用模型;在反弹机理分析中,利用理论方法对简化的防护门模型进行了反弹效应分析,利用数值方法对实际防护门结构进行了反弹效应模拟,考虑了影响反弹的主要因素,给出了工程常用的反弹抗力曲线和设计建议。
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参考文献(略)

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