主体结构荷载可控的新型组合式防护结构(Ⅱ):影响因素及设计理念

为明确泡沫混凝土厚度和强度对组合式防护结构抗爆性能的影响,充分发挥和合理利用泡沫混凝土良好的消波特性,首先通过试验及数值模拟探讨不同泡沫混凝土厚度和强度对组合式防护结构抗爆性能的影响,并分析分层梯度泡沫混凝土在爆炸波作用下的消波特性。然后将组合式防护结构与采用中粗砂为分配层的传统成层式结构进行对比分析验证其优越性,在此基础上,总结凝练出组合式防护结构的主体结构荷载可控的设计理念。结果表明,利用泡沫混凝土材料较长的屈服平台和较低的波阻抗,以泡沫混凝土作为能量调控层,通过设计泡沫混凝土强度等级(密度等级)和厚度以及采用多层梯度泡沫混凝土,可使得作用于主体结构上的爆炸荷载峰值恰为泡沫混凝土屈服强度,实现对主体结构上荷载的可控设计,有效解决了中粗砂为分配层的传统成层式结构不易控制作用于主体结构上荷载的问题。研究结果可为抗新型钻地弹的防护设计提供重要参考。

具有输入时滞的压电定位平台跟踪控制

文章提出了一种基于预测反馈的反步控制器,以跟踪具有输入延迟的压电定位平台的期望轨迹.压电定位平台采用Hammerstein模型进行描述.根据磁滞逆方法,将带有磁滞的执行器转换为具有有界加性误差的执行器形式,从而将系统转换为线性系统.给出了基于改进预估器的反步控制器的设计方案,以迫使状态跟踪期望轨迹,其中预估器用于补偿输入时滞.最后,通过实验验证了理论结果的有效性.

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析

为评估ABAQUS有限元软件中混凝土损伤塑性模型分析混凝土材料和构件静力性能的能力,用该模型对混凝土材料单轴、双轴应力状态下力学性能以及构件的抗弯、抗剪性能进行模拟,并与试验结果进行对比分析。结果表明,混凝土损伤塑性模型可以较为精确地模拟单轴受压、单轴受拉、双轴受压以及双轴受拉状态下混凝土材料的力学性能,能较好地反映双轴应力状态下的材料破坏包络线,也能较好地预测钢筋混凝土构件的抗弯和抗剪性能及其破坏特征,但不能很好地描述双轴拉压应力状态下混凝土材料的力学性能,也不能反映材料的体积应变发展变化规律。

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析

在持续时间较长的爆炸荷载作用下，钢筋混凝土框架或梁通常会发生常见的弯曲破坏形态，但是在持续时间较短的爆炸荷载，如化学爆炸产生的脉冲荷载作用下，钢筋混凝土结构有可能在弯曲破坏发生之前产生剪切破坏。这种现象已被室内外试验所证实，其原因是脉冲荷载激发了结构中的剪力，从而使结构产生剪切破坏。为了预报钢筋单纯凝土梁在爆炸荷载下的响应破坏形态，本文提出了一种基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁理论的非线性分层梁有限元法。在材料模型中考虑了混凝土和钢盘的右面线性和应变速率效应等因素。应用这方法，本文计算分析了爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应以及弯曲、弯剪和剪切等不同的破坏形态，计算预报的结构动态响应和破坏形态与现场试验结果有较好的一致性。

天津港“8·12”特大火灾爆炸事故建筑物和人员损伤破坏情况及其爆炸威力分析

为定量评估天津港"8·12"特大火灾爆炸事故的灾害效应,文章对公开报道的事故资料进行了收集和梳理,基于质点震动速度、爆炸能量、爆炸成坑特征和建筑毁伤半径等4个关键参数,运用不同方法对爆炸灾害的威力效应(等效TNT当量)进行定量评估;并基于爆炸现场的人员和建筑物的毁伤情况,结合TNT当量比例距离和相关手册的计算方法,对灾害评估结果进行了验证。评估结果表明:通过3种不同方法计算的爆炸灾害等效TNT当量具有较好的一致性,推算此次爆炸的威力相当于500t TNT炸药。

围压与温度共同作用下盐岩的SHPB实验及数值分析

在自主研制的可进行围压和温度共同加载的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置TSCPT-SHPB基础上,对盐岩在5～25 MPa围压作用下的轴向动力性能以及盐岩在40℃～80℃,0.0～0.5 MPa围压下进行实验研究,分析围压和应变率对盐岩在围压作用下轴向抗压强度动力增长系数(DIF)的影响,以及温度和围压对盐岩动态力学性能的影响。结果表明:在动态作用下,围压对盐岩延性的提高有显著影响;盐岩属率敏感性和温度敏感性材料,其峰值强度随应变率的提高而提高,在低围压下的提高幅度比高围压下显著,并得到实验范围内盐岩材料动力增长系数(DIF)与围压和应变率关系的表达式;在高应变率(400 s-1)条件下,盐岩的动态峰值强度随温度的升高而降低,并依据实验数据,拟合得到峰值强度在各实验温度下随围压变化的计算公式。为考虑应变软化效应,对ABAQUS有限元软件中的Drucker-Prager模型进行改进,并基于单向动态围压下的实验数据拟合的计算参数,对盐岩TSCP-SHPB实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。

爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应与破坏模式的数值分析

在爆炸荷载(尤其是脉冲荷载)作用下,除了常见的弯曲破坏形态之外,钢筋混凝土结构还可能发生直剪破坏和弯剪破坏。如何准确地预测爆炸荷载作用下的钢筋混凝土结构动态响应和破坏特征是当前抗爆结构领域十分关注的课题之一。该文介绍作者近年来在这方面的一些研究成果,主要有:将三参数形式的应变速率型材料模型推广应用于二维状态下的混凝土本构关系,建立了弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法;基于Timoshenko梁理论和弹粘塑性理论,分别采用有限差分法和有限元法,建立了土中浅埋钢筋混凝土结构动力响应和破坏模式的有限差分和有限元分析方法。对爆炸荷载作用下的典型钢筋混凝土结构计算结果表明:基于Timoshenko梁理论的有限差分分析方法和有限元分析方法能较好地模拟梁的动态响应和弯曲、弯剪以及直剪的破坏模式,而二维弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法只能较好地模拟梁的弯曲破坏模式。

堆石混凝土三维力学模型建模方法

为建立堆石混凝土三维力学模型,首先采用三维随机多面体来模拟堆石颗粒,提出了堆石颗粒的空间随机分布算法和密实算法;其次提出了自密实混凝土填充算法,生成了堆石混凝土三维力学模型;最后利用建立的三维力学模型,分析了单轴受压条件下,堆石混凝土结构组成对其力学性能的影响,并将计算结果与试验结果进行了对比.结果表明:所建立的堆石混凝土三维力学模型不仅能够反映堆石颗粒大小、形状和空间分布的随机性,还能反映其密实过程和堆石体骨架对堆石混凝土力学性能的影响,具有一定的可靠性,可以弥补试验条件的限制,为进一步研究堆石混凝土力学性能提供参考.

钢结构防护门结构优化的数值分析

为了评估现有钢结构防护门门扇结构设计的合理性,进一步优化其结构构件的合理布局,以典型钢结构防护门为研究对象,应用AN SYS有限元软件,建立了参数化有限元模型和优化数学模型,用AN SYS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核爆炸和常规武器爆炸的能力。研究结果表明,将有限单元法与优化设计方法相结合应用于钢结构防护门的计算机辅助优化设计是可行和有效的。

端部设置弹簧和阻尼器提高防护门抗力的理论与数值分析

如何提高防护门抗力是当前防护工程领域研究的热点问题之一。在理论分析的基础上,提出了一种通过在防护门两端设置弹性与阻尼支承来提高防护门抗力的技术措施,给出了弹性刚度和阻尼的选取原则,并利用ABAQUS有限元软件,对典型的平板式和拱型钢包混凝土高抗力防护门在核爆及化爆荷载作用下的动力响应进行了非线性数值分析,计算结果表明,在防护门两端设置弹性与阻尼支承可使防护门的抗力明显提高,荷载作用时间愈短,抗力提高幅度愈大。

爆炸荷载作用下影响RC梁破坏形态的主要因素分析

在冲击、爆炸等强荷载作用下,钢筋混凝土结构通常是发生弯曲破坏。室内外试验结果表明,当动荷载峰值较大、作用时间较短(脉冲荷载)时,钢筋混凝土结构易发生脆性的剪切破坏,其主要原因是脉冲荷载的高频成份丰富和加载速率高等特点容易激发结构构件中的剪切变形和剪应力。本文基于Timoshenko梁理论,提出了一种爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态的有限差分预报方法,利用该方法分析了荷载加载速率、截面高度、混凝土强度、配筋率等对钢筋混凝土梁破坏形态的影响规律,并指出,随着荷载升压段加载速率、截面高度、主筋配筋率的增加或混凝土强度的降低,梁的破坏形态从弯曲破坏转变为剪切破坏。

爆炸与火荷载联合作用下钢梁耐火极限的数值分析

为了弄清爆炸和火荷载对钢结构的联合作用机理及效果,以分层Timoshenko梁非线性动力有限元方法为基础,在材料本构模型中考虑材料应变速率效应和温度效应,建立爆炸和火荷载联合作用下钢梁的有限元数值分析方法,并编制相应程序FRAME-BF,利用该程序定量分析了爆炸荷载作用对钢梁耐火极限的影响规律。研究结果表明:爆炸荷载作用将降低梁的耐火能力;梁长度越长,爆炸荷载对梁耐火极限的影响程度越显著。

梁的剪力动力系数的确定

分别应用振型叠加法和非线性有限元方法,研究了线性和非线性条件下梁的剪力响应,给出了抗爆结构设计计算所需要的剪力动力系数。研究结果表明:(1)在突加三角形荷载作用下,正向剪力动力系数随荷载作用时间与基本周期比(td/T1)的增大而增大,负向剪力动力系数先随td/T1的增大而增大,在保持常值前随td/T1的增大而略有减小;而在升压平台型荷载作用下,正向剪力动力系数随荷载升压时间与基本周期比(tr/T1)的增大而减小。(2)正向和负向剪力动力系数都随厚跨比(h/l)的增大而增大。(3)当梁进入塑性响应阶段后,随着延性比的增大,与弹性响应相比支座剪力逐渐减小;剪力的降低幅度随荷载作用时间(td)或升压时间(tr)的增大而减小。

爆炸与火荷载联合作用下钢柱变形与破坏的数值分析

为了探讨爆炸和火荷载对钢柱的联合作用效果,以有限元软件ABAQUS为基础,建立了爆炸和火荷载对钢柱联合作用的三维有限元数值分析方法,包括显式准静态分析、显式动力学分析、显式热传导及热应力耦合分析3个步骤,计算过程中考虑了应变速率和高温软化效应对材料本构关系的影响。通过典型的钢柱抗火试验数据验证了分析模型和方法的可行性,并利用该方法定量分析了先爆炸后火荷载联合作用下钢柱的变形与破坏特点。结果表明,爆炸荷载降低了钢柱的耐火极限。

弹体侵彻刚玉块石混凝土复合靶体的数值分析

在先前混凝土三维细观模型和块石遮弹层三维模型研究的基础上,研究了小直径炸弹侵彻条件下,刚玉块石遮弹层的抗侵彻性能。重点分析了弹体侵彻条件对侵彻深度和弹体偏转角度的影响以及遮弹层构造参数对侵彻结果的影响;详细探讨了弹体命中速度、命中角度和弹着点位置,以及刚玉块石大小、体积率和填充混凝土强度对遮弹层抗侵彻性能的影响。与普通块石遮弹层相比,刚玉块石混凝土复合遮弹层具有更好的抗弹体侵彻性能。

爆炸荷载作用下弹性与阻尼支承梁的动力响应

为了提高梁的抗爆能力,目前通常是从材料、截面形状等方面考虑．通过在梁端部设置弹性和阻尼支承来提高梁的抗力．为此,应用拉格朗日方程建立了端部弹性与阻尼支承梁的动力方程,通过长作用时间和短作用时间两个爆炸动荷载的典型算例,分析了端部弹性与阻尼支承对梁动态响应的影响,并指出在短作用时间动荷载作用下在梁端部设置弹性与阻尼支承可有效提高梁的抗力．

防护结构设计中应变速率效应问题

在防护结构设计中，通常是采用材料的动力强度和动力弹性模量以考虑应变速率效应问题。应用所提出的应变速率相关材料模型，对核武器及常规武器爆炸作用下的钢结构和钢筋混凝土结构进行速率相关分析，并与考虑材料强度提高的速率无关分析对比。两种分析结果表明，对于钢结构，两种计算结果相差不大；而对于钢筋混凝土结构．两种计算结果相差较大，而且目前防护结构设计方法偏于保守。

非线性弹性大变形材料梁的抗爆特性

从理论上探讨了非线性弹性大变形材料应用于抗爆结构的可行性,为此,基于等效结构体系的分析原理,将两端固定铰支梁的横向和纵向位移表示为三角级数形式,应用第二类Lagrange方程建立了非线性大变形材料梁的非线性分析方法,并且用ABAQUS有限元软件中的超弹性材料模型验证了所提出的方法的有效性。对典型的爆炸荷载作用下非线性弹性大变形材料梁的抗爆特性进行了分析,讨论了动力放大系数和材料性质及动荷载之间的关系。结果表明:与线弹性小变形材料相比,非线性弹性大变形材料具有优良的抗爆特性,结构的抗爆能力随结构变形的增大而显著提高。

门上设置弹簧与阻尼器的防护门抗爆性能的理论与数值分析

采用理论与数值分析方法研究在门上设置弹簧和阻尼器提高防护门抗力的可行性及有效性。首先,利用第二类Lagrange方程,建立了门体上设置弹簧和阻尼器结构的三自由度等效体系简化分析模型,系统研究了刚度系数、阻尼系数和质量比对防护门动力响应的影响特点与规律,结果表明:仅在刚度系数和阻尼系数较小的情况下,上述措施可以有效降低防护门的跨中位移,但此时门上辅助结构的位移太大;在刚度系数较大而阻尼系数较小的情况下,防护门与门上辅助结构之间存在共振现象;在刚度系数和阻尼系数都足够大的情况下,上述措施作用仍然十分有限。其次,对典型的防护门结构进一步进行了精细化非线性有限元分析,计算结果再一次表明门上设置弹簧和阻尼器难以有效提高防护门抵抗核爆和化爆荷载的能力。

显式Newmark法求解波动问题精度的探讨

本文对一维平面弹性波动问题,研究了预估-校正形式的显式Newmark积分格式求解精度。对工程中常见的平台型和升压平台型荷载作用下的波动问题,采用预估-校正形式的显式New-mark积分格式产生的数值阻尼技巧是提高有限元求解波动问题精度的一个有效方法。