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    噴涂聚脲彈性體H型鋼柱抗爆性能分析

    日期:2021年05月01日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:93
    論文價格:150元/篇 論文編號:lw202104221029278231 論文字數:38855 所屬欄目:土木工程論文
    論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis

    本文是一篇土木工程論文,本文首先對聚脲與不同金屬材料結合形成的復合結構進行沖擊試驗,研究了聚脲彈性體對不同金屬的防護機理,并對試驗中的部分工況建立數值模型,通過與試驗結果進行對比,驗證了數值模擬的合理性。以噴涂不同厚度聚脲彈性體 H型鋼柱作為研究對象,分析了聚脲彈性體在不同爆炸條件作用下對 H 型鋼柱抗爆性能的影響。


    第 1 章 緒論


    1.1 研究背景及意義

    過去幾十年中,世界各地恐怖襲擊、意外爆炸事件時有發生,而此類重大安全事故不僅給人們帶來極大的經濟損失,也對社會造成了惡劣的影響。爆炸荷載對建筑物的影響已成為一個重要的研究目標。隨著鋼結構在世界范圍內的廣泛應用,與鋼結構相關理論分析也被廣大研究學者所關注。鋼柱是鋼結構的主要承重部件,如果在鋼柱的附近有爆炸發生時,鋼柱將受到嚴重破壞,而這種局部破壞又會擴展到整個鋼結構,導致整個結構的倒塌,因此,對于鋼結構的防爆研究也成為當前世界各國的一個重要研究領域。

    一般采用增加防護介質厚度、開發使用新材料和采用復合結構等方案,來提高結構的抗爆能力。傳統的防護材料有:陶瓷、混凝土、鋼制裝甲等,這些材料的使用大大增加了結構自身的重量,因此其防護作用也被限制。

    在過去幾十年中,聚合物聚脲材料在防護領域的應用被廣大研究學者關注。和其它材料相比,聚合物聚脲材料具有固化快、附著力好、硬度隨意可調,對濕度和溫度不敏感等特點,因而被廣泛應用到各個工程當中[1-5]。由于聚合物和工程織物等材料的出現,研究人員提出了在建筑物和結構上使用聚合物涂層來增強結構的抗爆能力[6]。這些材料在靜態和動態載荷下都表現出增強結構穩定性的能力,因此,研究這些材料在各種載荷作用下的動態響應顯得非常重要[7]。近些年眾多研究學者對聚脲材料在防護領域的研究也越來越多,研究發現,該物質具有低揮發、低收縮、防潮的特性,與塑料、鋼、混凝土等材料之間具有很高的粘結力[8-9]。聚脲彈性體材料也正因這些優良的特性,在各個方面的應用非常廣泛,因此,進一步深入開展對聚脲材料防護特性的研究具有重要意義。

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    1.2 國內外研究現狀

    1.2.1 爆炸荷載作用下構件的響應分析

    爆炸的過程極為迅速,能夠瞬間將其能量釋放出來。爆炸荷載的特點是:作用時間短、超壓峰值大。爆炸沖擊荷載對結構的動力響應十分復雜,結構材料性能受應變率影響較大[10]。

    Chen 和 Liew 等[11-12]研究了在局部爆炸荷載作用下和火災后鋼框架及鋼柱的動態響應特點,然后通過對鋼柱進行參數化分析,研究了在爆炸荷載作用下鋼柱的柱長、邊界條件和加載方式對鋼柱抗爆性能的影響。Kyungkoo Lee 等[13]運用數值模擬的方法研究了在爆炸沖擊波作用下鋼柱的局部破壞特點,并通過對比分析 ConWeb 和 AtBlast 程序中基于實驗直接法計算的載荷進行了比較,驗證了計算結果的合理性。研究了截面尺寸和邊界條件對鋼框架結構柱性能和破壞的影響。張秀華等[14]運用數值模擬的方法,以鋼框架柱為研究對象,通過對其施加不同的爆炸荷載,研究其動態響應。研究得出,準靜態荷載作用下,鋼柱主要發生整體彎曲屈曲破壞,對鋼柱施加動力荷載后,鋼柱的破壞形式主要表現為柱腳處剪切破壞,在沖量荷載作用下,鋼柱的破壞模式較為復雜,一般在柱腳處發生剪切破壞,在柱中翼緣位置發生屈曲破壞。周龍云等[15]基于數值模擬的方法,通過對 6 種截面 H 型鋼柱在不同爆炸荷載作用下的動態響應進行分析,引入了相對撓度 ωR的概念,并建立了相對撓度 ωR與剩余承載力系數 K 的回歸方程,據此提出了鋼柱受損的判定依據并劃分了損傷性等級。

    劉明路等[16]利用 ABAQUS 軟件采用殼單元建立數值模型,同時考慮了高應變率對鋼材料性能的影響,對工字型鋼柱在爆炸沖擊荷載作用的動態響應進行研究。通過參數化分析,研究了爆炸荷載的形式、鋼柱邊界條件等因素對工字型鋼柱抗爆性能的影響。楊濤春等[17]通過數值模擬計算和試驗數據相結合的方式,對3 種不同類型爆炸條件下鋼柱的動態響應進行了研究,主要分析了工字型鋼柱不同位置的沖擊波超壓曲線,分析了不同爆炸荷載作用下,鋼柱的破壞特征,研究得出:遠距離的爆炸時,鋼柱主要表現整體破壞,近距離爆炸時,鋼柱表現為局部破壞。田力等[18]建立了汽車撞擊與爆炸復合作用下 H 型鋼柱的數值模型,研究發現:不能盲目通過提高鋼柱的材料強度來提升鋼柱的抗爆、抗沖擊性能,將鋼柱的軸向荷載控制在一定范圍內,能保證鋼柱在被撞擊后保持一定的穩定性。

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    第 2 章 爆炸與有限元分析理論


    2.1 爆炸分類

    爆炸過程往往在極短的時間完成,爆炸發生的同時將釋放出巨大的能量。根據爆炸物的約束情況將爆炸荷載分為有約束爆炸和無約束爆炸。無約束爆炸分為自由空氣爆炸、近地爆炸和地面爆炸;有約束爆炸分為開放式約束爆炸、部分約束式爆炸、完全約束爆炸。本文主要研究 TNT 炸藥在近地爆炸與地面爆炸對結構造成的影響。

    2.1.1 無約束爆炸

    (1)自由空氣爆炸

    爆炸發生在距離結構與地面比較遠的自由空氣中,爆炸產生的沖擊波在傳播過程中不發生反射、衍射等現象,作用于結構上的沖擊波并沒有得到加強,此類爆炸稱為自由空氣爆炸。

    (2)近地爆炸

    此類爆炸,一般在結構附近的一定位置發生,爆炸產生的沖擊波并沒有直接作用于結構,而是首先與地面發生作用形成反射波,隨后反射波與初始沖擊波耦合形成馬赫波,最終作用于結構上,這類爆炸稱為近地爆炸。

    (3)地面爆炸

    地面爆炸一般是指爆炸物在地面或地面附近發生爆炸,產生的沖擊波經過地面反射增強,然后作用到結構上,這類爆炸稱為地面爆炸。

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    2.2 爆炸沖擊波基本特征

    2.2.1 爆炸超壓

    爆炸在極短的時間內將其內部的能量進行釋放,在其周圍形成高壓沖擊波,也被稱為初始沖擊波。爆炸沖擊波在空氣中傳播時,會被建筑物、地面設備等不同因素的影響而發生反射、繞射等現象,沖擊波的超壓峰值隨時間逐漸減弱。在整個過程中,沖擊波不斷地在向外膨脹,壓縮外圍的空氣,同時也造成了周邊物質結構的損傷與破壞。

    圖 2-1 爆炸沖擊波的形成和壓力分布

    圖 2-1 為空氣中爆炸沖擊波的形成與壓力分布圖。爆炸物在空氣中發生爆炸后,產生的高壓沖擊波迅速向外擴散,爆炸產物對外做功,對接觸到的空氣進行快速壓縮,推動爆炸沖擊波不斷向前移動,周圍空氣在爆炸沖擊波的作用下壓力由0p迅速躍升為 p。沖擊波以球面形式進行傳播,當沖擊波傳播到較遠的距離時,球形沖擊波的等壓面面積也不斷增大,因此,即使沖擊波在傳播過程中沒有能量損失,其同一等壓面單位面積上所攜帶的能量也在持續減小。沖擊波的傳播是一個熵增過程,因此能量一直在被消耗,并且沖擊波的強度越大,能量消耗則越多。從圖中可以看出,沖擊波超壓分為兩個區域,超壓大于零的正壓區域,超壓小于零的負壓區域。

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    第 3 章 聚脲復合材料的抗沖擊性能研究..............................19

    3.1 試件制備與試驗方案...............................19

    3.1.1 試驗材料與試驗工況.........................19

    3.1.2 試驗裝置......................21

    第 4 章 聚脲對 H 型鋼柱在不同爆炸條件下的防護作用.............33

    4.1 模型簡介與分析方法........................33

    4.2 材料模型的選擇............................34

    第 5 章 聚脲對 H 型鋼柱在近距離爆炸時的防護作用.................47

    5.1 爆炸沖擊波傳播過程....................47

    5.2 塑性變形分析.......................48


    第 5 章 聚脲對 H 型鋼柱在近距離爆炸時的防護作用


    5.1 爆炸沖擊波傳播過程

    圖 5-1 為近距離爆炸時爆炸沖擊波的傳播過程。當炸藥被引爆后,在極短的時間內將其內部能量釋放,并形成不斷向外擴散的高壓沖擊波。由圖 5-1 可以看出,隨著沖擊波向周圍擴散,t=0.05ms 時沖擊波與鋼柱前翼緣發生接觸,此后沖擊波開始與鋼柱發生作用,與此同時沖擊波因為遇到鋼柱開始發生繞流現象,當t=0.35ms 時爆炸沖擊波達到鋼柱的后翼緣位置,t=0.9ms 時爆炸沖擊波傳播至鋼柱的柱頂、柱底并迅速達到峰值。

    圖 5-1 爆炸沖擊波傳播過程Fig.5-1 The propagation of the blast wave

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    結論與展望


    結論

    本文首先對聚脲與不同金屬材料結合形成的復合結構進行沖擊試驗,研究了聚脲彈性體對不同金屬的防護機理,并對試驗中的部分工況建立數值模型,通過與試驗結果進行對比,驗證了數值模擬的合理性。以噴涂不同厚度聚脲彈性體 H型鋼柱作為研究對象,分析了聚脲彈性體在不同爆炸條件作用下對 H 型鋼柱抗爆性能的影響。主要得到了以下結論:

    (1)利用擺錘沖擊試驗機,對 90 根聚脲與不同金屬組成的復合結構進行沖擊試驗,通過對試件吸收的能量、試件破壞形態、金屬斷面的分析以及試件試驗前后溫度場的分布,得出聚脲可以提升試件的抗沖擊能力,放大金屬試件的斷面,發現聚脲能夠提升金屬的塑性變形能力,分析復合試件沖擊前后溫度場分布,發現聚脲通過變形將吸收的一部分能量轉化為熱能進行耗散。

    (2)通過對不同爆炸條件下的 H 型鋼柱進行研究,得到在 H 型鋼柱表面噴涂聚脲彈性體可以明顯提高鋼柱整體的抗爆能力,當爆炸發生在 H 型鋼柱的強軸方向時,鋼柱的最大塑性變形區域在 H 型鋼柱柱腳翼緣與腹板的連結處,噴涂5mm 厚的聚脲最大減小了該區域 26.3%塑性變形,爆炸發生在 H

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