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喷涂聚脲弹性体H型钢柱抗爆性能分析

日期:2021年05月01日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:295
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202104221029278231 论文字数:38855 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文首先对聚脲与不同金属材料结合形成的复合结构进行冲击试验,研究了聚脲弹性体对不同金属的防护机理,并对试验中的部分工况建立数值模型,通过与试验结果进行对比,验证了数值模拟的合理性。以喷涂不同厚度聚脲弹性体 H型钢柱作为研究对象,分析了聚脲弹性体在不同爆炸条件作用下对 H 型钢柱抗爆性能的影响。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景及意义

过去几十年中,世界各地恐怖袭击、意外爆炸事件时有发生,而此类重大安全事故不仅给人们带来极大的经济损失,也对社会造成了恶劣的影响。爆炸荷载对建筑物的影响已成为一个重要的研究目标。随着钢结构在世界范围内的广泛应用,与钢结构相关理论分析也被广大研究学者所关注。钢柱是钢结构的主要承重部件,如果在钢柱的附近有爆炸发生时,钢柱将受到严重破坏,而这种局部破坏又会扩展到整个钢结构,导致整个结构的倒塌,因此,对于钢结构的防爆研究也成为当前世界各国的一个重要研究领域。

一般采用增加防护介质厚度、开发使用新材料和采用复合结构等方案,来提高结构的抗爆能力。传统的防护材料有:陶瓷、混凝土、钢制装甲等,这些材料的使用大大增加了结构自身的重量,因此其防护作用也被限制。

在过去几十年中,聚合物聚脲材料在防护领域的应用被广大研究学者关注。和其它材料相比,聚合物聚脲材料具有固化快、附着力好、硬度随意可调,对湿度和温度不敏感等特点,因而被广泛应用到各个工程当中[1-5]。由于聚合物和工程织物等材料的出现,研究人员提出了在建筑物和结构上使用聚合物涂层来增强结构的抗爆能力[6]。这些材料在静态和动态载荷下都表现出增强结构稳定性的能力,因此,研究这些材料在各种载荷作用下的动态响应显得非常重要[7]。近些年众多研究学者对聚脲材料在防护领域的研究也越来越多,研究发现,该物质具有低挥发、低收缩、防潮的特性,与塑料、钢、混凝土等材料之间具有很高的粘结力[8-9]。聚脲弹性体材料也正因这些优良的特性,在各个方面的应用非常广泛,因此,进一步深入开展对聚脲材料防护特性的研究具有重要意义。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 爆炸荷载作用下构件的响应分析

爆炸的过程极为迅速,能够瞬间将其能量释放出来。爆炸荷载的特点是:作用时间短、超压峰值大。爆炸冲击荷载对结构的动力响应十分复杂,结构材料性能受应变率影响较大[10]。

Chen 和 Liew 等[11-12]研究了在局部爆炸荷载作用下和火灾后钢框架及钢柱的动态响应特点,然后通过对钢柱进行参数化分析,研究了在爆炸荷载作用下钢柱的柱长、边界条件和加载方式对钢柱抗爆性能的影响。Kyungkoo Lee 等[13]运用数值模拟的方法研究了在爆炸冲击波作用下钢柱的局部破坏特点,并通过对比分析 ConWeb 和 AtBlast 程序中基于实验直接法计算的载荷进行了比较,验证了计算结果的合理性。研究了截面尺寸和边界条件对钢框架结构柱性能和破坏的影响。张秀华等[14]运用数值模拟的方法,以钢框架柱为研究对象,通过对其施加不同的爆炸荷载,研究其动态响应。研究得出,准静态荷载作用下,钢柱主要发生整体弯曲屈曲破坏,对钢柱施加动力荷载后,钢柱的破坏形式主要表现为柱脚处剪切破坏,在冲量荷载作用下,钢柱的破坏模式较为复杂,一般在柱脚处发生剪切破坏,在柱中翼缘位置发生屈曲破坏。周龙云等[15]基于数值模拟的方法,通过对 6 种截面 H 型钢柱在不同爆炸荷载作用下的动态响应进行分析,引入了相对挠度 ωR的概念,并建立了相对挠度 ωR与剩余承载力系数 K 的回归方程,据此提出了钢柱受损的判定依据并划分了损伤性等级。

刘明路等[16]利用 ABAQUS 软件采用壳单元建立数值模型,同时考虑了高应变率对钢材料性能的影响,对工字型钢柱在爆炸冲击荷载作用的动态响应进行研究。通过参数化分析,研究了爆炸荷载的形式、钢柱边界条件等因素对工字型钢柱抗爆性能的影响。杨涛春等[17]通过数值模拟计算和试验数据相结合的方式,对3 种不同类型爆炸条件下钢柱的动态响应进行了研究,主要分析了工字型钢柱不同位置的冲击波超压曲线,分析了不同爆炸荷载作用下,钢柱的破坏特征,研究得出:远距离的爆炸时,钢柱主要表现整体破坏,近距离爆炸时,钢柱表现为局部破坏。田力等[18]建立了汽车撞击与爆炸复合作用下 H 型钢柱的数值模型,研究发现:不能盲目通过提高钢柱的材料强度来提升钢柱的抗爆、抗冲击性能,将钢柱的轴向荷载控制在一定范围内,能保证钢柱在被撞击后保持一定的稳定性。

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第 2 章 爆炸与有限元分析理论


2.1 爆炸分类

爆炸过程往往在极短的时间完成,爆炸发生的同时将释放出巨大的能量。根据爆炸物的约束情况将爆炸荷载分为有约束爆炸和无约束爆炸。无约束爆炸分为自由空气爆炸、近地爆炸和地面爆炸;有约束爆炸分为开放式约束爆炸、部分约束式爆炸、完全约束爆炸。本文主要研究 TNT 炸药在近地爆炸与地面爆炸对结构造成的影响。

2.1.1 无约束爆炸

(1)自由空气爆炸

爆炸发生在距离结构与地面比较远的自由空气中,爆炸产生的冲击波在传播过程中不发生反射、衍射等现象,作用于结构上的冲击波并没有得到加强,此类爆炸称为自由空气爆炸。

(2)近地爆炸

此类爆炸,一般在结构附近的一定位置发生,爆炸产生的冲击波并没有直接作用于结构,而是首先与地面发生作用形成反射波,随后反射波与初始冲击波耦合形成马赫波,最终作用于结构上,这类爆炸称为近地爆炸。

(3)地面爆炸

地面爆炸一般是指爆炸物在地面或地面附近发生爆炸,产生的冲击波经过地面反射增强,然后作用到结构上,这类爆炸称为地面爆炸。

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2.2 爆炸冲击波基本特征

2.2.1 爆炸超压

爆炸在极短的时间内将其内部的能量进行释放,在其周围形成高压冲击波,也被称为初始冲击波。爆炸冲击波在空气中传播时,会被建筑物、地面设备等不同因素的影响而发生反射、绕射等现象,冲击波的超压峰值随时间逐渐减弱。在整个过程中,冲击波不断地在向外膨胀,压缩外围的空气,同时也造成了周边物质结构的损伤与破坏。

图 2-1 爆炸冲击波的形成和压力分布

图 2-1 为空气中爆炸冲击波的形成与压力分布图。爆炸物在空气中发生爆炸后,产生的高压冲击波迅速向外扩散,爆炸产物对外做功,对接触到的空气进行快速压缩,推动爆炸冲击波不断向前移动,周围空气在爆炸冲击波的作用下压力由0p迅速跃升为 p。冲击波以球面形式进行传播,当冲击波传播到较远的距离时,球形冲击波的等压面面积也不断增大,因此,即使冲击波在传播过程中没有能量损失,其同一等压面单位面积上所携带的能量也在持续减小。冲击波的传播是一个熵增过程,因此能量一直在被消耗,并且冲击波的强度越大,能量消耗则越多。从图中可以看出,冲击波超压分为两个区域,超压大于零的正压区域,超压小于零的负压区域。

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第 3 章 聚脲复合材料的抗冲击性能研究..............................19

3.1 试件制备与试验方案...............................19

3.1.1 试验材料与试验工况.........................19

3.1.2 试验装置......................21

第 4 章 聚脲对 H 型钢柱在不同爆炸条件下的防护作用.............33

4.1 模型简介与分析方法........................33

4.2 材料模型的选择............................34

第 5 章 聚脲对 H 型钢柱在近距离爆炸时的防护作用.................47

5.1 爆炸冲击波传播过程....................47

5.2 塑性变形分析.......................48


第 5 章 聚脲对 H 型钢柱在近距离爆炸时的防护作用


5.1 爆炸冲击波传播过程

图 5-1 为近距离爆炸时爆炸冲击波的传播过程。当炸药被引爆后,在极短的时间内将其内部能量释放,并形成不断向外扩散的高压冲击波。由图 5-1 可以看出,随着冲击波向周围扩散,t=0.05ms 时冲击波与钢柱前翼缘发生接触,此后冲击波开始与钢柱发生作用,与此同时冲击波因为遇到钢柱开始发生绕流现象,当t=0.35ms 时爆炸冲击波达到钢柱的后翼缘位置,t=0.9ms 时爆炸冲击波传播至钢柱的柱顶、柱底并迅速达到峰值。

图 5-1 爆炸冲击波传播过程Fig.5-1 The propagation of the blast wave

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结论与展望


结论

本文首先对聚脲与不同金属材料结合形成的复合结构进行冲击试验,研究了聚脲弹性体对不同金属的防护机理,并对试验中的部分工况建立数值模型,通过与试验结果进行对比,验证了数值模拟的合理性。以喷涂不同厚度聚脲弹性体 H型钢柱作为研究对象,分析了聚脲弹性体在不同爆炸条件作用下对 H 型钢柱抗爆性能的影响。主要得到了以下结论:

(1)利用摆锤冲击试验机,对 90 根聚脲与不同金属组成的复合结构进行冲击试验,通过对试件吸收的能量、试件破坏形态、金属断面的分析以及试件试验前后温度场的分布,得出聚脲可以提升试件的抗冲击能力,放大金属试件的断面,发现聚脲能够提升金属的塑性变形能力,分析复合试件冲击前后温度场分布,发现聚脲通过变形将吸收的一部分能量转化为热能进行耗散。

(2)通过对不同爆炸条件下的 H 型钢柱进行研究,得到在 H 型钢柱表面喷涂聚脲弹性体可以明显提高钢柱整体的抗爆能力,当爆炸发生在 H 型钢柱的强轴方向时,钢柱的最大塑性变形区域在 H 型钢柱柱脚翼缘与腹板的连结处,喷涂5mm 厚的聚脲最大减小了该区域 26.3%塑性变形,爆炸发生在 H

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