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基于ANSYS的冰雹灾害风险评估与模拟方法研究

周超  
【摘要】:冰雹灾害是由强对流天气系统引起的一种剧烈的气象灾害,常常伴随着强雷电、暴雨和大风,严重危害着人类的生命和财产安全,同时还可能对城市的基础设施造成极大的破坏,导致城市电力的中断以及交通、通讯的瘫痪。在当前气候变暖的形势下,极端气候条件下的冰雹灾害发生的频率和强度会越来越高,造成的经济损失会越来越严重。另一方面,大量建设的高速公路已经成为当今社会的最重要的交通方式之一,而由于行驶在高速公路上的车辆缺乏有效的遮挡设施,暴露性以及脆弱性非常高,因而冰雹灾害及其伴随的极端灾害性天气现象对高速公路交通安全的影响也就变得非常大。 由于目前科学家对冰雹灾害的研究主要集中在其成雹机制和降雹分布等方面,对冰雹产生的社会和经济等方面的风险因素考虑较少。本文从冰雹灾害承灾体暴露性和的脆弱性等方面入手,针对冰雹灾害对社会经济造成的损失风险问题,综合利用物理方法和概率方法,建立了相应的冰雹灾害的风险评估的数学模型。 同时,对于冰雹灾害撞击造成的损伤后果,本文利用非线性有限元分析软件AN SYS 10.0及其显式非线性动力分析程序LS-DYNA分别模拟了不同粒径的冰雹撞击汽车挡风玻璃(钢化玻璃)和车身钢板以及建筑物玻璃(普通玻璃)造成的破坏情况。根据模拟结果,作者分析了冰雹灾害对车辆和建筑物等承灾体造成的损失风险,并且利用模拟结果中最大变形量和最大应力等数据确定本文所建立的冰雹灾害风险评估数学模型的各个参数。 另一方面,根据安全间距(Assured clear distance ahead, ACDA)条例规定和降雨—能见度关系的研究结果,本文综合分析了冰雹灾害伴有降雨条件下高速公路交通安全风险。评估结果表明,当冰雹粒径小于3.Ocm时,车辆和驾驶者处于安全范围之内;当冰雹粒径达到4.0cm时,需要采取减速、停车等安全措施;而当冰雹粒径大于4.0cm时,必须马上停止行驶,并且此时影响高速公路交通安全最主要的因素就是冰雹的粒径,车速的作用变得相对不重要了 最后,根据天津市的历史统计资料,利用建立的冰雹灾害风险评估数学模型,模拟结果的参数确定,以及冰雹灾害的情景设计,本文对天津市的冰雹灾害经济损失进行了模拟分析。分析结果表明,在资料信息不足的情况下,本数学模型是有效的冰雹灾害损失的综合评估模型。


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