单层球面网壳基于GBS系统外爆试验及响应分析

【摘要】：社会的进步使大跨空间结构得到长足的发展,空间网壳结构作为其代表性形式得到广泛应用。但近年来爆炸恐怖袭击活动日益猖獗,大跨空间结构因其人口密度大、社会影响大和抗爆措施薄弱等特点而容易成为恐怖袭击的目标。因此,开展对大跨空间结构的抗爆性能研究具有重要的理论意义和应用价值。GBS系统是以乙炔/空气混合气体为爆炸物的爆炸模拟试验装置,拥有独立隔离的爆炸装置和控制平台,具有操作简便和安全的特点;AUTODYN是嵌于ANSYS下的显式分析工具,拥有完备的材料库和完善的流固耦合算法,其独特的REMAP技术可以精确计算爆炸荷载。本文针对目前大跨空间结构爆炸试验缺乏的问题,以GBS系统为试验环境,设计制作了K6单层球面网壳缩尺模型,开展外爆试验,研究网壳在外爆荷载下的响应规律;使用AUTODYN对网壳模型和试验环境进行建模,开展关于网壳外爆的数值模拟,数值再现试验过程,并与试验结果进行对比分析,探讨模拟方法的适用性。试验准备阶段进行了网壳模型构件的材性试验,获得了相应的材料力学性能参数;同时进行网壳模态测试,验证了网壳的制作加工精度。结合模拟分析和试验设备条件开展外爆试验,分析总结了网壳结构随外爆荷载增加的响应趋势,依次划分出无损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤和整体倒塌等五种响应模式。选取已经获得轻微损伤模式的网壳模型,对其开展二次外爆荷载响应试验,得到其响应规律,考察了累积损伤对网壳结构的危害。数值模拟基于爆能等效原理,将试验气体等效转化为TNT进行计算。将模拟结果与试验结果进行宏观响应趋势以及测试数据两方面对比,证明了等效TNT方法能够合理描述网壳在外爆试验时的最大响应,适用于简化分析试验问题。结合试验数据修正了等效TNT方法的折减系数,并通过模拟轻微损伤状态网壳模型的二次外爆试验,验证了修正方法的准确性。本文尝试提出了模拟试验环境的气体模拟法,讨论了其模拟结果的合理性和适用性,并对后续试验方法和模拟方法的完善提出了若干建议。