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混凝土加固钢壳结构内爆响应的数值模拟研究

王万鹏  
【摘要】:密闭爆炸容器是现代爆炸现象研究的重要设备,由于它能密闭住爆炸能量、碎片及污染,因此已被各国广泛应用于科研、国防工业领域,是进行爆炸效应研究、化爆模拟实验的一种重要结构。在爆炸容器基础上发展起来的钢壳加混凝土加围岩方式的结构,其钢壳的厚度与外围无混凝土加固的爆炸容器的厚度相比较薄,可以避免由于钢质容器厚度超过3cm时,钢材卷板、焊接的困难,同时减少了用钢量,从经济上来说比单层的爆炸容器来说较为节省。本文应用理论分析和数值模拟的方法研究了混凝土加固钢壳结构的内爆响应。 首先从应力波传播理论出发,探讨了混凝土的波阻抗对应力波传播过程的影响,从理论上分析了钢壳和混凝土在内爆炸载荷作用下以及爆生气体准静态作用时各个方向的应力,说明了混凝土对钢壳的加固机理。根据内爆炸现象涉及材料大变形的特点,采用多物质的ALE算法,并采用流固耦合的方法,对混凝土加固钢壳结构在爆炸载荷作用下的动力响应进行了数值模拟。对两种混凝土加固钢壳结构在不同装药时的动力响应进行了详细的分析,并将数值模拟的结果和实验的结论进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。对小比例距离装药实验时结构发生塑性大变形及破坏模式和规律也利用数值模拟的方法进行了初步探索。最后对混凝土加固钢壳结构在不同装药时的响应规律进行了总结。本文的工作可为以后混凝土加固钢壳结构的设计及优化提供参考。 研究结果表明:在数值模拟中采用多物质的ALE算法和流固耦合的处理方法可以模拟混凝土加固钢壳结构的内爆动力响应。钢壳、混凝土发生塑性小变形、塑性大变形阶段呈现不同的受力状态,表现为不同的破坏模式,加固钢壳的混凝土径向应力衰减幅度明显大于环向应力的衰减幅度。


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