網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)及失效機(jī)理精細(xì)化研究.pdf

1、空間結(jié)構(gòu)多為某一區(qū)域的標(biāo)志性建筑，政治、經(jīng)濟(jì)意義較突出，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是其最具代表性的形式之一，因其可靈活地覆蓋較大空間且自重較輕的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。沖擊作用雖是一種偶然荷載，但由于戰(zhàn)爭及恐怖襲擊、飛行器發(fā)生故障從空中墜落、施工失誤引起高空墜物等原因，近些年來建筑工程的沖擊破壞事故不斷出現(xiàn)。特別是9·11恐怖襲擊事件的嚴(yán)重后果，讓學(xué)者們更加關(guān)注沖擊作用對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的影響。二十世紀(jì)八十年代一輕型飛機(jī)迫降墜入平面尺寸為260米屋面結(jié)構(gòu)型式為的網(wǎng)架的

2、巴西圣保羅展覽中心，說明飛行器撞擊大跨度空間結(jié)構(gòu)的可能,使此類研究更具有現(xiàn)實(shí)性、艱巨性和緊要性。但國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)抗沖擊研究相對(duì)滯后，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在沖擊作用下材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系、動(dòng)力響應(yīng)的分析方法、沖擊失效模式及機(jī)理、對(duì)飛行器沖擊網(wǎng)殼的研究等諸多問題需要研究和解決。由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)大跨空間建筑不少是具有重要政治與經(jīng)濟(jì)意義的標(biāo)志性建筑或重大工程,這些問題的研究不僅有著迫切的需要，而且有著廣泛的研究前景和實(shí)際意義。鑒于上述原因，本文首先通過試驗(yàn)、數(shù)值

3、分析等手段，給出網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常用的Q235B鋼動(dòng)態(tài)本構(gòu)和失效模型，接著基于Taylor撞擊試驗(yàn)對(duì)兩種材料模型進(jìn)行對(duì)比研究，證明了本文得到的修正后的J-C模型對(duì)高應(yīng)變率下的變形和斷裂問題的預(yù)測能力；并基于動(dòng)量和能量守恒對(duì)彈性沖擊碰撞問題進(jìn)行定性研究，得到?jīng)_擊物彈塑性、尺寸及網(wǎng)殼屋面板等因素在數(shù)值模型中應(yīng)予以考慮的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上建立用于研究網(wǎng)殼沖擊動(dòng)力響應(yīng)的考慮沖擊物尺寸及網(wǎng)殼屋面板等因素的數(shù)值模型，用此精細(xì)化數(shù)值模型通過大規(guī)模參數(shù)分析對(duì)沖擊

4、荷載下帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，給出了其失效模式并總結(jié)其沖擊失效規(guī)律；通過對(duì)帶屋面板和不帶屋面板兩個(gè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縮尺模型的落錘沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證本文精細(xì)化數(shù)值模型及研究結(jié)論的正確性，最后對(duì)遭受飛行器沖擊作用的帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效模式展開研究，對(duì)比不帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效模式，為后續(xù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗沖擊防護(hù)研究奠定基礎(chǔ)。本文主要開展了以下幾方面工作：
　　1.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常用鋼動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型和失效模型研究
　　開展了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常用的Q2

5、35B鋼在不同應(yīng)變率、溫度和應(yīng)力三軸度下的六種試驗(yàn)，隨后使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定了J-C本構(gòu)模型和失效準(zhǔn)則十個(gè)參數(shù)。用原始的J-C本構(gòu)模型和失效準(zhǔn)則屈服強(qiáng)度的溫度軟化和延性的非線性溫度軟化效應(yīng)不能得到合適的描述，為了改進(jìn)擬合結(jié)果，對(duì)原始的J-C本構(gòu)和失效模型進(jìn)行了修改得到較好的效果。
　　2．網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)分析方法及建立數(shù)值模型研究
　　網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在沖擊作用下的響應(yīng)研究涉及學(xué)科交叉問題，一般的動(dòng)載下動(dòng)力響應(yīng)的分析方法已經(jīng)不適用，本文

6、首先通過開展Taylor撞擊試驗(yàn)，用前文得到的修正Johnson-Cook本構(gòu)和失效模型及以往沖擊分析常用的分段線性本構(gòu)模型和常應(yīng)變斷裂模型，分別對(duì)Taylor試驗(yàn)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬與對(duì)比，證明了本文得到的修正后的J-C模型對(duì)高應(yīng)變率下的變形和斷裂問題的預(yù)測能力；接著利用經(jīng)典力學(xué)中能量守恒定理和動(dòng)量守恒定理，推導(dǎo)了彈性碰撞中沖擊物對(duì)網(wǎng)殼第一次碰撞過程中的沖量和做功，分析影響網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗沖擊響應(yīng)的因素。在此基礎(chǔ)上確定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的參數(shù)分

7、析方案，基ANSYS/LS-DYNA建立了考慮沖擊物尺寸及材料屬性的的帶屋面板用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)精細(xì)化分析的計(jì)算模型；最后用沖擊物彈塑性發(fā)展典型算例驗(yàn)證了提出的參數(shù)分析方案與數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。
　　3.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力響應(yīng)及失效規(guī)律研究
　　用建立的精細(xì)化數(shù)值模型通過大規(guī)模參數(shù)分析對(duì)帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，結(jié)合典型算例給出沖擊作用下帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的三種失效模式并分析每種失效模式的沖擊動(dòng)力響應(yīng)的特點(diǎn)；考察

8、了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)及失效模式隨沖擊物的尺寸改變的變化規(guī)律，探討了沖擊物尺寸變化對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)及失效模式的影響；此外，提出屋面板對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的沖擊作用下的最大響應(yīng)及失效模式由影響，且其影響不都是有利的，給出考慮屋面板作用沖擊荷載下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效規(guī)律。
　　4.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)落錘抗沖擊試驗(yàn)研究
　　為驗(yàn)證網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)分析方法及精細(xì)化數(shù)值模型的正確性，對(duì)帶屋面板和不帶屋面板兩種Kiewitt-6型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縮尺模型進(jìn)行了落

9、錘沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括測試網(wǎng)殼縮尺模型的自振頻率、彈性落錘沖擊試驗(yàn)和破壞性落錘沖擊試驗(yàn)三部分；并建立網(wǎng)殼沖擊數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)自振頻率的對(duì)比，彈性沖擊作用下的桿件軸向應(yīng)力的對(duì)比、第一次沖擊持續(xù)時(shí)間的對(duì)比和沖擊間隔時(shí)間對(duì)比以及破壞性沖擊作用下失效模式的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬建立的帶屋面板模型和不帶屋面板模型的準(zhǔn)確性，也驗(yàn)證了屋面板對(duì)網(wǎng)殼在沖擊荷載作用下的失效模式有影響的結(jié)論。
　　5.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

10、遭受飛行器沖擊作用研究
　　以一款龐巴迪挑戰(zhàn)者850小型客機(jī)為原型建立本研究飛機(jī)模型，在此基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)遭受飛行器沖擊作用的數(shù)值模型，確定了建立飛機(jī)數(shù)值模型的原則并對(duì)四種工況下飛機(jī)撞擊帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并對(duì)比不考慮屋面板作用下的失效模式，提出在研究飛機(jī)撞擊網(wǎng)殼時(shí)飛機(jī)的機(jī)翼影響是不能忽略的；不同工況下網(wǎng)殼遭受飛機(jī)撞擊作用失效模式不同，總的來說，在飛機(jī)撞擊下帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)容易發(fā)生倒塌，是極其不利的偶然作用。屋面板對(duì)飛機(jī)