網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)及失效機理精細化研究.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)注沖擊作用對于建筑結(jié)構(gòu)的影響。二十世紀(jì)八十年代一輕型飛機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)抗沖擊研究相對滯后，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在沖擊作用下材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系、動力響應(yīng)的分析方法、沖擊失效模式及機理、對飛行器沖擊網(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際意義。鑒于上述原因，本文首先通過試驗、數(shù)值

3、分析等手段，給出網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常用的Q235B鋼動態(tài)本構(gòu)和失效模型，接著基于Taylor撞擊試驗對兩種材料模型進行對比研究，證明了本文得到的修正后的J-C模型對高應(yīng)變率下的變形和斷裂問題的預(yù)測能力；并基于動量和能量守恒對彈性沖擊碰撞問題進行定性研究，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，用此精細化數(shù)值模型通過大規(guī)模參數(shù)分析對沖擊

4、荷載下帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進行系統(tǒng)研究，給出了其失效模式并總結(jié)其沖擊失效規(guī)律；通過對帶屋面板和不帶屋面板兩個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縮尺模型的落錘沖擊試驗驗證本文精細化數(shù)值模型及研究結(jié)論的正確性，最后對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，隨后使用實驗數(shù)據(jù)標(biāo)定了J-C本構(gòu)模型和失效準(zhǔn)則十個參數(shù)。用原始的J-C本構(gòu)模型和失效準(zhǔn)則屈服強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，為了改進擬合結(jié)果，對原始的J-C本構(gòu)和失效模型進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，一般的動載下動力響應(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，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Taylor試驗工況進行了數(shù)值模擬與對比，證明了本文得到的修正后的J-C模型對高應(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量守恒定理，推導(dǎo)了彈性碰撞中沖擊物對網(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)精細化分析的計算模型；最后用沖擊物彈塑性發(fā)展典型算例驗證了提出的參數(shù)分析方案與數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。
　　3.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊動力響應(yīng)及失效規(guī)律研究
　　用建立的精細化數(shù)值模型通過大規(guī)模參數(shù)分析對帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊動力響應(yīng)進行系統(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力響應(yīng)的特點；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)落錘抗沖擊試驗研究
　　為驗證網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)分析方法及精細化數(shù)值模型的正確性，對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)縮尺模型進行了落

9、錘沖擊試驗，試驗內(nèi)容包括測試網(wǎng)殼縮尺模型的自振頻率、彈性落錘沖擊試驗和破壞性落錘沖擊試驗三部分；并建立網(wǎng)殼沖擊數(shù)值模型進行數(shù)值分析計算，對比數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果，根據(jù)自振頻率的對比，彈性沖擊作用下的桿件軸向應(yīng)力的對比、第一次沖擊持續(xù)時間的對比和沖擊間隔時間對比以及破壞性沖擊作用下失效模式的對比，驗證了數(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，也驗證了屋面板對網(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小型客機為原型建立本研究飛機模型，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，確定了建立飛機數(shù)值模型的原則并對四種工況下飛機撞擊帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行模擬，并對比不考慮屋面板作用下的失效模式，提出在研究飛機撞擊網(wǎng)殼時飛機的機翼影響是不能忽略的；不同工況下網(wǎng)殼遭受飛機撞擊作用失效模式不同，總的來說，在飛機撞擊下帶屋面板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)容易發(fā)生倒塌，是極其不利的偶然作用。屋面板對飛機