冲击下内嵌泡沫铝节点耗能性能试验研究及其优化设计

发布时间：2020-10-27 23:37

　　 近些年来世界各地不断发生大型恐怖袭击活动,针对民用建筑和大型公共建筑的防爆防冲击设计越来越得到人们的重点关注。经过研究发现,在金属管中填充金属泡沫平均压溃力比单独的薄壁金属管构件和单独的金属泡沫材料平均压溃力之和更大,并已经证明,将金属构件与金属泡沫相结合制成泡沫填充构件能够具有更强的承载能力和耗能性能,具备服役于爆炸冲击、高速碰撞等极端不利条件下的性能。本文提出一种新型的内嵌泡沫铝耗能节点,这种耗能节点被设计放置在防爆墙与建筑结构构件之间,用以吸收爆炸时产生的爆炸能量以及减少建筑物所受到的爆炸荷载。为研究这种新型耗能节点的耗能性能,对其展开冲击试验和单轴静载试验,并建立精细化有限元模型进行数值仿真模拟研究,最后在试验结果和有限元研究的基础上,进行耗能性能的多目标参数优化设计,具体工作如下:(1)设计制作两种不同形式的内嵌泡沫铝耗能节点,利用重力式落锤冲击试验系统对这两种形式耗能节点分别进行冲击试验,给出了耗能节点构件在冲击作用下的力学性能和耗能性能的量化评估指标,研究有无泡沫铝填充、折板厚度、折板弯折角度、折板弯折半径对此类耗能节点构件在冲击荷载作用下的耗能性能的影响。(2)利用MTS电子万能材料试验机对此种耗能节点构件进行单调静载压缩试验,研究有无泡沫铝填充、折板形状对这种耗能节点试件破坏变形模式、耗能性能和受力性能的影响。与冲击试验结果进行对比分析,研究冲击荷载作用和静载作用两种不同荷载工况下这种耗能节点的变形破坏模式及耗能性能。(3)建立这种耗能节点的精细化有限元模型,利用数值仿真软件LS-DYNA展开冲击作用下的有限元模拟分析,对比冲击试验结果,计算误差,验证有限元仿真模型的准确性。利用有限元手段,在试验参数基础上,进行扩大参数模拟分析,研究冲击速度、泡沫铝密度、钢材牌号、折板厚度、冲击质量对这种耗能节点在冲击作用下的耗能性能的影响。(4)为进一步提高这种耗能节点的耗能性能,选取这种耗能节点的比吸能指标和峰值力指标作为优化目标,研究折板厚度、节点高度、折板弯折角度、上钢板受压长度四个设计参数变量对其耗能性能的影响,为这种耗能节点在实际工程中的应用提供一定的指导意义。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU352.13
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章 绪论1.1 课题背景及来源近年来，全球各地恐怖袭击活动呈现逐渐上升的趋势。例如 2001 年美国 9.事件，恐怖分子劫持两架飞机对美国世贸中心双塔及五角大楼进行撞击（图 1-1）造成 2996 人死亡及超过 2000 亿美元的经济损失。2010 年 4 月 17 日，在印度班罗尔，2 枚由恐怖分子制造的炸弹相继爆炸在当地体育馆，当时正值比赛开场赛人员相继进入场地，人流密度较大，此次事故直接导致超过 15 人重伤；2014 年月 30 日，我国乌鲁木齐市发生严重爆炸袭击事件，数名歹徒引爆爆炸装置并造数十人死亡、上百人重伤。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文现出轻质、优良的隔音性能和良好的电磁波吸收率等众多优势，是社会技术进步所衍生出来的一种新型的耗能材料，已经成为当前国内外学术研究的热点。其中泡沫铝是人们关注度最高的一种金属泡沫材料，泡沫铝是把化学外加剂加入到纯铝板或者铝制金属中，再利用发泡技术制作而成，具有金属材料和气泡两大特点。它具有轻质、耗能能力强、熔点高、抗火、耐腐蚀、热传导性低、电磁波屏蔽能力强、加工安装方便等较多优异特性。同时研究表明泡沫铝在冲击荷载作用下，会通过内部胞壁摩擦、坍塌、破碎等形式来吸收能量，其压缩力-位移曲线具有持续较长的屈服平台，并且能够保持较平稳的应力状态，因此是一种理想的吸能材料。并且通过调节泡沫铝内部孔径等手段，可以对泡沫铝的材料参数和耗能能力进行控制，以适用于实际工程中[15]。

图 1-5 内嵌泡沫按照试验设计制作两种不同形式的耗这两种不同形式的耗能节点的耗能性能进折板厚度、折板弯折角度与折板弯折半径并选取相应的耗能指标，以对所有节点构立内嵌泡沫铝新型耗能节点的精细化有限有限元分析，对冲击试验结果进行验证。分析，探究冲击速度、泡沫铝密度、钢材耗能节点各部分能量吸收值的影响，最后参数优化设计。具体研究内容如下：(1) 按照工程实际设计两种不同形式角度形）和 II 形（折板弯折呈弧形）耗能折半径、有无泡沫铝填充、作用荷载类型这两种形状的耗能节点的耗能性能进行横爆炸荷载
【参考文献】

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本文编号：2859238