网壳结构冲击响应及失效机理精细化研究

发布时间：2017-07-25 15:30

  本文关键词：网壳结构冲击响应及失效机理精细化研究

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【摘要】：空间结构多为某一区域的标志性建筑,政治、经济意义较突出,网壳结构是其最具代表性的形式之一,因其可灵活地覆盖较大空间且自重较轻的特点而广泛应用。冲击作用虽是一种偶然荷载,但由于战争及恐怖袭击、飞行器发生故障从空中坠落、施工失误引起高空坠物等原因,近些年来建筑工程的冲击破坏事故不断出现。特别是9?11恐怖袭击事件的严重后果,让学者们更加关注冲击作用对于建筑结构的影响。二十世纪八十年代一轻型飞机迫降坠入平面尺寸为260米屋面结构型式为的网架的巴西圣保罗展览中心[1],说明飞行器撞击大跨度空间结构的可能,使此类研究更具有现实性、艰巨性和紧要性。但国内外建筑结构抗冲击研究相对滞后,网壳结构在冲击作用下材料的动态本构关系、动力响应的分析方法、冲击失效模式及机理、对飞行器冲击网壳的研究等诸多问题需要研究和解决。由于网壳结构大跨空间建筑不少是具有重要政治与经济意义的标志性建筑或重大工程,这些问题的研究不仅有着迫切的需要,而且有着广泛的研究前景和实际意义。鉴于上述原因,本文首先通过试验、数值分析等手段,给出网壳结构常用的Q235B钢动态本构和失效模型,接着基于Taylor撞击试验对两种材料模型进行对比研究,证明了本文得到的修正后的J-C模型对高应变率下的变形和断裂问题的预测能力;并基于动量和能量守恒对弹性冲击碰撞问题进行定性研究,得到冲击物弹塑性、尺寸及网壳屋面板等因素在数值模型中应予以考虑的结论。在此基础上建立用于研究网壳冲击动力响应的考虑冲击物尺寸及网壳屋面板等因素的数值模型,用此精细化数值模型通过大规模参数分析对冲击荷载下带屋面板网壳结构动力响应进行系统研究,给出了其失效模式并总结其冲击失效规律;通过对带屋面板和不带屋面板两个网壳结构缩尺模型的落锤冲击试验验证本文精细化数值模型及研究结论的正确性,最后对遭受飞行器冲击作用的带屋面板网壳结构的失效模式展开研究,对比不带屋面板网壳结构的失效模式,为后续网壳结构抗冲击防护研究奠定基础。本文主要开展了以下几方面工作:1.网壳结构常用钢动态本构模型和失效模型研究开展了网壳结构常用的Q235B钢在不同应变率、温度和应力三轴度下的六种试验,随后使用实验数据标定了J-C本构模型和失效准则十个参数。用原始的J-C本构模型和失效准则屈服强度的温度软化和延性的非线性温度软化效应不能得到合适的描述,为了改进拟合结果,对原始的J-C本构和失效模型进行了修改得到较好的效果。2.网壳结构冲击响应分析方法及建立数值模型研究网壳结构在冲击作用下的响应研究涉及学科交叉问题,一般的动载下动力响应的分析方法已经不适用,本文首先通过开展Taylor撞击试验,用前文得到的修正Johnson-Cook本构和失效模型及以往冲击分析常用的分段线性本构模型和常应变断裂模型,分别对Taylor试验工况进行了数值模拟与对比,证明了本文得到的修正后的J-C模型对高应变率下的变形和断裂问题的预测能力;接着利用经典力学中能量守恒定理和动量守恒定理,推导了弹性碰撞中冲击物对网壳第一次碰撞过程中的冲量和做功,分析影响网壳结构抗冲击响应的因素。在此基础上确定网壳结构冲击响应的参数分析方案,基ANSYS/LS-DYNA建立了考虑冲击物尺寸及材料属性的的带屋面板用于网壳结构冲击响应精细化分析的计算模型;最后用冲击物弹塑性发展典型算例验证了提出的参数分析方案与数值模型的准确性。3.网壳结构冲击动力响应及失效规律研究用建立的精细化数值模型通过大规模参数分析对带屋面板网壳结构冲击动力响应进行系统研究,结合典型算例给出冲击作用下带屋面板网壳结构的三种失效模式并分析每种失效模式的冲击动力响应的特点;考察了网壳结构的最大响应及失效模式随冲击物的尺寸改变的变化规律,探讨了冲击物尺寸变化对网壳结构最大响应及失效模式的影响;此外,提出屋面板对网壳结构的冲击作用下的最大响应及失效模式由影响,且其影响不都是有利的,给出考虑屋面板作用冲击荷载下网壳结构的失效规律。4.网壳结构落锤抗冲击试验研究为验证网壳结构冲击响应分析方法及精细化数值模型的正确性,对带屋面板和不带屋面板两种Kiewitt-6型单层球面网壳结构缩尺模型进行了落锤冲击试验,试验内容包括测试网壳缩尺模型的自振频率、弹性落锤冲击试验和破坏性落锤冲击试验三部分;并建立网壳冲击数值模型进行数值分析计算,对比数值模拟结果与试验结果,根据自振频率的对比,弹性冲击作用下的杆件轴向应力的对比、第一次冲击持续时间的对比和冲击间隔时间对比以及破坏性冲击作用下失效模式的对比,验证了数值模拟建立的带屋面板模型和不带屋面板模型的准确性,也验证了屋面板对网壳在冲击荷载作用下的失效模式有影响的结论。5.网壳结构遭受飞行器冲击作用研究以一款庞巴迪挑战者850小型客机为原型建立本研究飞机模型,在此基础上建立了网壳结构遭受飞行器冲击作用的数值模型,确定了建立飞机数值模型的原则并对四种工况下飞机撞击带屋面板网壳结构进行模拟,并对比不考虑屋面板作用下的失效模式,提出在研究飞机撞击网壳时飞机的机翼影响是不能忽略的;不同工况下网壳遭受飞机撞击作用失效模式不同,总的来说,在飞机撞击下带屋面板网壳结构容易发生倒塌,是极其不利的偶然作用。屋面板对飞机撞击下网壳结构的变形有影响,且影响有时是不利的,在某种程度上加剧了网壳结构的倒塌或破坏,与前文内容结合形成了较完整的研究网壳结构冲击响应与规律的理论框架,为后续网壳结构抗冲击防护研究奠定基础。
【关键词】：网壳结构 屋面板 冲击作用 失效模式 失效机理 落锤冲击试验
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU399
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-39
• 1.1 课题背景16-18
• 1.2 网壳结构抗冲击基本问题研究现状18-37
• 1.2.1 材料动态本构模型研究现状18-24
• 1.2.2 结构抗冲击性能研究现状24-31
• 1.2.3 构件及结构抗冲击试验研究现状31-37
• 1.3 本文主要工作37-39
• 第2章 Q235B钢动态本构模型和失效模型研究39-57
• 2.1 引言39-40
• 2.2 金属材料的动态力学行为描述40-41
• 2.3 Johnson-Cook本构和失效模型参数的获取方案41-43
• 2.3.1 Johnson-Cook本构关系模型参数获取方案41-42
• 2.3.2 Johnson-Cook失效准则模型参数获取方案42-43
• 2.4 Q235B钢材料性能试验43-49
• 2.4.1 光滑圆棒试件拉伸试验44-46
• 2.4.2 缺.拉伸试验46-47
• 2.4.3 压缩试验47
• 2.4.4 光滑圆棒试样的扭转试验47-49
• 2.5 Johnson-Cook本构模型和失效模型参数标定49-55
• 2.5.1 标定强度模型参数49-51
• 2.5.2 标定断裂准则参数51-55
• 2.6 本章小结55-57
• 第3章 网壳结构冲击响应分析方法及数值模型研究57-75
• 3.1 引言57-58
• 3.2 基于TAYLOR撞击试验的材料模型研究58-59
• 3.3 基于动量和能量守恒对弹性冲击问题的研究59-63
• 3.4 冲击作用下网壳结构精细化数值模型的建立63-73
• 3.4.1 网壳抗冲击数值计算参数分析方案63-66
• 3.4.2 建立网壳抗冲击数值模型的几个关键问题66-70
• 3.4.3 网壳冲击动力响应分析方法的验证70-73
• 3.5 本章小结73-75
• 第4章 网壳结构冲击动力响应及失效规律研究75-108
• 4.1 引言75
• 4.2 冲击作用下带屋面网壳结构的失效模式75-93
• 4.2.1 冲击作用下带屋面网壳结构局部凹陷失效模式76-83
• 4.2.2 冲击作用下带屋面网壳结构整体倒塌失效模式83-90
• 4.2.3 冲击作用下带屋面网壳结构冲切破坏失效模式90-93
• 4.3 冲击物尺寸对网壳失效模式的影响93-99
• 4.4 屋面板对网壳失效模式影响研究99-106
• 4.5 本章小结106-108
• 第5章 网壳结构抗冲击性能试验研究108-146
• 5.1 引言108
• 5.2 落锤冲击网壳结构试验方案设计108-112
• 5.2.1 落锤冲击试验目的108-109
• 5.2.2 落锤冲击试验系统介绍109-110
• 5.2.3 落锤冲击网壳结构试验内容110-112
• 5.3 落锤冲击网壳结构试验112-133
• 5.3.1 落锤冲击试验模型加工112-116
• 5.3.2 冲击试验的前期准备工作116-119
• 5.3.3 网壳结构自振频率的测试119-120
• 5.3.4 网壳结构弹性冲击试验120-129
• 5.3.5 网壳结构破坏性冲击试验129-133
• 5.4 落锤冲击作用下网壳结构的数值分析及与试验对比133-145
• 5.4.1 建立有限元模型133-135
• 5.4.2 自振频率数值分析与试验对比135-136
• 5.4.3 弹性冲击作用数值分析与试验的对比136-141
• 5.4.4 破坏冲击作用数值分析与试验的对比141-145
• 5.5 本章小结145-146
• 第6章 网壳结构遭受飞行器冲击作用研究146-160
• 6.1 引言146
• 6.2 飞机有限元数值模型的建立与验证146-148
• 6.3 飞机撞击作用下K8单层球面网壳结构的失效模式148-155
• 6.3.1 飞机水平撞击作用下网壳结构的失效模式149-151
• 6.3.2 飞机倾斜撞击作用下网壳结构的失效模式151-155
• 6.4 飞机撞击作用下屋面板对网壳结构失效模式的影响155-159
• 6.5 本章小结159-160
• 结论160-162
• 参考文献162-178
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果178-180
• 致谢180-182
• 个人简历182

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：572024