结构抗爆分析-2018
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
o 粘性效应的主要体现是波传播中的弥散现象(波速依赖 于频率)和吸收现象（波幅随传播距离而衰减）。
速率相关材料中的应力波
o 对于速率相关材料，其力学响应通常可概括为两部分：与速率无关的瞬 态响应和与速率相关的非瞬态响应，而各种非瞬态响应可归结为由具有 粘性性质的内耗散力所引起。
o 对于在弹性响应的基础上计及速率相关性的粘弹性介质，如高分子材料 等，相应地有粘弹性波。
实验技术发展。
数值分析法
o 矩阵位移法 o 动力非线性有限元
n 可以综合考虑 o 爆炸空气冲击波的复杂时程特性 o 材料在爆炸冲击波荷载作用下的复杂本构关系 o 结构构件的复杂边界条件 o 材料的局部损伤
n 可以对结构工程进行整体动力分析
动力非线性有限元
o 有限元分析软件
n LS-DYNA n DYNA3D n ABAQUS n ADINA n AUTODYNA
o 对于在弹塑性响应的基础上计及速率相关的介质，相应地有粘弹塑性波。 如果只对塑性部分计及粘性效应则相应地有弹粘塑性波。其主要特点： 波的传播速度由材料瞬态响应决定，故弹粘塑性波速等于弹性波速,而大 于速率无关材料中的塑性波速;由于内耗散力的粘性效应，波在传播中将 不断衰减。
应力波的入射与反射
= ρ
Materials G la ss PV B
Steel
Properties
Young’s modulus, E = 72GPa ; mass density, r = 2560kg / m3 ; Poisson’s ratio, n = 0.22
Short term modulus, G0 = 0.33GPa ; long time modulus, G¥ = 0.69´10-3GPa ; bulk modulus,
1.4400
T indicates the period of the laminated glass panel with fixed constraint.
弹性反应
Panel displacement contour
CASE1: 30kPa, 1ms
CASE2: 15kPa, 2ms
The Laminated Glass Panel with Fixed Constraint
100
80
o 荷载-结构相互作用
n 作用于抗爆结构上的荷载通常与结构的变形与运动有关
结构的抗爆动力分析方法
o 理论分析法
n 利用弹塑性动力学、断裂力学、损伤力学、冲击动力学、 应力波理论和能量原理等基本理论对结构或构件进行分析
o 数值分析法-动力非线性理论
o 简化单自由度分析法
应力波分析
o 什么是应力波 o 应力波产生的原因 o 应力波的分类 o 应力波的入射与反射 o 应力波引起的破坏 o 应力波研究的发展趋势
应力波的入射与反射
T = 2 , F = 1- n，n = r1c1
1+ n 1+ n
r2c2
应力波引起的破坏(1)
入射到自由表面的压缩波经反射会形成拉伸波。这些反射回来 的拉伸波将与入射压缩波的后续部分相互作用，结果有可能在 邻近自由表面附近造成拉应力，如果所形成的拉应力满足某种 动态的断裂准则，则将在该处引起材料破坏，裂口足够大时， 整块的裂片便会携带着其中的动量而飞离。
当爆炸冲击波荷载较大时，钢筋混凝土 构件中的混凝土在正对着爆炸冲击波荷 载的地方会因为承受到非常大的压力而 压碎（Crushing），在背面会应为反射 拉应力而出现拉断（Spalling层裂）
应力波研究的发展趋势
应力波研究当前发展的主要动向为：
p 由一维理论向二维和三维理论发展，向复合载荷条件下的应力波研究发展； p 由小变形向大变形的应力波研究发展； p 由应变率无关理论向应变率相关理论发展； p 由纯力学应力波向热-力学耦合的应力波研究发展; p 由各向同性介质向各向异性和复合材料中的应力波研究发展； p 向更广泛地采用电子计算机和寻找新的测量短历时、高强度的动态过程的
0
E.27821
E.1 E.2720
E.1 E.2720 E.27821
10
20
30
40
50
Time (ms)
The maximum principal stress
time history curves of CASE1
40 35 30 25 20 15 10
5 0 -5
0
E.27821 E.1
E.2720
E.1 E.2720 E.27821
10
20
30
40
50
Time (ms)
The maximum principal stress
time history curves of CASE2
弹性反应
Maximum Principal Stress (E+06)(N/m2)
Key Element Principal Stress with Fixed Constraint
结构抗爆分析
内容提要
Ø 应力波分析 Ø 数值分析法 Ø 等效单自由度法
结构的抗爆动力分析
o 简化
n 由于荷载的不确定性，通常采用具有合理精度的近似动力 学分析方法，将结构和荷载在某种程度上理想化，甚至简 化为单自由度体系
o 弹塑性
n 由于荷载的一次性和短暂性，设计计算时，允许结构在荷 载作用消失后存在残余变形，而不影响以后的正常使用。
弹性反应
Panel displacement contour
CASE3: 20kPa, 5ms
CASE4: 10kPa, 10ms
CASE5: 10kPa, 20ms
The Laminated Glass Panel with Fixed Constraint
弹性反应
Panel central deflection
n 尤其因为爆炸荷载瞬时强度非常大，如果按弹性设计是很 不经济的，应该进行弹塑性动力分析。
结构的抗爆动力分析
o 塑性动力学的本构关系可以用两种方式考虑
n 将静载强度乘以一个考虑整体平均应变率效应的因子，应 用简单
n 把应变率效应考虑在本构关系内，在计算上较复杂
o 应力波的传播按小应变考虑，而结构动力响应有时 则需按大应变考虑
什么是应力波
o在可变形固体介质中，机械扰动表现为质点速度的变化 和相应的应力、应变状态的变化。
o应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。
o通常将扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面，波阵 面的传播速度称为波速。
应力波产生的原因(1)
当外载荷作用于可变形固体的局部表面时，一开始只有那些 直接受到外载荷作用的表面部份的介质质点因变形离开了初 始平衡位置。由于这部份介质质点与相邻介质质点发生了相 对运动，必然将受到相邻介质质点所给予的作用力（应力）， 同时也给相邻介质质点予反作用力，因而使它们离开平衡位 置而运动起来。由于介质质点的惯性，相邻介质质点的运动 将滞后于表面介质质点的运动。依此类推，外载荷在表面上 引起的扰动将在介质中逐渐由近及远传播出去。
弹性反应
Panel central deflection
Load case
Ta / T
D1(mm)
CASE1 CASE2 CASE3 CASE4 CASE5 0.0720 0.1440 0.3600 0.7200 1.4400 0.3068 0.6946 5.5694 4.1473 4.9889
D2 (mm)
动力弹性分析
Load Case CASE1 CASE2 CASE3 CASE4 CASE5
DP+ (kPa)
30
15
20
10
10
Ta (ms)
1
2
5
10
20
TNT (kg)
0.1
0.1
2
10
80
Standoff (m)
3
6
15
50
120
Ta / T
0.0720 0.1440
0.3600
0.7200
混凝土杆的层裂现象
厚钢板的层裂现象
应力波引起的破坏(3)
应力波引起的破坏(4)
点载荷（应力波）对不同 内部爆炸加载引起方形筒 厚度板引起的破裂（角裂） 的破裂（角裂）
内部爆炸加载引起刻槽圆 筒的破裂
例：应力波在钢骨混凝土构件中传播示意图
拉断（Spalling层裂）
压碎（Crushing）
爆炸冲击波荷载
动力弹性分析
Finite Element Model
Diameter of 36mm
Thickness of 6mm+1.14mm+6mm
Cushion Rubber
Mental Fastener
动力弹性分析
Material Model
o Glass: elastic
o PVB: visco-elastic
K = 20GPa ; mass density, r =1100kg / m3 ; decay factor, b = 12.6s-1 Young’s modulus, E = 206GPa ; mass density, r = 7850kg / m3; Poisson’s ratio, n = 0.30; yield stress, s = 256MPa ; strengthening modulus, E = 30.9GPa ; Hardening parameter, b = 0 ; Strain rate parameter, C = 40.0, P = 5.0.
弹性反应
Key Element Principal Stress with Fixed Constraint
Maximum Principal Stress (E+06)(N/m2)
Maximum Principal Stress (E+06)(N/m2)
40 35 30 25 20 15 10
5 0 -5
应力波产生的原因(2)
p 对于一切具有惯性的可变形介质，当在应力波传过物体 所需的时间内外载荷发生显著变化的情况下，介质的运 动过程就总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程， 这个过程的特点主要取决于材料的特性。
p 应力波研究主要集中在介质的非定常运动、动载荷对介 质产生的局部效应和早期效应以及载荷与介质的相互影 响，研究时需要考虑材料在高应变率下的动态力学性能 和静态力学性能的差别。
应力波的分类
o 弹性波：如果应力波中的应力小于介质的弹性极限，介 质中传播的是弹性波；
o 塑性波：如果应力波中的应力大于介质的弹性极限，介 质中传播的是塑性波；
o 粘弹性波或粘弹塑性波：若介质为粘性介质，视应力是 否大于介质的弹性极限，将传播粘弹性波或粘弹塑性波。
o 弹性波传过后，介质的变形能够完全恢复，弹塑性波则 将引起介质的残余变形，粘弹性波和粘弹塑性波引起的 介质变形将有一时间滞后。
∫ Sij (t) = 2
t 0
G
(t
−
τ
)eij
d
τ
G(t) = G¥ + (G0 - G¥ )e-bt p = −Kεkk
o Steel: isotropic and kinematic hardening
plasticity
γ
=
1+
! # "
ε C
$1/ & %
p
动力弹性分析
Material Model
2.1142 2.0314 5.7316 3.6940 2.3758
D1/ D2
0.1451 0.3419 0.9717 1.1227 2.0999
The Laminated Glass Panel with Fixed Constraint
D1 and D2 are maximum displacements in forced vibration period and free vibration period respectively
Centre Deflection (mm)
6
4
2 CASE1
0 CASE2
CASE3 CASE4
-2
-4 CASE5
-6
0
10
20
30
40
50
Time (ms)
The Laminated Glass Panel with Fixed Constraint
CASE1 CASE2 CASE3 CASE4 CASE5
这种由压应力波在自由表面反射造成的动态断裂称为剥落或层 裂，飞出的裂片称为痂片。层裂的发生还在于大多数工程材料 的拉伸强度低于其压缩强度。最早发现并研究这种动态剥落现 象的是 Hopkinson，因此也称这种破坏为Hopkinson破裂。
应力波引起的破坏(2)
在层裂过程中，在第一层层裂出现的同时，也形成了全新的自 由表面，继续入射压力脉冲将在新自由表面上反射，从而有可 能造成第二层层裂，依次类推，在一定条件下，可能形成多层 层裂，产生一系列的痂片。
速率相关材料中的应力波
o 对于速率相关材料，其力学响应通常可概括为两部分：与速率无关的瞬 态响应和与速率相关的非瞬态响应，而各种非瞬态响应可归结为由具有 粘性性质的内耗散力所引起。
o 对于在弹性响应的基础上计及速率相关性的粘弹性介质，如高分子材料 等，相应地有粘弹性波。
实验技术发展。
数值分析法
o 矩阵位移法 o 动力非线性有限元
n 可以综合考虑 o 爆炸空气冲击波的复杂时程特性 o 材料在爆炸冲击波荷载作用下的复杂本构关系 o 结构构件的复杂边界条件 o 材料的局部损伤
n 可以对结构工程进行整体动力分析
动力非线性有限元
o 有限元分析软件
n LS-DYNA n DYNA3D n ABAQUS n ADINA n AUTODYNA
o 对于在弹塑性响应的基础上计及速率相关的介质，相应地有粘弹塑性波。 如果只对塑性部分计及粘性效应则相应地有弹粘塑性波。其主要特点： 波的传播速度由材料瞬态响应决定，故弹粘塑性波速等于弹性波速,而大 于速率无关材料中的塑性波速;由于内耗散力的粘性效应，波在传播中将 不断衰减。
应力波的入射与反射
= ρ
Materials G la ss PV B
Steel
Properties
Young’s modulus, E = 72GPa ; mass density, r = 2560kg / m3 ; Poisson’s ratio, n = 0.22
Short term modulus, G0 = 0.33GPa ; long time modulus, G¥ = 0.69´10-3GPa ; bulk modulus,
1.4400
T indicates the period of the laminated glass panel with fixed constraint.
弹性反应
Panel displacement contour
CASE1: 30kPa, 1ms
CASE2: 15kPa, 2ms
The Laminated Glass Panel with Fixed Constraint
100
80
o 荷载-结构相互作用
n 作用于抗爆结构上的荷载通常与结构的变形与运动有关
结构的抗爆动力分析方法
o 理论分析法
n 利用弹塑性动力学、断裂力学、损伤力学、冲击动力学、 应力波理论和能量原理等基本理论对结构或构件进行分析
o 数值分析法-动力非线性理论
o 简化单自由度分析法
应力波分析
o 什么是应力波 o 应力波产生的原因 o 应力波的分类 o 应力波的入射与反射 o 应力波引起的破坏 o 应力波研究的发展趋势
应力波的入射与反射
T = 2 , F = 1- n，n = r1c1
1+ n 1+ n
r2c2
应力波引起的破坏(1)
入射到自由表面的压缩波经反射会形成拉伸波。这些反射回来 的拉伸波将与入射压缩波的后续部分相互作用，结果有可能在 邻近自由表面附近造成拉应力，如果所形成的拉应力满足某种 动态的断裂准则，则将在该处引起材料破坏，裂口足够大时， 整块的裂片便会携带着其中的动量而飞离。
当爆炸冲击波荷载较大时，钢筋混凝土 构件中的混凝土在正对着爆炸冲击波荷 载的地方会因为承受到非常大的压力而 压碎（Crushing），在背面会应为反射 拉应力而出现拉断（Spalling层裂）
应力波研究的发展趋势
应力波研究当前发展的主要动向为：
p 由一维理论向二维和三维理论发展，向复合载荷条件下的应力波研究发展； p 由小变形向大变形的应力波研究发展； p 由应变率无关理论向应变率相关理论发展； p 由纯力学应力波向热-力学耦合的应力波研究发展; p 由各向同性介质向各向异性和复合材料中的应力波研究发展； p 向更广泛地采用电子计算机和寻找新的测量短历时、高强度的动态过程的
0
E.27821
E.1 E.2720
E.1 E.2720 E.27821
10
20
30
40
50
Time (ms)
The maximum principal stress
time history curves of CASE1
40 35 30 25 20 15 10
5 0 -5
0
E.27821 E.1
E.2720
E.1 E.2720 E.27821
10
20
30
40
50
Time (ms)
The maximum principal stress
time history curves of CASE2
弹性反应
Maximum Principal Stress (E+06)(N/m2)
Key Element Principal Stress with Fixed Constraint
结构抗爆分析
内容提要
Ø 应力波分析 Ø 数值分析法 Ø 等效单自由度法
结构的抗爆动力分析
o 简化
n 由于荷载的不确定性，通常采用具有合理精度的近似动力 学分析方法，将结构和荷载在某种程度上理想化，甚至简 化为单自由度体系
o 弹塑性
n 由于荷载的一次性和短暂性，设计计算时，允许结构在荷 载作用消失后存在残余变形，而不影响以后的正常使用。
弹性反应
Panel displacement contour
CASE3: 20kPa, 5ms
CASE4: 10kPa, 10ms
CASE5: 10kPa, 20ms
The Laminated Glass Panel with Fixed Constraint
弹性反应
Panel central deflection
n 尤其因为爆炸荷载瞬时强度非常大，如果按弹性设计是很 不经济的，应该进行弹塑性动力分析。
结构的抗爆动力分析
o 塑性动力学的本构关系可以用两种方式考虑
n 将静载强度乘以一个考虑整体平均应变率效应的因子，应 用简单
n 把应变率效应考虑在本构关系内，在计算上较复杂
o 应力波的传播按小应变考虑，而结构动力响应有时 则需按大应变考虑
什么是应力波
o在可变形固体介质中，机械扰动表现为质点速度的变化 和相应的应力、应变状态的变化。
o应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。
o通常将扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面，波阵 面的传播速度称为波速。
应力波产生的原因(1)
当外载荷作用于可变形固体的局部表面时，一开始只有那些 直接受到外载荷作用的表面部份的介质质点因变形离开了初 始平衡位置。由于这部份介质质点与相邻介质质点发生了相 对运动，必然将受到相邻介质质点所给予的作用力（应力）， 同时也给相邻介质质点予反作用力，因而使它们离开平衡位 置而运动起来。由于介质质点的惯性，相邻介质质点的运动 将滞后于表面介质质点的运动。依此类推，外载荷在表面上 引起的扰动将在介质中逐渐由近及远传播出去。
弹性反应
Panel central deflection
Load case
Ta / T
D1(mm)
CASE1 CASE2 CASE3 CASE4 CASE5 0.0720 0.1440 0.3600 0.7200 1.4400 0.3068 0.6946 5.5694 4.1473 4.9889
D2 (mm)
动力弹性分析
Load Case CASE1 CASE2 CASE3 CASE4 CASE5
DP+ (kPa)
30
15
20
10
10
Ta (ms)
1
2
5
10
20
TNT (kg)
0.1
0.1
2
10
80
Standoff (m)
3
6
15
50
120
Ta / T
0.0720 0.1440
0.3600
0.7200
混凝土杆的层裂现象
厚钢板的层裂现象
应力波引起的破坏(3)
应力波引起的破坏(4)
点载荷（应力波）对不同 内部爆炸加载引起方形筒 厚度板引起的破裂（角裂） 的破裂（角裂）
内部爆炸加载引起刻槽圆 筒的破裂
例：应力波在钢骨混凝土构件中传播示意图
拉断（Spalling层裂）
压碎（Crushing）
爆炸冲击波荷载
动力弹性分析
Finite Element Model
Diameter of 36mm
Thickness of 6mm+1.14mm+6mm
Cushion Rubber
Mental Fastener
动力弹性分析
Material Model
o Glass: elastic
o PVB: visco-elastic
K = 20GPa ; mass density, r =1100kg / m3 ; decay factor, b = 12.6s-1 Young’s modulus, E = 206GPa ; mass density, r = 7850kg / m3; Poisson’s ratio, n = 0.30; yield stress, s = 256MPa ; strengthening modulus, E = 30.9GPa ; Hardening parameter, b = 0 ; Strain rate parameter, C = 40.0, P = 5.0.
弹性反应
Key Element Principal Stress with Fixed Constraint
Maximum Principal Stress (E+06)(N/m2)
Maximum Principal Stress (E+06)(N/m2)
40 35 30 25 20 15 10
5 0 -5
应力波产生的原因(2)
p 对于一切具有惯性的可变形介质，当在应力波传过物体 所需的时间内外载荷发生显著变化的情况下，介质的运 动过程就总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程， 这个过程的特点主要取决于材料的特性。
p 应力波研究主要集中在介质的非定常运动、动载荷对介 质产生的局部效应和早期效应以及载荷与介质的相互影 响，研究时需要考虑材料在高应变率下的动态力学性能 和静态力学性能的差别。
应力波的分类
o 弹性波：如果应力波中的应力小于介质的弹性极限，介 质中传播的是弹性波；
o 塑性波：如果应力波中的应力大于介质的弹性极限，介 质中传播的是塑性波；
o 粘弹性波或粘弹塑性波：若介质为粘性介质，视应力是 否大于介质的弹性极限，将传播粘弹性波或粘弹塑性波。
o 弹性波传过后，介质的变形能够完全恢复，弹塑性波则 将引起介质的残余变形，粘弹性波和粘弹塑性波引起的 介质变形将有一时间滞后。
∫ Sij (t) = 2
t 0
G
(t
−
τ
)eij
d
τ
G(t) = G¥ + (G0 - G¥ )e-bt p = −Kεkk
o Steel: isotropic and kinematic hardening
plasticity
γ
=
1+
! # "
ε C
$1/ & %
p
动力弹性分析
Material Model
2.1142 2.0314 5.7316 3.6940 2.3758
D1/ D2
0.1451 0.3419 0.9717 1.1227 2.0999
The Laminated Glass Panel with Fixed Constraint
D1 and D2 are maximum displacements in forced vibration period and free vibration period respectively
Centre Deflection (mm)
6
4
2 CASE1
0 CASE2
CASE3 CASE4
-2
-4 CASE5
-6
0
10
20
30
40
50
Time (ms)
The Laminated Glass Panel with Fixed Constraint
CASE1 CASE2 CASE3 CASE4 CASE5
这种由压应力波在自由表面反射造成的动态断裂称为剥落或层 裂，飞出的裂片称为痂片。层裂的发生还在于大多数工程材料 的拉伸强度低于其压缩强度。最早发现并研究这种动态剥落现 象的是 Hopkinson，因此也称这种破坏为Hopkinson破裂。
应力波引起的破坏(2)
在层裂过程中，在第一层层裂出现的同时，也形成了全新的自 由表面，继续入射压力脉冲将在新自由表面上反射，从而有可 能造成第二层层裂，依次类推，在一定条件下，可能形成多层 层裂，产生一系列的痂片。