介绍： 鉴于大型桥梁遭受恐怖爆炸袭击的潜在风险和桥梁结构抗爆研究的严重不足，本文采用数值模拟方法，研究了大跨度缆索支承桥梁钢箱梁的汽车炸弹爆炸冲击响应，着重分析了汽车炸弹桥面爆炸钢箱梁局部破坏机理。本文的主要工作和创新性成果如下： （1）运用ANSYS/LS-DYNA 非线性有限元软件，基于ALE 多物质流固耦合算法，对金属薄板、加筋板和钢管爆炸实验进行了数值模拟，模拟结果与实验吻合较好。分析了实体单元与薄壳单元及其网格密度对钢箱爆炸冲击响应的影响，确定了合理的网格密度范围。 （2）分析了冲击波对水平放置靶板的绕流及其对靶板响应的影响，表明比例距离及构件尺寸均较小时，需考虑绕流的影响。分析了两种焊缝计算模型（加筋与母板之间固结模型，角焊缝模型）对加筋板爆炸冲击响应的影响，表明焊缝模型对加筋板失效模式Ⅰ的变形过程以及失效模式ⅡS 的起裂与破口过程影响较小：失效模式Ⅰ中最终挠度相差小于6%，失效模式ⅡS 的起裂装药量相差小于4%。 （3）考虑小轿车和小客车汽车炸弹（TNT 当量100kg~500kg）在跨中桥面三种典型位置爆炸，采用ALE 流固耦合算法，通过大量数值模拟，深入分析了钢箱梁的爆炸冲击响应过程、破坏模式、破坏参数及其主要影响因素。结果表明：钢箱梁局部爆炸冲击响应过程可分为桥面板破口、冲击波箱体内传播和桥面板破片作用于底板、隔板及腹板三个阶段；钢箱梁主要发生“顶板开裂破口，其他构件未开裂”和“顶板与底板均开裂破口”两种破坏模式；顶板受近距离爆炸冲击波作用开裂破口，隔板及加劲肋对其破口有明显约束作用，隔板受冲击波作用产生弯曲变形，底板主要受破片冲击作用产生局部大变形、开裂或破口；顶板破口尺寸及纵隔板变形受爆炸位置影响显著，底板破口尺寸及横隔板变形受爆炸当量影响显著。 摘 要 ............................................................................................................................... i ABSTRACT ..................................................................................................................... ii 第一章绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 课题背景及研究意义....................................................................................... 1 1.2 桥梁面临的恐怖爆炸威胁............................................................................... 2 1.2.1 地面交通恐怖爆炸威胁........................................................................ 2 1.2.2 恐怖炸弹类型........................................................................................ 4 1.3 桥梁结构爆炸冲击响应研究综述................................................................... 5 1.3.1 桥梁结构爆炸冲击响应研究方法........................................................ 5 1.3.3 钢箱梁爆炸冲击响应研究现状............................................................ 8 1.4 本文研究的主要内容....................................................................................... 9 第二章ALE 算法及LS-DYNA 软件简介.................................................................. 11 2.1 概述................................................................................................................. 11 2.2 ALE 多物质流固耦合算法.............................................................................. 12 2.2.1 ALE 算法基本原理............................................................................... 12 2.2.2 多物质单元.......................................................................................... 15 2.2.3 流固耦合方式...................................................................................... 15 2.3 LS-DYNA 软件简介........................................................................................ 16 2.3.1 几种材料的本构模型 .......................................................................... 16 2.3.1.1 炸药材料................................................................................... 16 2.3.1.2 空气材料................................................................................... 17 2.3.1.3 金属材料................................................................................... 18 2.3.2 爆炸冲击数值模拟基本步骤 .............................................................. 19 第三章钢箱梁爆炸冲击数值模拟关键技术 .............................................................. 20 3.1 爆炸波的有限元模拟..................................................................................... 20 3.1.1 钢板爆炸实验概况.............................................................................. 20 3.1.2 爆炸实验计算模型.............................................................................. 21 3.1.3 数值模拟结果分析.............................................................................. 23 3.2 焊缝的有限元模型......................................................................................... 28 3.2.1 焊接加筋板实验概况.......................................................................... 28 3.2.2 加筋板爆炸实验计算模型.................................................................. 29 3.2.3 焊缝模型影响分析............................................................................... 31 3.2.3.1 失效模式Ⅰ的变形................................................................... 31 3.2.3.2 失效模式ⅡS 的起裂与破口.................................................... 34 3.3 钢箱的有限元模型......................................................................................... 36 3.3.1 薄壁钢管实验概况.............................................................................. 36 3.3.2 爆炸实验计算模型.............................................................................. 38 3.3.3 结果比较与分析.................................................................................. 39 3.3.4 壳单元合理网格尺寸.......................................................................... 48 3.4 本章小结 ......................................................................................................... 49 第四章钢箱梁爆炸冲击局部破坏机理 ...................................................................... 50 4.1 计算模型.......................................................................................................... 50 4.1.1 钢箱梁构造及梁段模型...................................................................... 50 4.1.2 计算工况.............................................................................................. 51 4.1.3 有限元模型.......................................................................................... 53 4.2 桥面中心爆炸钢箱梁局部破坏分析............................................................. 54 4.2.1 破坏模式Ⅱ的响应过程...................................................................... 56 4.2.2 破坏模式Ⅲ的响应过程...................................................................... 63 4.3 行车道位置爆炸钢箱梁破坏分析................................................................. 67 4.3.1 内车道位置爆炸.................................................................................. 69 4.3.2 外车道位置爆炸.................................................................................. 72 4.4 破坏参数与主要影响因素............................................................................. 76 4.5 本章小结......................................................................................................... 80 第五章结论和建议 ...................................................................................................... 81 5.1 结论................................................................................................................. 81 5.2 建议................................................................................................................. 82 致谢 ............................................................................................................................ 83 参考文献........................................................................................................................ 84 作者在学期间取得的学术成果.................................................................................... 90
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