燃气爆炸荷载下EPS夹芯板的动态响应与破坏机理研究

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EPS夹心板是一种轻质复合板,经常使用在石油化工建设的办公楼、控制室、商业建筑和住宅中等,但是这些建筑可能会遭受到由意外引起的远场爆炸的冲击。由于人们对其的力学性能和破坏机理的认识还不够,所以本文主要针对EPS夹心板在爆炸载荷作用下的破坏形式进行分析研究,探讨其力学性能和破坏机理,对其的抗爆能力和吸能能力进行定量的研究。本文主要进行的工作及研究成果包括以下几个方面:(1)利用LS-DYNA软件,建立EPS夹芯板的有限元仿真模型,选用他人文献中的EPS夹芯板冲击荷载试验,对实验过程进行模拟从而验证有限元模型的正确性。结果表明,所建立的有限元模型能够较准确的模拟出EPS夹芯板在冲击荷载作用下的破坏形态和实验中相应测点的位移和应变。对于燃气爆炸荷载模型的选取,采用简化的燃气爆炸荷载超压-时程曲线,均匀的加载到有限元结构模型的表面进行结构动力响应分析。(2)分别对不同设计参数的EPS夹芯板进行数值模拟,通过大量的数值模拟数据,进行参数研究,结果表明金属表层厚度、金属表皮屈服强度、EPS夹芯层密度、EPS夹芯层厚度等因素均会对模拟计算结果产生一定影响,但金属表层厚度的改变对EPS夹芯板抗燃气爆炸能力影响最为显著。(3)比较设计指南UFC 3-340-02中建议的TNT等效方法荷载计算值与燃气爆炸荷载实测值,研究发现TNT当量法荷载计算值在计算EPS夹芯板结构动力响应时,存在较大的误差。结果表明在低浓度的可燃气体如7.5%和8.5%体积浓度的甲烷空气混合气体发生燃气爆炸时,运用TNT当量法求得的结构响应与实际情况误差较大;在高浓度时如9.5%和10.5%体积浓度的甲烷空气混合气体发生燃气爆炸时,所求得的结构响应结果比较接近。在石油化工行业进行EPS夹芯板板房设计过程中,在高浓度燃气爆炸发生概率较大时,选用TNT等效方法的荷载计算值即可满足设计要求。以此为基础可以为石油化工行业夹芯板板房抗爆设计提供参考。
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