基于纤维增强的刚柔结合的复合结构抗爆炸性能研究

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近年来,国内外发生了许多人为或非人为的建筑物爆炸事件,给社会带来了巨大的经济财产损失和人员伤亡。目前,国内外在抗爆炸方面的研究重心已转向纤维增强复合材料。复合材料由两种或两种以上材料组合形成,具有高比刚度和高比强度的特点,方便成型,功能具有可设计性。对于不同的纤维增强复合材料,通过不同的组合方式得到新结构,研究其在爆炸荷载下的动态响应,获得不同材料之间的最佳组合方式,并将得到的最优结构运用于建筑物防护,具有非常重要的现实意义。本文运用有限元软件ABAQUS,对复合材料层合板的抗爆炸性能进行了研究,抗爆炸性能包括衰减冲击波能力、抵抗变形能力和吸能特性。主要工作和成果如下:(1)基于Hashin失效准则编写VUMAT子程序,在层间插入Cohesive界面单元,建立了用于爆炸分析的有限元模型。通过与已有试验结果和理论公式的对比,验证了数值模拟的准确性。(2)针对典型的刚柔结合的复合结构,对其在不同的铺层模式下的抗爆炸性能进行数值仿真研究。研究发现,在所选的铺层模式中,结构在[0/45/-45/90]5铺层模式下对冲击波的衰减能力最强,[45/0/90/-45]5铺层模式下最弱;在[0/45]10铺层模式下抗变形能力最弱,[90/-45/45/0]5铺层模式下最强;在[45/0/90/-45/45]4铺层模式下吸收能量的能力最强,[90/-45/45/0]5铺层模式下最弱。(3)固定铺层角度,对刚柔结合的复合结构进行研究,逐一改变结构中两种材料单层板的比例,研究新的复合结构的抗爆炸性能。研究发现,在该铺层模式下,定义两种材料的数量比为R,当比例R=0.75时,刚柔结合的复合结构对冲击波的衰减能力最强;结构发生的变形会随着刚性材料的增加而逐渐减小,即抗变形能力会逐渐提高,当R在0.45~0.55范围内时,抗变形能力的提高效果最为显著;对于吸能能力,在前期会随着刚性材料的增加而显著提高,但如果刚性材料所占比例逐渐增多,反而没有明显的提高效果。(4)基于前面的研究结果,综合选择固定铺层角度下的刚柔结合的复合结构中两种单层板的最佳比例,对复合结构进行优化,并将优化的结构运用到H型钢柱中,对爆炸荷载下的H型钢柱进行防护。通过与已有试验结果的对比,验证了数值模拟的准确性;优化的结构对H型钢柱进行防护后,起到一定的防护效果。
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