单层球面网壳的冲击荷载与冲击响应研究

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许多大跨空间建筑已经成为地标性建筑和著名的人文景观,具有重要的政治、经济意义。近年来,国际恐怖主义活动日益活跃,“911事件”中发生了飞机撞击建筑物的惨剧,飞机飞行事故也威胁着地面建筑的安全,若大跨空间结构被冲击后发生倒塌,将引起不可估量的损失。因此,研究大跨空间结构的抗冲击性能显得非常必要。本文在已有研究成果的基础上,对网壳结构的抗冲击性能进行了更为深入系统的探讨。本文通过对刚体冲击物冲击网壳的冲击荷载的研究,提出一种简化方法可对网壳结构的抗冲击性能进行有效评估;而实际冲击物尺寸形状多变且具有弹塑性发展,因此本文着重探讨冲击物尺寸、材料属性对网壳结构失效模式的影响,最后对网壳结构在小型飞机撞击下的响应展开了分析。本文在ANSYS/LS-DYNA中建立60m跨度K8单层球面网壳有限元模型,开展网壳抗冲击性能的研究工作。主要研究内容有以下几个方面:1通过对网壳结构遭受冲击荷载的研究,提出简化冲击荷载模型对网壳结构在冲击物作用下的冲击力特征进行了研究,分析网壳在顶点撞击下第一次碰撞过程中冲击物对结构的冲量、做功以及杆件参与运动的情况,提出了简化的冲击力模型。通过应用冲击力时程曲线对结构进行加载,验证了该简化模型的正确性。2研究冲击物尺寸对网壳失效模式的影响在ANSYS/LS-DYNA中改变冲击物模型尺寸,对冲击物撞击网壳单个及多个节点的情况进行研究,考察冲击物尺寸效应对网壳失效模式的影响,并从冲量、能量的角度对冲击物尺寸影响进行分析。3研究冲击物材料属性对网壳失效模式的影响主要考虑网壳顶点冲击条件下,冲击物弹性变形及弹塑性发展对网壳结构响应及失效模式的影响,考察了结构的动力响应及结构失效模式与吸收能量的关系,分析冲击物材料属性对失效模式产生影响的原因。4对飞机撞击网壳进行了模拟研究分别利用冲击力曲线(Riera模型)加载的方式及数值仿真的方法模拟网壳结构在飞机撞击下的响应。通过研究发现,后者能够更确切的反映冲击作用下结构的变化。建立小型客机有限元模型,对飞机以不同姿态撞击网壳不同位置的过程进行模拟,初步揭示了网壳结构在飞机撞击下的变形发展和失效模式。
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