多点连续冲击荷载下K6型单层球面网壳动力响应及失效机理分析

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gorlsand
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网壳结构具有良好的力学性能及丰富的造型,广泛应用于城市的大型场馆建设。近年来,由于恐怖袭击、飞行器坠落以及高空坠物等原因导致结构发生冲击破坏甚至倒塌的工程事故频频发生。国内外对于单点冲击作用下空间结构的动力性能与失效机理已经展开了研究,但对空间结构在多点及连续冲击作用下的动力性能研究很少。本文以K6型单层球面网壳为研究对象,在试验研究的基础上,使用理论分析及有限元模拟相结合的方法对K6型单层球面网壳在多点连续冲击下的动力性能展开相应研究,具体工作为以下几个方面:(1)通过建立球面网壳结构的冲击区在三角形脉冲荷载下的运动方程,推导了结构体系的动力响应及反应比,得出结构最大反应比的主要影响因素为冲击荷载的作用时长及结构体系的自振频率。采用近似能量法来计算球面网壳结构在冲击作用下的塑性大变形,并对结构顶点受到单点冲击作用时的壳体凹陷区域的半径做了简化推导,得出凹陷半径受球壳结构自身的曲率半径、等效厚度、棱区宽度、结构材料的屈服应力和结构吸收冲击能量的大小等因素的影响,为后续结构不利多点冲击位置的选取提供依据。(2)使用ANSYS/LS-DYNA建立了K6型单层球面网壳冲击计算模型,对比分析了试验测试结果与数值模拟结果,两者吻合较好,误差在允许范围内,验证了有限元模型及结构冲击数值分析方法的准确性,为后续分析奠定了基础。(3)通过建立47个冲击工况有限元模型,以网壳结构矢跨比、冲击位置、冲击物质量及冲击速度为不同参数,分析了结构在多点连续冲击下的动力响应。结果表明以上因素在首次及二次冲击时仅对结构冲击区的动力响应影响较大,对非冲击区结构的影响很小。(4)通过对比35个K6型单层球面网壳算例在不同多点连续冲击能量下的变形,总结了5种变形模式:(1)结构多处局部凹陷、(2)结构多处局部严重凹陷、(3)结构塌陷、(4)结构多处冲切破坏并伴有严重凹陷、(5)结构多处局部冲切破坏。以有效二次冲击下的网壳结构的变形模式(1)及变形模式(2)为对象,研究分析其失效机理。此两种变形模式下网壳结构的变形在二次冲击后,变形向外扩散,特别是变形模式(2),位于冲击点之间的结构部分变形发展较大,但两变形模式中网壳结构下部区域变形发展较小。变形模式(1)下结构吸收能量较少,冲击区杆件没有进入完全塑性;变形模式(2)下结构吸收能量较多且冲击核心区域杆件进入完全塑性,导致结构的能量吸收率整体大于变形模式(1)。
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