基于LS-DYNA的砌体墙爆炸破坏数值模拟研究

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随着国际恐怖主义的愈演愈烈,不论是在解救人质的过程中还是频繁发生的恐怖分子对民用设施的恶意袭击中,爆炸冲击荷载不可避免的会作用在外部维护结构上。由于砌体结构应用历史久远,在我国既有民用住宅体系中占有非常大的比例,砌体填充墙亦广泛的应用于各种建筑中,爆炸荷载作用于砌体墙的几率不容忽视。为了更好的打击敌人同时也为了减少恐怖袭击中的损失,针对砌体墙在爆炸冲击荷载作用下的力学响应进行分析是一个现实而又迫切的课题。  本文主要利用LS-DYNA软件,采用流固耦合算法对砌体墙在内部的爆炸载荷作用下的毁伤效果进行研究,以及采用CONWEP加载爆炸冲击波的方式对砌体墙在外部爆炸荷载作用下的破坏机理进行探索。主要研究内容和成果包括以下几个方面:  (1)建立了砌体墙内部爆破的三维数值模型,通过与试验数据进行对比,验证了材料参数、脆性损伤材料模型、流固耦合计算方法以及考虑了砌块和砂浆之间的粘结滑移的分离式精确模型的可行性。  (2)进一步分析了不同因素对最终爆破效果的影响。研究表明墙体最终爆洞尺寸随着材料强度的增强而减小;随着药量的增加,爆洞尺寸有所增大,但增长速率逐渐减小,且在X、Y方向存在微小差距;随着起爆深度的增加,近起爆点一端墙体表面的尺寸呈现减小趋势,距离起爆点较远一端墙体表面尺寸逐渐增大。通过对不同厚度墙体在不同药量作用下的爆洞效果进行模拟,结果表明若要达到一米见方的爆洞,不同厚度墙体所需药量在1000g到2000g之间不等。  (3)通过对砌体墙在外部爆炸载荷作用下的响应过程进行模拟,验证了加载方式的可行性。分析了各种工况下墙体的毁伤机理,得到了各毁伤效果图。  (4)随着比例距离的减小,墙体跨中挠度增大,毁伤愈加严重;四边支承边界墙体承受冲击波荷载远远优于两端支承;墙体的响应周期以及最大挠度均随着材料强度的增加减小,砂浆强度的改变对墙体最终破坏的影响要比砖块强度显著,同时不能盲目提高砌块强度,应考虑砖块和砂浆两种材料的协同作用;墙体厚度对砌体墙承受爆炸冲击荷载能力影响尤为显著;竖向荷载作用下,墙体对冲击波的承载能力远远小于无竖向荷载作用时,相对于未承载竖向荷载的墙体,承载墙体的最大挠度出现处明显上移,且上部结构对比于下部破坏严重;在近距离爆炸模拟中,分析了墙体破坏机理,结果显示不同于远距离冲击波作用下墙体的弯曲破坏,墙体在近距离爆炸冲击波作用下主要呈现冲切破坏模式。  最后,对全文所做的工作进行了总结,并对下一步研究工作进行了展望。
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