英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
对介质-结构相互作用系统在爆破荷载下的数值模拟承载力的评定
摘要----该研究致力于评定数值模拟的一个动态介质-结构相互作用系统的承载力。此系统由地质回填土、隔绝冲击材料、爆破炸药和部分掩埋结构组成。常规的高爆破性炸药在同一深度但与结构的不同距离处引爆。有限元软件DYNA3D用来评估问题的物理参数和系统的性状之间的关系。有限元软件的分析结果随后与现场试验收集的实验数据和通过简单计算方法得出的预测进行比较。
引言和背景
建筑物可以通过土层和岩石的掩埋免于武器的侵犯，而且地质的掩埋还可以提供保护使其免于爆破诱发的应力波。许多先前的研究提供了土壤覆盖层对于掩埋结构荷载传递影响的主要实证信息。在所有的封闭爆破试验中，冲击波必须穿越周围的介质行进短暂的距离到达设备造成破坏，一个对于波的传播和相应的界面压力的准确描述至关重要。遗憾的是，即使是使用完全相同的炸药，高爆破性炸药的爆炸仍可以展现出截然不同的压力曲线。正如文献【1-5】所描述的，这种保护方法的一个中心问题是与波的传播直接相关的，特别是冲击波的效应。这些来源主要包括对于理论的封闭形式解决方法的细节讨论。然而，这样的方法将分析者限制于一个相对狭窄的现实问题的领域，而且必须应用数值解决方法的过程来处理更加复杂（以及更加现实）的情况。
参考文献【6】已显示，可以通过在荷载源和结构之间布置土壤软屏障来降低应力波的强度。对于隔绝振动的明沟的运用是减少传播应力波对结构的能量传递的一种有效的被动的方法。能量在传递过程中的大幅下降被认为是波的传递路径中存在空隙的结果。明沟的一般作用是切断能量的传递，同时能反映波的标志性反射：反射在土壤-明沟界面有相反的迹象。换句话说，一个压缩波到达这个界面后将会反射为拉伸波，因此与入射波相互作用能够减弱其效应。既然沟渠在外加冲击荷载作用下能够破坏（取决于应力波的强度），那么研究在沟渠中布置软材料作为屏障的作用也是合理的了。
爆轰效应由炸药传播至土壤。参考文献【5】已显示，必须应用六种物理关系来描述一次爆炸中冲击波在气体里的传播，这六种物理关系分别是：质量守恒，动量守恒，能量守恒，气体状态方程，内能以及一个补充方程。这些方程通过合适的初始和边界条件可以应用于定义在传播冲击波前沿的环境。然而，在许多情况下，只有利用实验的方法才能获得爆炸时附近的实际条件。如果爆炸被土壤约束，则必须对土体单元重复该过程。再者，通过利用质量守恒、动量守恒和能量守恒，我们能够获得描述冲击波在材料中传播的控制方程。然而，在非线性领域中对此类问题的处理要求应用先进的数值算法，并且对计算机也有广泛的应用。
在动态干扰到达结构时，一次能量传递在土体和结构之间就发生了，因此术语叫做“介质-结构相互作用”。许多专家已经广泛研究了动态土体-结构相互作用，大多数研究都与地震条件有关，但是从中获得的知识也可以应用于研究爆炸荷载效应。另外的近期研究【7-9】处理了在爆炸荷载作用下动态土体-结构相互作用的特定问题。这些研究阐述了运用数值方法处理问题的有效性，以及相互作用的性质取决于土体和结构的特征。
参考文献【7】中运用数值方法研究了保护地下结构免于封闭爆炸的几种选择。正如【8，9】中描述的，这项研究的方法基于一个不同项目下研发的混合（有限元-有限差分）计算机软件。被动防护主要关注于改变沟渠中材料的柔软程度。一个土体强度只有周围土体强度10%的沟渠效果十分显著。峰值应力和质点速度分别由在沟渠前的5.7MPa（压应力）和27.7m·s-sup1;变为沟渠后的2.75MPa（压应力）和12m·s-sup1;。显然运用软土层来保护结构有着重要的作用。
研究方法
目前的研究方法是基于参考文献【10】中描述的成果的延续，该文献对图1中展示的土体-回填土-结构系统在高爆破性炸药分别于2m和3m的距离处爆炸作用下的性状进行了调查。防护的效果通过监测土体中的应力和变形情况以及特定结构的响应进行评估，特定结构的响应表现为两种不同条件下的两种爆炸范围的应变量，两种条件分别为在回填土和结构之间是否布置一个500mm的泡沫防护物。预测研究包括两种简单的分析方法，在【10,11】中均有所描述。首先是计算机程序BOOM1基于之前现场试验中获得的数据运行，然后是一个已经成功运用于动态分析掩埋箱型结构的先进的单自由度程序。两个程序都不能研究泡沫层的效果或在岩石回填层的爆炸。DYNA3D也应用于简单的分析，但正如我们所考虑的，相对于实际情况中的三维介质-结构系统，在二维情况下的处理结果要更加接近得多。
预测报告包括对于土体-结构相互作用相关信息的细节讨论、对先前发现的通过软土层进行结构隔离的总结，以及针对预测结构响应进行数值分析的详细描述。报告还指出，泡沫层对于减轻外加荷载和相应结构响应起到十分重要的作用，并且建议分别在2.0m和3.0m范围内保持拍摄，以确保在不破坏结构的情况下进行良好的数据收集。对于峰值相应范围的预测如表1所示。
范围的选定是为了使结构不会接近破坏。由于结构保持在弹性范围内，模型的关键区域是爆炸、周围土壤和泡沫保护的组合。利用有限元的方法可以创建一个更好的模型来研究土体中发生了什么，而不是采用其他简单的方法。本部分研究的重点已经放在对先进计算能力的运用和将数值结果与实验数据进行比较上。通过利用DYNA3D，对系统进行三维非线性动力学分析也得以实施。
给定的材料性质为:混凝土抗压强度为34.5MPa，土体单位质量为1762kg·m-sup3;，地震速度约400m·s-sup1;，衰减系数约为2.8。采用弹塑性材料对钢筋进行加固。弹塑性材料的参数如下:杨氏模量207GPa，质量密度7870kg·m-sup3;，泊松比0.3，屈服应力400MPa，切线模量3516MPa。高爆燃烧的材料模型为TNT炸药，其爆炸速度为6929m·s-sup1;，而Chapman-Jouget压力为17.8GPa，质量密度为1640kg·m-sup3;。炸药放置于距离较低水平中等高度的墙2.0和3.0米处。根据测试条件的实验评估，挪威岩土技术研究所提供了土壤回填和泡沫材料的材料特性。
由于对称性的存在，只对所分析的没有泡沫模型的l/2进行离散化，如图2所示。用一个完整的模型模拟了有泡沫保护的模型，如图3所示。正面和侧面的全模型(正如泡沫的测试实际发生的那样)爆炸均被执行。在有限元模型中，对混凝土、炸药、泡沫、土等进行了8个节点实心元素的研究。用两个节点梁单元来表征钢的补强，构成了离散强化模型。生成滑动界面来模拟网格部分之间的接口。相比于简单地把不同的材料粘结在一起，通过指定与分离和摩擦的滑动界面类型，可以更准确地模拟两部分的机械相互作用。
非反射边界用来模拟从网格边缘向外延伸的土壤的半无限域。这些边界被放置在吸收爆炸产生的波，防止不真实的反射回到系统。表2为每个不同模型中的每种材料提供了实体和梁单元的数量。
在过去许多对于加载爆炸系统的研究中，等效压力时间曲线被用来模拟荷载。在本研究中，使用一种专门设计用于模拟高爆炸性炸药爆炸的DYNA3D材料，对爆炸进行了精确建模。运用DYNA3D能够对压力在结构上的分布（有无泡沫包）进行详细的评估，并对不同回填材料的现实模型进行评估。
大约90%的模拟是在宾夕法尼亚州立大学IBM RS/6000可扩展POWERParallel 2 (SP2)系统上使用DYNA3D执行的。这台机器包含64个节点(CPU)，其中52个节点拥有128MB的内存，另外12个节点拥有256MB的内存。其余的模拟是在康奈尔理论中心的类似SP2上进行的，该中心有512个节点，每个节点提供128MB-2 GB的内存。典型的模拟半边船模(大约13000个单元)花了30-40 小时CPU时间计算，实际时间为100毫秒。这几次升级到模拟一个受到侧面撞击的包含泡沫层的完整模型(大约37500个单元）需要大约150小时的CPU时间来执行，实际时间为100毫秒。
结果与讨论
在对爆破-土体-结构相互作用系统的建模过程中遇到了一些困难。其中最重要的是没有从土壤中释放出爆炸压力。事实上，通过从爆炸中喷射出泥土，爆炸形成了一个爆破漏斗。运用有限元的连续网格模拟各小部分之间相互远离的过程变得非常困难。尝试用许多滑动界面将土壤在炸药上方分成多个部分，但这个模型并没有提供一个好的解决方案。通过在爆炸的上方形成一个移动的土块，试图以建造一个人工爆破漏斗来补偿通风的缺乏。通过两个案例的比较可以看出，一个没有滑动剖面，一个包括这个滑动剖面，如图4和5所示。对于有无滑动土体剖面的两种模拟，对其爆炸附近墙体中心的位移均进行了比较，测试数据[16]如图6所示。显然，通过增加滑动剖面，位移结果更接近实验结果。
通过计算产生的压力-时间曲线得以评估。在试验中，土壤应力数据是在高爆炸性炸药的自由场侧收集的(例如，在电荷的2 m处，但在远离结构的方向上)。
数值结果与图7中的测量压力进行比较。值得注意的是，二者结果是相当接近的。然而，也有几个重要的不同之处。一开始，计算得到的土体压力大多要比实验值高，但从13毫秒开始，实验数据始终高于计算值。显然，总体的实验压力（特别是13毫秒以后）比计算得到的数据是要高的。这些差异可能与材料特性的准确性以及排气现象的不准确建模有关，并且应该影响系统的响应。
所有的模拟都显示了在系统内包含过多能量的趋势，导致结构运动过大。这在2m和3 m的情况下都是很明显的，在这些情况下，模拟的位移增加并超过了早期的测试位移。如图6所示，即使有滑动的土层，在接近85 毫秒之前，模拟位移也超过了试验数据。从这些变形量中可以看出，有限元模型比实际结构刚度更大，但爆炸产生的初始压力产生较大的早期位移和速度。这一效应也出现在3 m的情况下，在最初上升太快后，模型位移与试验运动保持一致，如图8所示。图9中对速度的比较表明，在结构运动开始后的大约45毫秒内，出现了大量过剩的能量。
表3对没有泡沫的2 m处拍摄的峰值应变数据进行了比较，图10给出了数据可用的位置。结构的每一部分(即每一段面对单独一个炸药的墙体)包含如图10中布置的应变片。应变的比较也不同，从O7位置的几乎完全精确的匹配，到Il位置的匹配度差了几乎两倍。总体来说，外层的应变比内层应变的更接近结果。应该对系统的一个更全面的模型进行分析，以正确地比较模拟应变和试验应变。
在包含泡沫的模型的执行过程中出现了另一个问题。DYNA3D基于系统中任何元素的最小维度计算时间步。一旦泡沫在土壤和混凝土之间被压碎，时间步就变得非常小(即10-9s)，系统基本上停止了明显的进展。为泡沫提供的材料数据是基于非常缓慢的(拟静力)加载速率的，这在给定的加载条件下进行计算是不够的。由于泡沫材料缺乏可用的材料数据，选择了替代材料模型来代表泡沫。采用一种简单的超弹性橡胶模型，该模型仅包含密度和剪切模量的参数，使计算能够达到100毫秒的终止时间。从拟静力泡沫试验数据的原始特性出发，对橡胶材料的参数进行了估计。DYNA3D手册中建议在没有足够的材料数据可用时采用该材料。
由于其有从界面弹射出的趋势，在模拟过程中保持土壤和结构之间的泡沫以确保其有效性是另外一个问题。在60毫秒时，泡沫不再覆盖结构的下半部分，这个问题如图11所示。
在图12和图13中，比较了土与结构之间包含泡沫层的情况下直接面对爆震的较低楼板中心的位移和速度时间曲线。正面和侧面的爆炸情况均与2 m的测试结果进行比较。尽管侧面的情况下(即对泡沫层的实际引爆方式)所发生的运动比正面的情况要低，其结果仍比试验数据高出三倍。
在所有的测试中，大量的结构运动是由于刚体运动。通过观察前后记录的结构位移，可以看出这一点。在大多数情况下，后方位移值至少是前方位移值的80%。这意味着小的结构变形(即墙板弯曲)存在，大部分记录下来的运动都是总体的结构位移和转动。数值模拟很好地反映了刚体运动。这一模拟刚体运动的例子如图14和15所示，展示了初始时和偏转后形状的正面和平面图，以用于侧面爆炸。在泡沫试验中，侧爆震源对结构的实际运动有更好的表征。正面的情况是一个对称的系统，它没有引起结构绕垂直轴的任何旋转(如图15所示)。
表4给出了有泡沫的情况下在2 m处拍摄的钢筋应变。应变片的位置对应于图10。所有的模拟结果都比试验中的应变要小得多，从11号位置的大约小3倍到16号位置的小超过5倍。显然，用来代替泡沫的橡胶材料和相对粗糙的钢筋混凝土网的组合不能正确地描述钢筋混凝土墙的应变。
表5中给出了由各种预测和后续测试模拟方法以及实际测试得出的的峰值响应的总结。基于参考文献[15]的信息，由实验得到的的压力-时间曲线估计了BOOM1和SDOF方法应用的爆炸载荷。通过选择炸药的重量、范围、埋藏深度和土体性质，可以获得土体中不同位置的此类数据。
来自BOOM1和SDOF的位移和速度在测试数据的一般范围内提供了合理的估计，但是压力过大。在几乎所有的类别中，模拟都给出了合理的结果，即使结果全面地高于试验数据。很明显，这些简单的程序不能用于精确模拟这种类型的测试，而有限元软件提供了更好的峰值响应。在测试中没有获得有泡沫条件下的自由场压力，所以在有限元模拟中没有挑选出特定的点并记录下来。
结论
本研究的目的是评估现有的介质-结构交互模拟能力，与于1993年10月在白沙导弹靶场进行的挪威综合避难所的后续测试联系在一起。如前所述，高爆破性炸药产生的压力-时间曲线往往表现出很大的不同，即使是相同的炸药。显然，能够预测介质-结构的交互响应将非常依赖于生成“准确”加载函数的能力。
目前的模拟是用有限元软件DYNA3D[14]进行的，其结果与从全面测试中收集的数据进行比较。利用DYNA3D进行了各种数值实验，从而更好地理解了如何有效地使用这些程序，需要仔细注意哪些参数，以及如何完善对爆炸诱发荷载的理解，以及对
全文共10653字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[16894]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
