飞机撞击安全壳中航油爆炸耦联分析模型及影响研究EI北大核心CSCD

在飞机撞击安全壳事件中,撞击载荷和航油爆炸载荷是需要耦合考虑的两种载荷。当前主要关注于单一的飞机撞击载荷作用,缺乏撞击-爆炸载荷耦合作用的分析和影响比较。为研究耦合作用下安全壳结构的动力响应差异,并提出可行的数值模型,基于飞机和安全壳细致的动力数值模型进行了全过程的耦合分析。首先,以蒸气云爆炸的TNO多能法模型来定量表示航油爆炸载荷;并基于钢筋混凝土板抗爆、抗弹体撞击的数值模型试验,验证了RHT本构模型在不同载荷形式下的通用性;最后,采用精细化建模的A340-300大型商用飞机和某四代核反应堆安全壳模型,对比分析了单一载荷作用和撞击-爆炸耦合载荷作用下安全壳的位移时程和损伤分布规律。研究结果表明,在对安全壳进行飞机撞击评价时进行撞击-爆炸耦合载荷作用的分析是十分必要的。基于该研究模型,耦合载荷作用下的安全壳峰值位移响应比考虑单一载荷作用的位移增加了约27%。除此之外,安全壳的局部损伤破坏也有较大幅度的变化,与单一撞击载荷作用相比,耦合作用下损伤面积在机身撞击区域增加约142%,在引擎撞击区域增加约72.8%,且引擎撞击局部区域的损伤程度大幅增加。     

基于谱单元方法的平板冲击流固耦合研究

假设流体无粘且无旋,计及流体中的气穴现象,采用谱单元方法建立水下爆炸瞬态流固耦合的三维数值模型,探讨了水下爆炸瞬态流固耦合作用的机理,用经典的平板冲击问题对数值模型进行验证,数值结果与解析解吻合良好,并根据数值结果绘制了流体中的气穴区域,对气穴效应进行分析,分析显示,气穴效应会对结构响应产生很大影响,在计算中应予以考虑。基于本文建立的数值模型,在不同网格细化的条件下,分别采用谱单元方法和有限元方法对弹簧——平板模型进行水下爆炸瞬态流固耦合问题的求解,并在此基础上对谱单元方法和有限元方法进行对比研究,研究发现,谱单元方法在提高精度的同时能大量节省计算时间,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求解中。本文旨在为相关水下爆炸瞬态流固耦合的研究提供参考。     

常规装药侵彻预应力钢筋混凝土安全壳数值模拟

现代战争或反恐怖战争中,核电站极有可能遭受精确制导装药的打击。根据核电站安全壳的结构形式,采用Backman和Goldsmith侵彻方面的假设,建立了钢筋混凝土分离式有限元模型,分别对250m/s、400m/s和600m/s着靶速度的弹丸侵彻预应力混凝土结构的过程进行了数值模拟,结果表明:着靶速度对结构的破坏形式和区域有明显的影响,弹丸侵彻表现为明显的冲塞现象。     

POZD涂覆钢板加固钢筋混凝土板抗爆性能研究

为了研究聚异氰氨酸酯噁唑烷(Polyisocyanate oxazodone, POZD)聚合物高分子材料涂覆钢板-钢筋混凝土板在接触爆炸荷载作用下的抗爆性能,开展了接触爆炸试验和数值模拟研究,对其破坏特征进行分析。采用有限元软件LS-DYNA建立了钢筋混凝土板、炸药、钢板和POZD的有限元模型,讨论了不同药量下POZD涂覆钢板加固钢筋混凝土板的破坏模式和破坏特征。试验及数值结果表明：在钢板-钢筋混凝土板背面涂覆POZD涂层能有效提升结构的抗爆性能;在接触爆炸作用下,POZD涂覆钢板加固钢筋混凝土板试件呈现四种破坏模式。     

大型商用飞机撞击核安全壳的动力响应分析

核电厂安全壳结构在大型商用飞机撞击下的动力响应是目前核安全领域关注的热点。基于LS-DYNA程序对大型商用飞机撞击安全壳全过程进行了数值模拟。以大型商用飞机A380为基础机型,包络目前典型商用飞机的基本特征,建立了精细化的全尺寸飞机模型,并基于飞机撞击力的目标荷载曲线对飞机模型进行了优化。同时建立了钢筋混凝土安全壳和周围厂房的有限元模型,以及基于飞机引擎撞击试验对安全壳模型进行了验证。选取安全壳较为危险的部位进行飞机垂直撞击的耦合分析,得到了飞机撞击的破坏现象、撞击力、混凝土损伤以及撞击位移随时间变化的规律和特点,相关工作和结论可为工程安全评估和结构设计提供参考。     

混凝土拱座空心立柱水压爆破数值模拟研究

利用非线性动力有限元程序LS-DYNA建立了钢筋混凝土结构水压爆破的数值计算模型,通过流固耦合算法,对水压爆破的作用机理和作用效果进行了初步的探讨,得出了在钢筋混凝土结构数值模拟中对水压爆破切口的处理方法.     

基于松耦合法的π型主梁竖向涡振数值模拟

借助软件FLUENT,基于松耦合方法将自编Newmark-β 算法程序对接FLUENT求解流固耦合问题的数值模拟方法。通过对宽高比为4 的矩形断面竖向涡激振动进行数值模拟验证了该方法的可靠性。利用ANSYS建立某拟建汉江斜拉桥的三维有限元动力模型,获取其主要动力基频特性以及质量参数。建立二维π梁断面绕流模型,计算在不同来流风速下该桥梁断面竖向自由度的振幅以及旋涡脱落频率变化情况,模拟出涡激振动的“锁定”区间,并分析某完整周期内梁断面的瞬时涡脱变化以及竖向涡振机理。     

室内燃气爆炸冲击波的特性及传播规律

利用显示动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,基于流固耦合方法分析可燃气体在室内爆炸冲击波的特性及对结构的作用。利用ANSYS建立有限元建模,燃气混合气体及空气采用欧拉网格,采用多物质ALE算法。分析可燃气体与空气的体积比、体积及爆炸泄压部位等改变时对爆炸冲击波的影响,选取9种工况进行数值分析。分析结果表明:当可燃气体与空气的体积比为9.5%时,产生爆炸冲击波压力最大。利用流固耦合的方法能很好地模拟爆炸冲击波的传播规律及对结构作用的过程。燃气在封闭空间里爆炸时,合理设置泄压口,能一定程度地减小爆炸冲击波对结构的破坏作用。     

CFRP加固钢筋混凝土T梁抗爆动力响应数值模拟

为了研究CFRP加固钢筋混凝土T梁的抗爆性能,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了钢筋混凝土T梁—CFRP材料—空气域—TNT炸药的全耦合模型,进行爆炸荷载下钢筋混凝土T梁的数值模拟,对钢筋混凝土T梁的动态力学性能进行了分析,分别研究了CFRP外贴形式、CFRP厚度对钢筋混凝土T梁的影响.结果表明:相比普通...     

基于不同算法的Ti/SS316爆炸焊接数值模拟研究

目的 研究不同基复板间隙对爆炸焊接质量的影响,对钛(Ti)/不锈钢(SS316)的爆炸焊接过程进行数值模拟研究。方法 利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,结合光滑粒子流体动力学-有限元耦合法(SPH-FEM耦合算法)和拉格朗日-欧拉耦合法(ALE算法),对钛(Ti)/不锈钢(SS316)爆炸焊接过程进行三维数值模拟,通过不同算法得到不同基复板间隙下的碰撞速度、碰撞压力及碰撞角,并将模拟结果与试验及理论计算结果进行对比。结果 当间隙为5、10、15 mm时,SPH-FEM耦合算法和ALE算法的复板碰撞速度均落在爆炸焊接窗口内,表明纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)均能成功实现焊接,没有脱落与鼓包。与SPH-FEM耦合算法相比,ALE算法下的碰撞速度、碰撞压力和碰撞角的模拟结果和理论计算结果更加吻合,可信度更高。结论 ALE算法的模拟结果与试验结果吻合,且与理论计算结果的误差更小,表明ALE算法用于纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)爆炸焊接是有效的。     

核电厂安全壳结构模型碳纤维布加固试验研究

核电站安全壳是防止核泄漏的最后安全屏障。该文基于某核电厂预应力安全壳的1:10结构模型,开展试验研究。利用内部水压来模拟事故中安全壳的压力,试验通过数百个传感器和数据采集系统详细测得安全壳各部位的受力过程。在试验中,先加载至结构破坏,然后采用外包碳纤维布的方式进行加固并再次加载试验。在ANSYS中建立了安全壳模型的有限元模型进行分析,试验和计算结果表明CFRP加固能够显著提高安全壳结构的承压能力,同时也能有效控制安全壳结构的变形和裂缝发展。有限元计算分析结果与试验结果吻合良好,能够用来预测碳纤维布加固后结构的表现。     

锈蚀对核安全壳结构钢衬里撕裂的影响

为研究锈蚀对核安全壳结构钢衬里撕裂的影响,该文对36个不同锈蚀率的钢衬里板进行了单轴拉伸试验,分析了锈蚀钢衬里板的力学性能退化机理和退化规律;建立了锈蚀钢衬里板的本构模型;根据试验结果,提出了考虑不同锈蚀率的钢衬里撕裂准则和锈蚀模拟方法;通过数值模拟,分析了锈蚀对安全壳钢衬里撕裂的影响;最后对比了该文模拟方法与美国核管理委员会(NRC)方法的差异,并给出了NRC方法中锈蚀影响系数的取值建议。结果表明：随锈蚀率增大,钢衬里板的弹性模量变化不大,但其屈服强度、峰值强度、峰值应变和断裂应变大致呈线性退化规律;该文建立的锈蚀钢衬里板的本构模型与试验结果吻合良好;随锈蚀率增大,安全壳钢衬里发生撕裂时的内压逐渐降低,且当锈蚀率为50%时,内压降低29.06%;与NRC方法相比,该文方法能直观反映不同锈蚀率对钢衬里的影响,更能接近实际锈蚀情况;对于NRC所建议的锈蚀影响系数,锈蚀率小于20%时,可取上限值,锈蚀率为20%～40%时,建议取最佳估值,而锈蚀率超过40%后,应当取下限值。该文研究工作可为安全壳钢衬里锈蚀后的性能评估提供借鉴和参考。     

内压荷载下安全壳1:10模型结构非线性有限元分析

对先进核电厂预应力混凝土安全壳1:10模型结构进行了内压作用下的非线性有限元分析。径向位移计算值与实验值的比较说明了计算模型和计算参数基本合理;由于预应力的作用,内压加至0.6MPa,模型结构仍处于受压状态,满足使用要求;1.5m至3.0m高范围内的径向位移大于其它高度的径向位移,标高2.0m左右的径向位移最大;沿模型结构环向,63.24o附近的径向位移大于其它位置的径向位移;极限内压为1.34MPa,为设计内压的3.35倍。分析表明,新开发的先进核电厂安全壳结构在内压作用下是安全的。     

核电厂房安全壳流固耦合动力响应分析

在地震荷载作用下,核电厂房安全壳水箱内水会发生晃动,这种流固耦合作用会影响到安全壳的动力响应。采用简化附加质量法和光滑粒子流体动力学(SPH)法,分别对应不考虑和考虑水体晃动的效应,选取常用自然波Northridge波和上海人工合成波作为地震动输入,获取了7个水位工况下包括基底剪力、位移和加速度的动力响应。通过对比两种方法的模拟结果,发现考虑水体流动的SPH法要比不考虑水体晃动的简化附加质量法的动力响应要小,水箱内水的晃动对结构整体的动力响应起到了减震的作用;并分析SPH法各水位工况下的动力响应,结果表明:水位高度4.0 m时,安全壳动力响应相对较小,是水箱较为合理的储水水位。     

商用客机对核安全壳撞击破坏效应的数值模拟分析

为研究商用客机撞击下新型核反应堆安全壳安全防护性能,该文建立新舟600飞机和安全壳精细化有限元模型,采用LS-DYNA软件对撞击全过程进行数值模拟,分析安全壳结构位移响应和局部损伤破坏情况。分析表明:新舟600撞击力时程曲线中的峰值荷载是因引擎和机翼撞击安全壳所致,撞击力时程曲线与Phantom F4战斗机和Boeing 707客机撞击力时程曲线的形状大体相似,但撞击持续时间、峰值荷载大小有较大差别;在正常巡航速度撞击下核安全壳局部破坏较为严重,局部变形量超过规范许可值,密闭性能受到影响;采用在直接施加撞击荷载的计算方法不能反映安全壳真实的响应和损伤破坏。     

具有隔震构造的核电站安全壳在强烈地震和大型商用飞机撞击下的振动响应分析

核电站安全壳的安全性和完整性在建造运营期间必须要得到保证,尤其是对于强烈地震和飞机撞击等超设计基准事故。基础隔震作为一种能有效降低上部结构地震响应并防止结构破坏的典型隔震措施,在未来的核电站设计建造中备受关注,因而在核电站隔震系统的建造设计时应考虑大型商用飞机撞击的影响。该文基于CPR1000核电站安全壳,在底板下侧布置了不同型号的高阻尼橡胶隔震支座,从结构的隔震率（DAR）、最大水平位移和加速度反应谱,对安全壳在强烈地震作用下的隔振性能进行了综合分析。并结合采用荷载时程法以A320商用飞机撞击荷载为例进行飞机撞击核电站安全壳的分析,着重从飞机撞击后的振动衰减过程的振动特性以及飞机撞击诱导振动的加速度反应谱的分析结果对具有隔震构造的安全壳振动规律进行了分析。     

非接触爆炸冲击载荷对防盗门作用数值模拟研究

为实现反恐行动中非接触爆炸冲击波破门目标,针对金属防盗门实际条件建立数值仿真模型,重点研究了防盗门在非接触爆炸冲击载荷作用下塑性变形破坏过程及规律。结果表明：相同爆炸冲击载荷作用下,实际转动条件防盗门板塑性变形动力响应时间延长,最大变形量远大于四边固支条件下门板变形量;爆炸中心与防盗门距离过近,门板受爆炸产物和空气冲击波共同作用,只出现局部破坏,不能实现门板整体塑性变形;拟合了防盗门板在非接触爆炸冲击载荷作用下变形量计算式,可为反恐破门弹药设计提供依据。     

具有隔震构造的安全壳飞机撞击耦合动力响应模拟分析

建筑物隔震构造主要用于削弱地基中地震荷载对上部结构的影响,而来自上部的飞机撞击对于安全壳隔震体系的影响如何是保证核电安全值得探讨的重要问题。为评价核电站安全壳隔震体系与飞机撞击的耦合动力效应,该文提供了一种细致的模拟耦合动力分析的手段,建立了安全壳细致的动力数值模型,针对不同刚度的隔震支座及无隔震条件,进行多种类型飞机撞击作用下安全壳的动力响应分析。结果显示,飞机撞击作用期间,不同刚度的隔震支座与无隔震条件相比,撞击位置中心节点位移与冲击力的大小具有相关性,因而存在差异,而对于安全壳混凝土结构损伤区域分布则差异不大;但在撞击荷载作用后,不同刚度的隔震支座则会对安全壳振动衰减过程有较大影响。研究表明在隔震体系设计阶段,不能片面的考虑隔震体系在削弱地震响应方面的需求,需要与飞机撞击振动衰减过程耦合分析,从而确定适宜的隔震支座水平刚度等参数。     

Structural integrity assessment of nuclear containment through fracture characterization

The paper deals with the study of structural response of partially cracked nuclear containment model structure in over pressurized condition with the simulated experiments conducted under severe accidents analysis program for Indian nuclear containment structures. In this research, the fracture characterization of concrete containment structure is also investigated through the over pressure experiments on the BARC Containment (BARCOM) test model structure, which represents 1:4 scale of the prototype 540 MWe Tarapur pre‐stressed nuclear containment structure. In addition to the surface‐type electrical resistance, strain gauges conventionally and commonly deployed for containment proof‐test and ultimate load capacity evaluation of containment models, embedded vibratory wire strain gauges (VWSGs), the digital image correlation (DIC) technique, and soap bubble tests are employed in this study. For fracture characterization, an optical crack profile (OCP) technique is developed through DIC full‐field experiment conducted at the identified critical locations with conventional strain gauges to evaluate the fracture energy and the characteristics of the fracture process zone of concrete containment model structure subjected to the over‐pressure condition for its performance assessment in the case of the beyond design basis accidents. The combination of conventional sensors and full‐field DIC deployed for the first time on the largest scale containment model along with the associated analysis is shown to be effective in fracture characterization and improved structural integrity assessment of the containment model.     

高低温循环及对称冲击耦合加载下 炸药的安全性研究

基于一级轻气炮加载装置，研究了高低温循环及对称冲击耦合加载下某黑索今(RDX)基含Al炸药的安全性，计算了缺陷处的内能等参数。结果表明:高低温循环后，炸药试样出现可见的孔隙。对称碰撞加载后，不经高低温循环的试样未发生点火，应力加载峰值为835 MPa，加载时间为35 μs；而经历高低温循环的试样出现点火，点火前应力为242 MPa，加载时间11 μs。高低温循环所产生的缺陷是导致炸药点火的重要原因。