PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能及板的爆炸动力响应分析

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与普通水泥基复合材料相比,纤维增强水泥基复合材料作为一种新型水泥基材料,具有高韧性、抗冲击性强等优点。其中,高性能的纤维材料能够有效地优化复合材料的受力特性,改善水泥基材料的力学性能,尤其是抗拉性能和变形性能。纤维增强水泥基复合材料构件在爆炸冲击荷载作用下的受力性能的研究还未达到广泛的共识,本文所做的工作是利用正交试验设计方法对PVA纤维增强水泥基复合材料的基本性能和运用ANSYS/LS-DYNA程序进行关于配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板在爆炸冲击荷载作用下的动力特性研究。本文首先对国内外纤维增强水泥基复合材料研究现状和爆炸荷载作用下结构构件的动力特性研究历程进行综述;其次,通过对纤维增强水泥基复合材料的试验研究和现有资料的整理分析,给出材料最佳配合比和基本参数,为下一步的数值模拟提供数据支持;再次,配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板在爆炸荷载作用下的数值模拟方法进行确定,并对爆炸荷载进行了确定和简化;最后,根据数值模拟结果,本文对配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板的位移、速度时程曲线和等效应力进行了分析,并且考虑了板厚、爆炸荷载峰值与作用时间、比例距离和约束条件等因素对配筋复合材料板动力响应特性的影响。本文利用正交试验设计方法,重点分析影响纤维增强水泥基复合材料物理力学性能的四个因素。在试验数据的基础上,本文得到了以下结论:(1)纤维增强水泥基复合材料的密度与纤维体积掺量之间的关系为ρ=2.1e0.1344x;(2)在试块进行抗压试验时,试块并没有出现锥体破坏,仅在表面出现了破坏裂缝,试块在峰值荷载时依然能保持较好的完整性。(3)在本文的试验材料的选择和试验条件的范围内,复合材料立方体抗压强度(fcu)与棱柱体抗压强度(fc)之间的比值fcu/fc为0.93~0.98;(4)纤维增强水泥基复合材料的抗折强度(f)与纤维掺量(x)之间的关系为f=2.84x311.91x2+13.94x+5.363;(5)纤维增强水泥基复合材料的折压比为0.19~0.26;(6)与普通混凝土相比,纤维增强水泥基复合材料的弹性模量偏低,其棱柱体试件主要产生斜向剪切破坏。通过对配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板在爆炸冲击荷载作用下的动力响应特性进行重点分析,得出以下几点结论。(1)增加板厚,是减少配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板抵抗爆炸冲击荷载下跨中挠度的有效措施。板厚在100mm~200mm之间增加50mm,跨中挠度减小幅度为60%左右;(2)影响配筋复合材料板动力特性的因素不仅是爆炸荷载的峰值大小,还与爆炸荷载的持续时间有关系;(3)比例距离越大,复合材料板Z方向位移越小。爆炸荷载的作用效应随比例距离的增加呈减小趋势;(4)在相同的爆炸荷载作用下,配筋复合材料板的边界约束条件发生改变时,板内位移峰值的大小和位置均发生了变化,其位移峰值最大的位置会朝着约束减弱的方向移动。
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