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冲击荷载是现代结构体系的重要荷载,结构在冲击荷载作用下的力学响应与其在静力荷载作用下的响应表现出很大的不同。这些冲击荷载一般强度很大,冲击作用时间很短,通常以毫秒、微秒甚至纳秒来计,而在如此短的时间里,结构要经历施加高强度荷载,并产生极高的压力或者应力,最终引起结构的介质运动、材料破坏以及整个结构破坏等一系列随时间变化的动态响应过程。可见,冲击问题相当复杂,其涉及的学科领域也比较广泛。
冲击问题的研究方法主要包括经验公式方法、理论分析法和数值计算法。经验公式是通过大量的实验数据拟合而成,需要多次实验,耗资较大,而且实验结果具有很大的离散性,同时不同的公式有不同的适用范围和局限性,且计算结果也存在一定的差别。目前,各国的防护结构规范设计手册还是使用经验公式进行判断评估。我国防护规范也是如此。理论分析方法需要对材料性质及力学过程进行必要的简化,过多的简化可能导致较大的误差,甚至产生错误的结果。而且,理论分析方法很难得到完整解。随着ANSYS等大型计算软件的发展,数值方法逐渐成为研究冲击问题的主导方法,其对工程构件、工程结构的性能评价以及优化设计等也非常适用。
组合层板结构是一种广泛应用于军事和民用领域的新型结构形式,对该类结构的耐冲击性能的研究具有比较重要的意义。本文运用应力波的传播和结构的动态力学响应基础知识,对民用工程的建造和加固工程中广泛使用的钢板-混凝土板和舰船列车设计领域中的高速列车前挡风玻璃两种不同的组合层板结构进行耐冲击性能研究。
文中首先针对在国防与民用工程的建造和加固工程中广泛应用的钢板-混凝土板组合板结构,建立合理的的数值计算模型,利用应力波的知识,将组合板结构的冲击过程分为初始接触阶段、钢板变形阶段和冲击结束三个阶段,对冲击荷载下的组合板结构的动力响应过程进行了分析,并给出了组合板的不同破坏模式。在此基础上,本文又计算了不同的冲击速度、冲击角度和钢板厚度等冲击响应参数的影响,具体分析研究了钢板-混凝土板组合层板的耐冲击性能,并给出合理的工程建议。通过与前人结果的对比,证实了本模型的正确性和工程适用性。
接着,文中以冲击问题在高速列车设计领域中的应用为背景,针对当前国内新兴的高速列车遇到的石击前挡风玻璃问题,计算了列车前挡风玻璃结构在球形石块作用下的动力响应过程。文章用多个积分点的单层壳单元来模拟带有PVB层的挡风玻璃结构,通过任意拉格朗日方法对挡风玻璃结构进行动态响应分析。在当前国内最高列车速度下,列车的前挡风玻璃在石击作用下,可能会发生网状裂纹、星状裂纹和塑性变形破坏,但是,玻璃碎片仍会粘结在PVB上,对司机造成较小的伤害;当列车速度很高时,前挡风玻璃会发生开口破坏,玻璃破碎,碎块飞溅,本文结果与现实情况基本符合。此外,通过本文计算的玻璃的压力曲线结果与荷载简化公式结果对比分析,验证了本文方法的正确性和工程适用性。最后对全文的研究工作进行总结,并讨论了今后进一步深入研究的工作。
本文对组合层板结构的耐冲击性能研究具有非常重要的工程意义,文中得到的一些结论对于工程实际应用也具有一定的参考价值。