爆炸荷载作用下结构的动力分析

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RF-DYNAM Pro - 强迫振动中远距离引爆的爆炸场景图

基本概念

在设计和建造结构时，应考虑其能承受在使用年限内可能出现的各种作用，并满足使用要求。 结构上的作用按随时间的变化分类如下：

• 永久作用（例如自重）
• 可变作用（例如活荷载、雪荷载和风荷载）
• 偶然作用（例如爆炸或车辆撞击）

本文主要讨论由爆炸引起的偶然作用。 偶然作用的持续时间很短，并且发生的概率不大。 但是，它可能会对结构的稳固性产生重大的影响。

“爆炸是指突然发生的，极其迅速的氧化或分解反应，并伴随着温度和压力的突然升高， 从而导致气体体积突然膨胀，在较小空间内释放出大量能量 (...)。 体积突然膨胀产生压力波，在理想爆炸情况下（从点源发出），它可以通过爆炸波模型进行描述。”[1]除了爆炸冲击荷载外，还伴随着由高温和碎片引起的其他效应。 在本文中只考虑作用在结构上的冲击荷载，其他效应不予考虑。

远距离爆炸冲击荷载

冲击荷载可以用压力-时间曲线（摘自 [2]）来表示。

远距离爆炸压力-时间曲线

从上面的图表中可以看出，冲击波冲击结构瞬时产生超压峰值，

计算爆炸重要的输入值是测点到爆心的距离 R 和炸药 TNT 当量 M_TNT。 以下公式是参考[2]建立的荷载模型。 由两个输入值 R 和 M_TNT 可以确定比例距离 Z。

下面为最大峰值超压，正压脉冲值和形状系数的计算公式。 形状系数主要对负压阶段有影响。

下面计算正压的作用时间 t_d 和虚拟作用时间 t^~_d。

为了确定反射压力-时间曲线，需计算超压和负压阶段的反射系数 c_r 和 c^-_r。 假设反射面为无限垂直，公式如下： 有关值的详细信息，请参见[2] 。

然后根据所有计算得出的值，并且借助用于完整反射压力-时间曲线的荷载模型

和选定的荷载函数，在附加模块 RF-DYNAM Pro - 强迫振动中定义时程曲线。

在 RF-DYNAM Pro - 强迫振动中的输入

可以在附加模块里以时程曲线的形式输入荷载函数。 时程曲线既可以是瞬时的、周期性的，也可以直接定义为函数。 结构在特定位置受到激励， 该位置可以在静力荷载工况中定义， 几乎所有的荷载类型都可以在这里输入。 静力荷载工况与时间相结合，将静荷载转换为动荷载， 这可以在动荷载工况下完成。 乘数 k 用于确定激振力的最终大小。

以下是 M_TNT = 1 kg，到爆心距离 R = 10 m 的计算 。 如果使用参数化输入，那么会得出以下数值。

参数列表

如果在 RFEM 模型文件中已保存相关参数列表，您只需要在列表中调整 R 和 M_TNT 的值即可。 如果它们在比例距离5 <Z <30的值范围内，那么可以使用在[2]中给出的计算模型。

根据参数列表中的数值，在附加模块中输入四个时程曲线，如下图所示。 在许多数值分析软件中，压力不是直接在 t = 0 s 时刻出现，而是如在我们的示例中，在 t = 0.01 s 时刻开始出现。可以使用嵌套的 If 函数表示所需的时程曲线函数。

概述：输入时程曲线

为了在一个文件中对这四个函数进行比较，我们定义了四个相同的子结构体系，并且是在一个动力荷载工况下进行分析。 每个子体系都分配了一个荷载工况，侧面荷载 1 kN/m²， 并且分配了不同的时程曲线，即荷载函数也不同。

动力荷载工况：时程曲线

最后输入子体系的 Rayleigh 阻尼，这可以通过子体系在所考虑方向上的两个主导振型来确定。

动力荷载工况：阻尼

结果

在计算得出结果后，可以在文件中比较这四种荷载函数及其对子体系的影响。 在本文中，仅简要地对在全局 X 方向上的加速度和位移进行了比较。 在结果导航器的界面中可以对结果进行评估。 在这里可以显示所设置的计算时间步长的计算结果。 此外，在分析完一个动力荷载工况后，可以打开时程曲线，输出和比较其他点处的值。 这里考虑的是侧面中间的值。

时程曲线结果：全局 X 方向上的加速度

时程曲线结果：全局 X 方向上的位移

恒定脉冲 p₁(t) 显示出预期的最大值。 两个线性函数 p₂(t) 和 p₃(t) 非常相似，并且与预期的一样，p₂(t) > p₃(t)。 最后显示的是 p₄(t)，在不忽略负压的情况下，与线性 p₃(t) 相比，作用在结构上的值更大。

小结