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大型商用飞机撞击核电站屏蔽厂房的荷载研究

作　者: 郑文凯
导　师: 刘晶波
学　校: 清华大学
专　业: 土木工程
关键词: 撞击荷载飞机核电站屏蔽厂房
分类号: TU312
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着核电的大力发展和大型商用飞机的应用普及，大型商用飞机撞击核电站问题引起了人们的高度重视。目前我国在该领域的研究还比较少，本文通过理论和数值方法对大型商用飞机撞击核电站问题开展了研究，可为核工程安全问题研究和工程实际设计提供参考。论文的主要内容和研究成果如下：1、分析了课题的研究背景和意义，对国内外的研究现状从理论、试验和数值模拟三个方面做了总结，整理借鉴了飞机撞击大楼、船撞桥墩、车撞桥梁等类似问题的研究成果。2、阐述有限元理论，介绍了本文的主要计算软件ANSYS/LS-DYNA的特点、计算流程和基本原理，对接触碰撞的相关算法、有限元单元等做了比较详细的说明。3、采用薄壁钢梁冲击试验对Platic_Kinematic本构模型模拟金属材料进行了验证。总结动力分析中常用的混凝土模型及其参数确定方法，利用1/7.5比尺发动机模型以不同速度撞击钢筋混凝土板的试验比较了不同的混凝土材料模型对动力计算结果的影响，对撞击分析中有限元模型的非线性材料本构及参数进行了验证。4、研究大型商用飞机撞击过程有限元模拟中的网格尺寸效应，分析了刚体的特点和网格尺寸效应，采用薄壁圆筒撞击刚性墙分别研究入射物环向和轴向网格尺寸效应，将分析结果与飞机模型撞击刚性墙的分析结果进行对比，相关结论一致，确定了飞机有限元网格划分的原则，提出了研究飞机网格尺寸效应的简化分析方法。5、建立了飞机和核电站屏蔽厂房的非线性有限元模型，考虑了非线性、大变形、动接触等因素，进行大型商用飞机撞击核电站屏蔽厂房，完成了撞击过程的模拟计算，获得了大型商用飞机撞击核电站屏蔽厂房的荷载时程曲线，对大型商用飞机的撞击荷载和核电站屏蔽厂房的变形特点进行了讨论。分别假设核电站为线弹性和刚性本构模型，分析核电站刚度对撞击荷载的影响规律，讨论目前核工程设计中常用的Riera方法的适用性并给出撞击荷载时程的简化形式及其分布，最后分析了不同飞机撞击速度下的撞击结果。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-19
  1.1 研究背景  9-11
    1.1.1 核电的大力发展  9
    1.1.2 飞机的应用普及  9-10
    1.1.3 飞机撞击核电站屏蔽厂房  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 飞机撞击的理论研究  12-13
    1.2.2 试验研究  13-14
    1.2.3 数值模拟的研究  14-15
    1.2.4 其他碰撞问题的相关研究  15-17
  1.3 本文的研究内容  17-19
第2章显式动力有限元和撞击理论  19-29
  2.1 引言  19
  2.2 有限元理论  19-20
  2.3 ANSYS/LS-DYNA 数值模拟工具介绍  20-22
    2.3.1 LS-DYNA 求解器  20
    2.3.2 ANSYS 前处理器  20-21
    2.3.3 后处理软件  21
    2.3.4 ANSYS/LS-DYNA 程序的分析流程  21-22
    2.3.5 选取 ANSYS/LS-DYNA 为本文的分析软件  22
  2.4 LS-DYNA 程序基本理论  22-25
    2.4.1 基本控制方程  22-23
    2.4.2 时间积分和时间步长控制  23-24
    2.4.3 沙漏及其控制  24-25
  2.5 接触碰撞的数值计算方法  25-26
  2.6 单元选择及介绍  26-28
    2.6.1 LINK160 单元  26-27
    2.6.2 SHELL163 薄壳单元  27
    2.6.3 SOLID164 实体单元  27-28
  2.7 本章小结  28-29
第3章材料本构模型的研究  29-56
  3.1 引言  29
  3.2 金属材料模型及验证  29-36
    3.2.1 金属材料本构  29-30
    3.2.2 薄壁钢梁的冲击试验及有限元模型  30-32
    3.2.3 薄壁钢梁的冲击模拟结果  32-33
    3.2.4 铝合金材料失效参数分析  33-36
  3.3 混凝土材料研究  36-45
    3.3.1 Concrete_Damage (及 Concrete_Damage_Rel3)模型  37-41
    3.3.2 Brittle_Damage 本构模型  41
    3.3.3 HJC 混凝土本构模型  41-45
    3.3.4 EROSION 算法分析  45
  3.4 材料模型验证  45-55
    3.4.1 1/7.5 发动机撞击钢筋混凝土板的试验  45-47
    3.4.2 有限元模型的建立  47-50
    3.4.3 试验与数值模拟分析  50-55
  3.5 本章小结  55-56
第4章网格尺寸效应研究  56-69
  4.1 引言  56
  4.2 刚性体的特点研究  56-59
    4.2.1 刚性体特点  56-57
    4.2.2 刚性体网格尺寸研究  57-59
  4.3 圆筒撞击刚体的网格尺寸效应  59-63
    4.3.1 撞击模型  59-60
    4.3.2 圆筒网格环向尺寸效应研究  60-61
    4.3.3 圆筒网格轴向尺寸效应研究  61-63
  4.4 飞机撞击刚体的尺寸效应  63-67
    4.4.1 飞机网格环向尺寸效应研究  64-66
    4.4.2 飞机网格轴向尺寸效应研究  66-67
  4.5 研究网格尺寸效应的简化方法  67-68
  4.6 本章小结  68-69
第5章大型商用飞机撞击核电站屏蔽厂房的数值模拟  69-92
  5.1 引言  69
  5.2 核电站和飞机模型  69-72
    5.2.1 核电站有限元模型  69-70
    5.2.2 飞机有限元模型  70-72
  5.3 飞机撞击核电站屏蔽厂房计算模拟  72-80
  5.4 撞击荷载的分析与讨论  80-88
    5.4.1 核电站刚度对于撞击力的影响  80-81
    5.4.2 Riera 方法确定撞击荷载时程  81-83
    5.4.3 飞机撞击荷载的分布形式的确定  83-88
  5.5 飞机以不同撞击速度撞击屏蔽厂房的分析  88-90
  5.6 本章小结  90-92
第6章结论和展望  92-95
  6.1 本文主要工作和成果  92-93
  6.2 研究工作的展望  93-95
参考文献  95-100
致谢  100-102
个人简历、在学期间发表的学术论文  102

大型商用飞机撞击核电站屏蔽厂房的荷载研究

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