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翻译

功能梯度复合材料保护下冷弯型钢框架爆炸响应的数值研究

摘要:本文对受功能梯度复合材料(FGM)板保护的冷弯型钢结构框架系统的爆炸响应进行了数值模拟。钢架由四个CFS立柱组成，立柱两侧由12.5毫米厚的石膏、铝复合材料和FGM复合材料保护。使用ABAQUS对一侧暴露于空气冲击波的1.8 m times; 2.4 m的整体墙板进行数值模拟。研究了放置在距框架1.0米、1.5米、2.0米和2.5米的四个投射距离(R)处的1.0千克TNT炸药装药。使用幂律材料函数，通过逐步材料变化来模拟FGM板。将立柱的变形和失效模式以及保护材料与相同的框架系统进行比较，但使用不同的保护材料，包括传统的石膏板和铝复合板。根据分析和计算模拟的观察结果，建议的防护复合材料(FGM)在给定的间隔距离下导致峰值超压时的变形较小

(R)和螺柱上的局部失效模式。带有石膏和铝板的相同框架系统表现出过度变形以及CFS立柱的早期倒塌。这一观察可以导致抗爆设计中的替代材料解决方案。

关键词:冷弯型钢；爆炸；间隔距离；TNT功能梯度材料；复合材料

介绍

在过去的三十年里，特别是在1995年俄克拉荷马城爆炸事件后，美国政府建筑和商业设施中采用抗爆设计方法和建筑围护材料的需求日益增长。大多数关于防爆材料的工作仅限于军事研究，公众不易获得。此外，只有很少的尝试致力于薄壁结构系统的爆炸缓解。Stewart等人对冷弯型钢(CFS)立柱墙系统进行了试验研究，该系统使用水泥板和钢板的复合系统作为保护覆板1].在他们的工作中，对具有各种间距和连接配置的多个立柱墙系统进行了全面测试，他们提供了定性数据，这些数据可用于优化和开发一种低成本、易于建造的墙系统，该墙系统使用抗爆薄壁系统的复合板。在rvik等人的一项研究中，采用三种不同的方法对一个未受保护的20英尺ISO集装箱进行了数值模拟，该集装箱暴露于4000千克TNT的爆炸荷载下，爆炸距离为120米2].用于抗爆设计应用的钢立柱墙系统的计算模型由Bewick和Williamson开发[3].在他们的工作中，他们提出了有限元模型，捕捉钢立柱墙系统的峰值载荷和变形能力，说明了过去观察到的故障模式测试。也许最近的文章集中在提供薄壁系统抗爆的材料解决方案上，来自Aviram等人4].在他们的实验研究中，他们提出了一种复合水泥/钢覆层材料，与传统的混凝土或砖石墙系统相比，增强了抗爆性。此外，这种复合材料可以节省30%的成本。陶等人的报告[5]到AISC提出了单剪冷弯型钢-钢和覆板-钢连接的单调和循环响应。该报告通过实验研究主要关注动态荷载下的连接细节响应，并未涵盖墙体系统的响应。美国陆军工程兵团的工程研究与发展中心(ERDC)对冷弯型钢墙的爆炸响应进行了实验和数值研究，以了解建筑物在受到高爆炸装置(如恐怖分子炸弹)的爆炸荷载时的结构响应6].由于目前中低层建筑对CFS的需求很大，因此对极端荷载环境下墙体响应的研究也很有兴趣。两项研究对受FGM保护的CFS框架系统的反应和性能以及火灾下立柱倒塌行为进行了首次调查[7,8].冷弯型钢构件的轴向循环响应和能量耗散也由[9].对SEB墙进行了一项试验研究，该墙由传统的覆有复合水泥板/钢板覆板的CFS立柱组成，覆有增强的细部构造10].他们的研究发现，由于过早屈曲不稳定，使用传统细节建造的钢立柱墙的抗爆能力有限。FGM夹层板和壳的非线性分析，以及FGM大变形分析，在[11–14].关于FGM和钢墙系统阻力的类似文章也可以在几项研究中找到[15–22].

在大多数关于CFS墙系统响应的文章中，很少有人致力于为建筑围护结构提供新的材料解决方案。因此，本文的主要目的是介绍和提出一种用于薄壁框架系统抗爆设计的功能梯度材料(FGM)复合板。本文通过有限元分析软件ABAQUS，研究了考虑三种不同防护材料、几种支撑距离和FGM材料功能敏感性的CFS螺栓的爆炸响应。这项研究的结果和观察可以应用于薄壁框架以及任何建筑类型的建筑围护结构。它还可以为抗爆防护材料的设计提供一个框架。

2.功能梯度材料复合材料板的力学性能

功能梯度材料(FGMs)是指一类新型的先进复合材料，其特征是一个非均匀的材料体系，在给定的尺寸范围内材料性能逐渐变化。用于工程应用的FGM的概念在1984年作为抵抗高温梯度的热障在高超音速航天飞机项目期间首次在日本提出。功能梯度材料中的梯度是通过两种或两种以上材料的体积分数组合或化学处理单一材料以改变其初始性质来实现的。然后，功能梯度复合材料将具有与单个组成材料不同的独特的材料性质，同时保持它们的优点。由于其改善的机械性能，功能梯度材料可用于极端环境，如具有过度应变和高屈服应力的爆炸，这将导致单一材料零件失效。功能梯度材料也可以用作结构元件，如梁和板；详细的分析和数值解可以在[23,24].导致功能梯度材料的工程材料的发展如图所示资料编号：[591953]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word