冲击波条件下横卧钢管变形简化数值模拟方法研究

钢管作为一种吸能元件已经被广泛应用于土 建、机械、交通等领域。静载条件下钢管吸能层的吸 能特性也由此得到了深入的研究[1～3]。本文旨在通 过横卧钢管在冲击波作用下的变形、吸能特性的模 拟爆炸试验,研究横卧钢管吸能效果的简化数值模 拟分析方法,为钢管吸能层的工程设计提供参考。

    1　试验原理与方法

    1.1　试验元件

使用条件的不同,吸能层的结构形式也应该不 同。但是作为吸能层,应该具有塑性变形稳定、变形 行程长、变形荷载小的特点,横卧钢管恰好具有上述 特点。单钢管吸能层,结构形式简单,其它形式钢管 吸能层主要由单钢管组成,所以要研究钢管吸能层 的吸能特性,首先要研究单钢管吸能层的吸能特性。 为了探讨单、双钢管吸能层吸能特性之间的关系,试 验元件取以下两种结构形式:图1为横卧单钢管,图2为横卧双钢管。试验元件的几何尺寸见表1。

    1.2　试验原理

    试验原理见图3。试验冲击波荷载由高能导爆 索在模爆器盖板和栅格板之间爆炸产生,经过栅格 板整流后均匀地同时作用在空压传感器和模型上, 空压传感器量测的冲击波即为作用在吸能元件上的 动荷载P(t);冲击波经过吸能层作用在主体结构上 的动荷载(吸能层动反力R(t))由吸能层正下方的 晶体压力传感器量测;模型顶板、底板、晶体压力传 感器刚度远大于钢管刚度,在冲击波作用下变形可 忽略不计,吸能层压缩位移即为刚性顶板与模型底 板之间相对位移u(t),由动位移传感器量测。P(t)、 R(t)、u(t)由试验采集系统采集。通过分析P(t)、R (t)、u(t)测试数据即可研究吸能层吸能特性。

    2　试验结果

    2.1　冲击波荷载

　　试验冲击波荷载由高能导爆索爆炸产生,因为 导爆索的用量相同,所以每次试验测出的冲击波荷 载也相同。以下所有试验结果均是在此荷载作用下 得出的(见图4试验冲击波荷载)。

    2.2　试验元件变形过程及形态

试验元件变形形态如图5所示。从图5不难看出单钢管变形模式为“四铰机构”模式。

图6为单钢管典型的动反力-位移曲线。根据图 6可以将单钢管的动反力-位移曲线分为4段:第1 段(O-A)为钢管的弹性变形阶段;第2段(A-B)为 钢管几何大变形阶段;第3段(B-C)为钢管强化大 变形阶段;第4段(C-D)为钢管卸载阶段。

图7为双钢管典型的动反力-位移曲线。根据图 7可以将双钢管的动反力-位移曲线分为5段;第1 段(O-A)为外层钢管弹性变形阶段;第2段(A-B) 为外层钢管几何大变形阶段;第3段(B-C)为小钢 管的弹性变形阶段;第4段(C-D)为小钢管几何大 变形阶段;第5段(D-E)为双钢管卸载阶段。