刚性和变形冲击器作用下的隧道损伤分析

文摘   2024-12-08 23:07   安徽  
摘要:导弹对地下结构的冲击带来显著的安全隐患,需要深入研究以提高此类基础设施的弹性和安全性。本研究旨在通过比较刚性和可变形冲击器的冲击,使用先进的模拟技术评估导弹冲击对地下结构的影响。使用ANSYS/LSDYNA软件对地下结构冲击场景的3D模型进行了模拟。模拟重点评估刚性和可变形冲击器造成的损伤差异。由于几何形状和加载的对称性,模拟了模型的四分之一以减少计算时间。采用了各种材料模型,包括用于岩石的MAT_RHT、用于混凝土的MAT_CSCM_CONCRETE和用于钢筋和冲击器的MAT_PLASTIC_KINEMATIC。应用了不同的接触算法和边界条件以准确复制现实场景。分析结果显示,使用可变形冲击器显著减少了对地面和隧道衬砌的损伤,相比于刚性冲击器。具体而言,刚性和可变形冲击器的速度分别为91.8和65.7 m/s。通过与受冲击的RC梁实验数据进行比较,验证了数值模型的可靠性,展示了模型在预测冲击响应方面的可靠性。研究发现,冲击器材料行为对损伤结果有重要影响。结果主张在刚性结构冲击评估中考虑非刚性材料,有助于提高地下基础设施的安全协议和设计策略。

1. 引言 (Introduction)

- 背景:文章讨论了地下结构遭受导弹冲击的影响,特别是在恐怖袭击中,地下隧道系统的安全问题。

- 研究目的:评估导弹冲击对地下结构的影响,比较刚性与可变形冲击体的影响,并使用先进的仿真技术进行分析。

2. 数值建模 (Numerical Modelling)

- 几何模型:由于几何和加载的对称性,模型的四分之一被用于仿真以减少计算时间。

- 材料模型:使用了不同的材料模型,包括岩石的MAT_RHT、混凝土的MAT_CSCM_CONCRETE和钢筋及冲击体的MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

- 加载与交互属性:建立了接触模型,包括冲击体与岩石、混凝土衬砌之间的相互作用。

- 边界条件和网格划分:基于对称性假设定义了边界条件,并详细描述了模型的网格划分。

3. 冲击加载条件的验证 (Validation of Impact Loading Condition)

- 实验验证:使用Fujikake等人对受刚性锤冲击的RC梁进行的实验测试来验证有限元模型。

- 模型对比:通过对比实验数据和数值结果,验证了模型在预测冲击力和位移方面的准确性。

4. 结果与讨论 (Results and Discussion)

- 地面和隧道损伤评估:比较了刚性与可变形冲击体对地面和隧道衬砌造成的损伤。

- 速度变化:分析了冲击过程中冲击体的速度变化,发现可变形冲击体的速度低于刚性冲击体。

- 结论:使用可变形冲击体的仿真结果更符合实际情况,减少了对地面和隧道衬砌的损伤,但计算需求更高。

5. 结论 (Conclusions)

- 研究贡献:研究了冲击体的可变形性对地下岩石隧道损伤的影响,发现使用可变形冲击体能更准确地预测损伤,尤其是在冲击刚性材料如岩石和钢筋混凝土时。

- 实际应用:建议在地下保护结构的设计中考虑非刚性材料,以提高安全协议和设计策略。

- 计算需求:虽然使用可变形冲击体的模型能提供更准确的预测,但计算时间比刚性冲击体模型长约38%。

文章通过对比刚性与可变形冲击体对地下隧道的影响,强调了在地下结构设计中考虑冲击体材料行为的重要性,并提出了提高地下结构安全性的建议。

参考文献

Khan, A., Yong, F., Yifan, J., Hajivand, R., & Dastgerdi, R. H. (2025). Damage Analysis of a Tunnel Under Rigid and Deformable Impactors. Geotechnics and Geophysics in Engineering, 43(9), 1-11. https://doi.org/10.1007/s10706-024-03022-w

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