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爆炸荷载作用下高速列车车窗玻璃毁伤效应研究

爆炸荷载作用下高速列车车窗玻璃毁伤效应研究

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作者：张文岚大连交通大学

学位级别：硕士

在国内外铁路运输系统中,意外发生的爆炸事故和有目的的炸弹袭击时有发生,严重威胁到列车的运行安全。当爆炸发生在列车侧面时,爆炸冲击载荷主要作用于车体侧墙、车门、车窗玻璃等部位,车窗玻璃在强冲击载荷作用下更容易破碎。调查数据... 详细信息

在国内外铁路运输系统中,意外发生的爆炸事故和有目的的炸弹袭击时有发生,严重威胁到列车的运行安全。当爆炸发生在列车侧面时,爆炸冲击载荷主要作用于车体侧墙、车门、车窗玻璃等部位,车窗玻璃在强冲击载荷作用下更容易破碎。调查数据显示,70%伤亡人员是由爆炸冲击波对玻璃损伤后产生的高速飞溅碎片所造成。目前对爆炸冲击波作用下高速列车车窗玻璃的毁伤效应研究鲜有报道,对其抗爆性能的研究更是处于起步阶段。对于车窗玻璃进行毁伤效应研究能够提高列车的抗爆性能,有效减少高速飞溅玻璃碎片带来的二次伤害,也为列车的行车安全与结构优化提供理论参考。本文以CRH380A型动车组二等座车厢的车窗为研究对象,考虑玻璃板间惰性气体层的作用以及PVB胶的影响,分别采用conwep计算模型结合ALE多物质算法,以及CFD方法在侧面爆炸环境中研究不同爆距、不同当量TNT、不同爆高下车窗玻璃板心处的超压变化及冲击波对内外玻璃的作用情况;结合失效破坏准则将失效单元删除来模拟车窗玻璃的破碎,模拟车窗内外层玻璃的破坏特征;同时利用CFD方法探究爆炸荷载作用下列车外流场的压力变化以及不同车窗玻璃破坏情况下高速列车内流场分布规律,并探究在近地面侧面爆炸环境中,车内假人的压力分布和典型位置处假人头部、胸腔、小腿以及肋骨处的压力变化,结合超压评估准则判断不同假人的损伤情况。研究结果表明:采用conwep计算模型结合ALE多物质算法能够准确高效地模拟冲击波扩散到车体迎爆面以及在车体顶部发生衍射到逐渐消失的过程,以7kg TNT为爆炸物输入条件,当爆距为2.5m时车窗外层玻璃冲击波超压峰值达到971.4k Pa,内外层玻璃最大应力分别为299.1MPa、330.4MPa,导致内外层玻璃发生大面积脱落。在TNT当量一定时,车窗玻璃板心的位移峰值、速度峰值、加速度峰值随着爆距增大呈指数型函数衰减,且随着当量TNT增大,冲击波越容易衰减,正压持续时间越短。另外爆炸过程中随着时间的增长和冲击波在空气中的传播,爆距越长,其正压区越宽,爆距越小,车体上超压峰值点与车窗玻璃上的压力差越大。当车窗玻璃破碎后爆炸冲击波在车内以及以半球形在车厢迎爆面与背爆面往复传递,入射波叠加反射波,造成部分假人身体部位的压力聚集效应,对比超压评价准则,推断出典型位置处假人身体表面的物理损伤,车厢中处于炸药水平投影点处的假人在冲击波作用下死亡,越靠近车厢两侧,假人表面的冲击波压力越小,但仍造成假人重伤。

关键词：爆炸冲击波车窗玻璃 conwep计算模型流固耦合

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