燃油气爆炸作用下建筑结构破坏耦合场分析模型研究

Gas (oil) cloud explosion safety is one of the most important problems which should be solved urgently on the public safety. At present, the major design codes in anti-blast structural design are based on the explosion effects of the solid explosives, which do not consider the specific features of the gas (oil) cloud explosion. Comparing with the solid explosive, the volume of gas (oil) cloud explosion is much large, the scaling law is also not satisfied; the efficiency of energy release and the load profiles in the gas (oil) cloud explosion will be affected by the boundary condition formed by the initial shape and damage process of the structure; the heat effect in gas (oil) cloud explosion is significant, the structure is under the coupling load of heat and impact. For the features of the damage of structure in the gas (oil) cloud explosion, a coupling filed model will be established, which will model the whole process from the leakage of the gas (oil), the dispersion and transport of gas (oil) cloud, the initiation of cloud, multi-phase cloud detonation to the response and damage of the structure. The coupling field model includes the coupling effect of the impact and heat generated by the gas (oil) cloud explosion, and includes the response of structure under the coupling loads of heat and impact. The model also includes the interaction between the process of gas (oil) cloud explosion and the response of the structure. The computing code for the coupling field model will be developed, which will become a platform for the research on the response and damage of structure under the gas (oil) cloud explosion. It is very meaningful for the anti-blast study and design of structure under the gas (oil) cloud explosion.

燃油气爆炸安全是城市公共安全研究亟需解决的重大课题。目前，建筑结构抗爆研究中主要针对凝聚相炸药爆炸效应，未能很好地反映燃油气爆炸作用的特征。与凝聚相爆炸物爆炸相比，燃（油）气爆炸源体积大，不满足爆炸相似率；建筑结构形貌特征与破坏过程影响燃油气爆炸能量释放效率与形成的荷载特征；燃油气爆炸中热效应显著，建筑结构受热-力耦合作用。本课题针对燃油气爆炸作用下建筑结构破坏的特性，建立描述燃油气泄漏、油气云运移、气云点火起爆、多相气云爆炸、建筑结构在气云爆炸作用下破坏全过程的耦合场分析模型。耦合场分析模型包含了燃油气爆炸形成的冲击-高温热复合效应，同时包含了建筑结构在热-力复合荷载作用下响应过程，也包含了建筑结构响应过程和燃油气爆炸过程的相互影响。课题研究将开发出耦合场分析计算程序，形成燃油气爆炸作用下建筑结构破坏响应的研究分析平台。本课题研究对于建筑结构抗燃油气爆炸研究和设计有重要意义

近年来,我国已发生多起重大燃油气爆炸事故,造成重大人员伤亡和财产损失。如何提高结构的抗爆炸性能，降低结构的破坏程度，减少人员伤亡和财产损失是结构抗爆研究亟需解决的重要问题。燃油气爆炸作用下结构破坏过程油气泄漏、油气气云扩散、点火起爆、油气气云燃爆、结构局部破坏到整体破坏等一系列过程。整个作用过程长，涉及多个物理过程。因此，为掌握燃油气爆炸作用下灾害效应演化规律，控制爆炸事故的破坏效应需要对燃油气爆炸作用下灾害演化过程，需要对燃油气爆炸整个作用过程进行联合分析。.本课题采用继承前期研究成果和增量开发部分计算模块相结合，模型研究和计算方法相结合，程序开发和验证相结合的研究方法。首先，对燃油气爆炸载荷特征的形成机理进行分析，开展了爆炸荷载作用下结构动态响应特征试验和破坏机理研究，开展了粉尘云最低着火温度影响因素试验和规律分析。在已有研究成果的基础上，根据耦合场的要求扩展了多相流动与爆轰计算模型，完善了材料破裂模拟方法和结构损伤模型；建立了燃油气爆炸热交换模型和温度场计算模块，并引入到已有的爆炸流场和结构流固耦合计算模型中，形成热-力复合作用下耦合场计算模型。在此基础上，引入了可以反映材料热-力共同效应的材料本构模型并与各计算模块集成；随后，根据数值模拟软件系统框架，与现有的输入输出模块、前后处理模块等模块构成了完整软件系统；并引入了深度学习算法，进一步优化了计算模型。设计并开展了管廊燃油气爆炸灾害效应试验，利用数值模拟软件对不同工况条件下燃油气爆炸效应进行了规律性分析，并结合试验数据对计算模型进行了验证。.本课题自主开发的燃油气爆炸作用下建筑结构破坏耦合场数值模拟软件，解决了复杂边界及多物质相互作用的界面高精度计算问题建立了建模-求解-后处理一体的高效大规模算法，满足了当前建筑结构抗爆研究领域亟需研究的问题需求，可以广泛应用于建筑结构抗爆设计、爆炸事故分析等方面。