大型圆柱薄壳内爆破坏机理的多场耦合动力学响应研究

Large cylindrical thin shell structure is an important structure type of energy storage container, and this kind of structure is often damaged by internal explosion. This is a typical multi-field coupling dynamic response problem, which related to the interaction of internal gas-liquid explosion flow field and large cylindrical thin shell, also accompanied by conversion of energy from thermal energy of fluid to structural strain energy. The project is not limited to consider the transfer of pressure and displacement of the coupling interface, but also the coupling of temperature and heat transfer, the multi-field coupling dynamic model of the internal explosion flow field and thin shell will be built. Utilizing the domain decomposition calculation method, the multi-field coupling iterative algorithm of interfacial pressure, displacement, temperature and heat will be proposed. Then the calculation of multi-field coupling transient dynamic response for cylindrical thin shell will be realized. The multi-field coupling dynamics model of internal explosion gas-liquid flow and cylindrical shell will be improved by dynamic testing technology. The transient response regularities of large cylindrical thin shell, under the condition of multi-field coupling, should be analyzed firstly, according to the test data of stress and strain. The relationship between strain energy and structural damage will eventually be established, in which, the strain energy is caused by the instantaneous overpressure and the increased temperature. The project is expected to provide a theoretical basis to explain the explosion damage mechanism of large cylindrical shell, guide the design of large cylindrical shell containers, and expand the research scope of fluid-structure interaction mechanics. Scientific basis will be provided to analyze the causes of the accident, prevent and control this kind of industrial accident.

大型圆柱薄壳结构是一种重要的能源储存容器结构类型，内爆引起结构破坏时有发生。这是一种典型的气液内爆与大型圆柱薄壳结构相互作用、并伴随流体热能转变成结构应变能的多场耦合动力学响应问题。本项目不局限于考虑耦合界面的压力与位移传递，还考虑温度和热量的耦合传递，建立了内爆流体与薄壳结构的多场耦合动力学模型。采用分域求解计算方法，提出界面压力、位移、温度和热量的多物理量耦合迭代算法，实现对圆柱薄壳结构多场耦合瞬态动力学响应计算。通过动态测试技术，完善气液内爆与圆柱薄壳结构的多场耦合动力学模型。依据圆柱薄壳结构应力应变测试数据，分析多场耦合作用下大型圆柱薄壳结构的瞬态响应规律，建立瞬时超压和升温作用的应变能与结构破坏关系。项目预期为解释大型圆柱薄壳结构内爆破坏机理提供理论基础，也将指导大型圆柱薄壳类容器设计，并扩展流固耦合力学的研究范畴。可为分析事故发生原因、预防和控制此类工业灾害性事故提供科学依据。

用于储存油品的各类大型圆柱薄壳容器，由于其内部介质的易燃易爆特性，会导致结构发生破坏，从而引起储存介质的泄露引发更为严重的事故。本项目基于该背景开展研究，并取得了以下重要研究成果：.首先，根据大型圆柱薄壳结构特点，采用相似性原理设计了圆柱薄壳结构内爆多场耦合实验测试装置。通过内爆测试，研究壳体内可燃介质在爆炸过程中储液与壳体多场耦合动力学响应，得到了耦合界面的压力、温度等多物理量参数的相互作用规律。.其次，对密闭空间内可燃气体燃烧爆炸与传热机理开展了研究，分别对绝热与考虑辐射传热过程中薄壳结构内爆温、压载荷进行了数值模拟，并通过与现有实验数据的对比分析，验证了建立的考虑辐射传热圆柱薄壳内爆载荷理论与数值计算方法的准确性。.第三，基于热耦合与流固耦合的多相耦合理论，将气体、液体和薄壳结构耦合成一个系统，构造描述气体—液体—薄壳结构相互作用机理的泛函，建立气体、液体和薄壳结构流固耦合系统方程。并采用数值模拟手段，建立了薄壳结构内爆多相耦合动力学响应模型，对内爆结构响应进行了计算。通过与实验测试的耦合界面压力、温度与结构变形、应变数据对比分析，验证了本项目建立的圆柱薄壳结构内爆多相耦合模型的准确性。.最后，开展了考虑耦合效应的薄壳结构内爆计算，得到了不同影响因素下壳体内部温度和压力温度分布。同时，对基于多相耦合的薄壳结构内爆结构响应开展的研究，建立了薄壳结构内爆瞬态局部失效的破坏条件，分析了圆柱薄壳内介质不同起爆情况下的结构响应情况，对比分析了不同容积薄壳结构的失效情况，揭示了瞬时超压和升温共同作用下的薄壳结构瞬态破坏机理。.项目研究成果解决了瞬态温度和热量的耦合传递计算方法，提出界面压力、位移、温度和热量的多物理量耦合迭代算法，实现大型圆柱薄壳结构瞬时内爆载荷的准确表征，揭示了大型圆柱薄壳结构局部瞬态破坏机理，为大型圆柱薄壳结构分析及灾害性事故预防提供了理论基础。