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防护门传统高抗力承载结构分析

时间:2017-9-19

   目前抗力较高的防护门结构形式基本上有3种:球壳结构、拱形结构和设消能机构的平板结构。

  在各种结构形式中,防护门的球壳结构在承受外压力荷载时的受力状态是最优的,可以实现周边支撑的边界条件,对结构承载最为有利。材料在冲击波压力作用下主要是处于受压状态,在不失稳的情况下,各部分的应力水平比较均匀,有利于材料性能和潜力的充分发挥。防护门的这种结构在圆形孔口的防护中尤为适用,如导弹发射井井盖。

  但防护门的球壳结构在两个方向有曲率,加工工艺复杂,造价高,由降低门扇质最所节约的材料费用,不足以弥补加工费用的增加,且加工质量不易保证,实现无门槛设计时困难较大。随着孔口尺寸和高宽比的增大,防护门球壳结构的优越性也明显降低。这些是球壳结构虽然承载性能最好但却没有在防护领域大量应用的主要原因。

  防护门的拱形结构是另一种承载性能较好的结构形式,在拱形结构防护门中,材料在冲击波压力作用下各部分的应力分布比较均匀,其受力状态主要仍是处于受压状态,即便是用混凝土这类抗压强度很高、抗拉强度较低的材料制造的拱形结构防护门,其抗力也可以达到很高的水平。

  与防护门的球壳结构相比,拱形结构承载能力略低,但其只在一个方向有曲率,设计、加工较简单,加工质量容易保证,故拱形结构在各种高抗力防护设备中应用广泛,具体包括拱形、拱拉板、带拱角拱拉板等几种形式。

  单纯的平板结构设计、加工简单,在冲击波压力作用下,其截面主要处于弯曲状态,应力分布不均匀,有相当一部分材料对抵抗结构变形贡献很小,不利于材料性能潜力的充分发挥,在同等结构质量情况下,其承载能力较低。在防护门的平板结构上设置消能机构的初衷是要充分利用冲击波快速衰减的特性,避其锋芒,在冲击波的高压力阶段,消能机构先产生塑性变形,当消能机构达到最大变形位置失去变形能力时,才将冲击波的压力荷载直接传递给底座,此时的冲击波压力已经衰减较多,底座即可承受,从而实现提高抗力的目的。

  但对防护门消能机构进行深人分析可以发现,消能机构的快速变形在使底座免受冲击波高压部分作用的同时,也将冲击波能量的一部分转化为消能机构的动能,消能机构在失去变形能力时,可能会对变形速度较小的底座产生强烈的撞击作用,消能机构储存的动能将转化为底座的结构变形能,撞击力和冲击波压力叠加在一起会对底座造成很大的破坏作用。由此可见,对于衰减缓慢的核爆冲击波荷载,应谨慎选择消能机构结构形式和材料,措施不当将适得其反。

  采用新材料的新型高抗力防护设备(如防护门),可以拱形、拱拉板、球壳几种结构形式为基础,根据各种材料性能、工艺特点,借鉴航空航天等其他专业的研究成果及实际经验,研究设计新结构,充分发挥各种高强材料的性能优势,以达到增强和减重的目的。

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