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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳宗湧
研究生(外文):Tzong-Yong Chen
論文名稱:防爆門受衝擊荷載之數值分析
論文名稱(外文):Numerical Analysis of Blastdoor Under Impact Loading
指導教授:翁宗賢
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:應用力學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:防爆門衝擊摹擬
外文關鍵詞:blast doorimpact simulationLS-DYNAANSYS
相關次數:
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防爆門為多層強韌結構,具備耐衝擊、抗炸、防火、防彈等性能,應用於國防、高科技工業、民生安全場所等區域。本文根據一新設計之防爆門,以承受重51 lb (23 kg) 的TNT裸藥在距離6公尺處爆炸時,產生10 bar的爆炸壓力衝擊。本研究運用Pro/E繪圖軟體建構防爆門的幾何模型,再經由ANSYS有限元素分析軟體進行元素分割、材料設定,並依據美軍TM5-1300手冊設定邊界爆壓,並藉由LS-DYNA求解器計算與分析其結果數值,以了解防爆門受到爆壓衝擊時的暫態響應行為與破壞產生的模式。
數值摹擬首先進行網格獨立性測試,以確定數值解的可靠性,並由數值解的差異性,了解網格劃分密度的合適度。由分析防爆門受衝擊的模擬結果得知:在10 bar的爆壓衝擊下,顯示整體的門扇不會有破壞穿孔,門扇未脫離固定鉸鏈與門樘。但門扇中心骨架有明顯的超過材料的極限強度,若改以強度較高的I型樑結構,則應力強度與變型量均有所改善。門扇外包框和外側補強骨料鍍鋅鋼板應力破壞較大的區域,應給予適當的補強。雖然增加門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板的厚度,對其結構強度會增強,但厚度在增加到一定的值之後,對其整體結構強度的增加效率就不是很高,所以我們可以考慮在符合其經濟成本和門扇的安全度两者之間找到一個理想的平衡點。
The blast door is a multi-layer structure capable of impact resistance, fire resistance, and bullet resistance. It has been widely applied in national defense, high technology industry, life safety, and so on. The specially designed blast door which can stand 10 bar explosion pressure shock, as a result of 51 lb (23kg) TNT exploding at a distance of 6m, was investigated numerically in this thesis.
This research adapted the software Pro/E to build up the geometry model of the blast door and exported the model frame to the simulation software ANSYS/LS- DYNA for the setup of element mesh and material properties. Then the boundary condition parameters were set by following the U.S. Army Technical Manual TM5- 1300. Finally, the results were obtained by executing the LS-DYNA solver. By such steps mentioned above one can explore the transient response and the destruction mode of the blast door subjected to the blast pressure shock.
The grid independency was also checked to confirm the reliability of the numerical results in prior. The simulation results dictates that there is no fatal destruction in the whole assembly of the blast door under the attack of 10 bar explosion pressure shock.
The numerical works show that the anti-blast plate will not be torn from the hinges and latch. However, the central frame of the blast door displays obviously deformation and exceeds the ultimate strength of the material. As the square member of central frame of the blast door replaced by I-beam of the same cross-sectional area, the stress and deformation of the blast door are both improved. The outer rib of the blast door could be appropriately strengthened by increasing the thickness of the iron plate coated with zinc. But the improvement will be degraded as the thickness of the plate reaches some values. There is a trade off between the strength of pressure shock resistance and cost of the blast door. Anyhow, dynamic simulation provides a valuable tool to explore the performance of a blast door under shock impact at a very low cost.
目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
符號表 XI
第一章 序論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 文獻回顧 2
第二章 動態模擬理論與數值方法 4
2-1 動態模擬分析理論 4
2-1-1 有限元素法 4
2-1-2 空間網格描述法 4
2-1-3 物質描述 6
2-2 統御方程式 6
2-3 時間積分法 9
第三章 模型之建立與設定流程 16
3-1 使用軟體介紹 16
3-1-1 Pro/Engineer軟體 16
3-1-2 ANSYS軟體 16
3-1-3 LS-DYNA軟體 17
3-2 聯合建模求解技術 17
3-2-1 建立CAD模型 17
3-2-2 定義元素類型 18
3-2-3 設定材料特性 19
3-2-4 網格劃分 19
3-2-5 定義接觸類型 20
3-2-6 設定邊界條件、約束與負載 20
3-2-7 分析求解 21
3-2-8 後處理器 21
第四章 數值摹擬結果與討論 35
4-1 網格獨立性測試 35
4-2 防爆門扇的位移歷程 35
4-3 主要組件的應力變化歷程 36
4-4 主要組件的應變能 37
4-5 門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板之不同厚度的差異性 39
第五章 結論與未來展望 75
5-1 結論 75
5-2 未來展望 75
參考文獻 77
表目錄
表2-1 隱式積分法與顯式積分法差別 13
表2-2 為各種顯式元素之特微尺度與材料波傳速度 13
表3-1 DURASTEEL防爆複合板的材料參數 23
表3-2 防爆門的鋼板材料參數 23
表3-3 關鍵構件之材料參數與程式內設定值 23
表3-4 LS-DYNA接觸類型定義 24
表4-1 節點數、體元素數目、殼元素數目及其計算時間 40
表4-2 左門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板元素大小之誤差值 40
表4-3 右門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板元素大小之誤差值 40
表4-4 左前門扇包框元素大小之誤差值 40
表4-5 右前門扇包框元素大小之誤差值 41
表4-6 左門扇內部防爆板元素大小之誤差值 41
表4-7 右門扇內部防爆板元素大小之誤差值 41
表4-8 左門扇內部骨料鍍鋅方管元素大小之誤差值 41
表4-9 右門扇內部骨料鍍鋅方管元素大小之誤差值 41
表4-10 左門扇內部不鏽鋼板背襯元素大小之誤差值 42
表4-11 右門扇內部不鏽鋼板背襯元素大小之誤差值 42
表4-12 整體門扇元素大小元素大小之誤差值 42

圖目錄
圖2-1 LAGRANGE、EULER、ALE三種元素算法之結構變化[7] 14
圖2-2 物體運動示意圖[8] 14
圖2-3 阻尼效應系統[8] 15
圖3-1 PRO/E、ANSYS、LS-DYNA聯合建模求解技術流程圖[9] 25
圖3-2 防爆門三視圖 27
圖3-3 分別為防爆門的前視圖、後視圖、門扇主體圖、防爆板、鍍鋅方管、不鏽鋼背襯、鉸鏈、地栓插銷 28
圖3-4 FREE、MAPPED方法劃分出的網格[10] 29
圖3-5 SWEEP方式劃分出的網格[10] 29
圖3-6 ANSYS/LS-DYNA接觸類型分類[10] 30
圖3-7 典型炸藥在自由空間中爆炸之壓力-時間圖[11] 30
圖3-8 地面爆炸之正向震波參數[11] 31
圖3-9 51 LB TNT 藥量在6M 處爆炸之爆壓歷程圖 32
圖3-10 防爆門的約束條件 33
圖3-11 LS-DYNA計算過程 33
圖3-12 求解時輸入SW2出現之畫面 34
圖3-13 LS-PREPOST 操作介面 34
圖4-1 元素大小與節點數目的關係 43
圖4-2 元素大小與元素數目的關係 43
圖4-3 元素大小與計算時間 44
圖4-4 左右門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板 44
圖4-5 左右前門扇包框 45
圖4-6 左右門扇內部防爆板 45
圖4-7 左右門扇內部骨料鍍鋅方管 46
圖4-8 左右門扇內部不鏽鋼板背襯 46
圖4-9 整體門扇後視圖 47
圖4-10 左門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板之元素大小與加速度關係圖 47
圖4-11 左門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板之元素大小與加速度關係圖 48
圖4-12 左前門扇包框之元素大小與加速度關係圖 48
圖4-13 右前門扇包框之元素大小與加速度關係圖 49
圖4-14 左門扇內部防爆板之元素大小與加速度關係圖 49
圖4-15 右門扇內部防爆板之元素大小與加速度關係圖 50
圖4-16 左門扇內部骨料鍍鋅方管之元素大小與加速度關係圖 50
圖4-17 右門扇內部骨料鍍鋅方管之元素大小與加速度關係圖 51
圖4-18 左門扇內部不鏽鋼板背襯之元素大小與加速度關係圖 51
圖4-19 右門扇內部不鏽鋼板背襯之元素大小與加速度關係圖 52
圖4-20 整體門扇的元素大小與加速度的關係圖 52
圖4-21 爆炸衝擊歷程中各個特定時間點的門扇位移狀況 54
圖4-22 爆炸衝擊歷程中記錄門扇位移的參考點 54
圖4-23 爆炸衝擊歷程中門扇各參考點位移量 55
圖4-24 前不鏽鋼包框在不同時間下之VON MISES STRESS,紅色顯示材料已超過極限強度。 56
圖4-25 扇外包框與外側補強骨料鍍鋅鋼板在不同時間下之VON MISES STRESS,紅色顯示材料已超過極限強度。 57
圖4-26 防爆板之VON MISES STRESS,均在彈性界限附近,未達極限強度。 58
圖4-27 門扇內部骨料鍍鋅方管VON MISES STRESS,紅色顯示材料已超過極限強度。 59
圖4-28 不鏽鋼板背襯之VON MISES STRESS,紅色顯示材料已超過極限強度。 60
圖4-29 門框與門檻之VON MISES STRESS,僅有極小部份超過極限強度。 61
圖4-30 鉸鏈之VON MISES STRESS,僅有少部份超過極限強度。 62
圖4-31 不鏽鋼地栓插銷及附近構件之VON MISES STRESS,地栓插銷均在彈性強度內。 63
圖4-32 爆炸衝擊歷程中左、右門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板之應變能 64
圖4-33 爆炸衝擊歷程中左、右前門扇包框之應變能 64
圖4-34 爆炸衝擊歷程中左、右門扇內部防爆板之應變能 65
圖4-35 爆炸衝擊歷程中左、右門扇內部骨料鍍鋅方管之應變能 65
圖4-36 爆炸衝擊歷程中左、右門扇內部不鏽鋼板背襯之應變能 66
圖4-37 I 型樑的剖面圖(單位為MM) 66
圖4-38 以I型樑(左圖)和方管(右圖)為內部骨料,其各自的不鏽鋼包框應力圖。 67
圖4-39 以I型樑(左圖)和方管(右圖)為內部骨料,其各自的外側骨料鋼板應力圖 67
圖4-40 以I型樑(左圖)和方管(右圖)為內部骨料,其各自的防爆板應力圖 68
圖4-41 以I型樑(左圖)和方管(右圖)為內部骨料,其各自的應力圖。 68
圖4-42 以I型樑(左圖)和方管(右圖)為內部骨料,其各自的不鏽鋼板背襯應力圖。 69
圖4-43 以I型樑(左圖)和方管(右圖)為內部骨料,其各自的門框與門檻應力圖。 69
圖4-44 方管和I型樑的位移-時間 70
圖4-45 方管和I型樑爆炸衝擊歷程中門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板之應變能 70
圖4-46 方管和I型樑爆炸衝擊歷程中前門扇包框之應變能 71
圖4-47 方管和I型樑爆炸衝擊歷程中門扇內部防爆板之應變能 71
圖4-48 方管和I型樑爆炸衝擊歷程之應變能 72
圖4-49 方管和I型樑爆炸衝擊歷程中門扇內部不鏽鋼板背襯之應變能 72
圖4-50 不同厚度的門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板之位移量 73
圖4-51 不同厚度的門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板之最大位移量 73
圖4-52 不同厚度的門扇外側補強骨料鍍鋅鋼板之位移量變化率 74
參考文獻
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18.ANSYS 基礎結構非線課程講義,國家高速網路與計算中心,2008。
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20.ANSYS LS-DYNA 基礎訓練課程講義,虎門科技股份有限公司,2008。
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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