本文是一篇土木工程论文，本文对低速冲击和高速冲击作用后的喷涂聚脲 H 型钢柱的抗冲击性能进行了数值分析，因为试验条件的限制，本文所采用的研究方式为数值模拟，还有很多地方可以改进和完善。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着经济的快速发展，建筑结构的种类层出不穷，而钢结构凭借成本低、施工短、绿色、健康等特点更受房地产开发商的关注。特别是我国“碳达峰”，“碳中和”政策的提出，给钢结构的发展提供了契机，越来越多的钢结构建筑被应用于厂房、大跨建筑结构和住宅等。图 1-1 所示为钢结构的应用实例。其中，H 型钢因其面模量大、抗弯性能好、回转半径大、承压稳定性好等优点，被作为主要的竖向承重构件应用于各种钢结构建筑中。
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混凝土和金属材料构成了许多保护结构，尽管这些结构具有一定保护性能，但随着时代的发展，已不能满足现代建筑的防护需求[3]。通常，对于提高结构的防护性能有两种方法[4-5]：一是研发和使用新的材料，提高材料本身的性能；二是改进现有的防护结构。在过去的几十年里，许多新材料被开发，用来满足行业不断增长的需求。聚脲就是其中一种新兴的聚合物材料[6]，因其抗冲击、固化快、粘附力强、性能可调、重量轻、强度高等优点，尤其在冲击加载下聚脲优异的动态力学响应，解决了其他防护材料防护性能单一、不易加工等缺点[7-8]，在国防和民用领域迅速得到了广泛地关注[9-12]。聚脲材料在防护领域的主要应用形式和目的[13]是将聚脲喷涂在各种结构上，以提高结构在冲击荷载下动态断裂抗力和能量吸收能力。实验结果表明[14-16]，聚脲材料表现出显著的应变率效应，从低应变率到高应变率转变时，聚脲性质从类橡胶转变为类玻璃。聚脲材料应变率增加会使它的刚度和强度同时提高，使它的损伤应变降低。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 低速冲击性能的研究现状
为了对建筑物的抗冲击性能进行合理的评估，工程建设需对建筑物在使用期间的安全性、抗冲击性能[17-18]以及损伤后冲击能量吸收进行系统研究。对于钢结构的抗冲击性能研究，Liu等[19]通过横向冲击试验和数值模拟对钢板的抗冲击性能进行研究，并讨论了关于Cowper-Symonds应变率模型的使用。Bin等[20]通过半球形锤头对矩形钢板进行低速冲击试验，研究冲击下钢板的塑性变形，并提出了一种可以描述在高应变率下真应力-应变曲线的线性本构方程。Do等[21]对大直径加肋薄壁钢圆柱进行低速冲击试验并展开数值模拟分析，研究表明：当冲击位置靠近环向加劲肋处，结构抗冲击能力得到提高，残余挠度大幅度降低。
对于H型钢构件的抗冲击性能研究，陈鹏程等[22]建立H型钢梁受落锤横向冲击作用的数值模型，研究表明腹板厚度与翼缘厚度分别对冲击力的峰值与平台阶段数值产生影响。王蕊等[23]采用ABAQUS软件，分析了热轧H型钢梁受侧向冲击作用下的基本力学性能和影响因素。研究结果表明：钢梁的冲击能量和位移之间存在线性关系，当冲击速度一样时，质量的变化对最大冲击力峰值影响不大。相同冲击能时：冲击质量的变化对侧向残余变形没有太大影响，但对冲击力峰值有影响，随着质量的增大，冲击力峰值增大。夏芊文[24]对H型钢柱动力响应及损伤评估进行了深入研究，结果发现：相比冲击质量、冲击速度和冲击位置对H钢柱的影响，轴压比的影响明显。随着轴压比的增加，撞击区域应变率提高，局部抗弯刚度增加，几何刚度降低，撞击截面塑性极限弯矩增大。陈洪军等[25]研究了轴压作用下的H型钢柱受落锤横向冲击后的损伤模式，并对影响动态响应的因素进行了分析。结果发现，H型钢柱受到轴压作用后再进行落锤横向冲击，其破坏模式为局部破坏，撞击位置处的翼缘损伤，严重的会引起整体失稳破坏。撞击处的位移、变形损伤等都会随着撞击质量、撞击速度、撞击位置和轴压力的增加而增大。
对于低速冲击下结构的塑性变形，本文采用 ABAQUS 软件主要研究了落锤作用下 H 型钢柱和喷涂聚脲 H 型钢柱的动态响应。通过改变落锤质量、落锤速度和轴压比，分析对比 H 型钢柱和喷涂聚脲 H 型钢柱的变形、冲击力、位移和剩余承载力的变化，得出聚脲加固的作用。
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第2章 冲击动力学与有限元软件ABAQUS简介
2.1 冲击动力学
2.1.1 冲击动力学的基本概念
结构受到冲击的过程和一般的静态问题有所不同，冲击效应是一个复杂的非线性动力学问题。冲击是对系统施加短暂的激励时，系统中的力、位移、速度或加速度会突然改变的现象[55]。冲击过程中外荷载能量大，持续时间短暂，能量发生传递与转换，短暂时间内完成结构的变形与损伤，如果结构受到严重冲击荷载的作用，会使结构失效而倒塌。冲击这种典型的动态过程，影响结构力学性能的因素有很多，如几何非线性、空间非线性、材料应力应变比、惯性力等。
在实际工程中，激励的波形是不规则的，需要把这种不规则的波形转变为规则的波形来计算，日常我们计算时会采用三角形、矩形、半正弦等几何形状的规则荷载波形。影响系统结构冲击响应的主要因素有冲击脉冲的极值、波形的几何形状和冲击持续的时间 [56]。
截止到现在，有两种形式来研究材料的冲击响应问题，一个是低速冲击，另一个是高速冲击，但人们对于这两种冲击形式没有明显的界限。一般的，低速冲击过程为：冲击物质量较大，冲击速度较低，受冲击的物体主要发生整体性变形，受冲击物没有被冲击物造成显而易见的局部侵入损伤；高速冲击时，材料的应变率很高，整个冲击过程在很短的时间内完成（完成时间远小于 1ms），结构因局部穿透破坏而失效。
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2.2 接触力学基本方程
当冲击发生时，被冲击物体和冲击物体之间会产生很强的作用力。因为冲击接触过程很复杂，有诸多因素会影响他们之间作用力的大小，如两个接触物之间的摩檫力、形状、时间、刚度等。求解接触力学时，将碰撞接触区域视为一个弹簧-阻尼系统，然后将其转化为一个连续时间的动力学问题。
靶板的定义为：所用可以用来被弹体冲击的物体都被称作靶板[59]。靶板一般按照厚度值的大小被分为：半无限体靶板、厚靶板、中厚靶板、薄靶板。
本文中采用的靶板有H型钢柱和喷涂聚脲H型钢柱，这两个试件可以视为中厚靶板，中厚靶板受到弹体侵彻时的破坏损伤是局部穿孔。由于材料热力学性能、几何形状以及侵彻速度的不同造成穿孔破坏的形式有所不同。
高性能炸药和包裹炸药的外壳硬金属材料组成破片式战斗部。引爆高性能炸药后，会产生爆炸冲击波和高温高压气体，高温高压气体膨胀以及冲击波撞击金属外壳后会使金属外壳变形，严重时会断裂。破碎的金属外壳形成空间分布的散落破片。爆炸后产生的爆轰物会迅速扩散，然后很快会包围破片。冲击波驱动破片使其加速运动，因为破片在空气中的衰减速率小于冲击波的衰减速率，所以过一段时间后，破片的速度会超过冲击波速度，先作用于目标。
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第3章 有限元模型验证 .............................. 19
3.1 落锤作用下钢柱变形破坏验证 ............................ 19
3.1.1 几何模型 ....................................... 19
3.1.2 材料参数 ........................... 19
第4章 落锤作用下喷涂聚脲H型钢柱的抗冲击性能 ............................ 29
4.1 数值模型 ...................................... 29
4.2 H型钢柱冲击响应过程分析 .................................... 31
4.3 变形分析 ............................. 34
第5章 破片群作用下喷涂聚脲H型钢柱的抗冲击性能 ............................... 47
5.1 有限元数值模型 ................................... 47
5.2 爆轰波驱动预制破片飞散状态 ................................... 48
5.3 破片群作用下不同聚脲层厚度的H型钢柱的损伤对比 ...................... 49
第5章 破片群作用下喷涂聚脲H型钢柱的抗冲击性能
5.1 有限元数值模型
基于 ABAQUS 有限元软件，对喷涂不同厚度的 H 型钢柱受到破片群侵彻荷载的损伤变化进行数值模拟计算分析，其数值模拟的模型布置如图 5-1 所示。
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在数值模拟装配图中可以看出模型由 TNT 炸药、空气、预制破片、H 型钢柱和聚脲四部分组成。这些材料均采用 3D 实体建模，其中，炸药和空气材料采用欧拉网格，破片和 H 型钢柱用拉格朗日网格，破片与空气材料间使用 CEL 算法，钢柱与空气材料间不定义耦合，换句话说，就是炸药爆炸后产生的爆轰产物只用来驱动预制破片侵彻钢柱而不直接作用于钢柱上。聚脲涂层涂覆在 H 型钢柱的表面，具体按照第 4 章的装配形式进行装配。
H型钢柱的尺寸和约束与低速冲击下相同，采用4.1描述的钢柱的模型。TNT炸药截面为正方形，边长为150mm，预制破片底端面与H型钢柱上翼缘板间的距离为500mm，起爆方式为中心起爆。破片则采用预制破片群，每个破片尺寸为7mm×7mm×7mm ，质量约为 6.1g ，破片总数一共 289 枚；空气覆盖范围取为500mm×500mm×500mm。材料的模型及参数见3.3.2小节。
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结论与展望
结论
本文主要研究的是聚脲涂层对H型钢柱在落锤低速冲击和破片高速侵彻下的防护性能。主要结论如下：
（1）受低速冲击的H型钢柱的破坏模式为整体变形，受冲击位置处存在局部弯曲损伤，喷涂聚脲后能明显减小钢柱的变形。对冲击质量、冲击速度和轴压比等影响构件抗冲击性能的主要参数进行了研究。得到：对于未喷涂聚脲的钢柱，随着冲击质量、轴压比的增加，冲击持续时间逐渐增加；冲击质量对最大冲击力峰值几乎没有影响，但随着轴压比的增加最大冲击力峰值降低；冲击速度越大，最大冲击力峰值越大。而喷涂聚脲后钢柱的冲击力变化为：随着速度的增大，最大冲击力值先增大后趋于一致；冲击质量对第一冲击力峰值没有明显影响，随着冲击质量的增大，第二冲击力峰值增大；轴压比越大冲击力值越小。喷涂聚脲能明显降低冲击力峰值，最大可降低62.5%。
（2）分析了上述影响因素作用后受到损伤的H型钢柱的剩余承载力。结果发现：受冲击损伤的H型钢柱的剩余承载力降低。随着冲击质量的提高，剩余承载力比值曲线变化为先凹后凸，喷涂聚脲后H型钢柱的剩余承载力最大提高16.6%。对于冲击速度的增大，剩余承载力比值曲线变化为先凸后凹，喷涂聚脲后的H型钢柱的剩余承载力最大提高17.1%。对于轴压比的增加，剩余承载力比值曲线变化为凸，喷涂聚脲后H型钢柱的剩余承载力最大提高17.3%。
（3）炸药驱动预制破片群后，破片群的飞行状态为开口向下的抛物线。高速破片群对H型钢柱的破坏以局部穿孔为主，中心区域破片群密集，形成大破口破坏，四周破片分散，侵彻能力降低，形成穿孔和凹坑。与未喷涂聚脲H型钢柱相比，喷涂不同厚度的聚脲弹性体对钢柱进行加固，均能抑制钢柱产生穿孔和二次破片，使得钢柱的抗冲击性能有不同程度的提高。
参考文献（略）