冲击载荷作用下矩形风窗动态分布特征与破坏机理

摘要

瓦斯(煤尘)爆炸冲击波传播过程中在固定构筑物处会出现多个波峰震荡,有着显著的超压与振荡现象,对矿井通风设施破坏效应明显,但具体的破坏过程和机理尚不清楚.基于矩形薄板模型,建立了矩形风窗自由振动的Hamilton体系对偶方程与四边固支(C-C-C-C)矩形风窗振动的频率方程及其振型分析函数;基于振型函数的正交性与杜哈梅积分,得出了冲击载荷作用下矩形风窗振动的挠度动态分布方程.基于牛顿迭代法与MATLAB软件,得出了冲击载荷作用下矩形风窗振动模态主要由1阶、5阶、6阶主振型构成,并分别得出了其振动的固有频率;分析了应力、应变、弯矩、横向剪力、最大主应力与主应变动态分布特征,主要分布在四边中点及其附近区域、矩形风窗中心区域、矩形风窗四角附近区域.基于第三强度理论,得出了冲击载荷作用下四边固支矩形风窗发生损伤破坏的起始位置为四边中点区域,然后是矩形风窗中心区域;发展趋势是主要沿着矩形风窗长轴的中心区域破坏,其次是沿着短轴的中心区域破坏;由1阶主振型(主频)可推断出矩形风窗的起始破坏位置,由5阶、6阶主振型可以判断破坏的发展方向与趋势.基于Ls-DYNA软件,采用PLASTIC_ KINEMATIC材料模型,模拟分析了四边固支矩形风窗在冲击载荷作用下的动态破坏过程,验证了理论研究结果的正确性,初步揭示了冲击载荷作用下矩形风窗的破坏机理.