一種新型防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波的衰減研究

邊小華 楊 飛

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，精確制導(dǎo)武器在坑道口部附近爆炸，將會(huì)在坑道內(nèi)部產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很短且峰值壓力很高的爆炸沖擊波，而持續(xù)時(shí)間增加得很快［1，2］，對(duì)坑道內(nèi)部設(shè)備和人員構(gòu)成了極大的威脅。為提高普通鋼板防護(hù)門抗爆性能，設(shè)計(jì)人員往往采取加大其截面和厚度的方法，導(dǎo)致普通鋼板防護(hù)門厚重有余而靈巧不足［3］。為此，作者提出了一種在普通鋼板防護(hù)門前面設(shè)置泡沫鋁緩沖層的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 泡沫鋁性能簡(jiǎn)介

泡沫鋁是一種在金屬鋁基體中分布著大量氣泡的金屬材料，它兼有連續(xù)金屬相和分散空氣相的特點(diǎn)，使其具有許多獨(dú)特的功能。泡沫鋁在壓縮過程中，有高而寬的應(yīng)力平臺(tái)，在壓縮過程中大量能量在近似恒應(yīng)力下被吸收［4］，這種特性使得泡沫鋁具有很高的吸能效率。此外，通過已有的靜態(tài)力學(xué)研究進(jìn)一步表明泡沫鋁是一種極具潛力的吸能緩沖材料，具有很高的沖擊吸能本領(lǐng)［5］。下面采用有限元軟件是LS-DYNA，對(duì)該軟件進(jìn)行簡(jiǎn)要的敘述。

2 數(shù)值模擬

2.1 LS-DYNA 程序

LS-DYNA程序是在美國(guó)Larence Livermore National Lab.由J.Q.Hallquist博士主持開發(fā)完成的，主要目的是為武器設(shè)計(jì)提供分析工具，后經(jīng)不斷的改進(jìn)和擴(kuò)充，目前已成為著名的非線性動(dòng)力分析軟件，支持它的前處理器很多，本文使用的是ANSYS。下面就對(duì)本文所選用的材料參數(shù)與狀態(tài)方程進(jìn)行敘述。

2.2 材料參數(shù)與狀態(tài)方程

本文所采用的材料參數(shù)與狀態(tài)方程如下:數(shù)值模擬所用的TNT炸藥，密度 ρ1=1.6 g/cm3，爆速 D=0.7cm/μs，CJ壓力為 25.5 GPa。采用 Jones，Willkins，E.L.Lee 等提出的 JWL 狀態(tài)方程［6，7］來模擬炸藥爆轟過程中壓力和內(nèi)能及相對(duì)體積的關(guān)系，該狀態(tài)方程為:

其中，A，B，R1，R2均為材料常數(shù);P為壓力;V為相對(duì)體積;E01為初始內(nèi)能。計(jì)算時(shí)TNT炸藥狀態(tài)方程中的參數(shù)如表1所示。

空氣用下面的氣體狀態(tài)方程來模擬，該狀態(tài)方程［8］為:

其中，P'為空氣壓力;γ為氣體熱指數(shù)，γ=1.4;ρ2為空氣相對(duì)密度，ρ2=1.3 ×10－3g/cm3;E02為空氣內(nèi)能，E02=2.5 ×10－1MPa。

鋼板采用DYNAT24雙線性彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，材料的參數(shù)分別為:ρ=7.85 ×103kg/m3，E=210 GPa，Et=3 GPa，μ =0.3，σs=0.4 GPa。

表1 所用TNT炸藥的狀態(tài)方程參數(shù)

B.A.Gama等［9］對(duì)泡沫鋁材料進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)曾采用 Honeycomb蜂窩結(jié)構(gòu)模型，這里采用 Crushablefoam本構(gòu)模型［8］來模擬。泡沫鋁的本構(gòu)關(guān)系需要輸入材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。已有研究者通過SHPB實(shí)驗(yàn)得到了如圖1所示泡沫鋁應(yīng)力應(yīng)變曲線及其他參數(shù):ρ0=1.2 ×103kg/m3，E=1.2 GPa，v=0.3，Pcut=10 MPa。其中，Pcut為拉伸荷載下定義失效的拉伸應(yīng)力截止值［10］。

圖1 泡沫鋁應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述(見圖2)。該模型是利用波陣面上的超壓遵從Hopkinson比例定律的衰減特性［11］，依托“某工程防護(hù)門抗化爆沖擊波試驗(yàn)”進(jìn)行了1∶5模型縮尺，坑道截面尺寸見圖3。采用Euler算法，模擬出坑道口部爆炸沖擊波的峰值壓力，口部峰值壓力約為1.03 MPa(如圖4所示)。

2.3.1 普通鋼板防護(hù)門對(duì)爆炸沖擊波的衰減性能研究

在坑道口部設(shè)置一定厚度的普通鋼板防護(hù)門。關(guān)于鋼板防護(hù)門厚度問題，在類似問題的研究中［12］，研究人員通常選取的普通鋼板厚度為6mm，本文亦是如此。

數(shù)值模擬分兩步進(jìn)行:第一步采用Euler算法，對(duì)如圖2所示的有限元模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并在爆炸沖擊波傳播至普通鋼板防護(hù)門的臨界面上，選取多個(gè)具有代表性的單元，把這些單元的平均壓應(yīng)力時(shí)程曲線作為施加在普通鋼板防護(hù)門的加載曲線(如圖5所示)。第二步是把第一步求出的平均壓應(yīng)力時(shí)程曲線施加在普通鋼板防護(hù)門上，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。該方法模擬出的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，已得到不少研究人員的運(yùn)用［12］。文中所選取的單元主要為截面中軸線上、拱頂附近應(yīng)力較大的單元。

圖2 有限元模型示意圖

圖3 坑道截面示意圖

圖4 坑道口部的壓力時(shí)程曲線

圖5 鋼板防護(hù)門上的加載曲線

圖6 鋼板防護(hù)門正、背面應(yīng)力時(shí)程比較圖

由圖6可以看出:在坑道口部設(shè)置普通鋼板防護(hù)門時(shí)，相同位置處的爆炸沖擊波峰值壓力約為0.045 MPa。由此可以看出:在坑道口部設(shè)置一定厚度的普通鋼板防護(hù)門，可以有效地降低坑道中爆炸沖擊波的峰值壓力。從爆炸沖擊波對(duì)人員的傷害情況［13］顯示，該峰值壓力仍然會(huì)使坑道內(nèi)部設(shè)備和人員受到傷害。因此，在無任何緩沖層的情況下，普通鋼板在爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生的破壞作用是不容忽視的。為此，我們考慮在坑道口部設(shè)置泡沫鋁緩沖層，以此來降低坑道口部爆炸沖擊波的峰值壓力。

圖7 泡沫鋁在鋼板前面時(shí)泡沫鋁正面、鋼板背面應(yīng)力時(shí)程比較圖

2.3.2 緩沖層設(shè)置在普通鋼板防護(hù)門前時(shí)的衰減性能研究

泡沫鋁緩沖層設(shè)置在普通鋼板防護(hù)門前面時(shí)，普通鋼板防護(hù)門厚度為6mm，泡沫鋁緩沖層厚度為10mm，對(duì)該新型防護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果、對(duì)比分析如下:當(dāng)泡沫鋁緩沖層設(shè)置在普通鋼板防護(hù)門前面時(shí)，由圖7可以看出:普通鋼板背面爆炸沖擊波峰值壓力約為22.5 ×10－3MPa(即0.225 atm)，與0.045 MPa相比，其峰值壓力大幅度降低，泡沫鋁有效地降低爆炸沖擊波的峰值壓力，保證了坑道內(nèi)部設(shè)備和人員的安全。

3 結(jié)語

本文利用泡沫鋁的衰減特性，將泡沫鋁和普通鋼板組合起來作為一種新型防護(hù)結(jié)構(gòu)，與普通鋼板防護(hù)門相比，該新型防護(hù)結(jié)構(gòu)更能有效地降低爆炸沖擊波的峰值壓力，在很大程度上保證了坑道內(nèi)部設(shè)備和人員的安全。在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，該新型防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)洞庫口部的抗爆緩沖設(shè)計(jì)有著重要的參考和應(yīng)用價(jià)值。

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