一種新型柔性復合防護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

邵先鋒，趙捍東，朱福林，王 慶

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

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【化學工程與材料科學】

一種新型柔性復合防護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

邵先鋒，趙捍東，朱福林，王 慶

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

為減少小當量TNT爆炸沖擊波對人員傷害,構(gòu)思了一種由泡沫鋁、水溶液、凱夫拉材料復合而成的柔性結(jié)構(gòu)并對結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，依據(jù)爆炸相似理論，運用AUTODYN軟件，采用歐拉建模的方法模擬確定泡沫鋁的最佳厚度和水體的最優(yōu)參數(shù)，調(diào)整復合結(jié)構(gòu)中泡沫鋁材料的密度，使承受的沖擊超壓符合要求。結(jié)果表明，由泡沫鋁、水組合而成的防護結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)水的密度為1.5 g/cm3厚度為30 mm，泡沫鋁密度為0.8 g/cm3厚度為10 mm，能有效降低沖擊波的壓力，使2 kg TNT爆炸，可保證在5 m以外人身安全。

柔性防護結(jié)構(gòu)；爆炸沖擊；峰值超壓；數(shù)值模擬

為降低和防止爆炸沖擊波對人員的傷害,各國正致力于一種新的便攜式、防爆炸沖擊結(jié)構(gòu)的研究。國內(nèi)學者王海福對聚氨酯泡沫塑料的孔隙度與爆炸沖擊波衰減程度作了理論和實驗分析,結(jié)果表明隨著材料的孔隙度增大,沖擊波衰減程度顯著下降[1]。王永剛對多種多孔泡沫材料進行了高應變率實驗,提出了包括應力、應變的本構(gòu)關(guān)系,分析了沖擊波在泡沫材料中的傳播特性[2]。彭佳采用歐拉算法數(shù)值模擬圓柱形柔性防護結(jié)構(gòu)對爆炸沖擊波的衰減作用，發(fā)現(xiàn)不同厚度的柔性防護結(jié)構(gòu)能有效的減小沖擊波超壓峰值[3]。作者構(gòu)思出由泡沫鋁-水體-凱夫拉材料構(gòu)成的復合柔性防護結(jié)構(gòu)，在小當量TNT爆炸條件下進行數(shù)值模擬并對主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

1 材料模型的建立

1.1 TNT和空氣模型

在模型中，TNT的狀態(tài)方程采用JWL描述，空氣采用理想氣體狀態(tài)方程描述。JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程是典型的動力狀態(tài)方程，它是一種不顯含化學反應,由實驗方法確定的經(jīng)驗狀態(tài)方程，能比較精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動做功過程。

1.2 水材料

水體材料，采用線性多項式方程描述：

P=A1+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)ρ0e(μ≥0)

(1)

P=T1μ+T2μ2+B0ρ0e(μ<0)

(2)

表1 水材料參數(shù)

1.3 泡沫鋁材料

泡沫鋁材料采用多孔可壓縮材料模型，使用Autodyn材料庫中Crushable Foam本構(gòu)模型。根據(jù)文獻[4]不同密度泡沫鋁的材料參數(shù)如表2所示。

表2 泡沫鋁材料參數(shù)

表中ρ0為初始密度；E為彈性模量；υ為泊松比；Pout為失效的拉伸應力截止值。

1.4 凱夫拉材料

凱夫拉材料的本構(gòu)模型采用Hydro(Pmin)失效模型，使用Autodyn材料庫中的Puff狀態(tài)方程，其參數(shù)A1=8.2×106kPa、A2=7.0×107kPa、A3=0.0，格尼因子0.35，失效參數(shù)為1.2。

翻閱陳雷部長的工作報告，以人為本的理念猶如一條紅線貫穿始終。“民生”成為此次會議的最強音，指引著水利事業(yè)的發(fā)展方向。

2 數(shù)值仿真及分析

2.1 爆炸相似原理的仿真驗證

由爆炸相似原理：在相同空氣中爆炸的兩個裝藥，若外形幾何相似、裝藥成份相同，則在相同的比例距離上產(chǎn)生相似的沖擊波，如下式：

(3)

di、wi、ri、ti分別為兩次裝藥直徑、裝藥量、爆距及爆炸持續(xù)時間。其防護結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

主要是針對小當量TNT=2 kg，保證5 m范圍以外人身不受沖擊波傷害，其他因素暫不考慮。本文采用文獻[5]提出的爆炸相似比理論，簡化為50 g的TNT當量，圓柱內(nèi)徑為100 mm，高300 mm，炸高150 mm，TNT離高斯點1、2、3的距離分別為0.9 m、1.11 m、1.26 m進行分析計算，其對沖擊波超壓的仿真計算結(jié)果如圖2、圖3(縱坐標為沖擊波超壓，單位為kPa,橫坐標為時間單位為ms)。為驗證相似比正確性，將仿真超壓值與按我國國防工程設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的沖擊波超壓公式(4)計算得出的值進行對比，如表3所示。

(4)

式中r為比例距離取值為1≤r≤15。

圖2 2 kg沖擊波超壓仿真結(jié)果

圖3 50 g沖擊波超壓仿真結(jié)果

計算方法裝藥量TNT離各高斯點距離0．9m1．11m1．36m工程計算值2kg115kPa72kPa49kPa仿真計算值12kg112kPa73kPa50kPa仿真計算值250g108kPa72kPa49kPa相對偏差A3．6%1%2%相對偏差B6%1．3%0%

表3中,相對偏差A是仿真計算值1與工程計算值的相對偏差，大小在3.6%以內(nèi)，相對偏差B是仿真計算值2與工程計算值的偏差，大小在6%以內(nèi)且比例距離越大越精確。因此可以利用爆炸相似理論進行數(shù)值仿真研究。

2.2 仿真結(jié)果研究與分析

2.2.1 變厚度及密度的水作防護結(jié)構(gòu)

表4 不同密度ρ和厚度h的水體結(jié)構(gòu)超壓峰值的仿真計算結(jié)果

表4可看出，通過改變水的密度可降低沖擊波超壓，在密度一定時，一定范圍內(nèi)增加墻厚也會降低超壓，密度為1.0 g/cm3厚50 mm和1.5 g/cm3厚30 mm沖擊波超壓在高斯點3分別為39.99 kPa和41.35 kPa幾乎相等，但前者體積增加了1.1倍。因此密度為1.5 g/cm3厚30 mm情況下防護效果最好。

2.2.2 變厚度泡沫鋁作防護結(jié)構(gòu)

該防護結(jié)構(gòu)僅由泡沫鋁組成，取不同厚度的泡沫鋁分析。從表5可以看出,在一定范圍內(nèi)，隨著泡沫鋁材料厚度的增加各高斯點對應的超壓峰值明顯降低，通過與表4對比，相同厚度條件下，泡沫鋁的消波減壓作用要優(yōu)于水體結(jié)構(gòu)。因此，在能達到預期緩沖降壓條件下，設(shè)想提出一種由泡沫鋁與水體復合防護結(jié)構(gòu)。空爆為沒有防護結(jié)構(gòu)時，TNT爆炸的超壓值。

表5 不同厚度的泡沫鋁防護層仿真結(jié)果

2.2.3 復合柔性防護結(jié)構(gòu)仿真分析

復合柔性防護模型由泡沫鋁、水、凱夫拉材料復合而成，凱夫拉材料取3 mm，其厚度較薄主要是因為做柔性外圍殼體。在此不作詳細分析，復合防護結(jié)構(gòu)的容積大小不變僅對外部結(jié)構(gòu)做適當調(diào)整。其結(jié)構(gòu)布局根據(jù)文獻[6]從內(nèi)到外依次選擇為：泡沫鋁、水、凱夫拉材料。取水的密度1.5 g/cm3厚度為30 mm，泡沫鋁厚度為10 mm，根據(jù)文獻[7-9]由于泡沫鋁的密度對沖擊波超壓影響較大取泡沫鋁密度分別為0.8 g/cm3、1.2 g/cm3，用歐拉算法建立有限元模型進行分析其仿真結(jié)果如圖4、圖5。

圖4 密度為1.2的超壓

圖5 密度為0.8的超壓

2.2.4 防爆結(jié)構(gòu)的防爆過程

防爆結(jié)構(gòu)的防爆過程如圖6。

圖6 防護結(jié)構(gòu)防爆過程

從圖6可以看出，在炸藥開始起爆時，接近t=0時刻，起爆后瞬間生成大量的爆轟產(chǎn)物壓縮周圍空氣介質(zhì)，從而產(chǎn)生沖擊波；爆炸產(chǎn)物繼續(xù)擴散，在t=0.11 ms時爆炸產(chǎn)物充滿整個防護裝置，沖擊波開始對防護裝置發(fā)生作用；在t=0.33 ms時，沖擊波作用使得泡沫鋁層的尖角處由于應力集中出現(xiàn)破壞；泡沫鋁的破壞隨時間的增加越來越大。在t=1.5 ms時，整個防護裝置完全被沖擊波破壞，沖擊波的能量轉(zhuǎn)換為水的動能、泡沫鋁材料的塑性應變能及凱夫拉材料的塑性應變能，超壓值降低。各高斯點的超壓如表6所示，此處沒有考慮泡沫鋁碎片的二次傷害。

表6 不同密度泡沫鋁各高斯點超壓峰值

由表6可以看出，采用復合柔性防護結(jié)構(gòu),各觀測點超壓明顯降低，其中當泡沫鋁材料的密度為0.8 g/cm3，高斯點1、2、3的超壓分別為 0.028 MPa、0.024 MPa和0.022 MPa,防護性能達到了預期的要求。試驗[10]證明了當沖擊波超壓達到0.013 8～0.027 6 MPa時最多使人耳鳴，因此本文提出的復合柔性防護結(jié)構(gòu)，能夠保證5 m范圍外的人員不受傷害。

3 結(jié)論

1) 本文通過爆炸相似理論簡化模型，并運用AUTODYN仿真軟件分析了組成復合柔性防護結(jié)構(gòu)的每種材料的防護性能，提出了一種防護性能較好的柔性復合結(jié)構(gòu)。

2) 泡沫鋁材料對降低沖擊波超壓具有明顯作用，且在一定范圍內(nèi)隨著材料厚度的增加，緩沖作用加強；合理調(diào)整水的密度可以降低沖擊波壓力。

3) 由泡沫鋁和水溶液組合成的復合柔性防護結(jié)構(gòu)存在一個最優(yōu)值即水的密度為1.5 g/cm3厚度為30 mm，泡沫鋁密度為0.8 g/cm3厚度為10 mm，能有效的降低沖擊波的壓力，使2 kg TNT爆炸，在5 m以外可以保證其人身安全。

[1] 王海福,馮順山.爆炸載荷作用下聚氨酯泡沫中沖擊壓力特性[J].爆炸與沖擊,1999,19(1):78-83.

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[3] 彭佳.復合柔性防護結(jié)構(gòu)防爆炸作用技術(shù)研究[D].太原:中北大學,2015:3-5.

[4] 王月.密度對泡沫鋁吸聲性能和抗拉強度的影響[J].上海金屬，2004，26(1)：14-22.

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[7] 倪小軍,馬宏昊,沈兆武.泡沫鋁爆炸沖擊特性的數(shù)值研究[J].爆炸與沖擊,2013(2):120-125.

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(責任編輯 楊繼森)

Numerical Simulation of a New Flexible Compound Protective Structure

SHAO Xian-feng, ZHAO Han-dong, ZHU Fu-lin, WANG Qing

(School of Mechatronical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to reduce the impact of the explosion on the personnel in this paper, a new composite flexible structure is imagined. The structure consists of Al foam, water and composite materials of kevlar. The use of AUTODYN software adapt the method of Euler modeling, according to the similar theory of explosion, and we use numerical simulation to ensure the thickness of Al foam and to confirm optimal parameters of water and adjust the density of the foamed Al in the composite structure to achieve the desired purpose. The results show: there is an optimal value that the density of water is 1.5 g/cm3, the thickness 30mm and Al foam is 0.8 g/cm3, the thickness 10mm can effectively reduce the shock waves pressure so that 2 kg TNT explosion in 5 m away to ensure personal safety.

flexible protective structure; blast wave; peak overpressure; numerical simulation

2017-02-16；

2017-03-15

邵先鋒(1990—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.06.031

format:SHAO Xian-feng, ZHAO Han-dong, ZHU Fu-lin, et al.Numerical Simulation of a New Flexible Compound Protective Structure[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):142-145.

TJ55

A

2096-2304(2017)06-0142-04

本文引用格式：邵先鋒，趙捍東，朱福林，等.一種新型柔性復合防護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學報，2017(6):142-145.