爆炸波在硬質(zhì)聚氨酯泡沫中的衰減特性模擬

劉 佳，崔傳安，徐 暢

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院， 南京 210007)

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

爆炸波在硬質(zhì)聚氨酯泡沫中的衰減特性模擬

劉 佳，崔傳安，徐 暢

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院， 南京 210007)

將不同密度及不同厚度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)的分配層材料,采用非線性軟件LS-DYNA對(duì)平面爆炸波在其中傳播時(shí)的衰減特性進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層材料對(duì)爆炸波具有很好的衰減效果，厚度越大，衰減效果越好，但達(dá)到一定厚度后衰減不太明顯；密度的大小對(duì)爆炸波衰減有影響，但并不呈簡單的遞增或遞減關(guān)系。模擬結(jié)果對(duì)于成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)分配層的研究具有一定的參考價(jià)值。

數(shù)值模擬；爆炸波；硬質(zhì)聚氨酯泡沫；分配層；衰減

野戰(zhàn)防護(hù)工事通常是在臨戰(zhàn)前或戰(zhàn)斗進(jìn)行時(shí)構(gòu)筑的野戰(zhàn)陣地，因此要機(jī)動(dòng)、輕便和快速構(gòu)筑，同時(shí)要防止一般炮、航彈侵徹、爆炸破壞，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種適用性比較好的結(jié)構(gòu)正被廣泛采用。成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)一般由偽裝層、遮彈層、分配層和支撐結(jié)構(gòu)組成，偽裝層一般由厚度較薄的松散土壤組成[1]，用于對(duì)工事進(jìn)行偽裝；遮彈層一般由混凝土或漿砌塊石等材料構(gòu)成，用于抵抗炮、航彈侵徹[2]；分配層一般選用波阻抗較小的介質(zhì)，現(xiàn)階段主要采用回填土或空氣隔層[1]，可以極大地衰減爆炸沖擊波，減弱對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的沖擊作用。當(dāng)前，穆朝民[3]、范鵬賢[4]等在遮彈層和支撐結(jié)構(gòu)材料選用和設(shè)計(jì)計(jì)算等方面研究得已經(jīng)比較深入，李硯召[5]等對(duì)分配層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，但對(duì)泡沫材料作為分配層的研究還不夠充分。硬質(zhì)聚氨酯泡沫是一種密度小，比較容易快速成型的多孔介質(zhì)，與泡沫鋁相比，價(jià)格更加低廉，更容易大規(guī)模推廣使用。硬質(zhì)聚氨酯泡沫具有吸收沖擊荷載的良好特性，能夠降低沖擊壓力，減弱震蕩效應(yīng)，因此用于防護(hù)工事的分配層對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)及工事內(nèi)部設(shè)備、人員的保護(hù)具有極其重要的作用。

1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的力學(xué)性能

硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為一種比重小、易成型的材料，又因其具有良好的耐火、吸收動(dòng)能的特性，在現(xiàn)代工程和軍事領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料主要有以下特性：

1) 硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的強(qiáng)度隨著加載速率提高而增大，爆炸沖擊作用下，其強(qiáng)度比準(zhǔn)靜態(tài)情況下會(huì)大幅提高[6]。

2) 硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的屈服強(qiáng)度隨密度的增大而提高，設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式制作一定密度的泡沫材料。

3) 在沖擊波作用下，硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料在壓縮強(qiáng)化前有較長的應(yīng)力應(yīng)變屈服平臺(tái)階段，表現(xiàn)出很好的吸能特性。

4) 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有非線性粘彈特性和滯回特性，耗能機(jī)制比較明顯[7]。

2 計(jì)算模型的建立

成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)中，由于偽裝層在爆炸作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很小，可不予考慮。計(jì)算有限元模型如圖1所示。為模擬平面爆炸波，模型采用平鋪裝藥，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，以YOZ為對(duì)稱平面，坐標(biāo)原點(diǎn)在炸藥與混凝土的對(duì)稱交界面。Z方向尺寸足夠大，在不考慮端面影響的情況下，采用Z方向?yàn)?.5 cm厚度的單層網(wǎng)格建模，模型沿X方向的長度為150 cm。上層為厚度5 mm與10 mm的炸藥，遮彈層為厚度30 cm混凝土,分配層為厚度30 cm的硬質(zhì)聚氨酯泡沫,支撐結(jié)構(gòu)為厚度3 cm波紋鋼。炸藥、混凝土、硬質(zhì)聚氨酯和波紋鋼都采用Lagrange算法進(jìn)行模擬，炸藥采用多點(diǎn)起爆方式，上表面所有節(jié)點(diǎn)都設(shè)為起爆點(diǎn)。炸藥與混凝土采用滑移接觸算法，混凝土與聚氨酯泡沫、聚氨酯泡沫與波紋鋼之間采用自動(dòng)面面接觸，模型左側(cè)4個(gè)面在X方向有位移約束，模型所有節(jié)點(diǎn)在Z方向有位移約束，波紋鋼右側(cè)端面全約束。炸藥為TNT，采用JWL狀態(tài)方程，具體參數(shù)見表1?；炷敛捎肑HC材料模型[9],這種模型是一種表象的材料模型，它與廣泛應(yīng)用的Johnson-Cook模型相類似，不遵循嚴(yán)格的強(qiáng)化規(guī)律和流動(dòng)性法則，混凝土等脆性材料具有的在大應(yīng)變、高應(yīng)變速率和高圍壓下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)能夠被這種模型反映出來反映。波紋鋼采用JC材料模型，這種模型雖然為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停c實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好，被廣泛應(yīng)用于金屬材料的模擬。

圖1 有限元計(jì)算模型

ρ/(g·cm-3)DH/(m·s-1)PCJ/GPaA/GPa1.63693020.6373.8B/GPaR1R2ωE0/GPa3.754.150.90.356.0

硬質(zhì)聚氨酯泡沫采用低密度泡沫材料模型，分別采用密度為0.092 g/cm3，0.202 g/cm3，0.358 g/cm3，0.472 g/cm3這4種聚氨酯泡沫進(jìn)行模擬，其本構(gòu)關(guān)系曲線見圖2。

圖2 不同密度聚氨酯泡沫應(yīng)力應(yīng)變曲線[10]

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在兩種裝藥量情況下，模擬過程采用兩種對(duì)比方式進(jìn)行，一種是厚度為30 cm，前述四種密度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層進(jìn)行模擬；另一種是厚度分別為5 cm，10 cm，20 cm，30 cm，密度為0.202 g/cm3的硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層進(jìn)行模擬。圖3為5 mm厚炸藥，30 cm厚、四種不同密度分配層的應(yīng)力云圖。

圖3 分配層應(yīng)力云圖

圖4、圖5分別列出了5 mm厚度炸藥與10 mm厚度炸藥情況下，爆炸波峰值在相同厚度、不同密度分配層的衰減曲線。從圖中可以看出：在其他條件相同情況下，硬質(zhì)聚氨酯泡沫密度越大，從混凝土透射到分配層的入射壓力也越大。爆炸波在分配層與遮彈層和支撐結(jié)構(gòu)的兩端交界面處衰減快，在中間部位衰減較慢。爆炸波經(jīng)過分配層衰減后，到達(dá)與波紋鋼支撐結(jié)構(gòu)的交界面時(shí)，在四種不同密度的泡沫中最終的應(yīng)力峰值隨密度增大而增大，應(yīng)力峰值的衰減率先減小后增大，具體數(shù)值見表2。

圖4 5 mm炸藥、30 cm分配層應(yīng)力峰值衰減曲線

圖6、圖7分別列出了5 mm厚度炸藥與10 mm厚度炸藥情況下，爆炸波峰值在相同密度、不同厚度分配層的衰減曲線，從圖中可以看出：在聚氨酯泡沫密度相同的情況下，分配層厚度不同，從混凝土透射到分配層的入射壓力相同。在厚度超過5 cm后，爆炸波峰值應(yīng)力—厚度曲線出現(xiàn)一平緩的平臺(tái)，這表明分配層達(dá)到一定厚度后，爆炸波在其中傳播時(shí)的衰減率隨著厚度的增加變得緩慢。爆炸波經(jīng)過分配層衰減后，到達(dá)與波紋鋼支撐結(jié)構(gòu)的交界面時(shí)，在四種不同厚度的泡沫中最終的爆炸波應(yīng)力峰值與厚度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，應(yīng)力峰值的衰減率隨厚度的增加而增加，具體數(shù)值見表3。

圖5 10 mm炸藥、30 cm分配層應(yīng)力峰值衰減曲線

圖6 5 mm炸藥0.202 g/cm3分配層應(yīng)力峰值衰減曲線

圖7 10 mm炸藥0.202 g/cm3分配層應(yīng)力峰值衰減曲線

裝藥厚度/mm聚氨酯密度/(g·cm-3)入射峰值/MPa衰減后峰值/MPa衰減率/%裝藥厚度/mm聚氨酯密度/(g·cm-3)入射峰值/MPa衰減后峰值/MPa衰減率/%50.0920.750.02996.1100.0921.790.06496.450.2021.610.12292.4100.2025.010.22395.550.3584.390.2594.9100.358141.2191.350.4726.880.3495.1100.47217.81.3492.5

表3 0.202 g/cm3分配層應(yīng)力峰值衰減變化

4 結(jié)論

硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層，爆炸波在其中的衰減與聚氨酯泡沫的密度和厚度密切相關(guān)，通過數(shù)值分析，可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1) 硬質(zhì)聚氨酯泡沫用作分配層材料時(shí)，爆炸波的入射壓力與其密度成正相關(guān)關(guān)系，但爆炸波在其中傳播時(shí)的衰減率與其密度不成簡單的正相關(guān)關(guān)系，而是隨著聚氨酯泡沫密度的增加先減小再增加。

2) 爆炸波的衰減率隨硬質(zhì)聚氨酯泡沫分配層厚度的增加而提高，但達(dá)到一定厚度時(shí)，其厚度增加對(duì)爆炸波的衰減效應(yīng)不明顯。本文的模擬情況中，分配層厚度為5cm時(shí)，爆炸波的衰減效率最高。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

SimulationofExplosiveWaveAttenuationCharacteristicsinRigidPolyurethaneFoam

LIU Jia， CUI Chuan’an， XU Chang

(National Defense Engineering Institute, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

The attenuation characteristics of plane explosive wave in the multilayer protective structure distribution layer composed of rigid polyurethane foam is simulated by LS-DYNA software. The explosive wave attenuation characteristics in the rigid polyurethane foam under certain conditions is studied in the text by numerical simulation with rigid polyurethane foam of various density and different thickness as the material of distribution layer. The numerical results shows that rigid polyurethane foam as the material of distribution layer has a very good damping effect on explosion wave. The attenuation effect is better when the thickness is bigger, but the attenuation is not obvious after reaching a certain thickness. The size of the density of the rigid polyurethane foam has an effect on the attenuation of explosion wave, but they do not have the simple relations of increasing or decreasing. Numerical results will provide reference for the study of the multilayer protective structure distribution layer.

numerical simulation; explosive wave; rigid polyurethane foam; distribution layer; attenuation

2017-04-26；

：2017-05-18

劉佳(1988—)，男，碩士研究生，主要從事防護(hù)工程設(shè)計(jì)與研究。

崔傳安(1964—)，男，教授，主要從事陣地工程防護(hù)以及防護(hù)工程與偽裝融合的教學(xué)和研究工作,E-mail:chuanan_cui@aliyun.com

10.11809/scbgxb2017.09.035

format:LIU Jia，CUI Chuan’an，XU Chang.Simulation of Explosive Wave Attenuation Characteristics in Rigid Polyurethane Foam[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):164-167.

O382+.1

：A

2096-2304(2017)09-0164-04

本文引用格式：劉佳，崔傳安，徐暢.爆炸波在硬質(zhì)聚氨酯泡沫中的衰減特性模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):164-167.