高阻尼橡膠填充鋼制防護門動力響應(yīng)數(shù)值模擬

方 浩，李秀地,2，耿振剛，許 珂

(1.后勤工程學(xué)院， 重慶 401311； 2.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室(后勤工程學(xué)院)， 重慶 401311)

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

高阻尼橡膠填充鋼制防護門動力響應(yīng)數(shù)值模擬

方 浩1，李秀地1,2，耿振剛1，許 珂1

(1.后勤工程學(xué)院， 重慶 401311； 2.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室(后勤工程學(xué)院)， 重慶 401311)

利用LS-DYNA有限元軟件，對普通鋼制和含高阻尼橡膠填充層兩種防護門在爆炸沖擊波作用下的動力響應(yīng)進行了研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明：高阻尼橡膠填充層的存在有效改善了面板的應(yīng)力分布狀態(tài)，衰減應(yīng)力峰值達23.8%；減小門體背板跨中最大變形量達62%，顯著提高了門體在爆炸沖擊波作用下的承載能力和抵抗變形能力，表現(xiàn)出良好的沖擊波衰減特性。

高阻尼橡膠；防護門；動力響應(yīng)；溫壓炸藥沖擊波

防護門是防護工程口部最重要的防護設(shè)備，也是防護工程的薄弱環(huán)節(jié)，在信息化戰(zhàn)爭中，其能否抗得住敵方大威力武器的精確打擊，對防護工程發(fā)揮其預(yù)定功能具有決定性的作用。研究表明溫壓炸藥坑道內(nèi)爆炸沖擊波具有長持時、高沖量的特點[1-3]，同時其特有的后燃反應(yīng)也會大量消耗周圍空氣中的氧，引起窒息效應(yīng)，特別適合于打擊坑道等密閉空間中的人員和設(shè)備。未來戰(zhàn)場上我軍坑道式防護工程將面臨著溫壓彈打擊的嚴重威脅?？梢哉f，研究具有針對性的防護技術(shù)具有現(xiàn)實意義。

平板式鋼結(jié)構(gòu)作為一種普遍使用的門體形式，其抗力的提高還主要依靠增大材料截面尺寸，在抗力提高的同時也增大了門體自重，導(dǎo)致其不夠靈巧。方秦[4]對雙扇平板門鋼結(jié)構(gòu)防護門進行了優(yōu)化分析研究，結(jié)果表明在抗力一定的條件下，可以將門體質(zhì)量由初始設(shè)計值的 1 077 kg降為923 kg，單扇門體仍重達近1噸。郭東[5]利用有限元軟件ABAQUS對GF2025鋼防護門的動力響應(yīng)進行了研究，結(jié)果表明骨架梁的數(shù)量和布置方式一定時，腹板厚度及高度、面板厚度對門體抗力影響顯著，翼緣板厚度和寬度對門體抗力幾乎無影響。

當前的防護門研究進展表明，利用輕質(zhì)復(fù)合材料實現(xiàn)門體輕質(zhì)高強是一個重要的發(fā)展方向[6]。邊小華等[7]運用LS-DYNA軟件，對比分析了普通鋼板防護門和泡沫鋁夾層鋼板防護門的抗爆性能，結(jié)果表明泡沫鋁夾層的存在，提高了鋼板防護門的抗爆性能。劉學(xué)晨等[8]利用LS-DYNA有限元軟件計算分析，驗證了門前設(shè)置聚氨酯泡沫塑料對鋼質(zhì)防護門加固有效。周石磊等[9]提出了一種在工字鋼網(wǎng)格中填充泡沫鋁耗能層的新型防護門，數(shù)值模擬結(jié)果表明泡沫鋁耗能層能夠有效地控制門體變形，延緩防護門的破壞。張博一等[10]利用LS-DYNA軟件，對比分析了普通鋼制防護門和內(nèi)置復(fù)合泡沫鋁芯層兩類防護門在相同炸藥 TNT 當量爆炸荷載作用下的抗爆性能，結(jié)果表明在普通鋼制防護門中填充復(fù)合泡沫鋁可以明顯提高防護門的抗爆性能。

高阻尼橡膠是以天然橡膠為基體，通過添加各種配合劑并經(jīng)高溫高壓硫化等工藝制成。高阻尼橡膠材料整體的阻尼性能好、質(zhì)量輕，具有良好的緩沖吸能特性，其在結(jié)構(gòu)抗震、橋梁減震、抑制機械或設(shè)備共振、精密儀器儀表減震等方面有著廣泛的應(yīng)用[11-13]。本研究課題組前期研究表明，高阻尼橡膠具有良好的抗爆吸能效果[14]。本研究通過數(shù)值模擬將高阻尼橡膠材料與鋼板防護門結(jié)合，提出新型高抗力防護門并分析其抗爆效果，為抗溫壓彈爆炸沖擊波的防護技術(shù)研究提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 模型尺寸

本文以單扇平板鋼結(jié)構(gòu)防護門為研究對象。實際工程中，平板式鋼結(jié)構(gòu)防護門是通過在型鋼邊框和型鋼梁組成的骨架兩側(cè)焊接一定厚度的鋼板制作而成，其結(jié)構(gòu)和工藝較為復(fù)雜。為了便于建立模型和計算，對鋼板防護門進行簡化。將防護門中型鋼的翼緣折算到兩側(cè)的鋼板中，模型就簡化為由鋼格構(gòu)骨架和兩側(cè)鋼板組成。利用高阻尼橡膠材料對格構(gòu)進行填充，構(gòu)造一種新型防護門，分析其整體抗爆效果。

簡化的單扇普通平板鋼結(jié)構(gòu)防護門，高2 m(模型中Y方向)，寬1.5 m(模型中X方向)，總厚度為0.11 m(模型中Z方向)，門體前后面板厚度均為0.01 m，格構(gòu)的骨架梁厚0.09 m。面板和背板與門體同高寬；格構(gòu)中骨架由高0.09 m、寬0.03 m的矩形梁焊接構(gòu)成。骨架梁等間距布置，橫向(X方向)4根，豎向(Y方向)5根。填充高阻尼橡膠新型防護門尺寸同上。

在LS-DYNA軟件中分別建立普通鋼制防護門和新型防護門模型，如圖1所示，骨架梁、外包板和高阻尼橡膠填充層均采用SOLID164單元進行網(wǎng)格劃分，采用映射網(wǎng)格劃分方法保證各部分之間網(wǎng)格劃分一致。外包板和骨架梁之間采用共節(jié)點連接方式。

圖1 防護門有限元模型

1.2 荷載及邊界條件

本文將數(shù)值模擬得到的75 kg溫壓炸藥在長50 m、寬 4 m、高4.5 m的直墻圓拱式坑道中堵口爆炸時，坑道內(nèi)距離口部20 m處的反射沖擊波荷載[15]直接施加到門體上，其峰值超壓為2.92 MPa，持續(xù)時間為65.257 ms。施加的反射沖擊波波形如圖2所示。

圖2 反射沖擊波波形

實際上，防護門上設(shè)置有鉸頁和閉鎖等構(gòu)件，這些構(gòu)件都會一定程度上對防護門在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)產(chǎn)生影響。防護門在設(shè)計時，鉸頁和閉鎖不得承受由門扇傳來的正向沖擊波荷載[16]，因此，可以忽略鉸頁和閉鎖對門體變形的影響，對門體四邊施加簡支約束，近似模擬防護門關(guān)閉時的約束情況，這種約束方式合理，也是偏安全的[17]。

1.3 材料模型及參數(shù)

1) 鋼材材料模型

鋼材的材料參數(shù)如表1所示。采用塑性隨動模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC?？紤]應(yīng)變率對材料本構(gòu)關(guān)系的影響，鋼材動態(tài)屈服強度的表達式見式(1)。

(1)

表1 Q235鋼模型參數(shù)

2) 高阻尼橡膠材料模型

高阻尼橡膠選用兩參數(shù)的*MAT_MOONEY-RIVLIN _RUBBER模型，該模型的應(yīng)變能密度為：

W=A(I-3)+B(II-3)+

C(III-2-1)+D(III-1)2

(2)

C=0.5A+B

(3)

(4)

式中：ν是泊松比，2(A+B)是線彈性剪切模量；I、II、III是應(yīng)力張量不變量。

在模擬爆炸作用下高阻尼橡膠的動力性能時，需給出該模型中的兩個重要參數(shù)A和B。但根據(jù)實測的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該模型也可通過內(nèi)置的最小二乘算法自動計算出參數(shù)A和B。高阻尼橡膠密度為1.35×103kg/m3，泊松比取0.499，結(jié)合課題組前期通過霍普金森壓桿實驗實測的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(如圖3所示)，便可最終輸入該模型所需的所有參數(shù)。

圖3 高阻尼橡膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 計算結(jié)果分析

2.1 防護門迎爆面Mises應(yīng)力分布

圖4為溫壓炸藥爆炸荷載作用下，鋼制防護門和格構(gòu)內(nèi)填充高阻尼橡膠新型防護門門體迎爆面鋼板在不同時刻的Von-mises應(yīng)力分布。在同一荷載作用下，兩種防護門迎爆面上應(yīng)力隨時間的變化一定程度上與荷載隨時間的變化趨勢有關(guān)。普通鋼板防護門迎爆面鋼板上的應(yīng)力峰值為 424 MPa；填充高阻尼橡膠新型防護門面板上的應(yīng)力峰值為323 MPa，較普通鋼板防護門減小了23.8%。

圖4 防護門Mises應(yīng)力分布

從云圖可以看出，普通鋼防護門的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，而高阻尼橡膠填充防護門應(yīng)力分布則表現(xiàn)出明顯不同的趨勢，這是由于高阻尼橡膠對格構(gòu)的填充，改變了面板的受力變形趨勢，原本較弱的部分得到了一定的增強，使得應(yīng)力分布趨向均勻。

2.2 背板跨中位移

防護門背板最大位移是控制防護門變形條件的一個決定性因素，防護門跨中轉(zhuǎn)角也是背板最大變形的另一種表現(xiàn)形式。TM5-1300手冊[18]根據(jù)支撐旋轉(zhuǎn)角的大小將防護門防護等級劃分為彈性、2°、4°、12°四個等級，并且最好將支撐旋轉(zhuǎn)角控制在2°以內(nèi)，這樣便于受爆炸荷載作用破壞后的快速搶修恢復(fù)。單扇防護門的支撐旋轉(zhuǎn)角可以用下式計算

θmax=arctan(2wmax/B)

(5)

式中：wmax為防護門跨中最大位移；B為防護門寬度。

因此，通過防護門背板跨中最大位移，結(jié)合式(5)即可以判斷防護門的防護等級。兩種防護門背板跨中位移時程曲線如圖5所示。

圖5 防護門背板跨中位移時程曲線

從圖5可以看出，普通鋼制防護門背板跨中最大位移為58.9 mm，內(nèi)置高阻尼橡膠防護門背板跨中最大位移為22.5 mm，較普通鋼制防護門衰減約62%?？梢姼咦枘嵯鹉z對格構(gòu)的填充使背板跨中最大位移顯著衰減，有效減小了門體變形。從防護等級方面來看，普通鋼制防護門跨中最大位移對應(yīng)的θmax約為4.5°，可見其防護等級介于4°和12°之間，而新型防護門的θmax約為1.7°，表明在格構(gòu)內(nèi)填充高阻尼橡膠可以將普通鋼制防護門的防護能力提高2個等級。

2.3 能量分析

分別繪制溫壓彈爆炸沖擊波作用下兩種防護門的能量和動能時程關(guān)系曲線，如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7可以看出，在門體格構(gòu)內(nèi)填充高阻尼橡膠后，門體總能量由149 kJ降到50 kJ，衰減66.4%；動能由21.09 kJ降到8.66 kJ，衰減58.9%，這充分說明高阻尼橡膠起到了很好的緩沖吸能作用，提高了門體抗溫壓炸藥爆炸沖擊波的能力。

圖6 能量時程關(guān)系曲線

圖7 動能時程關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文對溫壓炸藥爆炸沖擊波作用下，普通鋼制防護門和高阻尼橡膠填充鋼防護門的動力響應(yīng)進行了數(shù)值模擬研究，得出如下結(jié)論：

1) 普通鋼制防護門格構(gòu)中填充高阻尼橡膠材料，可以有效改善迎爆面應(yīng)力分布，能夠衰減應(yīng)力峰值達23.8%；有效減小防護門背板跨中最大位移達62%，將防護門防護能力提高2個等級。

2) 高阻尼橡膠填充層的存在，改變了防護門內(nèi)各部分的能量分布狀態(tài)，提高門體對爆炸沖擊波的衰減能力。高阻尼橡膠的緩沖吸能特性好，是一種實用爆炸沖擊緩沖材料，具有良好的抗爆應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

NumericalSimulationonDynamicResponseofSteelDoorFillingbyHighDampingRubber

FANG Hao1, LI Xiudi1, 2, GENG Zhengang1, XU Ke1

(1.Department of Architectural and Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China； 2.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironment Protection (Logistical Engineering University), Chongqing 401311, China)

Based on the LS-DYNA finite element software, the dynamic response of ordinary steel protective door and high damping rubber filling protective door under the impacting of explosive shock wave are studied.The numerical simulation results show that: The existence of high damping rubber filling layer effectively improves the stress distribution of the panel, which attenuates the peak stress by 23.8%;The existence of high damping rubber also reduces the center maximum deformation of the door backplane by the amount of 62%,which significantly improves the carrying capacity of the door and the ability to resist deformation under the action of the shock wave.High damping rubber shows a good shock wave attenuation characteristics.

high damping rubber; protective door; dynamic response; thermobaric shock wave

2017-04-28；

：2017-05-21

：全軍后勤科研計劃項目(CY213J009)

方浩(1992—),男,碩士研究生,主要從事防護工程研究。

李秀地(1970—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事地下工程防災(zāi)減災(zāi)與防護工程研究。

10.11809/scbgxb2017.09.037

format:FANG Hao, LI Xiudi, GENG Zhengang，et al.Numerical Simulation on Dynamic Response of Steel Door Filling by High Damping Rubber[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):173-177.

TU761.1

：A

2096-2304(2017)09-0173-05

本文引用格式：方浩，李秀地，耿振剛，等.高阻尼橡膠填充鋼制防護門動力響應(yīng)數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(9):173-177.