爆炸沖擊環(huán)境下內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性研究*

衛(wèi)禹辰,袁夢(mèng)琦,錢新明,郭亞鑫,梁一鳴

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2.深圳清華大學(xué)研究院 公共安全研發(fā)中心，廣東 深圳 518000)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)各類爆炸事故已嚴(yán)重威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外重特大爆炸事故發(fā)現(xiàn)，死傷者中應(yīng)急救援人員占66%，其中爆炸沖擊波直接作用引起傷亡約60%[1-2]，主要原因是應(yīng)急救援人員未配備專業(yè)、輕便的爆炸防護(hù)服?，F(xiàn)有防爆服主要包括硬質(zhì)防爆服與軟質(zhì)防爆服2種[3-4]：硬質(zhì)防爆服能有效抵御高速破片與沖擊波超壓對(duì)人體的傷害，但重達(dá)7～25 kg導(dǎo)致穿著效率低下，且熱濕阻是羽絨服的6倍；軟質(zhì)防爆服靈活性較好，能有效防止碎片四散，但對(duì)強(qiáng)沖擊波防護(hù)效果不佳，KEVLAR纖維軟質(zhì)防爆服受沖擊波陣面作用時(shí)反而加重肺沖擊損傷。現(xiàn)有防爆服每次穿著時(shí)間上限30 min，穿著時(shí)間過(guò)長(zhǎng)輕則中暑、暈眩，重則意識(shí)模糊、危及生命。因此，面向生產(chǎn)安全爆炸事故應(yīng)急救援的輕量化、高效能個(gè)體防護(hù)裝備研發(fā)意義重大[5]。

本文利用氫氧爆轟測(cè)試平臺(tái)研究?jī)?nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波加載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，獲取蜂窩結(jié)構(gòu)透射沖擊波壓力曲線，得到不同蜂窩結(jié)構(gòu)下沖擊波透射超壓峰值，并通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比不同功能梯度蜂窩結(jié)構(gòu)及復(fù)合蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波衰減性能差異。利用Hypermesh和LS-Dyna軟件構(gòu)建爆炸沖擊有限元模型，得到爆炸沖擊過(guò)程中內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波的響應(yīng)機(jī)制，分析內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波的衰減效應(yīng)。

1 爆炸響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

采用氫氧爆轟測(cè)試平臺(tái)測(cè)試不同內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波的衰減效應(yīng)，如圖1所示。初始?jí)毫?.1 MPa，室溫條件下將摩爾比2∶1的氫氧氣體充入驅(qū)動(dòng)段，通過(guò)調(diào)整充入氣體比例，使實(shí)驗(yàn)段平面沖擊波入射壓力穩(wěn)定在250 kPa，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采用KD2004G-01壁面壓力傳感器，測(cè)量間隔0～3 MPa，滿足本實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求。

圖1 氫氧爆轟測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Test platform of hydrogen and oxygen detonation

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.2 Experimental test

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣品

內(nèi)凹型蜂窩梯度結(jié)構(gòu)采用BLT-S310金屬3D打印機(jī)加工，材料選取TC4鈦合金粉末,比強(qiáng)度高，韌性好且耐蝕性強(qiáng)。胞元結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)參數(shù)和空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)引起力學(xué)性能改變。本文通過(guò)改變防護(hù)基板中胞元結(jié)構(gòu)凹角、尺寸梯度研究結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波動(dòng)態(tài)響應(yīng)、衰減效應(yīng)及吸能特性的影響。如圖3所示，防護(hù)基板長(zhǎng)寬60 mm×60 mm，豎直方向?yàn)?個(gè)胞元結(jié)構(gòu)，不同尺寸、角度梯度的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的胞元結(jié)構(gòu)如圖4所示，其優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)Fig.3 Concave honeycomb gradient structure

圖4 不同尺寸和角度梯度的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的胞元結(jié)構(gòu)Fig.4 Cell structure of concave honeycomb structure with different sizes and angle gradients

表1 不同尺寸和角度梯度的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of concave honeycomb structure with different sizes and angle gradients

2 爆炸響應(yīng)特性數(shù)值仿真研究

2.1 荷載方法確定

2.1.1 3種爆炸荷載方法

利用Hypermesh和LSDYNA軟件實(shí)現(xiàn)爆炸沖擊荷載方法主要有3種：1)ALE流固耦合算法，建立炸藥、空氣和構(gòu)件模型，模擬真實(shí)爆炸場(chǎng)景中空氣介質(zhì)對(duì)構(gòu)件的高速?zèng)_擊過(guò)程，但建模復(fù)雜度高，計(jì)算量龐大[6]，通過(guò)添加關(guān)鍵字*CONCTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 和*ALE 來(lái)實(shí)現(xiàn)；2)CONWEP爆炸模型，該爆炸模型不考慮空氣介質(zhì)，無(wú)需劃分爆炸空氣或其他介質(zhì)場(chǎng)網(wǎng)格，只需在爆源處設(shè)置起爆點(diǎn)，計(jì)算收斂性，通過(guò)添加關(guān)鍵字*LOAD_BLAST，配合*LOAD_SEGMENT_SET、*DEFINE_CURVE和*SET_SEGMRNT實(shí)現(xiàn)，加載方便，計(jì)算省時(shí)[7-9]；3)時(shí)間荷載曲線加載，查詢TM5-1300得到爆炸持時(shí)和爆炸壓力峰值，定義數(shù)組或曲線進(jìn)行加載[10]。

本文采用 CONWEP 經(jīng)驗(yàn)爆炸模型加載，在關(guān)鍵字*LOAD_BLAST 中定義等效爆炸TNT質(zhì)量、起爆點(diǎn)3維坐標(biāo)設(shè)置、爆炸初始時(shí)間、單位制的選擇。

2.1.2 CONWEP理論模型

CONWEP法源于美國(guó)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)爆炸荷載計(jì)算方法[11]，用于計(jì)算自由空氣場(chǎng)中爆炸與近距離爆炸，CONWEP法忽略空氣介質(zhì)剛度和慣性，可避免對(duì)介質(zhì)進(jìn)行建模與計(jì)算。給定距離，CONWEP法可給出以下荷載數(shù)據(jù)[12-13]：荷載傳播到迎爆面作用時(shí)間、最大超壓、超壓時(shí)間等，從而得到完整爆炸荷載壓力曲線。以無(wú)限空間中炸藥爆炸為例，炸藥在空氣中爆炸時(shí)，滿足式(1)所示的函數(shù)關(guān)系：

Δp=f(E0,p0,ρ0,r)

(1)

式中：Δp為爆炸超壓，MPa；E0為炸藥爆炸能量，J；p0為空氣初始狀態(tài)壓力，MPa;ρ0為空氣密度，g/cm3；r為空氣沖擊波傳播距離，mm。

CONWEP經(jīng)過(guò)多次修正可執(zhí)行多種武器毀傷效果計(jì)算，包括常規(guī)空氣爆炸、碎片、彈丸侵徹、地震波等。

2.2 幾何模型構(gòu)建

本文數(shù)值仿真采用TNT爆炸代替氫氧點(diǎn)火爆炸，爆距500 mm，通過(guò)調(diào)節(jié)TNT 當(dāng)量將平面沖擊波入射壓力穩(wěn)定在250 kPa。立方根比例相似定律指出，同種炸藥若尺寸不同，裝藥幾何形狀相似，在同樣大氣環(huán)境中發(fā)生爆炸時(shí)，同等距離產(chǎn)生的爆炸波相似，由此引入折合距離Z，如式(2)所示：

(2)

式中：R為結(jié)構(gòu)與爆心的距離，m；W為等效TNT 炸藥質(zhì)量，kg；文獻(xiàn)[14]指出折合距離Z=1.75時(shí)，沖擊波超壓峰值250 kPa。當(dāng)爆距為500 mm，TNT當(dāng)量0.023 3 kg，爆炸幾何模型如圖5所示，四周邊界節(jié)點(diǎn)限制全部自由度。

圖5 爆炸沖擊內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)幾何模型Fig.5 Geometric model of concave honeycomb gradient structure under explosion impact

2.3 有限元模型構(gòu)建

2.3.1網(wǎng)格劃分

利用Solidworks建立3維模型將其導(dǎo)入Hypermesh 軟件，利用Solid edit和Solid map進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于抵御爆炸沖擊波過(guò)程屬于高強(qiáng)高速動(dòng)力學(xué)沖擊荷載過(guò)程，對(duì)網(wǎng)格精度要求較高，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)選擇精度高、收斂速度計(jì)算快的6面體網(wǎng)格。為提高網(wǎng)格精確度，降低實(shí)驗(yàn)誤差，在利用Check elems對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查與優(yōu)化基礎(chǔ)上，對(duì)翹曲度、長(zhǎng)寬比、偏斜度及雅克比進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示，上述指標(biāo)均符合工程要求，優(yōu)化后的內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)有限元模型如圖6所示。綜合仿真效果優(yōu)化程度、仿真耗時(shí)長(zhǎng)短及幾何復(fù)雜度，將內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1 mm。

圖6 內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid division of concave honeycomb gradient structure

2.3.2 材料模型和參數(shù)

TC4鈦合金材料延展性好、韌性優(yōu)良、成本低，是防護(hù)服材料首選,TC4鈦合金材料模型各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2[15]。鈦合金材料屬性選用3號(hào)分段線性彈塑性本構(gòu)模型MATL3進(jìn)行模擬，該模型能描述大沖擊荷載下的材料屬性。

表2 TC4鈦合金的材料參數(shù)Table 2 Material parameters of TC4 titanium alloy

3 爆炸沖擊梯度結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)制

3.1 力學(xué)響應(yīng)過(guò)程

計(jì)算樣品1在0.023 3 kg TNT爆炸沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程，其垂直迎爆面方向位移云圖如圖7所示。

圖7 爆炸沖擊內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)變形量云圖Fig.7 Cloud map for displacement amount of concave honeycomb gradient structure under explosion impact

由圖7可知，當(dāng)t=0.18 ms時(shí)爆炸沖擊波到達(dá)梯度結(jié)構(gòu)，隨后沿梯度結(jié)構(gòu)逐層傳播，其向內(nèi)運(yùn)動(dòng)位移曲線云圖呈條狀變化，因?yàn)閮?nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)屬于規(guī)律的多孔結(jié)構(gòu)，孔與支撐柱交疊排列從而產(chǎn)生條狀位移云圖。

3.2 梯度間應(yīng)力傳播機(jī)制

3層內(nèi)凹蜂窩型結(jié)構(gòu)之間沖擊響應(yīng)局部傳播如圖8所示。第1層A、B屬正向結(jié)構(gòu)，受爆炸沖擊荷載作用向外膨脹，同時(shí)梁a、b向外作用使結(jié)構(gòu)C產(chǎn)生內(nèi)凹效應(yīng)，產(chǎn)生向外的張力；作用力傳播到第2層結(jié)構(gòu)D、E，結(jié)構(gòu)C內(nèi)凹效應(yīng)產(chǎn)生的張力作用于角點(diǎn)3，角點(diǎn)3受力作用增大；該力沿梁c作用于角點(diǎn)4，梁c的力分為垂直結(jié)構(gòu)D沿X軸方向的力與沿Y軸方向的力，X方向的力使梁d產(chǎn)生拉伸效應(yīng)，間接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)D產(chǎn)生內(nèi)凹效應(yīng)并產(chǎn)生向外的張力；向上的張力部分抵消結(jié)構(gòu)A產(chǎn)生的作用力，向下的張力作用于角點(diǎn)5，使角點(diǎn)5產(chǎn)生高強(qiáng)作用力并沿梁e傳播至第3層結(jié)構(gòu)且作用于角點(diǎn)6，使第3層內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)向內(nèi)壓縮。

圖8 內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)3層梯度間響應(yīng)傳遞機(jī)制Fig.8 Response transfer mechanism between three layers of concave honeycomb gradient structure

4 不同梯度設(shè)計(jì)對(duì)沖擊波衰減影響

4.1 尺寸梯度對(duì)沖擊波衰減影響

內(nèi)凹蜂窩型梯度結(jié)構(gòu)受沖擊波載荷作用產(chǎn)生形變吸收能量。沖擊波作用固體表面產(chǎn)生的應(yīng)力波擾動(dòng)在傳遞過(guò)程中經(jīng)反射、透射不斷耗散和衰減。理想防護(hù)結(jié)構(gòu)受沖擊波作用時(shí)應(yīng)具備一定承載力和衰減特性，且衰減過(guò)程保持穩(wěn)定以降低透射壓力峰值，這樣才能保護(hù)人員安全。實(shí)驗(yàn)與仿真將入射壓力控制在250 kPa，沖擊波衰減峰值等于入射壓力值減去圖9中各尺寸梯度對(duì)應(yīng)透射壓力值，即尺寸梯度為2.58 mm-3.40 mm-2.58 mm，3.40 mm-2.58 mm-3.40 mm，5.05 mm-3.40 mm-2.58 mm，2.58 mm-3.40 mm-5.05 mm，3.40 mm-5.05 mm-3.40 mm，5.05 mm-3.40 mm-5.05 mm內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊波衰減峰值依次為213.63，206.67，200.18，190.49，186.53，177.05 kPa，尺寸梯度2.58 mm-3.40 mm-2.58 mm內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊波衰減率為85.44%，衰減效果最佳，沖擊波衰減峰值分別是尺寸梯度為3.40 mm-2.58 mm-3.40 mm，5.05 mm-3.40 mm-2.58 mm，2.58 mm-3.40 mm-5.05 mm，3.40 mm-5.05 mm-3.40 mm，5.05 mm-3.40 mm-5.05 mm內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的1.03，1.07，1.12，1.15，1.21倍；尺寸梯度為5.05 mm-3.40 mm-2.58 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊波峰值衰減效果優(yōu)于尺寸梯度2.58 mm-3.40 mm-5.05 mm，因?yàn)榉涓C結(jié)構(gòu)受沖擊波正面作用時(shí)，尺寸較大的胞元面首先受到?jīng)_擊波載荷作用，應(yīng)力波反射效應(yīng)隨傳遞節(jié)點(diǎn)增加更加明顯，衰減程度增大，透射波減小。

圖9 6種尺寸梯度結(jié)構(gòu)透射壓力變化曲線Fig.9 Change curves of transmission pressure for gradient structures with six sizes

4.2 角度梯度對(duì)沖擊波衰減的影響

由圖10可知，各角度梯度下，內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊波衰減壓力為入射壓力值減去圖10中各角度梯度下透射壓力值，即角度梯度為30°-22.5°-30°、22.5°-30°-22.5°、22.5°-15°-22.5°、15°-22.5°-30°、30°-22.5°-15°和15°-22.5°-15°內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊波衰減峰值依次為205.73，201.59，191.43，194.93，195.45，185.91 kPa，角度梯度30°-22.5°-30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)衰減效果最佳，沖擊波衰減效率達(dá)82.29%，沖擊波衰減峰值分別是角度梯度22.5°-30°-22.5°、22.5°-15°-22.5°、15°-22.5°-30°、30°-22.5°-15°和15°-22.5°-15°內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的1.02，1.07，1.06，1.05，1.10倍。

圖10 6種角度梯度結(jié)構(gòu)透射壓力變化曲線Fig.10 Change curves of transmission pressure for gradient structures with six angles

5 結(jié)論

1)通過(guò)構(gòu)建爆炸沖擊模型獲得爆炸沖擊云圖梯度結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程，剖析3層梯度結(jié)構(gòu)之間壓力傳播機(jī)制發(fā)現(xiàn)，爆炸沖擊荷載作用下內(nèi)凹結(jié)構(gòu)梯度排列使內(nèi)凹效應(yīng)、力學(xué)特性加強(qiáng)。

2)在沖擊波加載作用下，不同功能梯度的單一及復(fù)合內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波衰減效果較好，透射沖擊波壓力曲線變化趨勢(shì)基本一致，分為壓力快速上升、短暫超壓和緩慢衰減3個(gè)階段。通過(guò)對(duì)比不同尺寸梯度和角度梯度的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)透射壓力曲線可知，尺寸梯度為2.58 mm-3.40 mm-2.58 mm、角度梯度為30°-22.5°-30°的單一及復(fù)合內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊波衰減效果最佳。