基于建筑材料抗沖擊性能裝置研究

高建坤

摘 ?要：隨著經(jīng)濟(jì)和各行各業(yè)的快速發(fā)展，建筑材料氣瓶具有比重小、抗疲勞性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在航空飛行器、車載高壓氣瓶、石油化工等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。與傳統(tǒng)金屬材料氣瓶相比，建筑材料多層結(jié)構(gòu)為氣瓶的設(shè)計(jì)增加了更多想象的空間，依照不同的設(shè)計(jì)要求以及使用條件，通過(guò)不同的鋪層設(shè)計(jì)、組分材料匹配及界面控制，可以最大限度的發(fā)揮建筑材料的優(yōu)點(diǎn)，滿足不同場(chǎng)合下的使用需求。在建筑材料氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，多數(shù)生產(chǎn)廠家以提出的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法或者網(wǎng)格理論為基礎(chǔ)來(lái)確定螺旋纏繞和環(huán)向纏繞層數(shù)。然而，當(dāng)螺旋纏繞層數(shù)和環(huán)向纏繞層數(shù)確定后，各層如何鋪設(shè)，不同鋪層順序是否會(huì)造成過(guò)大的差異等，這一領(lǐng)域尚缺乏有說(shuō)服力的探討。

關(guān)鍵詞：建筑材料;抗沖擊;性能;裝置;能量損耗

引言

建筑材料因具有良好的綜合力學(xué)性能，被廣泛用于工業(yè)民用、建筑橋梁、軍事等結(jié)構(gòu)中。綜述了四類建筑材料層合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，包括纖維增強(qiáng)建筑材料、混雜纖維增強(qiáng)建筑材料、仿生建筑材料和功能梯度建筑材料?？偨Y(jié)了國(guó)內(nèi)外建筑材料層合結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的研究現(xiàn)狀，分析四類常見(jiàn)建筑材料層合結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性。結(jié)合建筑材料層合結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的研究進(jìn)展，對(duì)未來(lái)建筑材料層合結(jié)構(gòu)在抗沖擊方面的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1概述

目前，抗沖擊性能是建筑材料性能中一個(gè)檢測(cè)方向。在實(shí)際的試驗(yàn)操作以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，抗沖擊性能的檢測(cè)裝置常用的分為基本的3種，它們分別是：落錘沖擊試驗(yàn)裝置、SHPB試驗(yàn)裝置、靜力荷載試驗(yàn)裝置等。而沖擊類型又可以分為：簡(jiǎn)支梁沖擊、懸臂梁沖擊和落球沖擊，簡(jiǎn)支梁和懸臂梁主要是用來(lái)判斷材質(zhì)本身的沖擊性能方面的優(yōu)劣，沒(méi)有實(shí)質(zhì)的聯(lián)系，不同的地方在于懸臂梁的沖擊程度好一點(diǎn)，簡(jiǎn)支梁檢測(cè)不了的材料通常都會(huì)選用懸臂梁;而落錘沖擊則是針對(duì)材料本身的抗沖擊性能，這與材料的多種因素有關(guān)。在試驗(yàn)過(guò)程中，抗沖擊性能裝置在搬運(yùn)過(guò)程中無(wú)良好發(fā)力點(diǎn)、摩檫力不足導(dǎo)致無(wú)法夾緊，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果存在影響、檢測(cè)效率有待提高。本項(xiàng)目旨在從改變建筑材料抗沖擊性能裝置的夾緊組件入手，加入輪盤扶手、設(shè)置支柱、設(shè)置貫穿式圓形孔洞、放置呈對(duì)稱式夾緊塊。從一定程度上解決上述問(wèn)題。

2建筑材料抗沖擊性能裝置研究

2.1建筑材料抗沖擊性能機(jī)理研究

通過(guò)分析建筑材料的介電譜圖以及彈體侵徹聚脲彈性體噴涂鋼板的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚脲彈性體抗沖擊的主要機(jī)理是從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變至玻璃態(tài)的相變過(guò)程，研究指出能量吸收的程度與試驗(yàn)溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān)。采用數(shù)值模擬的方法，基于上述能量吸收的機(jī)理驗(yàn)證了高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制是由應(yīng)變率引起的。結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)，建筑材料表現(xiàn)出高彈態(tài);當(dāng)應(yīng)變率與建筑材料分子鏈震動(dòng)頻率相同時(shí)，將進(jìn)入高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，并且在此期間建筑材料會(huì)吸收大量的能量;當(dāng)應(yīng)變率繼續(xù)增加，建筑材料完全轉(zhuǎn)變成玻璃態(tài)。建筑材料的力學(xué)性能在爆炸荷載條件下與試驗(yàn)溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫差密切相關(guān)，當(dāng)溫差較小時(shí)（試驗(yàn)溫度仍高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度），在相變過(guò)程中建筑材料表現(xiàn)為玻璃態(tài);當(dāng)溫差較大時(shí)，建筑材料表現(xiàn)出普通彈性體的高延展性和韌性，即高彈態(tài)?？梢钥闯觯诒ê奢d下建筑材料的力學(xué)性能與本身的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)溫度密切相關(guān)。也有研究者指出建筑材料能提高抗沖擊性能和能量吸收的潛在機(jī)理在于沖擊波阻抗不匹配、沖擊波彌散、破壞模式的轉(zhuǎn)變以及應(yīng)變移位等。

2.2夾緊組件設(shè)計(jì)原理

（1）輪盤扶手總共設(shè)置有3個(gè)，扶手之間的角度都按照60°角設(shè)置，輪盤扶手呈圓柱狀與輪盤之間是焊接設(shè)置，防止在操作該抗沖擊性能裝置的夾緊組件時(shí)無(wú)法完全的夾緊。（2）支柱共設(shè)置有兩個(gè)，且呈左右對(duì)稱式焊接設(shè)置在底座的底部，第一凹槽呈內(nèi)凹設(shè)置在支柱的內(nèi)部，防止該抗沖擊性能裝置的夾緊組件在搬運(yùn)時(shí)沒(méi)有良好的發(fā)力點(diǎn)，造成不便。（3）支座整體呈梯形，且其內(nèi)部設(shè)置有貫穿式圓形孔洞，該孔洞的直徑大于內(nèi)凹螺紋，使該抗沖擊性能裝置的夾緊組件夾得更緊。（4）夾緊塊呈左右對(duì)稱式設(shè)置，該夾緊塊夾緊表面設(shè)置有摩擦橡膠墊并通過(guò)熱熔膠膠結(jié)連接，防止在夾緊抗沖擊性能裝置時(shí)摩擦力不足導(dǎo)致無(wú)法夾緊的情況。

2.3混雜纖維增強(qiáng)建筑材料（HFRP）

為了解由玻璃纖維和碳纖維組成的混雜建筑材料在沖擊作用下的性能，研究了五類不同堆疊順序的混雜層合板。實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)玻璃纖維在中間層而碳纖維在上下層時(shí)，沖擊后的壓縮性能最高;反之，混雜建筑材料的沖擊持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。為改善碳纖維夾層建筑材料的抗沖擊性能，碳纖維與芳綸纖維或混雜纖維夾層建筑材料的低速?zèng)_擊性能。與四層碳纖維增強(qiáng)建筑材料相比，使用一層芳綸和三層碳纖維樣品的平均吸收能量高12.5%（35J～45J），平均最大力高11.9%。碳/玻璃/環(huán)氧樹(shù)脂四類不同組合的九層混雜層合板對(duì)低速?zèng)_擊載荷的響應(yīng)。研究結(jié)果表明，與碳/環(huán)氧建筑材料相比，混雜建筑材料擁有更好的抗沖擊性能。在建筑材料結(jié)構(gòu)的頂部和底部表面有編織碳層和玻璃層，層壓材料內(nèi)部有單向碳層，將在提高抗損傷性和耐受性的同時(shí)提供最佳的面內(nèi)性能。平紋混雜玻璃-石墨纖維/增韌環(huán)氧樹(shù)脂層合板的漸進(jìn)破壞行為。研究發(fā)現(xiàn)：在所測(cè)試的四個(gè)鋪層順序中，玻璃復(fù)合板的沖擊強(qiáng)度最高。玻璃/石墨/玻璃優(yōu)于石墨/玻璃/石墨混雜復(fù)合板的性能，且均優(yōu)于石墨復(fù)合板，但不及玻璃復(fù)合板。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）有無(wú)夾緊組件的不同配合比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土試驗(yàn)試件裂縫情況對(duì)比①不同配合比下的混凝土，有無(wú)夾緊組件的混凝土在裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度上差別不大，落錘試驗(yàn)裝置是否加有夾緊組件，對(duì)混凝土裂縫數(shù)量和長(zhǎng)度影響不大。②不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土，有無(wú)夾緊組件的混凝土在裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度上，28d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間裂縫數(shù)量少、長(zhǎng)度長(zhǎng)，而4d和14d的差別不大。（2）有無(wú)夾緊組件的不同配合比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土試驗(yàn)試件沖擊次數(shù)對(duì)比①不同配合比下的混凝土，C35和C40混凝土在有無(wú)夾緊組件落錘沖擊裝置上的初裂沖擊次數(shù)和終裂次數(shù)都減低了，從數(shù)據(jù)上顯示，對(duì)于初裂、終裂次數(shù)，強(qiáng)度大的混凝土?xí)葟?qiáng)度小的多;而且從能量損耗上，可以看出有夾緊組件的落錘沖擊裝置可以減少能量損耗，能量損耗減少主要體現(xiàn)在摩擦力影響變小。②不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土，混凝土有無(wú)夾緊組件的裝置試驗(yàn)下，28d養(yǎng)護(hù)的混凝土?xí)?4d、7d的混凝土初裂、終裂次數(shù)多，說(shuō)明養(yǎng)護(hù)試件對(duì)混凝土的抗沖擊性能有影響。

結(jié)語(yǔ)

建筑材料抗沖擊性能的研究進(jìn)展，搭建兩個(gè)平臺(tái)之間的信息傳遞橋梁，實(shí)現(xiàn)了建筑材料氣瓶鋪層順序的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以鋁內(nèi)膽建筑材料氣瓶為例進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：（1）建立建筑材料氣瓶沖擊損傷分析模型，采用Hashin強(qiáng)度準(zhǔn)則和Camanho參數(shù)退化方案實(shí)現(xiàn)建筑材料纏繞層損傷破壞過(guò)程模擬。結(jié)果表明：沖擊損傷集中分布在沖擊位置局部范圍內(nèi)，損傷最嚴(yán)重的是纏繞層的外側(cè)，其次是與內(nèi)膽接觸的內(nèi)側(cè)，中間層受損最輕。（2）采用全尺寸建筑材料氣瓶進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)量剩余爆破壓力值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相差0.7%，驗(yàn)證了本文剩余爆破壓力計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。（3）采用本文所建立的優(yōu)化方法對(duì)建筑材料氣瓶鋪層進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比優(yōu)化前后建筑材料氣瓶抗沖擊性能的變化，可以看出：同一沖擊能量下，優(yōu)化后氣瓶基體破裂面積和基體破裂層數(shù)均大幅減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉聚磊.纖維對(duì)混凝土韌性與抗彎沖擊性能的影響[D].大連理工大學(xué)，2012.