一種新型防護結構對爆炸沖擊波的衰減研究

邊小華 楊 飛

信息化戰爭條件下，精確制導武器在坑道口部附近爆炸，將會在坑道內部產生持續時間很短且峰值壓力很高的爆炸沖擊波，而持續時間增加得很快［1，2］，對坑道內部設備和人員構成了極大的威脅。為提高普通鋼板防護門抗爆性能，設計人員往往采取加大其截面和厚度的方法，導致普通鋼板防護門厚重有余而靈巧不足［3］。為此，作者提出了一種在普通鋼板防護門前面設置泡沫鋁緩沖層的新型防護結構。

1 泡沫鋁性能簡介

泡沫鋁是一種在金屬鋁基體中分布著大量氣泡的金屬材料，它兼有連續金屬相和分散空氣相的特點，使其具有許多獨特的功能。泡沫鋁在壓縮過程中，有高而寬的應力平臺，在壓縮過程中大量能量在近似恒應力下被吸收［4］，這種特性使得泡沫鋁具有很高的吸能效率。此外，通過已有的靜態力學研究進一步表明泡沫鋁是一種極具潛力的吸能緩沖材料，具有很高的沖擊吸能本領［5］。下面采用有限元軟件是LS-DYNA，對該軟件進行簡要的敘述。

2 數值模擬

2.1 LS-DYNA 程序

LS-DYNA程序是在美國Larence Livermore National Lab.由J.Q.Hallquist博士主持開發完成的，主要目的是為武器設計提供分析工具，后經不斷的改進和擴充，目前已成為著名的非線性動力分析軟件，支持它的前處理器很多，本文使用的是ANSYS。下面就對本文所選用的材料參數與狀態方程進行敘述。

2.2 材料參數與狀態方程

本文所采用的材料參數與狀態方程如下:數值模擬所用的TNT炸藥，密度 ρ1=1.6 g/cm3，爆速 D=0.7cm/μs，CJ壓力為 25.5 GPa。采用 Jones，Willkins，E.L.Lee 等提出的 JWL 狀態方程［6，7］來模擬炸藥爆轟過程中壓力和內能及相對體積的關系，該狀態方程為:

其中，A，B，R1，R2均為材料常數;P為壓力;V為相對體積;E01為初始內能。計算時TNT炸藥狀態方程中的參數如表1所示。

空氣用下面的氣體狀態方程來模擬，該狀態方程［8］為:

其中，P'為空氣壓力;γ為氣體熱指數，γ=1.4;ρ2為空氣相對密度，ρ2=1.3 ×10－3g/cm3;E02為空氣內能，E02=2.5 ×10－1MPa。

鋼板采用DYNAT24雙線性彈塑性本構模型進行模擬，材料的參數分別為:ρ=7.85 ×103kg/m3，E=210 GPa，Et=3 GPa，μ =0.3，σs=0.4 GPa。

表1 所用TNT炸藥的狀態方程參數

B.A.Gama等［9］對泡沫鋁材料進行數值模擬時曾采用 Honeycomb蜂窩結構模型，這里采用 Crushablefoam本構模型［8］來模擬。泡沫鋁的本構關系需要輸入材料的工程應力應變曲線。已有研究者通過SHPB實驗得到了如圖1所示泡沫鋁應力應變曲線及其他參數:ρ0=1.2 ×103kg/m3，E=1.2 GPa，v=0.3，Pcut=10 MPa。其中，Pcut為拉伸荷載下定義失效的拉伸應力截止值［10］。

圖1 泡沫鋁應力應變曲線

2.3 計算結果分析

對所建立的有限元模型進行簡要敘述(見圖2)。該模型是利用波陣面上的超壓遵從Hopkinson比例定律的衰減特性［11］，依托“某工程防護門抗化爆沖擊波試驗”進行了1∶5模型縮尺，坑道截面尺寸見圖3。采用Euler算法，模擬出坑道口部爆炸沖擊波的峰值壓力，口部峰值壓力約為1.03 MPa(如圖4所示)。

2.3.1 普通鋼板防護門對爆炸沖擊波的衰減性能研究

在坑道口部設置一定厚度的普通鋼板防護門。關于鋼板防護門厚度問題，在類似問題的研究中［12］，研究人員通常選取的普通鋼板厚度為6mm，本文亦是如此。

數值模擬分兩步進行:第一步采用Euler算法，對如圖2所示的有限元模型進行數值計算，并在爆炸沖擊波傳播至普通鋼板防護門的臨界面上，選取多個具有代表性的單元，把這些單元的平均壓應力時程曲線作為施加在普通鋼板防護門的加載曲線(如圖5所示)。第二步是把第一步求出的平均壓應力時程曲線施加在普通鋼板防護門上，對其進行數值模擬。該方法模擬出的結果與試驗結果吻合得較好，已得到不少研究人員的運用［12］。文中所選取的單元主要為截面中軸線上、拱頂附近應力較大的單元。

圖2 有限元模型示意圖

圖3 坑道截面示意圖

圖4 坑道口部的壓力時程曲線

圖5 鋼板防護門上的加載曲線

圖6 鋼板防護門正、背面應力時程比較圖

由圖6可以看出:在坑道口部設置普通鋼板防護門時，相同位置處的爆炸沖擊波峰值壓力約為0.045 MPa。由此可以看出:在坑道口部設置一定厚度的普通鋼板防護門，可以有效地降低坑道中爆炸沖擊波的峰值壓力。從爆炸沖擊波對人員的傷害情況［13］顯示，該峰值壓力仍然會使坑道內部設備和人員受到傷害。因此，在無任何緩沖層的情況下，普通鋼板在爆炸沖擊波作用下產生的破壞作用是不容忽視的。為此，我們考慮在坑道口部設置泡沫鋁緩沖層，以此來降低坑道口部爆炸沖擊波的峰值壓力。

圖7 泡沫鋁在鋼板前面時泡沫鋁正面、鋼板背面應力時程比較圖

2.3.2 緩沖層設置在普通鋼板防護門前時的衰減性能研究

泡沫鋁緩沖層設置在普通鋼板防護門前面時，普通鋼板防護門厚度為6mm，泡沫鋁緩沖層厚度為10mm，對該新型防護結構的計算結果、對比分析如下:當泡沫鋁緩沖層設置在普通鋼板防護門前面時，由圖7可以看出:普通鋼板背面爆炸沖擊波峰值壓力約為22.5 ×10－3MPa(即0.225 atm)，與0.045 MPa相比，其峰值壓力大幅度降低，泡沫鋁有效地降低爆炸沖擊波的峰值壓力，保證了坑道內部設備和人員的安全。

3 結語

本文利用泡沫鋁的衰減特性，將泡沫鋁和普通鋼板組合起來作為一種新型防護結構，與普通鋼板防護門相比，該新型防護結構更能有效地降低爆炸沖擊波的峰值壓力，在很大程度上保證了坑道內部設備和人員的安全。在信息化戰爭中，該新型防護結構對洞庫口部的抗爆緩沖設計有著重要的參考和應用價值。

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