鋼板夾泡沫鋁組合板抗爆性能數(shù)值模擬

王曦浩， 夏志成， 龔自明， 孔新立

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院， 南京 210007)

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鋼板夾泡沫鋁組合板抗爆性能數(shù)值模擬

王曦浩， 夏志成， 龔自明， 孔新立

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院， 南京 210007)

摘要：鑒于泡沫鋁材料良好的吸能特性和三明治型組合構(gòu)件在強(qiáng)度、剛度上的優(yōu)勢，通過有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對鋼板-泡沫鋁-鋼板三明治型組合板進(jìn)行了裝藥量為10.0 kgTNT的非接觸爆炸數(shù)值模擬，考察組合板在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)。研究表明：鋼板夾泡沫鋁組合板承受爆炸沖擊波荷載時，響應(yīng)方式主要為組合板整體彎曲變形和泡沫鋁芯層局部壓縮變形，芯層壓縮變形是組合板吸收耗散能量的主要途徑；適當(dāng)?shù)卦黾优菽X芯層厚度和面板厚度能夠提高組合板的抗爆性能，同時使組合板充分發(fā)揮耗能作用。

關(guān)鍵詞：抗爆性能； 爆炸荷載； 數(shù)值模擬； 鋼板夾泡沫鋁； 組合板； TNT； 動力響應(yīng)

1引言

抗爆構(gòu)件運(yùn)用于防爆墻或建筑結(jié)構(gòu)，能夠很好地利用自身的變形，吸收耗散爆炸沖擊波能量，確保目標(biāo)建筑物的安全。

泡沫鋁材料被壓縮屈服時存在較長的塑性平臺，具備良好的吸能特性〔1-5〕。承受爆炸沖擊荷載時，泡沫鋁材料表現(xiàn)出良好的塑性變形能力，能夠消耗大量能量，逐漸被用于充當(dāng)吸能元件。泡沫鋁與金屬面板形成的三明治結(jié)構(gòu)，在繼承泡沫鋁材料自身良好吸能特性的基礎(chǔ)上，具有強(qiáng)度高、剛度大的優(yōu)勢〔6-8〕，能夠保證抗爆構(gòu)件不過早地破壞失效，使吸能材料得到更充分的利用，滿足抗爆的要求。

Kumar P等〔9-10〕研究了爆炸荷載作用下金屬面板在三明治型組合板中起到的作用，認(rèn)為這種構(gòu)件在承受爆炸沖擊荷載時能夠結(jié)合面板和芯層材料的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮兩種材料的協(xié)同作用。Zhu F，Jing L，Shim VPW等〔11-13〕對圓弧形泡沫金屬組合板的抗爆性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了承受爆炸荷載時這種組合板的變形破壞特征。

目前，針對鋼板夾泡沫鋁組合板(圖1)抗爆性能的研究仍不完善。本文運(yùn)用有限元分析軟件，對鋼板夾泡沫鋁組合板進(jìn)行了裝藥量為10 kg TNT的非接觸爆炸數(shù)值模擬，分析了組合板在爆炸沖擊波荷載作用下的變形特征及能量消耗，為這種組合板的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

圖1　鋼板夾泡沫鋁組合板示意圖Fig.1　Schematic diagram of sandwich panels

2數(shù)值計算模型

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，采用cm-g-μs單位制建立1/4計算模型，見圖2。

圖2　鋼板夾泡沫鋁組合板1/4模型Fig.2　1/4 mesh model

組合板長120 cm、寬44.5 cm。在組合板端部設(shè)支座，TNT裝藥中心高150 cm，裝藥10.0 kg。建立空氣層覆蓋整個構(gòu)件。在支座底部添加組合板高度方向的位移約束；在模型對稱分界面上添加相應(yīng)方向的位移約束；在空氣層外表面上添加無反射邊界條件。在上層面板與泡沫鋁芯層間、泡沫鋁芯層與下層面板間、下層面板與支座間定義面面接觸CONTACT_SURFACE_TO_ SURFACE。計算時間為4 000 μs，每隔40 μs輸出一次結(jié)果文件。組合板整體模型如圖3所示。

圖3　組合板整體模型Fig.3　Overall model of sandwich panels

所用材料：炸藥、空氣、鋼、泡沫鋁。單元類型均為六面實(shí)體SOLID164。

炸藥采用高能爆炸材料模型HIGH_ EXPLOSIVE_BURN，JWL狀態(tài)方程。壓力與相對體積、內(nèi)能的關(guān)系如式(1)所示。炸藥的材料參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示。

(1)

式中：P為壓力；V為相對體積；E0為初始內(nèi)能；A，B，R1，R2，ω為狀態(tài)方程參數(shù)。

表1　炸藥模型參數(shù)

空氣采用材料模型NULL，LINEAR_ POLYNOMIAL狀態(tài)方程，壓力與相對體積、內(nèi)能的關(guān)系如式(2)所示。空氣的材料參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)如表2所示。

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E0

(2)

式中：μ=ρ/ρ0-1；ρ0為初始密度；ρ為當(dāng)前材料密度；E為材料內(nèi)能；C0，C1，C2，C3，C4，C5，C6為狀態(tài)方程參數(shù)。

表2　空氣模型參數(shù)

鋼采用隨動硬化模型MAT_PLASTIC_ KINEMATIC。屈服應(yīng)力和應(yīng)變率的關(guān)系如式(3)所示。鋼的材料參數(shù)如表3所示。

(3)

表3　鋼材模型參數(shù)

泡沫鋁采用可壓縮泡沫材料模型CRUSHABLE_FOAM，輸入ρ0/ρAl=0.22時的泡沫鋁應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示，ρ0為芯層泡沫鋁初始密度，ρAl為純鋁的密度。

圖4　泡沫鋁應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4　Stress-strain curve of aluminum foam

泡沫鋁的材料參數(shù)如表4所示。

表4　泡沫鋁模型參數(shù)

鋼和泡沫鋁采用Lagrange算法，炸藥和空氣采用ALE算法。炸藥與空氣間通過共節(jié)點(diǎn)的方式傳遞能量。炸藥、空氣與泡沫鋁組合板間采用流固耦合算法模擬爆炸對組合板產(chǎn)生的作用。

3模擬結(jié)果與分析

3.1泡沫鋁芯層厚度變化組

為研究泡沫鋁芯層厚度對組合板動力響應(yīng)的影響，保持鋼板厚度為0.45cm不變，變化芯層厚度為4.0，6.0，9.0，12.0，14.0cm進(jìn)行模擬。炸藥、空氣網(wǎng)格劃分的尺寸為1.0cm×1.0cm×1.0cm，面板網(wǎng)格劃分的尺寸為0.45cm×0.5cm×0.5cm，泡沫鋁芯層、支座網(wǎng)格劃分的尺寸為0.5cm×0.5cm×0.5cm。三塊組合板依次編號為A-1、A-2、A-3、A-4和A-5。運(yùn)用LS-PREPOST軟件對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，輸出t=4 000μs時刻組合板的最終變形圖(寬度方向截面圖)，如圖5所示。

圖5　組合板最終變形(泡沫鋁芯層厚度變化組)Fig.5　Deformation of panels (Aluminum foam-core with different thickness)

在爆炸荷載作用下，組合板發(fā)生的變形可分為泡沫鋁芯層局部壓縮變形和組合板整體彎曲變形。組合板變形模式如圖6所示。

圖6　組合板變形模式Fig.6　Deformation model of sandwich panels

圖6中，Δc為泡沫鋁芯層局部壓縮變形量，w0為組合板整體彎曲變形量，x為組合板長度方向。

在組合板上層面板中心處取節(jié)點(diǎn)1，在組合板下層面板中心處取節(jié)點(diǎn)2，如圖7所示。

圖7　位移值輸出節(jié)點(diǎn)分布Fig.7　Displacement measuring points of sandwich panels

節(jié)點(diǎn)2處位移即為組合板整體彎曲變形量；節(jié)點(diǎn)1處位移與節(jié)點(diǎn)2處位移的差值即為泡沫鋁芯層局部壓縮變形量。輸出組合板在t=4 000μs時刻的各項(xiàng)變形量，如圖8所示。

圖8　組合板各項(xiàng)變形量曲線(泡沫鋁芯層厚度變化組)Fig.8　Deformation curve of panels (Aluminum foam-core with clifferent thickness)

計算組合板各部分的內(nèi)能(應(yīng)變能)：

(4)

sij=σij+(p+q)δij

(5)

(6)

輸出組合板各部分的內(nèi)能值，如圖9所示。

圖9　組合板內(nèi)能值曲線圖(泡沫鋁芯層厚度變化組)Fig.9　Internal energy of panels with different thicknesses of foam core

在t=4 000μs時刻，A-1、A-2、A-3、A-4、A-5組合板的整體彎曲變形量分別為3.4，2.8，2.0，1.5，1.4cm。泡沫鋁芯層局部壓縮變形量分別為0.60，0.64，0.71，0.72，0.73cm。隨泡沫鋁芯層厚度增大，泡沫鋁作為吸能材料，發(fā)揮出更明顯的作用，吸收耗散的能量所占百分比逐漸上升。組合板整體彎曲變形明顯減小，泡沫鋁芯層局部壓縮變形小幅增大。泡沫鋁芯層消耗的能量始終大于上層面板和下層面板，是組合板消耗能量的主要部分。若泡沫鋁芯層厚度過小，泡沫鋁壓縮變形量有限，組合板將無法起到良好的耗能作用。若泡沫鋁芯層厚度過大，在相同的爆炸荷載作用下，泡沫鋁變形量將趨于穩(wěn)定。泡沫鋁厚度的增大對組合板吸能能力的提升將不再明顯。

3.2鋼板厚度變化組

為研究面板厚度對組合板動力響應(yīng)的影響，對泡沫鋁芯層厚度為6.0cm的組合板進(jìn)行進(jìn)一步的模擬，保持其他條件不變，變化鋼板厚度為0.15，0.30，0.60，0.90cm。炸藥、空氣網(wǎng)格劃分的尺寸為1.0cm×1.0cm×1.0cm。鋼板厚度為0.15cm時，面板網(wǎng)格劃分的尺寸為0.15cm×0.5cm×0.5cm；鋼板厚度為0.30cm時，面板網(wǎng)格劃分的尺寸為0.3cm×0.5cm×0.5cm；鋼板厚度為0.60cm時，面板網(wǎng)格劃分的尺寸為0.6cm×0.5cm×0.5cm；鋼板厚度為0.90cm時，面板網(wǎng)格劃分的尺寸為0.9cm×0.5cm×0.5cm；泡沫鋁芯層、支座網(wǎng)格劃分的尺寸為0.5cm×0.5cm×0.5cm。四塊組合板依次編號為B-1、B-2、B-3和B-4。輸出t=4 000μs時刻組合板的最終變形圖(寬度方向截面圖)，如圖10所示。輸出組合板在t=4 000μs時刻的各項(xiàng)變形量以及組合板各部分的內(nèi)能值如圖11、圖12所示。

圖10　組合板最終變形(鋼板厚度變化組)Fig.10　Deformation of panels (Steel panel with different thickness)

圖11　組合板各項(xiàng)變形量曲線(鋼板厚度變化組)Fig.11　Deformation curve of panels (Steel panel with different thickness)

圖12　組合板內(nèi)能值曲線(鋼板厚度變化組)Fig.12　Internal energy of the panels (Steel panel with different thickness)

在t=4 000μs時刻，B-1、B-2、A-2、B-3、B-4組合板的整體彎曲變形量分別為3.8，3.5，2.8，2.4，2.1cm。泡沫鋁芯層局部壓縮變形量分別為0.83，0.73，0.64，0.51，0.39cm。隨鋼板厚度增大，組合板剛度變大，組合板整體彎曲變形和泡沫鋁芯層局部壓縮變形均明顯減小。泡沫鋁芯層消耗的能量明顯大于上下面板。若鋼板厚度過小，組合板易產(chǎn)生過大的變形，使泡沫鋁芯層在短時間內(nèi)發(fā)生破壞，難以完全發(fā)揮泡沫鋁的吸能特性；若鋼板厚度過大，組合板剛度過大，將會抑制泡沫鋁的變形，導(dǎo)致組合板無法吸收耗散大量爆炸能量。

4結(jié)論

(1)鋼板夾泡沫鋁組合板在承受爆炸荷載時，上下面板發(fā)生彎曲變形，泡沫鋁芯層被壓縮。

(2)組合板在爆炸中能夠有效通過泡沫鋁芯層的局部壓縮變形和組合板的整體彎曲變形吸收耗散能量。與上下面板相比，泡沫鋁芯層在組合板耗散爆炸能量過程中發(fā)揮主要作用。

(3)組合板整體彎曲變形隨泡沫鋁芯層和鋼板厚度的增大而減小。適當(dāng)增大泡沫鋁芯層厚度能夠使組合板最大程度地吸收耗散爆炸能量，同時不造成材料的浪費(fèi)。

(4)泡沫鋁芯層局部壓縮變形隨鋼板厚度增大而減小。適當(dāng)增加鋼板厚度能對泡沫鋁芯層起到保護(hù)作用，保證組合板的吸能特性得到充分發(fā)揮。

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文章編號：1006-7051(2016)03-0015-06

收稿日期：2015-12-09

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478469)

作者簡介：王曦浩(1990-)，男，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)防爆抗爆方面的研究。E-mail： 248602686@qq.com

中圖分類號：TD235.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.03.003

Anti-detonation performance numerical simulation of sandwich steel panels with aluminum foam-core

WANG Xi-hao, XIA Zhi-cheng, GONG Zi-ming, KONG Xin-li

(College of Defense Engineering, the PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007)

ABSTRACT：Aluminum foam processes excellent performance of energy absorption and sandwich panels have advantages in strength and rigidity. So the sandwich steel panels with aluminum foam-core were researched by ANSYS/LS-DYNA. Non-contact explosion with 10.0 kg TNT was simulated numerically and the dynamic response of panels under blast loading was investigated. The result showed that, the panels overall bending deformation and the aluminum foam-core local compression deformation were mainly dynamic response for sandwich steel panels with aluminum foam-core under blast loading. The core local compression deformation was the main way in consuming energy. If the thickness of the aluminum foam-core or the panel was increased, the anti-detonation performance would be improved, and it could help panels fully consume the explosive energy.

KEY WORDS:Anti-detonation performance； Blast loading； Numerical Simulation； Steel panels with aluminum foam-core； Sandwich panel； TNT； Dynamic response