高阻尼橡膠填充鋼制防護(hù)門動(dòng)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(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(hù)門動(dòng)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(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(后勤工程學(xué)院)， 重慶 401311)

利用LS-DYNA有限元軟件，對(duì)普通鋼制和含高阻尼橡膠填充層兩種防護(hù)門在爆炸沖擊波作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)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(dá)23.8%；減小門體背板跨中最大變形量達(dá)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(hù)門；動(dòng)力響應(yīng)；溫壓炸藥沖擊波

防護(hù)門是防護(hù)工程口部最重要的防護(hù)設(shè)備，也是防護(hù)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(duì)防護(hù)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(shí)、高沖量的特點(diǎn)[1-3]，同時(shí)其特有的后燃反應(yīng)也會(huì)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(hù)工程將面臨著溫壓彈打擊的嚴(yán)重威脅。可以說，研究具有針對(duì)性的防護(hù)技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)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(shí)也增大了門體自重，導(dǎo)致其不夠靈巧。方秦[4]對(duì)雙扇平板門鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門進(jìn)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(jì)值的 1 077 kg降為923 kg，單扇門體仍重達(dá)近1噸。郭東[5]利用有限元軟件ABAQUS對(duì)GF2025鋼防護(hù)門的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明骨架梁的數(shù)量和布置方式一定時(shí)，腹板厚度及高度、面板厚度對(duì)門體抗力影響顯著，翼緣板厚度和寬度對(duì)門體抗力幾乎無影響。

當(dāng)前的防護(hù)門研究進(jìn)展表明，利用輕質(zhì)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)門體輕質(zhì)高強(qiáng)是一個(gè)重要的發(fā)展方向[6]。邊小華等[7]運(yùn)用LS-DYNA軟件，對(duì)比分析了普通鋼板防護(hù)門和泡沫鋁夾層鋼板防護(hù)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(hù)門的抗爆性能。劉學(xué)晨等[8]利用LS-DYNA有限元軟件計(jì)算分析，驗(yàn)證了門前設(shè)置聚氨酯泡沫塑料對(duì)鋼質(zhì)防護(hù)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(hù)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(hù)門的破壞。張博一等[10]利用LS-DYNA軟件，對(duì)比分析了普通鋼制防護(hù)門和內(nèi)置復(fù)合泡沫鋁芯層兩類防護(hù)門在相同炸藥 TNT 當(dāng)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(hù)門中填充復(fù)合泡沫鋁可以明顯提高防護(hù)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(jī)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(hù)門結(jié)合，提出新型高抗力防護(hù)門并分析其抗爆效果，為抗溫壓彈爆炸沖擊波的防護(hù)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(hù)門為研究對(duì)象。實(shí)際工程中，平板式鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)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(jì)算，對(duì)鋼板防護(hù)門進(jìn)行簡化。將防護(hù)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(duì)格構(gòu)進(jìn)行填充，構(gòu)造一種新型防護(hù)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(hù)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(hù)門尺寸同上。

在LS-DYNA軟件中分別建立普通鋼制防護(hù)門和新型防護(hù)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(jìn)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(diǎn)連接方式。

圖1 防護(hù)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(shí)，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(shí)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(shí)際上，防護(hù)門上設(shè)置有鉸頁和閉鎖等構(gòu)件，這些構(gòu)件都會(huì)一定程度上對(duì)防護(hù)門在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生影響。防護(hù)門在設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)門體變形的影響，對(duì)門體四邊施加簡支約束，近似模擬防護(hù)門關(guān)閉時(shí)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(dòng)模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC。考慮應(yīng)變率對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系的影響，鋼材動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的表達(dá)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(dòng)力性能時(shí)，需給出該模型中的兩個(gè)重要參數(shù)A和B。但根據(jù)實(shí)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(dòng)計(jì)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(jì)算結(jié)果分析

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

圖4 防護(hù)門Mises應(yīng)力分布

從云圖可以看出，普通鋼防護(hù)門的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，而高阻尼橡膠填充防護(hù)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(duì)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(qiáng)，使得應(yīng)力分布趨向均勻。

2.2 背板跨中位移

防護(hù)門背板最大位移是控制防護(hù)門變形條件的一個(gè)決定性因素，防護(hù)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(cè)[18]根據(jù)支撐旋轉(zhuǎn)角的大小將防護(hù)門防護(hù)等級(jí)劃分為彈性、2°、4°、12°四個(gè)等級(jí)，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(hù)門的支撐旋轉(zhuǎn)角可以用下式計(jì)算

θmax=arctan(2wmax/B)

(5)

式中：wmax為防護(hù)門跨中最大位移；B為防護(hù)門寬度。

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

圖5 防護(hù)門背板跨中位移時(shí)程曲線

從圖5可以看出，普通鋼制防護(hù)門背板跨中最大位移為58.9 mm，內(nèi)置高阻尼橡膠防護(hù)門背板跨中最大位移為22.5 mm，較普通鋼制防護(hù)門衰減約62%?？梢姼咦枘嵯鹉z對(duì)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(hù)等級(jí)方面來看，普通鋼制防護(hù)門跨中最大位移對(duì)應(yīng)的θmax約為4.5°，可見其防護(hù)等級(jí)介于4°和12°之間，而新型防護(hù)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(hù)門的防護(hù)能力提高2個(gè)等級(jí)。

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(hù)門的能量和動(dòng)能時(shí)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(dòng)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(shí)程關(guān)系曲線

圖7 動(dòng)能時(shí)程關(guān)系曲線

3 結(jié)論

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

1) 普通鋼制防護(hù)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(dá)23.8%；有效減小防護(hù)門背板跨中最大位移達(dá)62%，將防護(hù)門防護(hù)能力提高2個(gè)等級(jí)。

2) 高阻尼橡膠填充層的存在，改變了防護(hù)門內(nèi)各部分的能量分布狀態(tài)，提高門體對(duì)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(shí)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(jì)劃項(xiàng)目(CY213J009)

方浩(1992—),男,碩士研究生,主要從事防護(hù)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(hù)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(hù)門動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):173-177.