聚脲噴涂鋁蜂窩結(jié)構(gòu)抗爆性能數(shù)值模擬*

戴平仁，黃正祥，祖旭東，肖強(qiáng)強(qiáng)，賈 鑫

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

和平與發(fā)展是當(dāng)今世界的主題，但局部戰(zhàn)爭(zhēng)與恐怖活動(dòng)此起彼伏，嚴(yán)重危害社會(huì)安全穩(wěn)定，防爆領(lǐng)域備受世界關(guān)注。為提高抗爆能力，普遍采用的方法是增加目標(biāo)厚度、開發(fā)使用新材料以及采用復(fù)合結(jié)構(gòu)方式等方案[1]。聚脲彈性體(polyurea,PUA)是由異氰酸酯(A組分)與氨基化合物(R組分)反應(yīng)生成的高分子聚合物[2]，具有優(yōu)異的理化性能與吸能特性，噴涂于結(jié)構(gòu)上能夠提高結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，在防爆抗沖擊領(lǐng)域深受國(guó)內(nèi)外學(xué)者歡迎。宋彬[3]等人在研究聚脲彈性體夾層防爆罐中發(fā)現(xiàn)，聚脲較橡膠具有良好的吸能特性。甘云丹、趙延杰等人[4-5]研究了聚脲涂覆鋼板水下抗性能，發(fā)現(xiàn)將聚脲涂覆在鋼板的背爆面防護(hù)效果最佳。Junguo Wang、張躍飛等人[6-7]研究了聚脲噴涂墻體抗爆性能，研究發(fā)現(xiàn)聚脲加固墻體效果明顯。蜂窩結(jié)構(gòu)以其比剛度大、比強(qiáng)度高、吸能特性好等優(yōu)點(diǎn)在軍民領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。B.ti[8]等人通過(guò)理論與數(shù)字模擬的方法發(fā)現(xiàn)以蜂窩為夾層的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)具有良好的彎曲動(dòng)態(tài)行為特性。朱易[1]等人研究了橡膠填充蜂窩夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)橡膠填充縱向蜂窩夾層復(fù)合靶板抗爆性能最優(yōu)。 Tekalur S A[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)中，中間夾層含有軟材料時(shí)抗爆性能達(dá)到最佳。聚脲彈性體具有良好的噴涂工藝，可對(duì)多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴涂，但聚脲彈性體對(duì)輕型防護(hù)結(jié)構(gòu)加固的研究，國(guó)內(nèi)尚未開展。鋁蜂窩是常用的輕型防護(hù)結(jié)構(gòu)，具有良好的力學(xué)性能，應(yīng)用十分廣泛。本研究基于以上研究成果，用新型材料聚脲彈性體對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)蜂窩夾層進(jìn)行加固形成的聚脲蜂窩復(fù)合靶板，通過(guò)有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)聚脲蜂窩復(fù)合靶板進(jìn)行數(shù)值模擬。聚脲對(duì)蜂窩靶板有四種噴涂方式，分別為正面噴涂、背面噴涂、雙面噴涂以及蜂窩內(nèi)腔填充聚脲，并與無(wú)噴涂聚脲的蜂窩靶板進(jìn)行對(duì)比，主要研究分析在相同的爆炸載荷下四種復(fù)合靶板變形、吸能情況。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 數(shù)值計(jì)算方案

利用LS-DYNA有限元軟件，對(duì)復(fù)合靶板進(jìn)行三維實(shí)體建模，計(jì)算模型由炸藥、空氣、聚脲以及蜂窩靶板組成。在數(shù)值計(jì)算模型中，利用問(wèn)題的對(duì)稱性采用1/4模型，對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束；靶板邊界設(shè)置全約束。聚脲和蜂窩靶板采用Lagrange網(wǎng)格，炸藥和空氣采用Euler網(wǎng)格，兩種網(wǎng)格采用流固耦合的算法(ALE)。為確保數(shù)值模擬的精度，采用網(wǎng)格細(xì)分技術(shù)，將靶板中心區(qū)域的面板、背板、以及噴涂與外表面的聚脲加密。

文中蜂窩采用典型正六邊形結(jié)構(gòu)，蜂窩胞元的內(nèi)邊長(zhǎng)4 mm，壁厚1 mm，高8 mm。面板與背板均為200 mm×200 mm×2 mm。如圖1所示，四種聚脲涂覆蜂窩靶板分別為A型正面噴涂、B型背面噴涂、C型雙面噴涂、D型蜂窩內(nèi)腔填充。為保證四種復(fù)合靶板質(zhì)量等同，經(jīng)計(jì)算，靶板質(zhì)量均為224.9 g，表面噴涂總厚度設(shè)計(jì)為6 mm。記無(wú)噴涂聚脲的蜂窩靶板為O型靶板作為參照對(duì)象。炸藥為Φ30×20 mm的圓柱TNT，藥量為20 g，采用點(diǎn)起爆方式起爆點(diǎn)為藥柱中心上表面，爆距30 mm，總計(jì)算時(shí)間為400 μs。

1.2 材料模型及參數(shù)

1.2.1 炸藥模型及狀態(tài)方程

炸藥類型為TNT，本構(gòu)模型采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，與之相匹配的狀態(tài)方程采用EOS_JWL[10]，炸藥的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 TNT炸藥狀態(tài)方程的相關(guān)參數(shù)[11]

1.2.2鋁的模型及狀態(tài)方程

鋁的本構(gòu)模型采用Johnson-Cook模型，狀態(tài)方程采用EOS_GRUNEISEN來(lái)描述。鋁的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 鋁的材料參數(shù)[12]

1.2.3 聚脲彈性體的模型

聚脲彈性體是一種粘彈性體，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，其本構(gòu)模型常用來(lái)模擬彈性體的力學(xué)性能MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY[4]。材料的屈服準(zhǔn)則由斷裂應(yīng)變定義，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線由屈服強(qiáng)度、剪切模量來(lái)定義或者通過(guò)8組塑性應(yīng)變和應(yīng)力的數(shù)組定義；應(yīng)變率的影響采用Cowper-Symbols模型，具體的材料參數(shù)如表3所示。

表3 聚脲彈性體材料參數(shù)[4]

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合靶板的變形分析

根據(jù)數(shù)字計(jì)算的結(jié)果分析爆炸載荷作用下五種靶板的破壞情況，取t=100 μs時(shí)刻靶板的抗爆狀態(tài)見圖2。可以看出，O類型靶板的面板變形明顯并伴有飛行破片產(chǎn)生，面板、背板變形明顯并發(fā)生斷裂；蜂窩發(fā)生折疊、坍塌、斷裂并迅速向周圍擴(kuò)散。A類型靶板中聚脲發(fā)生嚴(yán)重的變形，面板變形明顯且中心部分發(fā)生斷裂；蜂窩發(fā)生折疊、坍塌、斷裂并迅速向周圍擴(kuò)散，背板變形明顯但無(wú)裂紋產(chǎn)生。B類型靶板的面板發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，蜂窩發(fā)生折疊、坍塌、斷裂并迅速向周圍擴(kuò)散，背板發(fā)生剪切斷裂現(xiàn)象，由于聚脲的存在抑制了破片飛出。C類型靶板的面板、背板變形明顯，面板發(fā)生小范圍剪切斷裂，蜂窩變形明顯并伴有坍塌斷裂現(xiàn)象，但無(wú)破片飛出。D類型靶板的面板、蜂窩、背板均發(fā)生塑性變形但未發(fā)生剪切斷裂現(xiàn)象。綜上可知，D類型靶板的面板背板變形明顯但均無(wú)裂紋產(chǎn)生，蜂窩的破壞程度也最小，而A、B、C三種類型的面板或背板均發(fā)生斷裂破壞，且蜂窩變形破壞程度也較大。與O類型靶板相比，噴涂聚脲的靶板均為產(chǎn)生飛行片，抗爆性能較好。

為定量的對(duì)比面板、背板的變形情況，取面板和背板的中心單元位移作分析，作出以上五種類型靶板的中面板、背板的位移時(shí)程曲線如圖3、圖4所示。由圖3可知，t=8 μs左右沖擊波到達(dá)面板并對(duì)面板產(chǎn)生作用。O型靶板的面板中心出現(xiàn)剪切斷裂現(xiàn)象，其中心單元位移呈線性變化。t=200 μs左右A、B、C、D靶板的面板中心單元的位移達(dá)到最大值，由于靶板邊界條件是四周固定的，因此在面板達(dá)到最大塑性變形便開始反彈，位移出現(xiàn)小幅度下降。面板中心單元的位移量排序?yàn)锽

2.2 復(fù)合靶板的吸能分析

在相同的爆炸載荷作用下，不同類型的聚脲蜂窩靶板吸能情況明顯不同，對(duì)于A、B、C、D四種靶板的吸能如圖5～圖8所示。取四種類型靶板最大變形時(shí)刻靶板的能量值進(jìn)行分析：A型靶板總能量為1 223 J，其結(jié)構(gòu)四個(gè)部分的能量由多到少分別是聚脲彈性體(434 J)、蜂窩夾層(427 J)、面板(235 J)、背板(127 J);B型靶板總能量為916 J，其結(jié)構(gòu)四個(gè)部分的能量由多到少分別是蜂窩夾層(382 J)、面板(267 J)、背板(199 J)、聚脲彈性體(68 J);C型靶板總能量為1 292 J，其結(jié)構(gòu)四個(gè)部分的能量由多到少分別是蜂窩(497 J)、聚脲彈性體(310 J)、面板(272 J)、背板(213 J);D型靶板總能量為1 425 J，其結(jié)構(gòu)四個(gè)部分的能量由多到少分別是蜂窩(599 J)、面板(332 J)、背板(318 J)、聚脲彈性體(176 J)。

復(fù)合靶板在抵抗變形過(guò)程中依靠其結(jié)構(gòu)中各個(gè)部分的響應(yīng)來(lái)消耗并衰減沖擊波，轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)能與內(nèi)能。聚脲彈性體的不同噴涂方式對(duì)靶板各個(gè)部分的吸能性能具有重要的影響。圖9、圖10為不同靶板類型中面板動(dòng)能、內(nèi)能時(shí)程曲線。從圖9可知，四種面板動(dòng)能曲線在初始響應(yīng)階段迅速增大并達(dá)到峰值，A型面板動(dòng)能在t=22 μs達(dá)到265 J；B型面板動(dòng)能在t=16 μs達(dá)到253 J；C型面板動(dòng)能在t=16 μs達(dá)到268 J；D型面板動(dòng)能在t=14 μs達(dá)到141 J。四種面板的動(dòng)能峰值排序?yàn)镃>A>B>D，在t=150 μs以后動(dòng)能曲線變化趨勢(shì)一致。由圖10可知，四種靶板的面板內(nèi)能時(shí)程曲線變化趨勢(shì)一致。其中面板內(nèi)能的高低排序?yàn)镈>C>B>A，在t=280 μs時(shí)刻，四種類型靶板中面板具有的內(nèi)能為D為311 J，C為269 J，B為262 J，A為218 J。

圖11、圖12分別為蜂窩的動(dòng)能、內(nèi)能時(shí)程曲線。由圖11可知，四種類型靶板蜂窩的動(dòng)能曲線前期變化均出現(xiàn)多個(gè)不同大小峰值，這是蜂窩在抵抗靶板變形的過(guò)程中發(fā)生不同程度的折疊、坍塌，斷裂的結(jié)果。蜂窩的動(dòng)能曲線峰值排序?yàn)锽>D>A>C，在t=150 μs以后動(dòng)能曲線變化趨勢(shì)一致。由圖12可知，四種類型靶板的蜂窩內(nèi)能曲線在前期均快速增加，按靶板中蜂窩具有的內(nèi)能大小排序?yàn)镈>C>A>B。蜂窩的內(nèi)能在不同的時(shí)刻達(dá)到各自的峰值：D蜂窩板在t=264 μs時(shí)達(dá)到594 J，C蜂窩在t=222 μs時(shí)達(dá)到478 J，A蜂窩在t=220 μs時(shí)刻達(dá)到391 J，B型蜂窩在t=220 μs達(dá)到369 J。

圖13、圖14為不同類型靶板中背板的動(dòng)能、內(nèi)能時(shí)程曲線。由圖13可知，不同類型靶板的背板動(dòng)能峰值比面板動(dòng)能峰值出現(xiàn)不同程度的下降，且峰值的跨度也明顯增加。這是因?yàn)榉涓C的存在使得背板獲得初速的能力下降，并給其變形過(guò)程提供了一個(gè)緩沖時(shí)間。背板的動(dòng)能排序?yàn)镈>B>C>A，在t=150 μs以后動(dòng)能曲線變化趨勢(shì)一致。由圖14可知，四種類型靶板中背板的內(nèi)能大小排序?yàn)镈>B>C>A。四種靶板背板內(nèi)能的峰值來(lái)的時(shí)間有所差異：t=270 μs時(shí)D型背板達(dá)到328 J；t=228 μs時(shí)B型背板達(dá)到202 J；t=232 μs時(shí)C型背板達(dá)到193 J ；t=208 μs時(shí)A型背板達(dá)到130 J。D型靶板的背板內(nèi)能遠(yuǎn)高于其他三種類型。

圖15、圖16是不同類型靶板中聚脲彈性體的動(dòng)能、內(nèi)能時(shí)程曲線。由圖15可知，A型靶板的聚脲彈性體初始階段動(dòng)能的峰值很高達(dá)到384 J。B類型靶板的聚脲彈性體動(dòng)能響應(yīng)時(shí)間較其他三種類型靶板有明顯滯后現(xiàn)象，這是因?yàn)榫垭鍙椥泽w噴涂在靶板的背板上，沖擊波到達(dá)聚脲的時(shí)間延長(zhǎng)，聚脲峰值排序?yàn)锳>B>C>D, 在t=150 μs以后聚脲動(dòng)能曲線變化趨勢(shì)一致。由圖16可知，A型靶板的聚脲彈性體的內(nèi)能初始響應(yīng)值遠(yuǎn)高于其他三種類型的，達(dá)到645 J。整體來(lái)看四種類型靶板中聚脲的內(nèi)能從大到小排序?yàn)锳>C>D>B。其中A、B、C靶板中的聚脲的內(nèi)能曲線變化平穩(wěn)，而D型靶板中的聚脲的內(nèi)能在初始階段迅速到達(dá)第一個(gè)峰值便減小，之后內(nèi)能進(jìn)一步增大后變化平緩，這是因?yàn)镈靶板中蜂窩內(nèi)腔填充聚脲，在爆炸載荷作用下，蜂窩與聚脲產(chǎn)發(fā)變形相互作用并伴隨著大量的能量相互交換，使得聚脲的內(nèi)能時(shí)程曲線有較大的波動(dòng)。

因聚脲彈性體不同的噴涂方式，使得靶板在相同爆炸載荷作用下的吸能能力大不一樣。表4為四種類型靶板在t=100 μs時(shí)刻的能量分析情況，其中單位質(zhì)量吸收比能為Em=E/M[13]。由表4可知，靶板在爆炸載荷下所吸收的能量以內(nèi)能為主，并且吸收的動(dòng)能均以不同的效率轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。A靶板的峰值壓力最高，C靶板峰值壓力最小。在短時(shí)間內(nèi)，C靶板的動(dòng)能轉(zhuǎn)化率最高，B靶板的動(dòng)能轉(zhuǎn)化率最小。在100 μs時(shí)刻C靶板的吸能最多，B靶板最少。C靶板的單位質(zhì)量比吸能最多為5.47 J/g，B單位質(zhì)量比吸能最少為4.01 J/g。從靶板各部分的吸能來(lái)看，C靶板更加均衡。

靶板能量數(shù)據(jù)靶板類型ABCD最大動(dòng)能/J534422484472最后動(dòng)能/J172179142192動(dòng)能轉(zhuǎn)化的內(nèi)能/J362243342280自身吸收內(nèi)能/J647479701679總內(nèi)能/J1 0097221 043959動(dòng)能轉(zhuǎn)化率/ %67.857.670.759.3總吸能/J1 1819011 2291150面板吸能比重/ %17.72620.724.7背板吸能比重/ %11.72416.323蜂窩吸能比重/ %29.637.63441.4聚脲吸能比重/ %4112.42910.9單位質(zhì)量吸收比能Em/J/g5.264.015.475.12

整體來(lái)看，不同靶板中的面板、蜂窩、背板以及聚脲彈性體4個(gè)部分的動(dòng)能、內(nèi)能曲線的響應(yīng)時(shí)刻均不一致，這是因?yàn)榫垭逡圆煌瑖娡糠绞剑沟冒邪蹇贡芰Σ灰粯印２煌邪逯械拿姘濉⒎涓C、背板以及聚脲的動(dòng)能曲線數(shù)值差異較小，在t=320 μs左右均出現(xiàn)較小的波峰，而面板、蜂窩、背板的內(nèi)能曲線也在t=320 μs左右出現(xiàn)與前面動(dòng)能波峰具有互補(bǔ)性的低谷。這是因?yàn)榘邪宓乃闹芄潭ǎ邪逶谶_(dá)到最大塑性變形后開始反彈，在這個(gè)過(guò)程中內(nèi)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化的結(jié)果，與前面的面板、背板中心單元的位移時(shí)程曲線減小情況相呼應(yīng)。不同靶板中的面板、蜂窩、背板、聚脲內(nèi)能差異較大，其中D類型靶板的面板、蜂窩、背板的內(nèi)能均遠(yuǎn)高于其他靶板的對(duì)應(yīng)部分。與其他的結(jié)構(gòu)不同，聚脲的內(nèi)能曲線在t=210 μs后均很穩(wěn)定，在內(nèi)能吸收方面表現(xiàn)出較好的平穩(wěn)性，這與其材料本身的力學(xué)性能有關(guān)。

3 結(jié)論

通過(guò)LS-DYNA對(duì)聚脲彈性體噴涂蜂窩夾層的四種類型復(fù)合靶板在爆炸載荷下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了模擬，主要分析復(fù)合靶板的變形與吸能情況，得到的結(jié)論如下：

1)與無(wú)噴涂聚脲的蜂窩靶板相比，聚脲以不同的方式噴涂于蜂窩靶板上，均能抑制靶板產(chǎn)生飛行破片，使得靶板的抗爆性能均有不同程度的提高。

2)在爆炸載荷作用下，聚脲對(duì)蜂窩外表面噴涂時(shí)，靶板中面板或背板的中心單元出現(xiàn)斷裂現(xiàn)像，蜂窩變形失效嚴(yán)重。而蜂窩內(nèi)腔填充聚脲時(shí)靶板的面板背板變形良好且均無(wú)裂紋產(chǎn)生，蜂窩無(wú)坍塌斷裂現(xiàn)象，抗爆能力最佳。

3)在100 μs內(nèi)，雙面噴涂聚脲靶板的吸能響應(yīng)性能較好，蜂窩內(nèi)腔填充聚脲靶板吸能響應(yīng)能力次之。

4)在整個(gè)抗爆過(guò)程中，蜂窩內(nèi)腔填充聚脲時(shí)靶板中的面板、蜂窩、聚脲吸能能力遠(yuǎn)高于其他噴涂方式，且靶板的總吸能最多，吸能時(shí)間跨度大，抗爆性能最好。

5)聚脲彈性體以不同的噴涂方式涂覆靶板，均能在不同程度上提高靶板的吸能能力，在工程應(yīng)用中，可綜合使用蜂窩表面噴涂與內(nèi)腔填充來(lái)提高靶板的抗爆能力。