鋼/尼龍夾層板抗爆性能研究

張 飛，呂瑋慶，蔡玄龍，沈超明

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 南京市地方海事局，江蘇 南京 210036；3. 上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201108)

0 引 言

艦船水面以上的結(jié)構(gòu)在戰(zhàn)斗中經(jīng)常會受到空中爆炸載荷的傷害，所以艦船外板的抗爆性能設(shè)計(jì)受到研究者重視，王芳等[1]曾對四邊存在約束力作用的正方形靶板在爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生的塑性大變形響應(yīng)情況進(jìn)行相關(guān)理論分析和試驗(yàn)研究，并由此得到了此類正方形靶板在爆炸沖擊波作用下發(fā)生塑性大變形時產(chǎn)生的撓度的半經(jīng)驗(yàn)公式。姚熊亮等[2]利用有限元軟件對船舶在不同起爆位置、炸藥當(dāng)量、有限元網(wǎng)格劃分方式等情況下的沖擊響應(yīng)情況分別進(jìn)行了計(jì)算，得到了若流場有結(jié)構(gòu)體的存在，會導(dǎo)致沖擊波產(chǎn)生反射與繞射，這樣會使得流場的壓力偏大或偏小等相關(guān)結(jié)論。李順波等[3]對爆炸沖擊波在不同介質(zhì)傳播過程中的衰減規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究，證實(shí)了沖擊波速和波強(qiáng)度之間存在關(guān)系，且當(dāng)沖擊波的強(qiáng)度越大，波速越高；而沖擊波能量的大小與介質(zhì)的可壓縮性有關(guān)，當(dāng)土中的能量達(dá)到最大值時，水中的能量為最小。F. Zhu等[4]通過有限元軟件對芯材為蜂窩結(jié)構(gòu)，面板為金屬的夾層板在爆炸作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析，并與實(shí)驗(yàn)對照驗(yàn)證了正確性。還有許多其他相應(yīng)的對于夾層板抗爆性能的研究[5–8]。而鋼/尼龍夾層板同樣擁有良好的比強(qiáng)度、比剛度以及動態(tài)壓縮力學(xué)性能[9]，預(yù)期可以獲得良好的抗爆性能。

1 計(jì)算模型

有限元仿真計(jì)算中通常使用JWL狀態(tài)方程來描述高能炸藥爆轟產(chǎn)物的單元壓力，其壓力和相對體積的關(guān)系由式（1）表示：

表1 炸藥狀態(tài)方程的參數(shù)Tab.1 Equation of state parameters of the explosive

本文中的爆炸發(fā)生在空氣域中，空氣的材料模型選用*MAT_NULL空白材料來進(jìn)行定義，空氣的密度是1.29 kg/m3，其他參數(shù)均使用默認(rèn)值，并選用線性多項(xiàng)式方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL作為描述空氣的狀態(tài)方程。該狀態(tài)方程的內(nèi)能呈線性分布，壓力由下式給出：

圖1 尼龍動態(tài)壓縮試樣Fig.1 Dynamic compress specimen of nylon

圖2 尼龍?jiān)诓煌瑧?yīng)變率下應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of nylon in different strain rate

2 計(jì)算結(jié)果及分析

為了比較鋼板與鋼/尼龍夾層板的吸能特性，對相同質(zhì)量的鋼板與夾層板在相同質(zhì)量TNT炸藥產(chǎn)生的沖擊波下的響應(yīng)情況分別進(jìn)行模擬和比較，經(jīng)過多次計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用18.3 kg的TNT炸藥時，位于爆距2.5 m處的3.4 mm厚的鋼板在該炸藥量下產(chǎn)生了破壞。現(xiàn)選取2層面板均為0.5 mm厚的鋼板，芯材為20 mm厚的尼龍組合成的夾層板（保證鋼板與鋼/尼龍夾層板的質(zhì)量均為6.84 kg）進(jìn)行模擬計(jì)算。

在相同爆炸條件下，夾層板只是產(chǎn)生了較大的塑性變形，此時鋼/尼龍夾層板的變形云圖的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

爆炸載荷下迎爆面鋼板、芯材和背面鋼板的應(yīng)力云圖分別如圖4～圖6所示。

從圖中可以看出，夾層板在爆炸沖擊波的峰值到達(dá)時，板中心存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但并未破裂，由此可以證明在相同爆炸載荷的作用下，鋼/尼龍夾層板的抗爆性能優(yōu)于鋼板。在沖擊波載荷的作用下，夾層板利用它特殊的結(jié)構(gòu)形式使應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中通過多次反射來實(shí)現(xiàn)衰減以達(dá)到能量耗散的目的，從而保證整體結(jié)構(gòu)的完整性。

圖3 爆炸載荷下夾層板變形圖Fig.3 Deformation of sandwich plate under the explosion

圖4 爆炸載荷下迎爆面鋼板應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud of top steel plate under the explosion

圖5 爆炸載荷下芯材應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud of core under the explosion

圖6 爆炸載荷下背面鋼板應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud of back steel plate under the explosion

將夾層板與鋼板各自的吸能時程曲線進(jìn)行比較，如圖7所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)在相同爆炸載荷的作用下，最終夾層板吸收的能量比鋼板高約45%，可見鋼/尼龍夾層板對爆炸沖擊波載荷具有良好的吸能特性。

夾層板在空中爆炸載荷作用下瞬間發(fā)生較大的塑性變形，同樣會對布置于夾層板后部的機(jī)械和設(shè)備造成傷害，為了更好地研究和使用夾層板，需要對不同結(jié)構(gòu)形式的鋼/尼龍夾層板的背面鋼板的變形量進(jìn)行研究，并使用厚度比區(qū)分不同結(jié)構(gòu)形式的夾層板， 厚度比的定義如下：

圖7 鋼板與夾層板吸能對比Fig.7 Comparsion of energy absorption between steel plate and sanwich plate

夾層板結(jié)構(gòu)在抵抗爆炸載荷的過程中主要是依靠芯材特殊的力學(xué)特性來緩沖和吸收爆炸載荷，當(dāng)夾層板面板厚度保持不變時，增加芯材的厚度可以減小整體結(jié)構(gòu)的變形和增加能量的吸收，本文選取相同沖擊因子[15]下總厚度相同但厚度比各不相同的5種夾層板分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算時采用TNT炸藥當(dāng)量為18.3 kg，爆距 2.5 m，夾層板的邊長均為 1 m。最終計(jì)算的結(jié)果如表2和圖8所示。

表2 不同厚度比夾層板的參數(shù)Tab.2 Parameters of sandwich plate with different thickness ratio

圖6所示的是不同結(jié)構(gòu)形式夾層板背面鋼板中心點(diǎn)處的變形時程曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)所有夾層板結(jié)構(gòu)中的背面鋼板在同一時間（1.39 ms）開始產(chǎn)生響應(yīng)，并迅速地產(chǎn)生較大的塑性變形，到了最高點(diǎn)后隨之開始振蕩減小最終穩(wěn)定在一個值，本文稱這個值為絕對變形值。

圖8 不同夾層板背面鋼板變形時程曲線Fig.8 Deformation history curve of different sandwich plate’s back steel plate

3 夾層板防護(hù)性能改進(jìn)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，整體結(jié)構(gòu)的空間利用率同樣重要；而當(dāng)夾層板芯材厚度不變時，若面板的厚度過小會使面板不能很好地保護(hù)內(nèi)部的芯材，但過厚又不利于芯材在爆炸時吸收爆炸載荷，為了研究夾層板在總厚度不變時厚度分配的最優(yōu)方式，本文將不同夾層板結(jié)構(gòu)的抗變形能力用“比變形”進(jìn)行衡量，比變形定義為是結(jié)構(gòu)絕對變形值與其質(zhì)量的比值。通過計(jì)算可以得到系列仿真對應(yīng)的結(jié)果，見表3。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)對應(yīng)結(jié)果Tab.3 The results of simulation experiments

從表3和圖7可以發(fā)現(xiàn)夾層板厚度比與比變形之間存在著冪函數(shù)的關(guān)系，擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)可得下式：

將夾層板的厚度比與比變形的數(shù)值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看到，隨著厚度比的逐漸增大，比變形值逐漸較小，且下降的趨勢也逐漸趨于平緩，表明當(dāng)鋼板增加到一定厚度后，鋼板厚度的增加對整體結(jié)構(gòu)變形的減小不能起到明顯作用，而從圖6中又可以看到當(dāng)鋼板厚度過薄時，夾層板整體的最大變形值與絕對變形值之間差值較大，說明此種結(jié)構(gòu)在受到爆炸載荷產(chǎn)生沖擊波作用的瞬間產(chǎn)生了較大的瞬間變形，也不利于整體防護(hù)性能的提高，所以在夾層板抗爆性能的設(shè)計(jì)時可以考慮將厚度比控制在0.1～0.2的范圍內(nèi)，這樣可以最大程度地保護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。

圖9 夾層板厚度比與比變形關(guān)系Fig.9 Relation between thickness ratio and deformation of sandwich plates

4 結(jié) 語

本文使用有限元模擬軟件分析比較了鋼板與鋼/尼龍夾層板在爆炸沖擊波作用下的吸能情況和不同結(jié)構(gòu)形式夾層板在相同爆炸沖擊波作用下的響應(yīng)情況，主要得到以下結(jié)論：

1）在相同爆炸沖擊波的作用下，鋼/尼龍夾層板與鋼板相比有更好的吸能效果，夾層板能比鋼板多吸收大約45%的能量，能夠有效保護(hù)板后部人員和財(cái)產(chǎn)安全。

2）在爆炸沖擊波下，總厚度相同但厚度比不同的夾層板具有不同的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，同時夾層板厚度比與背面鋼板的比變形間存在冪指數(shù)的關(guān)系，鋼面板厚度不能過薄也不能過厚，所以在夾層板抗爆性能設(shè)計(jì)時考慮將厚度比控制在0.1～0.2之間為宜。