橡膠/鋼層防護結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究

吳瑋棟，郄彥輝，程 聰，王 昱

(1.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300130；2.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院，河北 石家莊 050061)

1 引言

水壓爆破試驗是指對承受內(nèi)壓的設(shè)備持續(xù)加壓使之產(chǎn)生泄露乃至爆破。水壓爆破試驗是檢查壓力容器和承壓管道元件產(chǎn)品的極限承壓能力的標準試驗。對于新型結(jié)構(gòu)的壓力容器或新材料、新工藝制造的壓力容器應(yīng)經(jīng)水壓爆破試驗證實設(shè)計制造均安全后方可投入批量制造。但是在水壓爆破實驗過程中，迸濺的金屬碎片會撞擊并損壞封閉實驗室的內(nèi)壁和上方易損裝置(如攝像頭和照明裝置)，如圖1、圖2所示。故需要在實驗室內(nèi)安裝一種既能確保實驗室內(nèi)壁不受破壞，又能保護上方易損裝置的防護結(jié)構(gòu)。防護結(jié)構(gòu)能有效保護人員、建筑和裝置免遭損傷破壞，隨著防護結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對其性能和種類的需求也越來越大。目前，國內(nèi)外技術(shù)人員主要從材質(zhì)和結(jié)構(gòu)兩個方面對防護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和研究。防護結(jié)構(gòu)的材質(zhì)主要有非金屬材料[1-2]、金屬材料[3]、復(fù)合材料[4-5]等，設(shè)計并應(yīng)用的結(jié)構(gòu)主要有多層結(jié)構(gòu)[6]、蜂窩結(jié)構(gòu)[7-8]等。這些防護材料以及特殊結(jié)構(gòu)都有其不可替代的優(yōu)點，但是由于這些防護結(jié)構(gòu)造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多應(yīng)用于軍事國防領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)簡單造價低廉的民用室內(nèi)防護結(jié)構(gòu)有待進一步研究。針對這一問題，提出了兩種造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單便于制造安裝的防護結(jié)構(gòu)—斜鋪式和鋸齒狀橡膠/鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)，旨在保護室內(nèi)墻壁和上方的易損裝置。針對不同水壓爆破試驗迸濺的金屬碎片對封閉試驗的初次沖擊和二次沖擊過程，采用顯式非線性軟件LS-DYNA模擬不同速度和不同入射角度條件下碎片對防護結(jié)構(gòu)的碰撞過程，分析對比兩種橡膠/鋼復(fù)合板的防護效果和抗沖擊性能。

圖1 爆破瞬間Fig.1 Blasting Moment

圖2 封閉實驗室破壞情況Fig.2 Destruction of the Sealed Laboratory

2 數(shù)值仿真

2.1 幾何模型及求解方法

所提出的防護結(jié)構(gòu)是在鋼板上鋪裝一定形狀的橡膠，兩種防護結(jié)構(gòu)的鋼板厚度均為8mm，橡膠層厚度均為15mm，兩種防護結(jié)構(gòu)的橡膠層結(jié)構(gòu)形式不同。其中碎片在爆破實驗室內(nèi)的沖擊歷程簡圖，如圖3所示。

圖3 碎片沖擊歷程Fig.3 The Impact of the Fragments of the Process

圖4 橡膠/鋼復(fù)合板的有限元計算模型Fig.4 Finite Element Calculation Model of Rubber/Steel Composite Panel

鑒于爆破碎片的尺寸較小、形狀較為復(fù)雜且具有一定的隨機性，而碎片的形狀對防爆結(jié)構(gòu)的防護性能影響較小，故把碎片簡化為直徑為8mm的剛性小球進行研究。由于鋼球與防護結(jié)構(gòu)的對稱性，采用1/2模型建模，對稱面處設(shè)置對稱邊界條件，約束其對稱面相應(yīng)的位移及轉(zhuǎn)動，防護結(jié)構(gòu)模型的邊界施加固定約束條件。有限元模型忽略橡膠和鋼板間粘合劑的影響，采用單元共用節(jié)點的方式模擬橡膠和鋼板間的連接。為了提高計算效率并防止網(wǎng)格產(chǎn)生畸變計算難以維系，采用在接觸區(qū)局部網(wǎng)格加密方法的方法對仿真模型進行網(wǎng)格劃分。有限元模型，如圖4所示。

2.2 材料模型及參數(shù)

鋼板材料選用#45鋼，采用Johnson-Cook本構(gòu)模型和Gruneisen狀態(tài)方程來描述其本構(gòu)關(guān)系。鋼的材料參數(shù)[9]，如表1所示。各參數(shù)的含義見文獻[10]。防護結(jié)構(gòu)的橡膠采用6744型號的天然橡膠，在仿真計算時采用Ogden本構(gòu)模型定義其材料特性。Ogden本構(gòu)模型可以很好的描述橡膠材料在常溫、常應(yīng)變率情況下不同應(yīng)力情況時的變形情況，且在應(yīng)變大于100%時計算精度比較高。6744型號天然橡膠的材料參數(shù)[11]，如表2所示。

表1 45號鋼的材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of 45 Steel

表2 6744型號天然橡膠的材料參數(shù)Tab.2 Material Parameters of 6744 Type Natural Rubber

3 結(jié)果分析

3.1 初次沖擊后的速度分析

根據(jù)河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗院管道元件中心水壓爆破實驗室多次試驗結(jié)果，統(tǒng)計爆破產(chǎn)生的金屬碎片對墻體的破壞位置并繪制簡圖，如圖5所示。在水壓爆破試驗時，被測的承壓容器或承壓管道元件置于實驗室地面中央，而水壓爆破實驗室的長度通常為(4～6)m、寬度為(3～5)m、高度為(3～4)m，且由圖5所示，爆破產(chǎn)生的高速碎片全部撞擊到四周墻壁，則爆破產(chǎn)生的高速金屬碎片與墻壁或防護結(jié)構(gòu)碰撞時的入射角度不超過45°。考慮到不同型號承壓容器和管道元器件的不同爆破壓力造成的不同初始速度的碎片，選取了碎片在入射角度q=45°、40°、30°、20°下以不同速度(0≤v≤300m/s)沖擊防護結(jié)構(gòu)的工況進行了仿真。通過研究碎片被反彈后豎直方向的速度大小最能直觀反應(yīng)防護結(jié)構(gòu)對上方易損裝置的防護效果，故比較了碎片初次沖擊這兩種防護結(jié)構(gòu)后豎直方向的速度，如圖6所示。

圖5 碎片撞擊墻體位置示意圖Fig.5 Location Map of the Fragment Impacting the Wall

圖6 碎片初次沖擊后豎直方向速度對比圖Fig.6 Comparison of Vertical Speed after Initial Impact of Debris

根據(jù)圖6所示，不同入射角度下，碎片沖擊兩種防護結(jié)構(gòu)后的剩余速度的曲線規(guī)律趨勢大致接近。當(dāng)入射速度v＜80m/s時，相同入射角度下，碎片沖擊斜鋪式橡膠/鋼復(fù)合板后的豎直方向的剩余速度大于沖擊鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合板后的剩余速度。當(dāng)入射速度80≤v≤120m/s時，這兩種防護結(jié)構(gòu)的防護效果一樣，碎片均會直接嵌入橡膠層。當(dāng)入射速度v＞120m/s時，相同入射角度下，碎片沖擊斜鋪式橡膠/鋼復(fù)合板后的豎直方向的剩余速度小于沖擊鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合板后的剩余速度。

3.2 典型工況的沖擊歷程

根據(jù)圖6分析可得，碎片沖擊防護結(jié)構(gòu)后，根據(jù)剩余速度的不同，可分為三種典型工況類型，即入射速度范圍分別在v＜80m/s、80≤v≤120m/s、v＞120m/s時的工況。由于在各類典型工況下的沖擊歷程比較相似，故在此只以入射角度q=45°為例，分別選取v=30m/s，v=120m/s和v=200m/s三種典型工況，仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7 三種典型工況下的沖擊歷程的對比Fig.7 Comparison of Impact History under Three Typical Conditions

如圖7所示，當(dāng)碎片以入射速度v=30m/s沖擊防護結(jié)構(gòu)時，橡膠層沒有發(fā)生實質(zhì)性的破壞，碎片被橡膠層反彈，該工況下防護結(jié)構(gòu)能發(fā)揮橡膠的高彈性。碎片在沖擊斜鋪式橡膠/鋼復(fù)合板后將會向上反彈，而沖擊鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合板后將會向下反彈，極大地改善防護結(jié)構(gòu)的防護效果。當(dāng)碎片以入射速度v=120m/s沖擊防護結(jié)構(gòu)時，碎片最終會嵌入橡膠層。當(dāng)碎片以入射速度v=200m/s沖擊防護結(jié)構(gòu)時時，防護結(jié)構(gòu)的橡膠層將會被侵徹，碎片撞擊到鋼板并被鋼板反彈，此時防護鋼板表面雖然由于碰撞而產(chǎn)生了凹坑，但是鋼板均沒有發(fā)生穿透性的破壞。

3.3 典型工況的內(nèi)能曲線分析

碎片在沖擊防護結(jié)構(gòu)的過程中，其動能轉(zhuǎn)化為防護結(jié)構(gòu)的內(nèi)能、迸濺橡膠碎片的動能和熱能等，其中防護結(jié)構(gòu)的內(nèi)能曲線能夠反映在整個沖擊過程中的吸能特性。故為了深入研究碎片在沖擊過程中防護結(jié)構(gòu)的吸能特性，選取了上述2.2節(jié)中三種典型工況下所對應(yīng)的防護結(jié)構(gòu)的內(nèi)能曲線，如圖8、圖9所示。結(jié)合圖8、圖9所示，橡膠/鋼復(fù)合板的吸能特性隨著沖擊速度的變化而變化。當(dāng)碎片以v=30m/s的速度沖擊防護結(jié)構(gòu)時，橡膠層的內(nèi)能先增加后降低，而鋼板的內(nèi)能幾乎不變。當(dāng)碎片以v=120m/s的速度沖擊防護結(jié)構(gòu)時，橡膠層的內(nèi)能和鋼板的內(nèi)能均會上升。鋼板的內(nèi)能上升幅度較大，最終穩(wěn)定在一定值，而橡膠層的內(nèi)能增加幅度較小，其內(nèi)能變化先是逐漸增加，隨后又降低為0。當(dāng)碎片以v=200m/s的速度沖擊防護結(jié)構(gòu)時，鋼板的內(nèi)能上升幅度較大，相比于鋼板的內(nèi)能，橡膠層的內(nèi)能變化不明顯。

圖8 斜鋪式橡膠/鋼復(fù)合板的內(nèi)能曲線Fig.8 Internal Energy Curve of Inclined Pavement Rubber/Steel Composite Panel

圖9 鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合板的內(nèi)能曲線Fig.9 Internal Energy Curve of Serrated Rubber/Steel Composite Panel

3.4 二次沖擊后的仿真分析

碎片在初次沖擊防護結(jié)構(gòu)后會被反彈撞擊對面墻體而發(fā)生二次沖擊，為了保護實驗室上方易損裝置的安全，必須要保證二次碰撞后碎片不向上反彈。本仿真涉及碎片在實驗室內(nèi)墻體間的反彈碰撞，由于兩面墻體距離較遠，如果按照實際尺寸建立模型并求解計算，將會極大增加計算機運算時間，故引入重啟動技術(shù)。重啟動分析的核心是以第1次沖擊后的運算結(jié)果作為第2次計算的初始狀態(tài)，即把碎片在初次沖擊防護結(jié)構(gòu)后的運動狀態(tài)結(jié)果作為二次碰撞的初始條件。仿真后的豎直方向速度匯總結(jié)果，如圖10所示。

圖10 二次碰撞后碎片豎直方向速度匯總圖Fig.10 Summary of Vertical Velocity of Debris after Secondary Collision

如圖10所示，以豎直方向速度v=0m/s平面為分界限，經(jīng)過二次碰撞后剩余速度v＞0m/s的工況將會對上方易損裝置造成危險，而剩余速度v＜0m/s的工況將不會破壞易損裝置，故規(guī)定碎片剩余速度大于0的區(qū)域為危險域，剩余速度小于0的區(qū)域為安全域。由圖10可見，碎片被初次反彈后撞擊對面防護結(jié)構(gòu)發(fā)生二次碰撞時，豎直方向速度均v≤0m/s，即所有工況最后都落在安全域中，故這兩種防護結(jié)構(gòu)均能有效保護上方易損裝置。

4 結(jié)論

提出了兩種適用于民用防護領(lǐng)域的防護結(jié)構(gòu)形式—斜鋪式和鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過LS-DYNA軟件對其抗沖擊性能和防護效果進行了數(shù)值模擬研究，具體結(jié)論如下：

(1)根據(jù)碎片沖擊橡膠/鋼復(fù)合板防護結(jié)構(gòu)后剩余速度的不同，可分為三種典型工況。當(dāng)入射速度v＜80m/s時，橡膠的高彈性使碎片反彈飛出；當(dāng)入射速度80≤v≤120m/s時，碎片最終嵌入橡膠層內(nèi)；當(dāng)入射速度v＞120m/s時，碎片會擊穿橡膠層最終被鋼板反彈回來。

(2)提出的兩種防護結(jié)構(gòu)的防護工況各有側(cè)重，對于碎片入射速度v＜80m/s的工況的防護，可優(yōu)先選用鋸齒狀橡膠/鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)；當(dāng)碎片入射速度80≤v≤120m/s時，兩種防護結(jié)構(gòu)的防護效果一樣；對于入射速度n＞120m/s的工況，適合選用斜鋪式橡膠/鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)。所提出的兩種防護結(jié)構(gòu)均可推廣到其他民用防護領(lǐng)域。