集裝箱用夾芯板抗爆性能仿真研究

陶思昊，王 濤，王文欣，戚春保，秦銘澳

(1.火箭軍工程大學 核工程學院， 西安 710025； 2.四川紅華實業有限公司，四川 樂山 614000)

1 引言

集裝箱作為一種具有足夠強度并能反復使用的大型裝貨容器，具有便于機械搬運、裝卸便捷、保護貨物等優點。隨著軍事裝備的發展和軍事局勢的變化，集裝箱除了用作貨物周轉箱之外，還可作為專用設備的方艙或者野戰營房等，這些用途對集裝箱的抗爆能力提出了更高要求。普通的集裝箱普遍使用輕質鋼結構和輕薄鋼材料，只能抵擋一般外力，不具有防護沖擊波的能力。因此設計出能夠防爆炸沖擊波的集裝箱具有廣泛的應用范圍。

目前國內使用的抗爆結構主要是雙層增強抗爆結構和三層夾芯抗爆結構。雙層增強抗爆結構外層為表面鍍鋅的鋼板，內層為增強纖維型硅酸鈣材料，二者通過機械沖壓貼附在一起，工藝較簡單、成本較低，適合于對防爆性能要求不高的墻體結構[1]。三層夾芯抗爆結構選用高強度鋼作為面板，內層用合成材料進行填充；另一種使用混凝土板作為面板，內層使用鋼筋、水泥和填砂填充，被稱為“復合抗爆墻”，有較好的抗爆效果，但整體質量較大，只適合作為固定的防爆結構[2]。顧太平等[3]利用泡沫鋁具有較高且長的屈服平臺和沖擊吸能大的特性，設計船體泡沫鋁沖擊吸能器；田斌等[4]通過闡釋沖擊波在不同波阻抗材料中的傳播原理，得出鋼板-泡沫鋁復合結構的緩沖吸能效果優于單層鋼板；張培文等[5]通過改變表面鋼板及泡沫鋁芯層厚度，分析了夾芯板在爆炸載荷作用下的吸能規律；Zhu等[6]探究了夾芯結構在爆炸載荷下的變形模式；Radford等[7]探究了泡沫金屬芯夾芯板對模擬爆炸荷載的響應過程。以上研究大多針對多層材料的疊加排布，很少對內部材料排布形狀進行設計。

本文針對泡沫鋁具有較好的能量吸收能力和高比剛度等性能[8]，提出一種鋼板-泡沫鋁組成夾芯結構作為集裝箱的板材，在保持集裝箱外形結構不變的情況下，通過在內側增加抗爆層組成新的集裝箱板，來提升其抗爆性能。運用數值仿真的手段，開展鋼板、泡沫鋁組成的不同夾芯結構在爆炸沖擊波作用下的抗爆性能測試，對內部結構進行優化設計，得出抗爆性能最佳的鋼板-泡沫鋁夾芯結構。

2 仿真模型的建立

2.1 幾何模型的建立

設計建立3種鋼板-填充泡沫鋁波紋夾芯結構[9]，截面尺寸如圖1所示，單位為cm。集裝箱板是由最外層的集裝箱瓦楞面板和內層的“三明治”夾芯結構組成方板，其中芯層的等邊三角形波紋結構的底角有30°、45°和60°等3種。集裝箱瓦楞面板、夾芯結構中的波紋結構選用鋼板，填充的三棱柱泡沫鋁的截面三角形底角與鋼板相配合，分別為30°、45°和60°。

圖1 鋼板-泡沫鋁夾芯結構截面示意圖

集裝箱瓦楞面板、夾芯結構面板、波紋鋼板部分厚度為毫米級，相比于整體尺寸而言厚度較小，故采用殼單元—SHELL163單元[10]，通過關鍵字定義其厚度，使用面網格劃分技術進行網格劃分，保證面網格為高質量四邊形；波紋結構中填充的三棱柱泡沫鋁采用結構實體單元—SOLID164單元[10]，使用掃掠網格劃分技術進行體網格的劃分，保證體網格為高質量六面體，結果如圖2所示。集裝箱瓦楞面板與夾心結構面板、夾心結構與泡沫鋁，通過共節點的方式模擬焊接關系。

圖2 底角30°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構網格模型示意圖

本文中面板采用四邊固支約束，選定各邊界5 cm區域的節點，通過關鍵字*BOUNDARY_SPC_SET定義四邊固定。同時為模擬無限域，板的邊界設定為非反射邊界，用來阻斷應力波在模型邊界處的反射現象。在集裝箱瓦楞面板與夾芯結構鋼板、夾芯結構鋼板與泡沫鋁之間，通過關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO SURFACE施加雙向的面面接觸，使用關鍵字*CONTACT AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE為夾芯結構創建單面自接觸。

TNT炸藥從面板中心正上方100 cm處爆炸，使用關鍵字*LOAD_BLAST_ENHANCED定義炸藥爆轟壓力荷載的空間位置、TNT炸藥質量及起爆時間[11]。

2.2 材料模型的建立

泡沫鋁采用*MAT_CRUSHABLE_FOAM模擬緩沖材料模型，夾芯結構表面鋼板和內部波紋形鋼板采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC彈塑性材料模型[12]。2種材料的主要材料參數見表1，泡沫鋁使用達到密實應變時對應的應力。參照前期實驗測得的泡沫鋁應力-應變數據[13]，如圖3所示，并在計算文件中加載。

表1 泡沫鋁與鋼的主要參數

圖3 泡沫鋁的應力-應變曲線

3 集裝箱板抗爆性能仿真計算

3.1 仿真模型有效性驗證

為消除網格大小的不合理對數值模擬結果產生的影響，對計算模型的收斂性進行檢驗，選取5 cm、3 cm、2 cm、1 cm、0.8 cm和0.5 cm等6種網格大小，使用Hypermesh劃分網格并進行單元質量和連續性檢驗，網格模型結果如圖4所示。

圖4 不同尺寸的網格模型示意圖

函數*LOAD_BLAST_ENHANCED產生的沖擊波能量將轉化為靶板的動能和內能，圖5為5 kg TNT炸藥爆炸時，不同網格大小的60°底角夾芯結構仿真模型的內能吸收值曲線。由圖5可以看出，網格較粗糙時(大小為5 cm、3 cm和2 cm時)，能量吸收值的結算結果分散性較大，隨著網格尺寸的減小，靶板的能量吸收值逐漸趨于穩定，當網格尺寸為 1 cm、0.8 cm和0.5 cm時，靶板能量吸收值達到最大，并基本保持在一個相對穩定的小區域內波動，再減小網格尺寸不會較大程度地提高計算精度，但會使計算量增大，計算時間大幅度增加，導致計算效率降低。綜合考慮計算精度和計算效率，故采用1 cm大小的網格劃分方式建立模型并進行數值模擬。

圖5 不同尺寸網格模型的內能吸收值曲線

3.2 爆炸載荷作用下集裝箱板的動態響應

本文研究炸藥質量為1 kg、2 kg、3 kg、4 kg和5 kg等5種爆炸載荷，在爆炸比高為100 cm不變的情況下，波紋夾芯板角度分別為30°、45°和60°等3種結構的抗爆性能。

計算結果顯示，在不同爆炸載荷下，3種靶板具有不同程度但相似的變形模式。3 kg TNT炸藥爆炸作為一個較為中間的情況，可以反映靶板平均的變形狀態。圖6為3 kg TNT在鋼板-泡沫鋁夾芯結構正上方100 cm處起爆時，底角為30°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構的動態響應過程。

圖6(a)～圖6(e)分別為選取鋼板-泡沫鋁夾芯結構在爆炸作用下t=0、0.5 ms、1 ms、1.5 ms、2 ms時垂直于板方向(Y方向)的位移云圖。0 ms時炸藥開始起爆，0～1 ms時，鋼板-泡沫鋁夾芯結構的變形主要是集裝箱瓦楞鋼板的變形，其被壓緊至夾芯結構鋼板表面；0.5 ms時夾芯結構開始發生變形，夾芯結構的表面鋼板被壓凹，夾芯結構中的波紋鋼板與夾芯結構的上下面板接觸處附近開始產生局部塑性彎曲變形，填充泡沫鋁發生塑性變形，開始吸能，0.5 ms到2 ms這段時間是夾芯結構的吸能過程；2 ms時夾芯結構中心點位移達到最大值2 cm，夾芯結構內部波紋鋼板發生塑性變形，泡沫鋁發生胞壁斷裂的致密變形[14]。

圖6 底角30°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構的動態響應過程的位移云圖

3.3 不同鋼板-泡沫鋁夾芯結構的能量吸收

選取整個防爆結構，提取數據得到3種靶板在5種TNT質量下的能量吸收，如表2所示，繪制其能量吸收與炸藥質量的關系曲線，如圖7所示。

表2 5種爆炸載荷下3種夾角結構的能量吸收值

圖7 5種爆炸載荷下3種夾角結構能量吸收曲線

分析計算數據可得，在相同TNT質量下，三角形底角為30°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構的能量吸收值最大，底角為45°時次之，底角為60°時能量吸收值最小，3種靶板的能量吸收值隨TNT炸藥質量的增加而增長，呈線性關系[15]。而當炸藥質量較小，即較弱的爆炸載荷作用下，3種結構的能量吸收差別不大，主要是結構的吸能能力沒有得到充分發揮。

3.4 爆炸中心點對應的靶板后表面的撓度

撓度是板材或構件垂直于中心面的位移量，夾芯結構的抗沖擊性能通常以后面板中心點的最終撓度作為評價指標[10]。從結果文件中提取爆炸中心點對應的靶板后表面的最大線性位移，即撓度。圖8為5 kg TNT質量下3種夾角結構的中心點撓度-時間變化歷程曲線。

圖8 5 kg TNT質量下3種夾芯結構中心點撓度歷程曲線

分析不同TNT質量下的靶板中心點位移曲線趨勢和特點，可以得出：隨著TNT質量的增加，3種結構達到最大形變的時間逐步后移，三角形底角為60°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構最早達到最大形變，底角為30°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構達到最大形變需要時間最長。提取5種工況下靶板后表面最大撓度，如表3所示。在不同TNT質量、距離100 cm處爆炸時，三角形底角為60°度的鋼板-泡沫鋁夾芯結構的撓度均最小，其平均撓度為30°夾芯結構的59.5%，為45°夾芯結構的88.4%。底角為30°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構變形最大，說明在相同爆炸載荷作用下，3種底角的鋼板-泡沫鋁夾芯結構中三角形底角為60°度的鋼板-泡沫鋁夾芯結構的剛度較大。

表3 爆炸后3種結構的中心點撓度

4 平均沖量與中心點撓度的無量綱處理

對某設備轉運集裝箱的要求是在受到爆炸載荷作用時，箱體的變形量不至于對內部設備造成損壞。集裝箱箱體的大變形會影響內部產品的安全，所以鋼板-泡沫鋁夾芯結構在爆炸載荷作用下變形越小，其抗爆性能越好。但為便于部署與運輸，也要盡量減少鋼板-泡沫鋁結構的重量。

4.1 平均沖量的無量綱處理

考慮到由于波紋板的角度不同，單位距離內鋼材料的占比不同，這將影響到靶板的變形。為去除波紋板不同角度時材料占比對沖量的影響，應對沖量進行無量綱處理。圖9為鋼板-泡沫鋁夾芯結構尺寸示意圖，鋼板密度為ρs，屈服強度為σr，泡沫鋁密度為ρc。直線區域表示厚度為hf的鋼板，三角形區域表示填充泡沫鋁。設鋼板-泡沫鋁夾芯結構總厚度為H，長度為L，三角形高度為hc，相等的兩邊長度為lc，底邊長為l，底角夾角為θ。則平均沖量I的無量綱處理公式推導過程為：

三角形底邊長為：

l=2hccotθ

(1)

圖9 鋼板-泡沫鋁夾芯結構尺寸示意圖

板材具有的波紋三角形數目為：

(2)

則波紋形鋼板總面積為：

(3)

三角形總面積為：

(4)

上下兩側面板總面積為：

SL=2hfL

(5)

則單位面積的無量綱平均沖量為：

(6)

表4 不同質量TNT炸藥在100 cm的平均沖量

表5 不同爆炸載荷作用到3種夾芯結構的無量綱沖量

4.2 板材中心點撓度的無量綱處理

(7)

表6 板材中心點無量綱撓度

4.3 無量綱撓度和無量綱沖量的關系曲線分析

將表5中的無量綱沖量數據作為x軸，表6中的無量綱撓度數據作為y軸，繪制無量綱撓度和無量綱沖量的關系曲線，如圖10所示。

通過無量綱撓度和無量綱沖量的曲線趨勢與位置關系可得出：在同一無量綱沖量作用時，三角形底角為45°和60°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構撓度明顯小于三角形底角為30°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構，說明夾芯結構選用這2種底角時抗爆性能較好。但底角為45°時夾芯結構內部瓦楞形鋼板總長度小于底角為60°的，所以在抗爆性能接近的情況下，底角為45°的夾芯結構重量小于底角為60°的夾芯結構。在相同距離、相同爆炸載荷作用下，可以認為三角形底角為45°度的鋼板-泡沫鋁夾芯結構的抗爆性能最好。

圖10 3種結構無量綱撓度和無量綱沖量的關系曲線

5 結論

1) 設計出鋼板-泡沫鋁夾芯結構的幾何參數，建立3種夾芯板在5種爆炸載荷下動態響應的計算模型，并進行計算驗證，對抗爆結構的工程化應用具有參考價值。

2) 在不同質量TNT炸藥距離1m處爆炸時，三角形底角為30°度的鋼板-泡沫鋁夾芯結構的能量吸收值均最大，三角形底角為60°度的鋼板-泡沫鋁夾芯結構的撓度最小，即變形最小。

3) 在同一無量綱沖量時，三角形底角為45°和60°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構撓度明顯小于三角形底角為30°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構，說明夾芯結構選用45°、60°等2種底角時抗爆性能較好。考慮相同尺寸的總體重量，底角為45°的鋼板-泡沫鋁夾芯結構抗爆性能最佳。

4) 推導得到多層復合結構的無量綱沖量、無量綱撓度計算公式，可用于板材抗爆性能的比較和優化板材的內部結構。