雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土墻防護(hù)性能的模擬研究

吳瑋棟，高 星，郄彥輝，程 聰

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，河北 石家莊 050061）

0 前言

水壓爆破試驗(yàn)是檢查承受內(nèi)壓設(shè)備的爆破壓力的常用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，但在水壓爆破試驗(yàn)過(guò)程中，迸濺的金屬碎片會(huì)撞擊并損壞封閉實(shí)驗(yàn)室的混凝土墻壁。故需要在水壓爆破實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝防護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室混凝土墻體不被損壞。為此，有實(shí)驗(yàn)人員在水壓爆破實(shí)驗(yàn)室的混凝土墻體上安裝鋼板以增強(qiáng)其防撞擊能力，但是鋼板的防護(hù)能力有限，高速碎片擊穿鋼板撞擊到混凝土墻體致使其產(chǎn)生凹坑的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如圖1所示。針對(duì)室內(nèi)混凝土墻體的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防護(hù)性能的問(wèn)題有待深入研究。

圖1 封閉實(shí)驗(yàn)室破壞情況Fig.1 Destruction of the sealed laboratory

現(xiàn)階段，對(duì)于防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究主要集中在新材料和新結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向。主要研發(fā)并應(yīng)用的防護(hù)材料有非金屬材料[1-2]、金屬材料[3-4]、復(fù)合材料[5-6]等，主要設(shè)計(jì)并應(yīng)用的結(jié)構(gòu)有三明治結(jié)構(gòu)[7-8]、蜂窩結(jié)構(gòu)[9-10]、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)[11-12]等。盡管這些結(jié)構(gòu)防護(hù)性能優(yōu)越，但是造價(jià)高、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通常應(yīng)用在國(guó)防軍事和高新科技領(lǐng)域，而在民用領(lǐng)域內(nèi)得不到推廣普及應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的室內(nèi)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外的研究相對(duì)較少。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文提出了一種適用于民用領(lǐng)域的室內(nèi)雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)，旨在減少水壓爆破試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的高速碎片對(duì)封閉實(shí)驗(yàn)室的損壞。該雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)還具有造價(jià)較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且便于安裝更換等特點(diǎn)，亦可在其他民用防護(hù)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

1 橡膠/鋼板復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橡膠/鋼板復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)主要由橡膠/鋼板用螺栓固定在混凝土墻體上構(gòu)成。該防護(hù)結(jié)構(gòu)利用橡膠的高彈性和鋼板的韌性及延展性來(lái)防護(hù)高速碎片的沖擊，其中鋼板厚度為4 mm，橡膠緩沖層厚度初步確定5 mm、10 mm和15 mm這3個(gè)備選方案，如圖2所示。

圖2 防護(hù)結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造示意圖Fig.2 Configuration and construction of protective structures

2 數(shù)值仿真

2.1 仿真模型及求解方法

鑒于水壓爆破實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的爆破碎片尺寸較小、形狀較為復(fù)雜且具有一定的隨機(jī)性，在此忽略形狀的影響，把碎片簡(jiǎn)化為直徑為8 mm的剛性小球進(jìn)行研究，并且忽略橡膠和鋼板間粘合劑的影響，采用單元共用節(jié)點(diǎn)的方式模擬橡膠和鋼板間的連接。實(shí)驗(yàn)室墻體的實(shí)際構(gòu)造是在空心磚結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上均勻的平敷了一層10 cm厚度的混凝土，考慮到相較于平敷在表層的混凝土而言，空心磚結(jié)構(gòu)不易被破壞，其損壞情況直接受混凝土的影響，為了減少網(wǎng)格數(shù)量從而便于計(jì)算，在此墻體模型僅考慮厚度為10 cm的混凝土結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，采用1/2模型建模，有限元模型尺寸為300 mm×400 mm，為了提高計(jì)算效率并防止網(wǎng)格產(chǎn)生畸變導(dǎo)致計(jì)算難以維系，采用在鋼球與防護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸區(qū)局部網(wǎng)格加密方法劃分單元.

有限元模型采用Lagrange算法定義，接觸類型采用自動(dòng)單面接觸。有限元模型如圖3所示。

2.2 邊界條件及碎片初速度定義

在鋼球、鋼板和混凝土墻體對(duì)稱面處設(shè)置對(duì)稱邊界條件，鋼板兩側(cè)邊界施加固定約束條件，混凝土墻體兩側(cè)邊界設(shè)置無(wú)反射邊界條件。鋼球施加初始速度后進(jìn)行仿真計(jì)算。碎片的穿透能力可由式（1）表示[13]：

圖3 碎片-橡膠/鋼復(fù)合板-墻體的有限元模型Fig.3 Fragment-rubber/steel composite panel-wall finite element model

式中：S是碎片對(duì)被撞擊物造成的穿透量；K為材料的穿透系數(shù)；E為碎片在穿透被撞擊物之前所具有的動(dòng)能；A為碎片與被撞擊物之間的相撞截面積；m為碎片的質(zhì)量；v為碎片的初始入射速度。由于爆破碎片的初始速度一般在80～120 m/s范圍內(nèi)[13]，根據(jù)碎片的穿透力公式，在其他條件不變的情況下，碎片的初始入射速度越大，穿透能力越強(qiáng)，對(duì)墻體的威脅也就越大，本研究中選取碎片初速度v=120 m/s垂直沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的工況進(jìn)行分析。

2.3 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(lái)描述其本構(gòu)關(guān)系，其中Johnson-Cook本構(gòu)模型考慮了應(yīng)變率對(duì)材料力學(xué)性能的影響，具體形式為

式中：A為屈服應(yīng)力；B為應(yīng)變硬化系數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)；m為溫度相關(guān)系數(shù)；ε*為無(wú)量綱塑性比；為有效塑性應(yīng)變率。D1～D5為材料的損傷參數(shù)。表1和表2給出了鋼的材料參數(shù)和損傷參數(shù)[14]，G為剪切模量。

橡膠采用6744型號(hào)的天然橡膠，其是一種典型的超彈性材料，具有較為復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系。在仿真計(jì)算時(shí)采用Ogden本構(gòu)模型定義其材料特性[15]，應(yīng)變能密度函數(shù)為

式中：p,q,r取0，1，2；μ是與材料變形無(wú)關(guān)的材料常數(shù)；I1,I2,I3為左Cauchy-Green張量的不變量。材料模型參數(shù)見(jiàn)表3。其中，Hsa為材料邵氏硬度，Ss為拉伸強(qiáng)度，St為抗撕強(qiáng)度，εf為扯斷伸長(zhǎng)率，εs為扯斷永久變形。

混凝土墻體采用HJC本構(gòu)模型[16]，該模型能夠反映混凝土等脆性材料在大應(yīng)變、高應(yīng)變率下及材料失效的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，材料參數(shù)如表4所示。其中，fc′為材料的靜抗壓強(qiáng)度，A、B、C是材料的強(qiáng)度參數(shù)，D1和D2為材料的損傷值，T為材料最大拉伸強(qiáng)度，Pc和μc分別對(duì)應(yīng)著壓垮的靜水壓力和體積應(yīng)變，k1～k3為壓力常數(shù)。

3 結(jié)果分析

表1 45號(hào)鋼的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of 45 steel

表2 45號(hào)鋼的損傷參數(shù)Tab.2 Damage parameters of 45 steel

表3 6744型號(hào)天然橡膠的材料參數(shù)Tab.3 Material parameters of 6744 natural rubber

表4 HJC模型參數(shù)Tab.4 Material parameters of HJC model

3.1 不同橡膠層厚度對(duì)鋼板防護(hù)效果的影響

分別對(duì)3種不同橡膠層厚度的雙層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行球形碎片的撞擊仿真分析，輸出球形碎片在碰撞過(guò)程中的速度變化曲線，如圖4所示。

由圖4可看出，橡膠層厚度越大，碎片最終剩余速度就越小。當(dāng)橡膠層厚度為15 mm時(shí)，碎片剩余速度為0。雖然理論上橡膠厚度可以繼續(xù)增加，但是出于經(jīng)濟(jì)考量及便于更換，綜上所述，結(jié)合碎片的最終剩余速度，故選取橡膠層厚度為15 mm。

3.2 橡膠/鋼復(fù)合板對(duì)混凝土墻體的防護(hù)效果

圖5和圖6分別給出了碎片以初速度v=120 m/s沖擊橡膠/鋼復(fù)合板-混凝土墻體的應(yīng)力云圖和沖擊歷程的仿真結(jié)果。

圖4 碎片沖擊過(guò)程中豎直方向的速度曲線Fig.4 Vertical velocity curve during debris impact

如圖5和圖6所示，碎片沖擊橡膠/鋼復(fù)合板-混凝土墻過(guò)程中，碎片不斷侵徹橡膠層，橡膠緩沖層發(fā)生了破壞，最終嵌入橡膠層內(nèi)。整個(gè)過(guò)程中，碎片沒(méi)有撞擊到鋼板結(jié)構(gòu)，避免了與鋼板的直接接觸。

為比較純鋼板和橡膠/鋼復(fù)合板對(duì)混凝土墻的防護(hù)效果，對(duì)混凝土墻體的受損情況進(jìn)行比較分析。圖7給出了混凝土墻體受沖擊面的應(yīng)力云圖對(duì)比。

由圖7所示，兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土墻體的防護(hù)效果截然不同，碎片沖擊鋼-混凝土墻體后的應(yīng)力量級(jí)明顯比沖擊橡膠/鋼復(fù)合板-混凝土墻體后大。如圖7a）所示，高速碎片沖擊鋼-混凝土墻體后，由于鋼板結(jié)構(gòu)受沖擊后發(fā)生變形，受沖擊區(qū)域向內(nèi)凹陷。此時(shí)由于凹陷的鋼板擠壓混凝土墻體，墻體正面中心區(qū)域隨之破壞。并且觀察到混凝土墻體受沖擊區(qū)域中心的應(yīng)力不連續(xù)且變化不規(guī)則，產(chǎn)生的原因是因?yàn)橹行膯卧獞?yīng)力達(dá)到了材料的應(yīng)力閾值，計(jì)算機(jī)識(shí)別其失效而刪除了結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的單元，造成了應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致應(yīng)力不連續(xù)。如圖7b）所示，高速碎片沖擊橡膠/鋼復(fù)合板-混凝土墻體后，由于碎片在侵徹橡膠層的過(guò)程中消耗了大量能量，并沒(méi)有撞擊到鋼板，最終混凝土墻體正面沒(méi)有發(fā)生破壞。

除了混凝土墻體正面容易受到破壞外，混凝土墻體內(nèi)部也極易被破壞，圖8和圖9分別給出了碎片沖擊鋼-混凝土墻體和雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)-混凝土墻體內(nèi)部的損傷云圖。

圖5 碎片沖擊雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)-混凝土墻應(yīng)力云圖Fig.5 The stress of fragment impact rubber/steel composite panelconcrete wall

圖6 碎片沖擊歷程Fig.6 The history of fragment impact

圖7 混凝土墻體正面的應(yīng)力云圖Fig.7 The stress of the front of concrete wall

圖8 碎片沖擊鋼-混凝土墻體后墻體內(nèi)部云圖Fig.8 The interior stress of fragment impact steel-wall

圖9 碎片沖擊雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)-混凝土墻體后墻體內(nèi)部云圖Fig.9 The interior stress of fragment impact rubber/steel composite panel-wall

如圖8所示，碎片沖擊鋼-混凝土墻體后墻體內(nèi)部會(huì)形成裂紋。墻體內(nèi)部裂紋首先在靠近沖擊區(qū)域生成，隨著鋼板不斷向內(nèi)凹陷，墻體裂紋不斷向四周擴(kuò)展。并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊過(guò)程結(jié)束后，靠近墻體背面的區(qū)域裂紋較為集中。這是因?yàn)榛炷恋目估芰h(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓能力，在沖擊過(guò)程中，墻體背面的拉力值達(dá)到了應(yīng)力閾值導(dǎo)致裂紋大量產(chǎn)生。而如圖9所示，碎片沖擊橡膠/鋼復(fù)合板-混凝土墻體后，墻體內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，墻體內(nèi)部應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到極限強(qiáng)度。

由前文所述，碎片沖擊鋼-混凝土墻體后，其背面裂紋較為集中，在此對(duì)混凝土墻體背部破損情況進(jìn)行分析比較。圖10給出了碎片沖擊鋼-混凝土墻體和雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)-混凝土墻體背面的損傷圖。

如圖10a）所示，球體碎片沖擊鋼-混凝土墻體后，墻體背面形成了中心為圓形并向四周線狀擴(kuò)展的裂紋區(qū)域。如圖10b）所示，相同工況下，碎片沖擊雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)-混凝土墻體后，背面沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，混凝土墻體完好無(wú)損。

圖10 混凝土墻體背面的破損情況Fig.10 Damage to the back of concrete wall

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠保護(hù)混凝土墻體免遭破壞，有效減少水壓爆破試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的高速碎片對(duì)封閉實(shí)驗(yàn)室混凝土墻體的損壞。

4 結(jié)論

為減少水壓爆破試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的高速碎片對(duì)封閉實(shí)驗(yàn)室墻體的損壞，本文提出了一種適用于民用領(lǐng)域的橡膠/鋼板組成的雙層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮了最危險(xiǎn)工況即碎片以初速度v=120 m/s垂直沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，利用LS-DYNA軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證分析，具體結(jié)論如下：

1）碎片沖擊雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)-混凝土墻體后，橡膠層的厚度越大，其防護(hù)效果越好，當(dāng)橡膠層厚度為15 mm時(shí)，碎片最終將會(huì)嵌入橡膠層內(nèi)。

2）本文提出的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠保護(hù)墻體表面不受破壞，能夠阻止混凝土墻體內(nèi)部裂紋和背面裂紋的產(chǎn)生。