多層復合抗爆結(jié)構(gòu)的數(shù)值優(yōu)化與試驗研究

馬洋洋，趙 磊，吳 成，安豐江

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100081；2.中國人民解放軍 96854部隊， 沈陽 110033)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，作戰(zhàn)艦船、裝甲車輛的結(jié)構(gòu)防護能力是其戰(zhàn)斗力的重要保障[1-2]。在被動防護領(lǐng)域，均質(zhì)裝甲一直是簡單有效的抗爆結(jié)構(gòu)。然而，單一材料的防護結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來越難以滿足防護需求，更為優(yōu)異的多層復合結(jié)構(gòu)成為了防護研究的熱點。目前國外學者研究了聚脲彈性體和玻璃纖維制作的復合結(jié)構(gòu)的抗爆性能[3]。國內(nèi)學者對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的抗爆性能進行了研究，結(jié)果表明鋁合金-泡沫鋁-高強度裝甲鋼夾層復合結(jié)構(gòu)的抗爆性能最優(yōu)[4]。對夾層防爆罐結(jié)構(gòu)的抗爆性能進行了三種結(jié)構(gòu)情況的仿真研究，結(jié)果表明聚脲彈性體夾層防爆罐為最優(yōu)結(jié)構(gòu)防爆罐，沖擊波在聚脲彈性體傳播過程中衰減幅度最大[5]。國內(nèi)外研究重點多集中在雙層、三層復合抗爆結(jié)構(gòu)，對于多層復合結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究與優(yōu)化設(shè)計，目前少見報道。

本文針對多層復合結(jié)構(gòu)的抗爆防護問題，應用數(shù)值仿真的手段對由高強度鋼、聚脲彈性體、泡沫鋁、超高分子量聚乙烯材料組成的不同結(jié)構(gòu)、不同厚度分配下多層復合結(jié)構(gòu)開展了數(shù)值優(yōu)化設(shè)計與抗爆性能研究，初步試驗驗證了最佳抗爆性能的多層復合結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)值仿真模型

1.1 數(shù)值仿真模型的建立

結(jié)合實際試驗，建立了多層復合結(jié)構(gòu)抗爆數(shù)值仿真模型(見圖1)。采用顯式動力分析軟件ANSYS/Ls_Dyna進行三維數(shù)值仿真。在建立的模型中，將多層復合結(jié)構(gòu)四周設(shè)置為固支邊界條件。多層復合結(jié)構(gòu)為拉格朗日網(wǎng)格，六面體單元?？諝庥?、沙子、炸藥為歐拉網(wǎng)格，六面體單元，空氣域為漸變網(wǎng)格，四周設(shè)置無反射邊界條件，在網(wǎng)格大小能保證計算精度的前提下，使用流固耦合算法耦合兩種網(wǎng)格進行計算[6]。TNT炸藥從最下方中心點起爆。各層材料間粘接采用關(guān)鍵字Automatic _Surface_to_Surface模擬。同時為減小計算量，建立四分之一模型，且在對稱面上施加對稱約束。

圖1 多層復合結(jié)構(gòu)抗爆數(shù)值仿真模型

1.2 材料模型

多層復合結(jié)構(gòu)的面板、背板采用考慮了應變率效應的Johnson_Cook本構(gòu)模型及Gruneisen狀態(tài)方程。聚脲彈性體采用Piecewise_Linear_Plasticity本構(gòu)模型，該模型考慮了聚脲沖擊受載后的彈塑性變形、應變率效應以及斷裂效應。泡沫鋁采用Modified_Crushable_Foam本構(gòu)模型。超高分子量聚乙烯采用Composite_Damage本構(gòu)模型。材料主要參數(shù)見表1[3-7-8]。

TNT炸藥采用High_Explosive_Burn本構(gòu)模型以及Jwl狀態(tài)方程?？諝獠捎肗ull本構(gòu)模型以及線性多項式狀態(tài)方程。沙子采用Soil_And_Foam本構(gòu)模型。以上3種材料參數(shù)均來源于文獻[9]。

表1 4種材料主要參數(shù)

2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

2.1 抗爆性能評價指標

對于艦船、裝甲車輛的防護而言，其內(nèi)部人員、設(shè)備的防護是重中之重。一方面，防護結(jié)構(gòu)的小變形會給內(nèi)部人員更好的生存環(huán)境，另一方面，較小的加速度載荷有利于作戰(zhàn)設(shè)備的安全。因此，將背板中心處位移和加速度作為復合結(jié)構(gòu)抗爆性能的評價指標。同時，為了區(qū)分不同復合結(jié)構(gòu)的吸能效果，將復合結(jié)構(gòu)吸收能量也作為評價指標之一，結(jié)合給出抗爆性能最佳條件[10]。

2.2 不同中間層結(jié)構(gòu)多層復合結(jié)構(gòu)抗爆性能分析

首先，設(shè)定多層復合結(jié)構(gòu)面板、背板的材料、厚度相同，聚脲彈性體、泡沫鋁、超高分子量聚乙烯的厚度也是相同的，只是更換中間層3種材料順序，得到不同結(jié)構(gòu)方案，進行數(shù)值仿真方案見表2。

表2 中間層結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值仿真方案

注:P代表聚脲彈性體，L代表泡沫鋁，U代表超高分子量聚乙烯

數(shù)值仿真后6種方案的動態(tài)響應曲線見圖2。從圖2(a)可以看出，中間層材料順序的不同對多層復合結(jié)構(gòu)背板中心處位移影響很小，在六種方案中，最大位移和最小位移僅僅相差0.36 cm。同時，背板中心位移最小的中間層方案為1-2方案。從圖2(b)可以看出，不同結(jié)構(gòu)的多層復合結(jié)構(gòu)在能量吸收上差異較大，能量吸收最大值與最小值差距有11.7 kJ。其中，吸收能量較多的方案為1-1方案、1-3方案。從圖2(c)可以看出，中間層材料順序的不同導致多層復合結(jié)構(gòu)背板中心處加速度值差異較大，但6種方案的振蕩周期變化基本一致。從6種方案的背板中心處最大加速度來看，1-1方案與1-6方案的多層復合結(jié)構(gòu)加速度峰值較小，對其防護目標危害較小。綜合考慮，可以得出P-L-U中間層結(jié)構(gòu)為多層復合結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案。

圖2 6種方案動態(tài)響應曲線

2.3 不同中間層厚度多層復合結(jié)構(gòu)抗爆性能分析

采用2.2節(jié)中多層復合結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，即P-L-U結(jié)構(gòu)，保持多層復合結(jié)構(gòu)面板、背板的材料、厚度均不變，聚脲彈性體、泡沫鋁、超高分子量聚乙烯三種材料總厚度不變，選取7個中間層不同厚度分配的方案，進行數(shù)值仿真方案見表3。

表3 中間層厚度優(yōu)化數(shù)值仿真方案

注:P代表聚脲彈性體，L代表泡沫鋁，U代表超高分子量聚乙烯，P、L、U下標的增大意味著該材料厚度的增大

數(shù)值仿真后7種方案的動態(tài)響應曲線見圖3。

從圖3(a)可以看出，中間各層材料厚度不同對多層復合結(jié)構(gòu)背板中心處影響很小，在6種方案中，最大位移和最小位移僅僅相差0.54 cm。同時，背板中心位移最小的厚度方案為2-3方案。從圖3(b)可以看出，不同厚度分配的多層復合結(jié)構(gòu)在能量吸收上差異較大，能量吸收最大值與最小值差距有9.9 kJ。其中，吸收能量最多的厚度方案為2-4方案，共吸收能量38.7 kJ。從圖3(c)可以看出，中間層材料厚度不同導致多層復合結(jié)構(gòu)背板中心處加速度值差異較大，但6種方案的振蕩周期變化基本一致。從六種方案的背板中心處最大加速度來看，2-2、2-4方案的多層復合結(jié)構(gòu)加速度峰值較小，對其防護目標危害最小。綜合考慮，2-4方案為多層復合結(jié)構(gòu)的最優(yōu)厚度方案。

結(jié)合2.2節(jié)與2.3節(jié)的數(shù)值仿真結(jié)果，對多層復合抗爆結(jié)構(gòu)的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計應當使其吸收能量越多越好，背板中心處加速度峰值越小越好，而背板中心處位移差距在1 cm以內(nèi)時可以忽略不計。此外，數(shù)值仿真結(jié)果表明，P-L-U結(jié)構(gòu)的3種材料厚度比為2∶1∶1時抗爆性能最優(yōu)。

圖3 7種方案動態(tài)響應曲線

3 多層復合結(jié)構(gòu)抗爆試驗

3.1 試驗方案

對最優(yōu)多層復合結(jié)構(gòu)進行抗爆試驗，試驗樣件和平臺使用四根鐵鏈懸掛于一個可移動的平臺上，平臺在試驗時位置固定，試驗樣件與平臺通過螺栓緊固連接，平臺上方為1 000 kg的配重載荷。在配重下方及支撐架上固定有測試裝置分別測量試驗樣件動態(tài)最大變形以及配重豎直方向上位移。試驗時，試驗樣件與平臺使用鐵鏈升至一定高度，并在下方放置一沙箱，使得多層復合結(jié)構(gòu)距離沙子表面300 mm，0.8 kg的長方體TNT炸藥埋入沙中，使其位于多層復合結(jié)構(gòu)中心正下方，且上表面距離沙表面50 mm。試驗布置見圖4。

圖4 試驗布置示意圖

試驗樣件制備時，聚脲彈性體噴涂在泡沫鋁表面，其余各層間均采用高強度膠粘接而成。試驗樣件實物見圖5。

圖5 試驗樣件

3.2 試驗結(jié)果與分析

共進行了3發(fā)重復性抗爆試驗，3發(fā)試驗均成功抵抗了爆炸載荷，且保持了迎爆面、背爆面結(jié)構(gòu)的完整性。試驗結(jié)果見表4。

由試驗結(jié)果可以看出，炸藥起爆后，爆炸載荷首先作用于強度較高的鋼面板上，鋼板通過彈塑性變形吸收一部分能量，沖擊波載荷進一步傳遞通過聚脲彈性體、泡沫鋁、超高分子量聚乙烯。聚脲彈性體材料依靠本身的彈性變形壓縮大幅度衰減沖擊波能量，其后泡沫鋁材料通過孔隙的坍塌壓實，進一步吸收沖擊波能量，再者超高分子量聚乙烯的迎爆面纖維通過基體開裂，壓縮剪切破壞吸收沖擊波能量，背爆面纖維通過拉伸破壞吸收沖擊波能量。最后，大幅減弱的沖擊波載荷作用于背板上，高強度的鋼背板避免了結(jié)構(gòu)的貫穿、大變形。同時，在面板一側(cè)，中部為鍋狀變形，四個角落處各有一未變形的三角區(qū)域，邊沿的中心發(fā)生了鋼的拉伸出現(xiàn)了褶皺，主要原因為試驗樣件四個角落均處于固定狀態(tài)，而邊沿中心為支撐減弱處，導致了沖擊波的反射拉伸。背板一側(cè)，則是規(guī)則的鍋狀變形，邊沿中心處鋼板拉伸變形較小，主要原因在于沖擊波載荷傳遞至背板時已衰減至一定程度。

對比數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，由于數(shù)值仿真中設(shè)置多層復合結(jié)構(gòu)為四周固支邊界，所以試驗中測得的配重位移無法在仿真中體現(xiàn)。最大變形對應背板中心點處位移最大值，殘余變形對應背板中心點處位移最終值。其中，數(shù)值仿真背板中心處位移最大值為4.32 cm，與試驗最大變形均值7.13 cm相差2.81 cm，數(shù)值仿真位移最終值為3.2 cm，與試驗殘余變形均值4.87 cm相差1.67 cm?？梢钥闯?，數(shù)值仿真值均偏小，主要原因在于數(shù)值仿真固支邊界的設(shè)置，使得多層復合結(jié)構(gòu)無法在豎直方向上整體位移。但總體來說，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果變化基本一致，很好的體現(xiàn)了多層復合結(jié)構(gòu)遭受爆炸載荷后的變形過程，并給出了試驗中難以測出的部分數(shù)據(jù)，是一種良好的模擬手段，后續(xù)可在此基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化設(shè)計。

表4 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1) 所提出的由高強度鋼、聚脲彈性體、泡沫鋁、超高分子量聚乙烯組成的多層復合結(jié)構(gòu)可用于裝甲車輛、艦船等的防護結(jié)構(gòu)。

2) 數(shù)值優(yōu)化設(shè)計后多層復合結(jié)構(gòu)的中間層材料順序為聚脲彈性體、泡沫鋁、超高分子量聚乙烯。

3) 試驗表明，最優(yōu)多層復合結(jié)構(gòu)可抵抗一定的爆炸載荷，且與數(shù)值仿真結(jié)果較為一致。

本文提出的多層復合抗爆結(jié)構(gòu)、數(shù)值優(yōu)化設(shè)計方法對艦船、裝甲車輛的板狀防護結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了技術(shù)支撐，未來對其他材料的不同順序、不同厚度分配的多層復合結(jié)構(gòu)的抗爆消耗能量計算、沖擊波衰減關(guān)系計算、中心處變形、加速度響應等方面可開展進一步研究。