方志強(qiáng)，呂 平，王 旭，黃微波，張 銳，李 鵬

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

防爆罐作為一種維護(hù)公共安全、減小爆炸物品損傷的排爆裝置，需要達(dá)到既能發(fā)揮抗爆作用，又可利于移動和搬運(yùn)。目前，國內(nèi)防爆罐主要由新型高強(qiáng)鋼板制成，或者由普通薄鋼板和纖維束或泡沫鋁等材料復(fù)合而成。新型高強(qiáng)鋼板雖然能夠提高防爆罐本身的抗爆能力，但是結(jié)構(gòu)本身存在質(zhì)量較大、移動笨重等缺點(diǎn)，泡沫鋁等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防爆罐質(zhì)量較輕，但卻無法增強(qiáng)抗爆能力[1]。因此對于防爆罐的設(shè)計成為保證安全最大化的重中之重。

近年來，隨著聚脲材料在抗爆方面表現(xiàn)出的優(yōu)異防護(hù)效果[2]，聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆的研究逐漸深入。在爆炸試驗(yàn)方面，Dai 等[3]進(jìn)行了聚脲涂覆鋼板的爆炸試驗(yàn)，得到聚脲涂層能夠有效降低鋼板的損傷變形，但背爆面涂層發(fā)生了破碎剝離情況。趙鵬鐸[4]、王琪[5]等針對背爆面聚脲涂覆鋼板進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)背爆面涂覆鋼板能夠有效減弱鋼板豎向變形，但受涂層厚度影響，背爆面涂層發(fā)生不同程度的損壞脫落。Hou 等[6]通過聚脲涂覆鋼板的爆炸試驗(yàn)，總結(jié)了聚脲鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞模式，背爆面涂層發(fā)生剝離破壞，迎爆面涂層發(fā)生中心堵塞和開裂失效。在數(shù)值模擬方面，甘云丹[7]對聚脲涂覆鋼板爆炸試驗(yàn)進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)背爆面涂覆聚脲的鋼板要比迎爆面涂覆和雙面涂覆的鋼板的抗爆能力強(qiáng)。Samiee 等[8]利用軟件模擬了聚脲涂覆圓形鋼板的變形情況，發(fā)現(xiàn)聚脲涂覆鋼板在爆炸荷載下的變形遠(yuǎn)小于無涂層鋼板的變形。王喜夢等[9]對背爆面聚脲涂覆鋼板進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)背爆面涂層在爆炸過程中存在二次崩落，崩落碎片的動能是聚脲吸能的主要形式。

以上研究表明，聚脲涂覆鋼板在爆炸防護(hù)中能發(fā)揮良好的抗爆作用，但是相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，背爆面涂層會出現(xiàn)不同程度的脫落剝離現(xiàn)象，不能將聚脲涂層防護(hù)發(fā)揮出最大作用。本課題組之前采用抗爆聚脲材料（MS-1）和黏彈性阻尼材料（Q413m）均在油罐車沖擊防護(hù)中表現(xiàn)出優(yōu)異的防護(hù)效果[10]。因此，本文利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 對抗爆聚脲材料（MS-1）涂覆于防爆罐背爆面時的抗爆性能進(jìn)行了爆炸仿真分析，并與無涂層防爆罐、涂覆黏彈性阻尼材料（Q413m）的防爆罐進(jìn)行比較，研究背爆面涂層在藥量為75 g TNT 的爆炸荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)和吸能情況，并通過相同藥量下的涂層防爆罐爆炸試驗(yàn)，對數(shù)值模擬情況進(jìn)行了驗(yàn)證，探討了涂層抗爆性能及機(jī)理。

1 數(shù)值模擬與爆炸試驗(yàn)方法

1.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)模型建立及網(wǎng)格劃分

通過ANSYS 軟件建立足尺防爆罐模型，模型分為無涂層防爆罐、涂覆Q413m 防爆罐及涂覆MS-1 防爆罐。罐體采用Q235 鋼建立實(shí)體單元模型，在罐體與涂層之間采用*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE 算法定義接觸，滿足罐體與涂層之間的附著力要求，單位制采用cm-kg-ms[11]?？諝夂驼ㄋ幉捎脷W拉算法，涂層和鋼板采用拉格朗日算法，網(wǎng)格按照映射網(wǎng)格劃分[12]。炸藥為75 g，固定在罐體的中心位置，防爆罐四分之一模型及劃分網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 防爆罐四分之一模型及網(wǎng)格模型Fig.1 Quarter model diagram and grid model diagram of explosion-proof tank

1.2 模型及參數(shù)

數(shù)值模擬通過ANSYS 軟件建模，LS-DYNA 軟件進(jìn)行后處理計算。LS-DYNA 有限元軟件中材料模型多達(dá)200余種，每種材料根據(jù)理論模型公式設(shè)定多個不同參數(shù)，不同的模型會得到差別較大的數(shù)值模擬結(jié)果。因此，選擇合適的材料模型至關(guān)重要，以下為兩種涂層、鋼板、炸藥及空氣的材料模型與狀態(tài)方程，并根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測得模擬參數(shù)。

1.2.1 Q413m和MS-1模型及參數(shù)

從彈性體的動態(tài)力學(xué)性能來看，MS-1 和Q413m均是超黏彈性體，選用MAT_0IECEWISE_LINEAR_0LASTICITY 材料模型[13]，此外，在爆炸情況下需要考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)，采用Mooney-Rivlin 模型[14]來表示，失效準(zhǔn)則采取最大主應(yīng)力拉伸失效準(zhǔn)則，具體參數(shù)如表1所示。

表1 MS-1和Q413m的參數(shù)Table 1 Material parameters of MS-1 and Q413m

1.2.2 鋼板模型及參數(shù)

罐體鋼板采用Q235 鋼，材料選擇MAT_0LASTIC_KINEMATIC 模型[15]，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分為兩段，第一段直線的斜率等于材料的彈性模量，第二段直線的斜率為切線模量。應(yīng)變率效應(yīng)通過Cowper-Symonds模型[16]反映，具體參數(shù)如表2。

表2 Q235鋼板參數(shù)Table 2 Material parameters of Q235 steel plate

1.2.3 空氣和炸藥模型及狀態(tài)方程

空氣模型選擇MAT_NULL[17]，狀態(tài)方程為EOS_LINE-AR_0OLYNOMIAL。炸藥為TNT，材料模型選擇MAT_HIGH_EX0LOSIVE_BURN[17]，狀態(tài)方程為EOS_JWL，具體參數(shù)如表3。

表3 炸藥相關(guān)參數(shù)Table 3 Related parameters of explosives

1.3 數(shù)值模擬方案

建立無涂層防爆罐和涂覆Q413m、MS-1防爆罐，防爆罐整體結(jié)構(gòu)為圓筒狀，長度為30 cm，內(nèi)半徑20 cm，外半徑20.6 cm，壁厚0.6 cm，涂層厚度為0.4 cm。將75 g TNT置于防爆罐幾何中心處，不與罐體內(nèi)側(cè)接觸。防爆罐罐體與地面平行四點(diǎn)固定，裝置示意圖如圖2所示。

圖2 防爆罐模型側(cè)面示意圖Fig.2 Side diagram of explosion proof tank model

1.4 爆炸試驗(yàn)方案

用75 g TNT進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，通過對比爆炸試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證以上數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。

涂層與鋼板基材良好的附著至關(guān)重要，在噴涂之前，需要將配套底漆涂覆在基材表面[18]。

防爆罐罐體采用Q235 無縫鋼管，規(guī)格為底面直徑21.9 cm，高33 cm，壁厚0.6 cm。Q413m 及MS-1厚度為0.4 cm，利用0VC 圓管和深色膠帶將炸藥固定在罐體中心位置，使用電雷管引爆，罐體平行于底面放置，并用特制木塊進(jìn)行固定，防止罐體產(chǎn)生滾動滑移。防爆罐爆炸試驗(yàn)裝置圖如圖3所示。

圖3 防爆罐爆炸試驗(yàn)裝置Fig.3 Explosion test device of explosion-proof tank

1.5 性能測試

數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，兩種涂層及鋼板的應(yīng)力曲線、位移曲線、動能曲線和內(nèi)能曲線利用LS-DYNA 有限元軟件進(jìn)行后處理計算，得到鋼板及涂層的爆炸損傷過程，在LS-DYNA軟件窗口點(diǎn)擊Fcomp按鈕，得到兩種涂層及鋼板的應(yīng)力云圖，并通過選擇模型上破壞最大處一點(diǎn)，單擊History 按鈕計算模型的位移曲線，導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Origin軟件進(jìn)行繪圖。

對于現(xiàn)場爆炸實(shí)驗(yàn)后罐體位移采用直尺測量，

根據(jù)破壞程度將直尺緊貼變形點(diǎn)平行放置，并與另一個直尺垂直相交，讀取垂直直尺的刻度，即為變形點(diǎn)的最大徑向位移。通過爆炸實(shí)驗(yàn)所測罐體的徑向位移與模擬中罐體的徑向位移的對比，分析數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性與可靠性。

2 結(jié)果與討論

2.1 防爆罐損傷仿真

2.1.1 防爆罐應(yīng)力時程曲線分析

比較無涂層防爆罐、涂覆Q413m 防爆罐和涂覆MS-1 防爆罐損傷情況，圖4 為3 種防爆罐的應(yīng)力云圖。

圖4 防爆罐應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of explosion-proof tank

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，3 種罐體均有不同程度的鼓包現(xiàn)象（圖中上下部分表面變化），無涂層鼓包最明顯，出現(xiàn)應(yīng)力集中，而涂覆MS-1 防爆罐承受應(yīng)力變化較小。為了定量對比3種防爆罐的應(yīng)力變化，通過軟件數(shù)據(jù)擬合出無涂層罐體、涂覆Q413m 罐體及涂覆MS-1 罐體的應(yīng)力時程曲線，選取罐體距離起爆點(diǎn)最近的中部節(jié)點(diǎn)為對比節(jié)點(diǎn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 無涂層、涂覆Q413m及MS-1防爆罐有效應(yīng)力時程曲線Fig.5 Time history curves of effective plastic stress of explosionproof tank without coating，with Q413m and MS-1 coating

從圖5 可知，爆炸沖擊波從內(nèi)面板傳遞到外面板，應(yīng)力先增大后逐漸平緩。無涂層罐體、涂覆Q413m 罐體和涂覆MS-1 罐體的應(yīng)力峰值分別為49 M0a、43 M0a 和39 M0a，涂覆Q413m 罐體和涂覆MS-1 罐體相較于無涂層罐體應(yīng)力峰值分別降低了12.24%和20.41%，可見2 種材料均能減弱應(yīng)力的傳播，其中涂覆MS-1 削弱應(yīng)力效果最明顯。此外，與無涂層防爆罐相比，涂覆涂層防爆罐的應(yīng)力峰值延遲了0.05 ms，說明爆炸沖擊波傳至外面板時，被涂層消耗吸收了部分應(yīng)力，起到較好的防護(hù)效果。綜上可得，有涂層防爆罐的應(yīng)力均得到不同程度的削弱，涂層確實(shí)能夠起到較好的防護(hù)效果，其中涂覆MS-1防爆罐的應(yīng)力峰值最小，抗爆效果最好。

2.1.2 防爆罐徑向位移時程曲線

圖6為無涂層防爆罐、涂覆Q413m防爆罐及涂覆MS-1防爆罐的徑向位移時程曲線。

從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時間為0.025 ms 時，爆炸沖擊波經(jīng)空氣達(dá)到罐體內(nèi)面板，罐體開始發(fā)生變形。

圖6 防爆罐徑向位移時程曲線Fig.6 Time-history curves of radial displacement of explosionproof tank

罐體徑向位移呈現(xiàn)先增大后趨于平穩(wěn)，無涂層罐體、涂覆Q413m 罐體、涂覆MS-1 罐體分別在時間為0.36 ms、0.18 ms、0.34 ms時，徑向位移達(dá)到峰值，最大分別為8.28 cm、7.36 mm、6.33 cm?？梢?，涂層的存在使罐體爆炸后徑向位移減小，提高了罐體自身的抗爆能力，并且MS-1 的防護(hù)效果優(yōu)于Q413m 的防護(hù)效果，能過起到更好的抗爆防護(hù)作用。

綜上可得，爆炸產(chǎn)生的能量造成防爆罐的損傷，主要以罐體變形為主，MS-1 更好地約束了罐體在爆炸荷載作用下的變形，起到良好的防護(hù)效果。涂層受到爆炸荷載的多方面耦合作用時，可以通過自身產(chǎn)生拉伸及剪切變形抵消部分沖擊波，減小罐體整體的損傷變形。

2.1.3 防爆罐內(nèi)能及動能時程曲線

以上結(jié)果表明，Q413m 及MS-1 起到了良好的防護(hù)效果，約束了罐體的徑向變形，對于涂層的防護(hù)機(jī)理需要從無涂層及有涂層防爆罐的能量變化角度進(jìn)行分析，比較涂層與罐體的能量消耗與轉(zhuǎn)化。圖7、圖8分別為無涂層防爆罐、涂覆Q413m防爆罐及涂覆MS-1防爆罐的內(nèi)能、動能時程曲線。

圖7 防爆罐罐體內(nèi)能時程曲線Fig.7 Energy-time curve of explosion-proof tank

圖8 防爆罐罐體動能時程曲線Fig.8 Kinetic energy time-history curves of explosion-proof tank

由圖7可知，無涂層防爆罐內(nèi)能在0.032 ms時開始迅速增加，到0.15 ms 后趨于平穩(wěn)，罐體內(nèi)能最大達(dá)到120 J；涂覆Q413m 防爆罐的內(nèi)能變化呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢，內(nèi)能最大值達(dá)到108 J，相較于無涂層防爆罐內(nèi)能降低了10.00%；而涂覆MS-1 防爆罐內(nèi)能變化趨勢與兩者相似，但是內(nèi)能峰值有所延遲，在0.018 ms 后趨于穩(wěn)定，最大值達(dá)到95 J，相較于無涂層防爆罐內(nèi)能降低了20.83%，相較于涂覆Q413m防爆罐內(nèi)能降低了12.04%。

由圖8 可知，3 種防爆罐罐體外面板的動能變化趨勢相同，均呈現(xiàn)先增大再減小，最后趨于穩(wěn)定。無涂層防爆罐動能在爆炸開始后0.05 ms 達(dá)到峰值，峰值為107 J；涂覆Q413m防爆罐罐體動能增長較慢，峰值降低，達(dá)到69 J，相較于無涂層防爆罐動能降低了35.51%；而涂覆MS-1 防爆罐罐體動能峰值最小，達(dá)到45 J，相較于無涂層防爆罐動能降低了57.94%，相較于涂覆Q413m防爆罐動能降低了34.78%。

無涂層防爆罐在爆炸過程中，爆炸沖擊波由內(nèi)面板傳遞至外面板所產(chǎn)生的能量，一部分以光能、熱能的形式耗散，一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和動能被罐體自身吸收，導(dǎo)致罐體出現(xiàn)較大變形甚至破碎，出現(xiàn)爆炸破片引起結(jié)構(gòu)的破壞，對周圍人員及環(huán)境造成巨大傷害。有涂層防爆罐在爆炸過程中，爆炸沖擊波傳遞經(jīng)過空氣、罐體及涂層，除了罐體耗散部分能量外，涂層會吸收轉(zhuǎn)化部分能量，導(dǎo)致罐體內(nèi)能及動能的降低，使罐體整體結(jié)構(gòu)變形減小。其中，對于有涂層防爆罐，相較于Q413m 涂層，MS-1 涂層的耗能作用更加明顯，可發(fā)揮出更好的消波作用，達(dá)到良好的抗爆效果。

2.2 爆炸試驗(yàn)結(jié)果對比

無涂層防爆罐、涂覆Q413m 及涂覆MS-1 防爆罐在爆炸荷載作用下的破壞形態(tài)如圖9所示。

圖9 防爆罐罐體破壞形態(tài)Fig.9 Failure mode of explosion-proof tank

從圖9 可以直觀地看到，3 種防爆罐均有不同程度的損傷。無涂層防爆罐罐體中部出現(xiàn)鼓包，罐體上端和下端無明顯破壞，涂覆Q413m 及涂覆MS-1 防爆罐罐體中部出現(xiàn)微小變形，其他部分無明顯變化。為了驗(yàn)證以上結(jié)果，將3種防爆罐的罐體最大徑向位移與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。

表4 防爆罐最大徑向位移試驗(yàn)結(jié)果對比Table 4 Comparison of maximum radial displacement test results of explosion proof tank

從表4可以發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場爆炸試驗(yàn)下，無涂層、涂覆Q413m及涂覆MS-1防爆罐的罐中最大徑向位移分別為7.7 mm、6.6 mm 及5.8 mm，無涂層防爆罐的罐中變形最大，涂覆Q413m 防爆罐的罐中最大徑向位移較無涂層防爆罐降低了14.29%，而涂覆MS-1防爆罐罐中最大徑向位移較無涂層防爆罐降低了24.68%，較涂覆Q413m 防爆罐降低了12.12%，涂覆MS-1 的防護(hù)效果更好。此外，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，誤差控制在10%左右，說明仿真結(jié)果具有一定的可靠性與準(zhǔn)確性。

2.3 涂層抗爆機(jī)理

通過以上無涂層防爆罐、涂覆Q413m 及涂覆MS-1 防爆罐在內(nèi)能和動能兩方面的研究可知，罐體面板在受到爆炸沖擊荷載作用下，動能在短時間內(nèi)迅速達(dá)到峰值，通過涂層與罐體內(nèi)部耗能等作用，一部分動能轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能。表5 為無涂層、涂覆Q413m及MS-1防爆罐的能量轉(zhuǎn)化情況。

從表5 中可知，無涂層防爆罐的動能轉(zhuǎn)化率較高，在爆炸荷載作用下，大部分能量以動能的形式耗散，可能會導(dǎo)致罐體變形或破碎，產(chǎn)生爆炸碎片向周圍環(huán)境飛濺，對周邊區(qū)域造成損害；而有涂層防爆罐的動能轉(zhuǎn)化率較低，說明爆炸產(chǎn)生的能量大部分由動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，可能通過自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變及外部結(jié)構(gòu)變形而耗散，降低了罐體自身的動能，減小對周圍環(huán)境及人員的威脅，其中，MS-1 在減弱動能、吸能和能量轉(zhuǎn)化方面綜合性能最優(yōu)，防護(hù)效果最好。

表5 無涂層、涂覆Q413m 及MS-1 防爆罐的能量轉(zhuǎn)化Table 5 Energy conversion of non-coated，Q413m and MS-1 coated explosion tanks

對于涂層耗能機(jī)制，可能與材料的分子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有關(guān)，特別是材料中脲鍵作為硬段部分決定著材料的性能。Q413m 的分子鏈?zhǔn)芡獠凯h(huán)境影響而運(yùn)動、摩擦、破壞與重構(gòu)構(gòu)成了阻尼的微觀效應(yīng)，通過Q413m 表現(xiàn)出穩(wěn)定的應(yīng)變滯后于應(yīng)力的遲滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的遲滯回線，表明材料在每一個振動周期都能耗散更多的能量[19]。Q413m 的力學(xué)強(qiáng)度較低，但伸長率較高，此外，材料中脲鍵作為硬段部分決定著材料的性能，脲鍵較多，材料的抗拉強(qiáng)度較高。Q413m 中異氰酸酯基部分與氨基反應(yīng)形成脲鍵，另一部分與羥基反應(yīng)；而MS-1 中異氰酸酯基均與氨基反應(yīng)形成脲鍵。

爆炸沖擊以應(yīng)力波的形式在材料中傳播，應(yīng)力波產(chǎn)生加載波和卸載波，2 種波發(fā)生相互運(yùn)動和相互作用，以抵消部分沖擊荷載。聚脲涂層（MS-1）為微相分離結(jié)構(gòu)，在爆炸荷載作用下，硬鏈段使得非結(jié)晶相分子鏈段之間發(fā)生主方向重新排列和結(jié)晶現(xiàn)象，材料的力學(xué)性能明顯提升，提高了聚脲材料的衰減沖擊波的能力，并在過渡階段中吸收大量沖擊能量[20-21]。聚脲涂層同樣具有高黏彈性，在沖擊過程中產(chǎn)生黏性耗散，在爆炸荷載下發(fā)生變形、剪切力以此來吸收抵消爆炸產(chǎn)生的沖擊能量。聚脲分子間存在作用力較強(qiáng)的脲鍵形成硬鏈段，脲鍵是由氫鍵連接而成，在高頻沖擊荷載的作用下，聚脲分子鏈段發(fā)生移動，當(dāng)氫鍵發(fā)生斷裂時，通過氫鍵的斷裂吸收大量能量，當(dāng)沖擊波被抵消后，分子鏈段間也停止移動，此時在材料內(nèi)部會重新形成多組氫鍵[22]。聚脲材料通過氫鍵不斷的移動、斷裂及重新組合，會不斷地釋放和吸收能量，來吸收和抵消爆炸沖擊產(chǎn)生的能量。因此，MS-1 在爆炸荷載作用下能夠表現(xiàn)出良好的防護(hù)作用，更好地提高罐體的抗爆能力。

3 結(jié)語

（1）在防爆罐損傷方面，無涂層、涂覆Q413m、涂覆MS-1 防爆罐最大徑向位移分別為8.28 mm、7.36 mm、6.33 mm，涂層均起到了良好的抗爆防護(hù)效果，其中MS-1 的抗爆效果最好。在能量轉(zhuǎn)化及耗能方面，相較于無涂層防爆罐，涂覆Q413m 防爆罐內(nèi)能及動能降低了10%和35.51%，涂覆MS-1 防爆罐內(nèi)能和動能降低了20.83%和57.94%。Q413m及MS-1均能減弱防爆罐的最大動能及內(nèi)能，將部分動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，通過分子鍵的斷裂與重新組合耗散能量，提高了結(jié)構(gòu)的抗爆能力。

（2）在現(xiàn)場爆炸試驗(yàn)下，無涂層、涂覆Q413m、涂覆MS-1 防爆罐的罐中變形分別為7.7 mm、6.6 mm、5.8 mm，涂覆MS-1 防爆罐的破壞程度最小，涂覆MS-1的抗爆能力最強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，誤差控制在10%左右，說明仿真結(jié)果具有一定的可靠性與準(zhǔn)確性。

（3）在小當(dāng)量TNT 下，涂覆MS-1 及涂覆Q413m起到了一定的防護(hù)效果，提高了結(jié)構(gòu)的抗爆能力，但是對于實(shí)際工程中大當(dāng)量TNT 情況下材料的防護(hù)效果無法確定，需要開展進(jìn)一步研究。此外，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場爆炸實(shí)驗(yàn)仍存在一定誤差，需要對材料模型進(jìn)行進(jìn)一步研究，確保數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。