聚氨酯泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆吸能試驗及數(shù)值模擬分析*

張 勇

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑建造學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

近年來，使用新型吸能層設(shè)計夾層式結(jié)構(gòu)成為新的研究方向和發(fā)展趨勢，泡沫金屬作為吸能材料已經(jīng)廣為使用。不少學(xué)者對泡沫鋁的抗爆性能進(jìn)行了研究。Shen 等采用爆炸試驗對面板材料為鋁、芯層材料為泡沫鋁的曲率夾芯板施加爆炸荷載來研究其動態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)曲率夾芯板比等重量的實體板和夾芯平板能吸收更多的能量來緩解爆炸沖擊，進(jìn)一步說明了泡沫鋁材料在抗爆炸沖擊方面的優(yōu)良性能。Merrett 等對泡沫鋁進(jìn)行爆炸試驗，研究受到?jīng)_擊波壓縮時的波陣面效應(yīng)。Yun 等分析泡沫鋁材料在鋼板夾層中的吸能緩沖作用，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用泡沫鋁的犧牲層來加強(qiáng)混凝土墻可以顯著地減少爆破壓力的影響。

聚氨酯是一種比重小、價格低、易加工的發(fā)泡材料，由于其吸能減震的優(yōu)良性能，已廣泛應(yīng)用于易損物品的緩沖包裝、防護(hù)層的構(gòu)建及相關(guān)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部填充以及國防工程中。 Usta 等對聚氨酯泡沫復(fù)合夾芯板的低速抗沖擊性能進(jìn)行了研究，Yüksel 等對聚氨酯泡沫芯波紋夾芯板面內(nèi)剛度和強(qiáng)度進(jìn)行試驗研究。

以上研究成果對泡沫鋁和聚氨酯的吸能效果進(jìn)行了試驗驗證，但僅僅是對泡沫鋁進(jìn)行單獨的抗爆性能的研究還不夠，后來人們發(fā)現(xiàn)泡沫鋁和聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)會大大改良泡沫鋁的緩沖吸能能力：張偉等對泡沫鋁-聚氨酯復(fù)合材料的靜力學(xué)性能進(jìn)行了分析；謝衛(wèi)紅等和張勇等對聚氨酯泡沫鋁復(fù)合材料動力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)沖擊試驗研究；Yu 等對單胞鋁蜂窩填充聚氨酯試件在壓縮作用下的變形模式和力-位移曲線進(jìn)行了實驗和數(shù)值模擬。但文獻(xiàn)[10-14]也只是從靜、動態(tài)力學(xué)性能方面進(jìn)行了試驗。

針對聚氨酯泡沫鋁的抗爆試驗還未見過。本文將開孔泡沫鋁板中填充聚氨酯泡沫，制作聚氨酯泡沫鋁新型復(fù)合材料，增加泡沫鋁的吸能效果，并將其作為新型吸能夾層材料使用，研究其作為吸能夾層在混凝土板復(fù)合結(jié)構(gòu)上的抗爆吸能效果，用實爆效果分析聚氨酯泡沫鋁的抗爆性能，并在驗證相關(guān)試驗的可靠性的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬計算和分析，以期對這種新型復(fù)合材料在今后的工程應(yīng)用上提供更加可靠的試驗支撐。

1 試驗設(shè)計

本文采用C60 混凝土與夾層材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸試驗?；炷脸叽绶譃?00 mm×500 mm×100 mm和500 mm×500 mm×220 mm 兩種。在首層混凝土上面加蓋100 mm 厚的覆土層，覆土層表面受到0.5 kg的TNT 炸藥接觸爆炸。選用了泡沫鋁板和聚氨酯泡沫鋁板作為夾層材料。采用不同的夾層材料厚度和組合方式作為變量，一共設(shè)計了5 組試驗來研究聚氨酯泡沫鋁的抗爆性能。

1.1 試件的制備

聚氨酯泡沫鋁采用聚氨酯的黑料（甲苯二異氰酸酯：PM200）、白料（聚醚三元醇：N303，羥值為470 mg KOH/g）以及泡沫鋁混合發(fā)泡制備。泡沫鋁采用上海眾匯泡沫鋁材有限公司制作的開孔泡沫鋁，參數(shù)見表1。

表1 泡沫鋁板材的性能參數(shù)表Table 1 Performance of aluminum foam plank parameter

先將黑料按一定量加入泡沫鋁板中，使其均勻地分布于泡沫鋁板上，待其滲透后，再將白料按照質(zhì)量比為1∶1 加入，讓其和黑料混合反應(yīng)發(fā)泡，通過自制的發(fā)生容器加壓將產(chǎn)生的聚氨酯泡沫填充到泡沫鋁板的空隙中。經(jīng)過發(fā)泡而成的聚氨酯泡沫成白色狀，填充于泡沫鋁的空隙中，如圖1 所示。

圖1 聚氨酯泡沫鋁板（左）和泡沫鋁板（右）對比（尺寸：1 m×1 m）Fig. 1 Polyurethane foam aluminum (left) and aluminum plates(right) (size: 1 m×1 m)

經(jīng)過稱重，聚氨酯泡沫鋁板的重量較泡沫鋁板的重量有較大增加，添加聚氨酯后的泡沫鋁板增重73.79%～89.29%，聚氨酯增加效果比較顯著，這也對之后的抗爆吸能試驗提供了較理想的聚氨酯泡沫鋁復(fù)合材料。

（2）混凝土的制備

混凝土配合比參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和滿足實際需求的情況下，如表2 所示。

統(tǒng)計方法：用dps軟件中的LSD法進(jìn)行顯著性測驗，在本試驗中的差異顯著性測驗均在α=0.05水平上進(jìn)行。

表2 混凝土的配合比（kg/m3）Table 2 Mixture ratio of concrete (kg/m3)

P.O 52.5 普通硅酸鹽水泥：石子滿足最大粒徑20 mm 連續(xù)級配要求；硅粉為上海天愷硅粉材料有限公司生產(chǎn)的微硅粉；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；高效減水劑為聚羧酸系高性能減水劑。

本次試驗的混凝土板采用人工拌和的方式，將原材料按照相關(guān)的配合比配制，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程拌和混凝土，將其澆入到模具中，澆筑完成后進(jìn)行充分振搗，最后將制作好的混凝土試件在合適的環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)28 d 后，再進(jìn)行爆炸試驗。

1.2 試驗組的設(shè)計

試驗采用聚氨酯泡沫鋁作吸能夾層的混凝土復(fù)合板結(jié)構(gòu)，研究TNT 炸藥在裝藥量為0.5 kg 的爆炸荷載作用下的破壞情況。設(shè)計5 種不同的組合方式如表3 所示。

表3 試驗組設(shè)計Table 3 Design of the test

試驗設(shè)計的5 組工況涉及了夾層材料種類、厚度和組合方式三個參數(shù)，通過爆炸后的試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)來分析聚氨酯泡沫鋁的抗爆性能。工況2 和3 主要對比聚氨酯泡沫鋁和泡沫鋁抗爆性能的優(yōu)劣，工況4 和5 主要研究夾層材料厚度和組合方式對結(jié)構(gòu)的抗爆性能的影響。工況1 作為對照試驗，研究單層混凝土結(jié)構(gòu)和復(fù)合層結(jié)構(gòu)抗爆性能的差異。

2 野外爆炸試驗

試驗定制了一個高1 m 的鋼支架，其頂部按照混凝土試件的尺寸制作，保證試驗組的底部懸空。選擇開闊的地帶安放鋼支架，在支架旁就近的位置進(jìn)行混凝土板和夾層測點的布置工作，在鋼支架上布設(shè)測點電路轉(zhuǎn)接器，測點布置完成后，將混凝土板和夾層板疊合在一起固定在支架上，并在頂層混凝土上層進(jìn)行覆土，如圖2 所示。

圖2 試驗組的安放Fig. 2 Test site layout

由于爆炸沖擊波的沖擊范圍較大，將靠近爆炸中心位置的數(shù)據(jù)傳輸線穿入鋼管中，防止爆炸沖擊破壞數(shù)據(jù)線，同時在距離爆炸位置20 m 的掩體里設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從掩體內(nèi)接線連接測點，防止爆炸沖擊波對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)造成影響，如圖3 所示。本次實驗采用的是以NI 9215 數(shù)據(jù)采集模塊為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（采集系統(tǒng)還包括YE5853B 型電荷放大器，MSO 3014 示波儀，CS 動態(tài)電阻應(yīng)變儀）。數(shù)據(jù)通過USB 接口傳入計算機(jī)，通過自行改良設(shè)計的火箭炮動力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)進(jìn)行收集和整理，根據(jù)試驗方案設(shè)置5 組試驗，如圖4 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 3 Data acquisition system

圖4 現(xiàn)場5 組試驗布置Fig. 4 Five groups experimental setups

試驗組設(shè)置完畢后，調(diào)整好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確認(rèn)各個測點數(shù)據(jù)情況顯示正常后，疏散周圍人員，將0.5 kg 藥量的TNT 炸藥置于覆土層上起爆炸藥。

本次試驗通過在試驗組的合理位置布設(shè)測點來記錄爆炸破壞的相關(guān)參數(shù)，包括壓力、位移、加速度、應(yīng)變。各個位置的測點采用的傳感器主要有壓力傳感器、應(yīng)變片和位移傳感器。各類型測點均布置在裝藥正下方，其中壓力和加速度測點布置在每層介質(zhì)的下表面，在結(jié)構(gòu)下表面布置一個位移測點，其余位置不布置位移和速度測點，位移和速度通過加速度積分得到。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象分析

工況1 中，混凝土板上部出現(xiàn)從中心向外延伸的凹陷，中心深度為1～2 cm，直徑約為30 cm；混凝土側(cè)面出現(xiàn)從上表面一直延伸到底部的裂縫；混凝土底部發(fā)生坍落，形成直徑為10～15 cm 的坑洞。

工況2 和3 分別采用了泡沫鋁和聚氨酯泡沫鋁作為吸能夾層進(jìn)行對比。兩組混凝土板底部與工況1 相比保持著較好的完整性。工況2 中底部混凝土的破壞比工況3 中更嚴(yán)重，這表明在同樣爆炸荷載的情況下，聚氨酯泡沫鋁作為夾層比泡沫鋁作為夾層對底部結(jié)構(gòu)有著更好的保護(hù)能力。工況2 和3 的夾層材料受到爆炸沖擊作用發(fā)生大面積的擠壓變形。泡沫鋁板沿著凹陷的位置出現(xiàn)大量的裂縫，聚氨酯泡沫鋁板的孔隙被聚氨酯泡沫填滿，使得材料板具有一定的彈性，因此其擠壓變形要小于泡沫鋁板，如圖5所示。

圖5 聚氨酯泡沫鋁夾層（左）和泡沫鋁夾層（右）受破壞情況對比Fig. 5 Differences in the damage between the polyurethane foam aluminum sandwich (left) and aluminum foam sandwich (right)

工況4 的復(fù)合板中，改變了中間夾層材料的厚度，從爆炸破壞的現(xiàn)象來看，上部混凝土板沒有完全碎裂，下部混凝土底板的背部出現(xiàn)少量的細(xì)微裂縫，整體混凝土的完整性優(yōu)于工況3。因此，聚氨酯泡沫鋁吸能層的厚度是混凝土復(fù)合板的抗爆性能的重要影響因素。工況5 在材料分層上作出了相應(yīng)的調(diào)整，將40 mm 的夾層材料分作兩層，從試驗結(jié)果可以看出，將同樣厚度的單層聚氨酯泡沫鋁分為兩層放入混凝土的組合方式對結(jié)構(gòu)抗爆性能沒有明顯提高，而且還增加了施工難度（見圖6）。

圖6 兩種工況受破壞情況Fig. 6 Damage in two cases

3.2 壓力和應(yīng)變的測試結(jié)果分析

從圖7 的底部壓力測試可以看出，工況4 采用的加厚的聚氨酯泡沫鋁對沖擊波壓力的衰減效果最好，其次是工況3 采用的聚氨酯泡沫鋁材料夾層，工況2 采用的泡沫鋁夾層的衰減效果最差。聚氨酯泡沫鋁對比泡沫鋁，壓力衰減性能可以提高25%左右，而工況4 的聚氨酯泡沫鋁增加厚度，比工況3 的夾層吸能性能又提升了50%左右，所以夾層厚度的增加對于吸能性能的提升非常重要。

圖7 底部測點壓力-時間曲線Fig. 7 Pressure force-time curves at the bottom point

3.3 位移的測試結(jié)果分析

在最后的一層混凝土板的底部設(shè)置位移測點，可以測得最后一層混凝土板受沖擊波破壞后發(fā)生的相應(yīng)變形而產(chǎn)生的位移，如圖8 所示?？梢钥闯觯? 組工況底部混凝土位移隨著時間變化，位移均呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢；其中工況2 位移增長最快，這證明聚氨酯泡沫鋁夾層對整體防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆性能的提升要優(yōu)于泡沫鋁；對比工況3、4 發(fā)現(xiàn)，聚氨酯泡沫鋁夾層的厚度增加1 倍，防護(hù)結(jié)構(gòu)的底部位移減小大約30%～40%。

圖8 底部測點位移曲線圖Fig. 8 Displacement curves at the bottom point in three different cases

4 數(shù)值模擬

4.1 復(fù)合板各層結(jié)構(gòu)模型的建立

計算采用cm-g-μs 單位制，復(fù)合板各層在炸藥的巨大沖擊波作用下的破壞情況采用光滑質(zhì)點流體動力學(xué)（smooth particle hydrodynamics, SPH）來模擬，避免了采用拉格朗日算法時在爆炸沖擊破壞的大變形問題下的網(wǎng)格畸變問題，可以比較精確地反映爆炸沖擊破壞的效應(yīng)。同時，SPH 方法能夠方便準(zhǔn)確處理不同介質(zhì)的交界面問題，適用于計算試驗的復(fù)合材料層板在爆炸沖擊作用下的破壞情況。

根據(jù)所做的五組試驗，模擬對應(yīng)的工況的情況。先采用和試驗組一樣的模型，驗證數(shù)值模擬試驗的可靠性。模型由炸藥、土壤、混凝土、泡沫鋁和聚氨酯泡沫鋁組成，尺寸和試驗組一致，如圖9 所示。

圖9 建立試驗?zāi)Ｐ虵ig. 9 Test model establishment

數(shù)值模擬采用的相關(guān)材料模型為：炸藥采用軟件提供的*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型，選用*EOS_JWL 狀態(tài)方程來模擬炸藥爆轟過程中壓力-體積的關(guān)系；土壤采用模型*MAT_SOIL_AND_FOAM；混凝土采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE 模型；泡沫鋁采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET 蜂窩結(jié)構(gòu)模型，泡沫鋁密度為650 kg/m，泊松比為0.29；聚氨酯采用*MAT_CRUSHABLE_FOAM 模型；聚氨酯泡沫鋁采用*MAT_CRUSCHABLE_FOAM 模型，密度為860 kg/m，泊松比為0.29，其余相關(guān)參數(shù)參照系統(tǒng)內(nèi)提供的數(shù)值。

應(yīng)力-應(yīng)變的控制曲線數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場試驗得到的結(jié)果，其余相關(guān)的參數(shù)由系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)模型提供。

圖10 給出了爆炸應(yīng)力波在復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)中的傳播過程，可以看出：在沖擊波通過聚氨酯泡沫鋁后，應(yīng)力值衰減非常明顯，這主要是由于聚氨酯泡沫鋁吸收了大量能量，衰減了爆炸沖擊波；沖擊波穿過夾層材料后到達(dá)底層混凝土，在底端固定位置處應(yīng)力不斷增加；應(yīng)力波在上下層混凝土板中來回反射，應(yīng)力波一直在不斷變化。

圖10 模型3 的爆炸應(yīng)力波傳播圖Fig. 10 Blast stress wave spread of model 3

4.2 數(shù)據(jù)一致性驗證

對工況3～5 分別取底部混凝土上表面的壓力試驗值和模擬值曲線進(jìn)行驗證，如圖11 所示。從圖中可以看出，數(shù)值模擬曲線的峰值和試驗數(shù)據(jù)有一定差距，但是整體走勢是大致相同的。由于數(shù)值模擬設(shè)定參數(shù)和環(huán)境都是在理想狀態(tài)下的，相對于試驗數(shù)據(jù)而言，數(shù)值模擬曲線都比較平緩，波動不大。試驗受到的影響因素較多，比如每組裝藥密度可能有差別，以及試驗時爆炸震動導(dǎo)致每層材料板位置移動等等，因此試驗數(shù)據(jù)相關(guān)的波動可能較大。從對比結(jié)果來看，試驗和模擬的破壞現(xiàn)象基本一致，同時數(shù)據(jù)誤差也符合相關(guān)要求，從而證明了試驗和模擬的結(jié)果在一定程度上是相符合的。

圖11 底部混凝土測點壓力的試驗和模擬結(jié)果驗證Fig. 11 Stress test and simulation contrast of the concrete points at the bottom

4.3 不同材料層厚度的數(shù)值模擬分析

因為實爆試驗的條件要求比較高，成本也相應(yīng)較高，要想將各種影響因素下的對照試驗都做到耗費太大，因此可以利用數(shù)值模擬完善試驗組，得出相應(yīng)的預(yù)想結(jié)論?？紤]不同材料層的厚度改變對復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，設(shè)置了三個對照模型組，分別為工況6～8，模型參數(shù)見表4。

表4 改變材料層厚度的試驗?zāi)Ｐ蚑able 4 Change material thickness of the test model

構(gòu)建起來的工況6～8 主要研究各層材料不同組合厚度的影響情況，其0.9 ms 時和工況4 的破壞效果圖如圖12 所示。

從圖12 可以看出，在0.9 ms 時工況6 的下層混凝土出現(xiàn)比工況4 更寬的剪切裂縫，且工況6 上層混凝土出現(xiàn)大量的裂縫，混凝土發(fā)生層裂破壞?？梢苑治龅贸鲇捎诠r6 加厚的是混凝土層，混凝土層不具備吸收沖擊波的能力，工況6 采用的20 mm 厚的聚氨酯泡沫鋁吸收的能量較少，沖擊波通過入射和在不同介質(zhì)分界面的反射對上下混凝土層造成了較大的破壞，因此，在20 mm 厚的聚氨酯泡沫鋁吸能層的基礎(chǔ)上加厚混凝土，得到的防護(hù)效果不夠理想。

圖12 不同工況 0.9 ms 時的破壞對比Fig. 12 Destruction contrast in different cases at 0.9 ms

工況7 的上層混凝土產(chǎn)生的裂縫比工況4 的大，破壞較為嚴(yán)重，但是觀察到底層混凝土的破壞和工況4 的相當(dāng)，整體的防護(hù)效果和工況4 的相差不大，說明30 mm 厚的聚氨酯泡沫鋁吸能層已經(jīng)能夠達(dá)到在模擬的爆炸當(dāng)量下的抗爆性能要求。上層混凝土的破壞較工況4 嚴(yán)重主要是由于30 mm 的吸能層吸收的能量不如工況4 采用的40 mm 吸能層，沖擊波在不同的介質(zhì)面上發(fā)生的反射現(xiàn)象比較明顯，反射沖擊波對上層混凝土造成的破壞較為嚴(yán)重，和工況6 的情況類似。

工況8 在30 mm 吸能層的基礎(chǔ)上加厚底部混凝土，獲得了較好的抗爆效果。在0.9 ms 時，工況8 的上層混凝土同樣發(fā)生了較為嚴(yán)重的破壞，但是底部混凝土保持了很好的完整性。底部混凝土層沿著約束邊開始發(fā)生剪切破壞，剪切裂縫比工況4 的更小，混凝土中段發(fā)生小部分的脫落?？傮w來說，工況8 的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)形式的抗爆性能要優(yōu)于工況4。

取模型的底部混凝土的上表面壓力和底部速度時程曲線，對比分析相關(guān)的破壞情況。對于工況4～7，由于它們底部的混凝土厚度相同，比較分析其壓力曲線，如圖13 所示。對于工況4 和8，截取底部的速度時程曲線進(jìn)行分析，如圖14 所示。

圖13 工況4、6、7 底部混凝土節(jié)點應(yīng)力對比Fig. 13 Stress contrast of case 4, 6 & 7 nodes of the concrete at the bottom

圖14 工況4、8 底部混凝土節(jié)點速度對比Fig. 14 Velocity contrast of model 4 & 8 node of the concrete at the bottom

從圖13 中看出工況6 的底部應(yīng)力峰值大于工況4 和7，說明加厚上層的混凝土并沒有有效減緩沖擊波對底部混凝土的沖擊破壞；而工況4 和7 的曲線應(yīng)力峰值相當(dāng)，表明30 mm 厚的聚氨酯泡沫鋁吸能層能夠滿足防護(hù)結(jié)構(gòu)的要求。從圖14 的速度對比曲線可以看出，工況8 的底部混凝土后期變形速度比工況4 大約減少60%左右，表現(xiàn)出了該種構(gòu)型抗爆炸沖擊的優(yōu)良性能。

綜合上述的相關(guān)現(xiàn)象可以看出，吸能層的厚度是復(fù)合結(jié)構(gòu)整體抗爆性能的重要影響因素，一個合適的吸能厚度對于防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆性能非常重要。從工況6、7、8 的上層混凝土的破壞情況來看，可以分析出沖擊波在破壞復(fù)合防護(hù)層結(jié)構(gòu)的時候，不同介質(zhì)之間的反射波會造成巨大的破壞，是復(fù)合層結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的環(huán)節(jié)。在一定炸藥當(dāng)量情況下，保證了比較合理的吸能層厚度后，防護(hù)結(jié)構(gòu)的每一層材料層存在著一個最佳的厚度組合來保證復(fù)合層優(yōu)良的抗爆性能。

5 結(jié) 論

（1）從爆炸試驗現(xiàn)象和測試結(jié)果來分析，聚氨酯泡沫鋁相對泡沫鋁對爆炸沖擊波的吸能效果可以提高25%左右，聚氨酯泡沫鋁的厚度對吸能抗爆效果影響顯著，厚度增加1 倍，吸能性能可以提升50%左右，而將同樣厚度的聚氨酯泡沫鋁層分成兩層進(jìn)行試驗，并沒有多少改善，從而說明改變結(jié)構(gòu)層的組合方式并沒有太大影響。

（2）從對應(yīng)的數(shù)值模擬試驗中可以得知，吸能層的厚度是復(fù)合結(jié)構(gòu)整體抗爆性能的重要影響因素，在一定炸藥當(dāng)量情況下，保證了比較合理的吸能層厚度后，防護(hù)結(jié)構(gòu)的每一層材料層存在著一個最佳的厚度組合來保證復(fù)合層優(yōu)良的抗爆性能。針對本試驗，30 mm 厚的聚氨酯泡沫鋁吸能層可以勝任防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸能任務(wù)，而40 mm 厚的聚氨酯泡沫鋁吸能層，吸能效果提升并不明顯。