鋁板
--環(huán)氧樹脂夾層結(jié)構(gòu)抗爆性能數(shù)值模擬研究

（空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系 江蘇 徐州 221000）

鋁板
--環(huán)氧樹脂夾層結(jié)構(gòu)抗爆性能數(shù)值模擬研究

謝永亮 趙 亮 張 勇

（空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系 江蘇 徐州 221000）

運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，在相同的爆炸沖擊波作用下，對(duì)掩蔽物上方鋁板和含環(huán)氧樹脂夾層的普通鋁板兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和對(duì)比分析，結(jié)果表明：有環(huán)氧樹脂夾層的鋁板結(jié)構(gòu)的抗爆性能要優(yōu)于無環(huán)氧樹脂夾層的鋁板，且抗爆性能隨著環(huán)氧樹脂夾層厚度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，為防護(hù)結(jié)構(gòu)的研制提供了一定的參考。

鋁板；環(huán)氧樹脂夾層；抗爆性能；數(shù)值模擬

0 引言

為避免敵火力打擊，提升戰(zhàn)場生存力，往往對(duì)我重點(diǎn)部位進(jìn)行工程防護(hù)。在防護(hù)工程的中上部一方面對(duì)結(jié)構(gòu)的抗打擊性能要求較高，另一方面要求結(jié)構(gòu)荷載不宜過大，而鋁板材料所具備的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性好、環(huán)氧樹脂質(zhì)量輕，緩沖吸能性能好等優(yōu)點(diǎn)是解決這一難題不錯(cuò)的選擇[1]。本文通過采用大型模擬軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)有無環(huán)氧樹脂夾層，不同環(huán)氧樹脂夾層厚度的復(fù)合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，探討出環(huán)氧樹脂以及其厚度對(duì)沖擊波的衰減作用，為工程防護(hù)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)實(shí)體的物理尺寸為：掩蔽物尺寸為24cm×4 cm×4cm，炸藥為2 cm×4 cm×1 cm，上下層鋁板為24cm×4cm×1cm，環(huán)氧樹脂夾層的的尺寸為24cm×4cm×0.5cm、24cm×4cm×1cm和24cm×4cm×2cm，為了節(jié)省程序運(yùn)算時(shí)間，考慮模型的對(duì)稱性，建立1/4模型進(jìn)行簡化運(yùn)算。另外為對(duì)比研究環(huán)氧樹脂厚度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，設(shè)炸藥從上表面起爆，控制起爆點(diǎn)到掩蔽物上表面，即下層鋁板的下表面的距離不變?yōu)?cm。本試驗(yàn)控制上下層鋁板厚度為1cm不變，變量為中間夾層環(huán)氧樹脂厚度，分別為0、0.5、1、2cm，0cm表示無中間夾層環(huán)氧樹脂，只有兩層1cm厚鋁板。

2 數(shù)值模擬

2.1材料狀態(tài)方程與模型

數(shù)值模擬所采用的材料主要為TNT炸藥、空氣、鋁板、環(huán)氧樹脂。

數(shù)值模擬所采用的TNT炸藥選用材料類型8，密度為1.63g/cm3，爆速為0.693cm/μs，CJ壓力為21Gpa，采用JWL狀態(tài)方程，此狀態(tài)方程通常用于描述高能炸藥及爆轟產(chǎn)物[2]，其形式為：

其中，A，B，R，R’，是材料常數(shù)，P是壓力，V是相對(duì)體積，E是初始內(nèi)能。分別取A=373.8Gpa，B=3.747 Gpa，R=4.15，R’=0.9，=0.35，E=9.6GJ/m3。空氣采用下面的氣體狀態(tài)方程來模擬，該狀態(tài)方程為：P=（γ-1）ρE

其中，P是壓力，γ是氣體熱指數(shù)，ρ是相對(duì)密度，E是空氣內(nèi)能。分別取γ =1.4，ρ=1.3×10-3g/ cm3，E=2.5×10-6（105MPa）。

鋁板采用DYNA Johnson-Cook本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，材料參數(shù)分別為：ρ=2.7g/ cm3，E=72Gpa，σ=0.33。

環(huán)氧樹脂的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用LS-DYAN中的ELASTIC_PLASTIC_HYDRO本構(gòu)模型，其參數(shù)值分別為：ρ=0.980 g/ cm3，彈性模量1Gpa，泊松比為0.38。

數(shù)值模擬過程中，炸藥、空氣、鋁板和環(huán)氧樹脂均采用3D SOLID164單元類型，炸藥和空氣使用歐拉算法，鋁板和環(huán)氧樹脂采用拉格朗日算法，炸藥和空氣單元不存在畸變問題，鋁板環(huán)氧樹脂夾層結(jié)構(gòu)與炸藥和空氣采用耦合算法，計(jì)算時(shí)在對(duì)稱面方向上進(jìn)行面約束位移，在Z方向即厚度方向上進(jìn)行節(jié)點(diǎn)約束位移，數(shù)值模擬采用cm-g-μs單位制。

2.2數(shù)值模擬過程

構(gòu)建有限元實(shí)體及網(wǎng)格劃分[3-4]，如圖1所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為考慮爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的最大影響，選取炸藥正下方處、下層鋁板背面的單元進(jìn)行分析，主要分析其在沖擊波作用下壓力、位移隨時(shí)間的變化。

3.1壓力時(shí)程圖分析

圖1 有限元實(shí)體及網(wǎng)格劃分

圖2 無夾層

圖3 含0.5cm夾層

圖4 含1cm夾層

圖5 含2cm夾層

如圖2,3,4,5所示，爆炸沖擊波對(duì)復(fù)合板的作用是個(gè)反復(fù)的過程，具體表現(xiàn)為壓力和拉力的交換進(jìn)行。由圖2可知，對(duì)于無環(huán)氧樹脂的普通鋁板結(jié)構(gòu)，沖擊波對(duì)所取單元造成的壓力的峰值達(dá)到了4×10-3；由圖3可知，對(duì)于含有0.5cm環(huán)氧樹脂夾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，沖擊波對(duì)所取單元造成的壓力的峰值達(dá)到了0.2×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結(jié)構(gòu)，壓力峰值降低3.8×10-3；由圖4可知，對(duì)于含有1cm環(huán)氧樹脂夾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，沖擊波對(duì)所取單元造成的壓力的峰值達(dá)到了0.065×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結(jié)構(gòu)，壓力峰值降低3.935×10-3；由圖5可知，對(duì)于含有2cm環(huán)氧樹脂夾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，沖擊波對(duì)所取單元造成的壓力的峰值達(dá)到了0.1×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結(jié)構(gòu)，壓力峰值降低3.9×10-3。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比于無夾層結(jié)構(gòu)的普通鋁板，添加環(huán)氧樹脂夾層后壓力峰值下降明顯，說明環(huán)氧樹脂夾層的添加確實(shí)對(duì)沖擊波起到相當(dāng)?shù)木彌_作用。隨著夾層厚度繼續(xù)增加至1cm時(shí)，峰值壓力繼續(xù)降低。但當(dāng)夾層厚度繼續(xù)增加至2cm時(shí)，峰值壓力不減反增，說明復(fù)合板對(duì)沖擊波的緩沖效果有所下降，這一方面是由于隨著夾層厚度的增加，整個(gè)結(jié)構(gòu)距離爆點(diǎn)更近了，炸藥損失在空氣中的能量更少而作用于結(jié)構(gòu)的能量更多導(dǎo)致峰值壓力增大，另一方面可能是環(huán)氧樹脂層越厚，其剛性越強(qiáng)，傳力效果越好，使得傳遞到底部鋁板的峰值壓力有所增加。因此，從壓力時(shí)程圖中可以看出：添加環(huán)氧樹脂夾層確實(shí)對(duì)沖擊波起到了一定的緩沖效果，但不是環(huán)氧樹脂夾層越厚，對(duì)沖擊波的衰減效果最好，本試驗(yàn)中環(huán)氧樹脂夾層為1cm時(shí)，即占整體結(jié)構(gòu)厚度的1/3時(shí)效果最好。

3.2位移時(shí)程圖分析

圖6 四種情況位移時(shí)程圖

圖6為單元的四種情況下位移時(shí)程圖，從圖中可以看出，對(duì)于無環(huán)氧樹脂的普通鋁板結(jié)構(gòu)，沖擊波對(duì)所取單元造成的位移的峰值達(dá)到了7.5×10-3；對(duì)于含有0.5cm環(huán)氧樹脂夾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，沖擊波對(duì)所取單元造成的位移的峰值達(dá)到了2.5 ×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結(jié)構(gòu)，位移峰值降低5×10-3；對(duì)于含有1cm環(huán)氧樹脂夾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，沖擊波對(duì)所取單元造成的位移的峰值達(dá)到了0. 5 ×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結(jié)構(gòu)，位移峰值降低7×10-3；對(duì)于含有2cm環(huán)氧樹脂夾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，沖擊波對(duì)所取單元造成的位移的峰值達(dá)到了2× 10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結(jié)構(gòu)，位移峰值降低5.5×10-3。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：相比于無夾層結(jié)構(gòu)的普通鋁板，添加環(huán)氧樹脂夾層后位移峰值下降明顯，說明環(huán)氧樹脂夾層的添加確實(shí)對(duì)沖擊波起到相當(dāng)?shù)木彌_作用。隨著夾層厚度的增加，位移峰值出現(xiàn)先減小后增大的情況，說明整體結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波的衰減作用先增大后減小，且在含有1cm環(huán)氧樹脂夾層即占整體結(jié)構(gòu)厚度的1/3時(shí)效果達(dá)到最好，與壓力時(shí)程圖分析結(jié)果一致。

4 結(jié)語

由上面不同厚度環(huán)氧樹脂夾層對(duì)爆炸沖擊波的衰減效果分析可得到如下結(jié)論：

（1）相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂夾層為0.5cm時(shí)整體結(jié)構(gòu)壓力緩沖效果提升95%，位移緩沖效果提升66.7%；環(huán)氧樹脂夾層為1cm整體結(jié)構(gòu)壓力緩沖效果提升98.4%，位移緩沖效果提升93.3%；環(huán)氧樹脂夾層為2cm整體結(jié)構(gòu)壓力緩沖效果提升97.5%，位移緩沖效果提升73.3%。

（2）環(huán)氧樹脂夾層能夠?qū)_擊波起到一定的緩沖作用，但緩沖效果并不隨著厚度的增加而線性增加。綜合看來，當(dāng)環(huán)氧樹脂夾層厚度為1cm，即復(fù)合板由1cm厚上層鋁板、1cm厚環(huán)氧樹脂中間夾層和1cm厚下層鋁板組合時(shí)整體緩沖效果最好。

[1]杜修力.炸藥爆炸作用下地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].爆炸與沖擊，2006，26（5）：13-20

[2]邊小華，石少卿，康建功等.一種新型防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波衰減特性的研究[J].后勤工程學(xué)報(bào)，2005：40-45

[3]時(shí)黨勇.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進(jìn)行顯示動(dòng)力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005

[4]趙海鷗.LS-DYNA動(dòng)力分析指南[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2003

Numerical Simulation Study on Anti Explosion Performance of the Aluminium Plate--Epoxy Resin Sandwich Structure

XIE Yong Liang , ZHAO Liang, ZHANG Yong
(Department of Airport Engineering and Support of Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

using the large-scale finite element software ANSYS/LS-DYNA to conduct the numerical simulation and comparison on the explosion proof performance of the aluminium palte and aluminium palte with epoxy resin layer under the same action of blast shock wave, the result shows that the explosion proof performance of aluminium palte with epoxy resin layer is superior to aluminium palte, and the explosion proof performance shows a trend of increasing first and then decreasing with the increase of the epoxy resin layer, which provides some references for the development of protective structure.

aluminium palte; epoxy resin layer; explosion proof performance; numerical simulation

TU512.4

A

1007-6344（2017）04-0139-02

謝永亮，中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系，教授

趙亮，中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系，碩士研究生

姜?jiǎng)P鄰（1994-），男，河北滄州人，本科。專業(yè)：土木工程