橡膠/鋼層防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究

吳瑋棟，郄彥輝，程 聰，王 昱

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，河北 石家莊 050061)

1 引言

水壓爆破試驗(yàn)是指對(duì)承受內(nèi)壓的設(shè)備持續(xù)加壓使之產(chǎn)生泄露乃至爆破。水壓爆破試驗(yàn)是檢查壓力容器和承壓管道元件產(chǎn)品的極限承壓能力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。對(duì)于新型結(jié)構(gòu)的壓力容器或新材料、新工藝制造的壓力容器應(yīng)經(jīng)水壓爆破試驗(yàn)證實(shí)設(shè)計(jì)制造均安全后方可投入批量制造。但是在水壓爆破實(shí)驗(yàn)過程中，迸濺的金屬碎片會(huì)撞擊并損壞封閉實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)壁和上方易損裝置(如攝像頭和照明裝置)，如圖1、圖2所示。故需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝一種既能確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壁不受破壞，又能保護(hù)上方易損裝置的防護(hù)結(jié)構(gòu)。防護(hù)結(jié)構(gòu)能有效保護(hù)人員、建筑和裝置免遭損傷破壞，隨著防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)其性能和種類的需求也越來越大。目前，國內(nèi)外技術(shù)人員主要從材質(zhì)和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。防護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)主要有非金屬材料[1-2]、金屬材料[3]、復(fù)合材料[4-5]等，設(shè)計(jì)并應(yīng)用的結(jié)構(gòu)主要有多層結(jié)構(gòu)[6]、蜂窩結(jié)構(gòu)[7-8]等。這些防護(hù)材料以及特殊結(jié)構(gòu)都有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是由于這些防護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多應(yīng)用于軍事國防領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低廉的民用室內(nèi)防護(hù)結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步研究。針對(duì)這一問題，提出了兩種造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于制造安裝的防護(hù)結(jié)構(gòu)—斜鋪式和鋸齒狀橡膠/鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)，旨在保護(hù)室內(nèi)墻壁和上方的易損裝置。針對(duì)不同水壓爆破試驗(yàn)迸濺的金屬碎片對(duì)封閉試驗(yàn)的初次沖擊和二次沖擊過程，采用顯式非線性軟件LS-DYNA模擬不同速度和不同入射角度條件下碎片對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的碰撞過程，分析對(duì)比兩種橡膠/鋼復(fù)合板的防護(hù)效果和抗沖擊性能。

圖1 爆破瞬間Fig.1 Blasting Moment

圖2 封閉實(shí)驗(yàn)室破壞情況Fig.2 Destruction of the Sealed Laboratory

2 數(shù)值仿真

2.1 幾何模型及求解方法

所提出的防護(hù)結(jié)構(gòu)是在鋼板上鋪裝一定形狀的橡膠，兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼板厚度均為8mm，橡膠層厚度均為15mm，兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)的橡膠層結(jié)構(gòu)形式不同。其中碎片在爆破實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的沖擊歷程簡(jiǎn)圖，如圖3所示。

圖3 碎片沖擊歷程Fig.3 The Impact of the Fragments of the Process

圖4 橡膠/鋼復(fù)合板的有限元計(jì)算模型Fig.4 Finite Element Calculation Model of Rubber/Steel Composite Panel

鑒于爆破碎片的尺寸較小、形狀較為復(fù)雜且具有一定的隨機(jī)性，而碎片的形狀對(duì)防爆結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能影響較小，故把碎片簡(jiǎn)化為直徑為8mm的剛性小球進(jìn)行研究。由于鋼球與防護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，采用1/2模型建模，對(duì)稱面處設(shè)置對(duì)稱邊界條件，約束其對(duì)稱面相應(yīng)的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，防護(hù)結(jié)構(gòu)模型的邊界施加固定約束條件。有限元模型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。為了提高計(jì)算效率并防止網(wǎng)格產(chǎn)生畸變計(jì)算難以維系，采用在接觸區(qū)局部網(wǎng)格加密方法的方法對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模型，如圖4所示。

2.2 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)方程來描述其本構(gòu)關(guān)系。鋼的材料參數(shù)[9]，如表1所示。各參數(shù)的含義見文獻(xiàn)[10]。防護(hù)結(jié)構(gòu)的橡膠采用6744型號(hào)的天然橡膠，在仿真計(jì)算時(shí)采用Ogden本構(gòu)模型定義其材料特性。Ogden本構(gòu)模型可以很好的描述橡膠材料在常溫、常應(yīng)變率情況下不同應(yīng)力情況時(shí)的變形情況，且在應(yīng)變大于100%時(shí)計(jì)算精度比較高。6744型號(hào)天然橡膠的材料參數(shù)[11]，如表2所示。

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

表2 6744型號(hào)天然橡膠的材料參數(shù)Tab.2 Material Parameters of 6744 Type Natural Rubber

3 結(jié)果分析

3.1 初次沖擊后的速度分析

根據(jù)河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗(yàn)院管道元件中心水壓爆破實(shí)驗(yàn)室多次試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)爆破產(chǎn)生的金屬碎片對(duì)墻體的破壞位置并繪制簡(jiǎn)圖，如圖5所示。在水壓爆破試驗(yàn)時(shí)，被測(cè)的承壓容器或承壓管道元件置于實(shí)驗(yàn)室地面中央，而水壓爆破實(shí)驗(yàn)室的長度通常為(4～6)m、寬度為(3～5)m、高度為(3～4)m，且由圖5所示，爆破產(chǎn)生的高速碎片全部撞擊到四周墻壁，則爆破產(chǎn)生的高速金屬碎片與墻壁或防護(hù)結(jié)構(gòu)碰撞時(shí)的入射角度不超過45°。考慮到不同型號(hào)承壓容器和管道元器件的不同爆破壓力造成的不同初始速度的碎片，選取了碎片在入射角度q=45°、40°、30°、20°下以不同速度(0≤v≤300m/s)沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的工況進(jìn)行了仿真。通過研究碎片被反彈后豎直方向的速度大小最能直觀反應(yīng)防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)上方易損裝置的防護(hù)效果，故比較了碎片初次沖擊這兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)后豎直方向的速度，如圖6所示。

圖5 碎片撞擊墻體位置示意圖Fig.5 Location Map of the Fragment Impacting the Wall

圖6 碎片初次沖擊后豎直方向速度對(duì)比圖Fig.6 Comparison of Vertical Speed after Initial Impact of Debris

根據(jù)圖6所示，不同入射角度下，碎片沖擊兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)后的剩余速度的曲線規(guī)律趨勢(shì)大致接近。當(dāng)入射速度v＜80m/s時(shí)，相同入射角度下，碎片沖擊斜鋪式橡膠/鋼復(fù)合板后的豎直方向的剩余速度大于沖擊鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合板后的剩余速度。當(dāng)入射速度80≤v≤120m/s時(shí)，這兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果一樣，碎片均會(huì)直接嵌入橡膠層。當(dāng)入射速度v＞120m/s時(shí)，相同入射角度下，碎片沖擊斜鋪式橡膠/鋼復(fù)合板后的豎直方向的剩余速度小于沖擊鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合板后的剩余速度。

3.2 典型工況的沖擊歷程

根據(jù)圖6分析可得，碎片沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)后，根據(jù)剩余速度的不同，可分為三種典型工況類型，即入射速度范圍分別在v＜80m/s、80≤v≤120m/s、v＞120m/s時(shí)的工況。由于在各類典型工況下的沖擊歷程比較相似，故在此只以入射角度q=45°為例，分別選取v=30m/s，v=120m/s和v=200m/s三種典型工況，仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7 三種典型工況下的沖擊歷程的對(duì)比Fig.7 Comparison of Impact History under Three Typical Conditions

如圖7所示，當(dāng)碎片以入射速度v=30m/s沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，橡膠層沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的破壞，碎片被橡膠層反彈，該工況下防護(hù)結(jié)構(gòu)能發(fā)揮橡膠的高彈性。碎片在沖擊斜鋪式橡膠/鋼復(fù)合板后將會(huì)向上反彈，而沖擊鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合板后將會(huì)向下反彈，極大地改善防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果。當(dāng)碎片以入射速度v=120m/s沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，碎片最終會(huì)嵌入橡膠層。當(dāng)碎片以入射速度v=200m/s沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)時(shí)，防護(hù)結(jié)構(gòu)的橡膠層將會(huì)被侵徹，碎片撞擊到鋼板并被鋼板反彈，此時(shí)防護(hù)鋼板表面雖然由于碰撞而產(chǎn)生了凹坑，但是鋼板均沒有發(fā)生穿透性的破壞。

3.3 典型工況的內(nèi)能曲線分析

碎片在沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的過程中，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為防護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)能、迸濺橡膠碎片的動(dòng)能和熱能等，其中防護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)能曲線能夠反映在整個(gè)沖擊過程中的吸能特性。故為了深入研究碎片在沖擊過程中防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸能特性，選取了上述2.2節(jié)中三種典型工況下所對(duì)應(yīng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)能曲線，如圖8、圖9所示。結(jié)合圖8、圖9所示，橡膠/鋼復(fù)合板的吸能特性隨著沖擊速度的變化而變化。當(dāng)碎片以v=30m/s的速度沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，橡膠層的內(nèi)能先增加后降低，而鋼板的內(nèi)能幾乎不變。當(dāng)碎片以v=120m/s的速度沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，橡膠層的內(nèi)能和鋼板的內(nèi)能均會(huì)上升。鋼板的內(nèi)能上升幅度較大，最終穩(wěn)定在一定值，而橡膠層的內(nèi)能增加幅度較小，其內(nèi)能變化先是逐漸增加，隨后又降低為0。當(dāng)碎片以v=200m/s的速度沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，鋼板的內(nèi)能上升幅度較大，相比于鋼板的內(nèi)能，橡膠層的內(nèi)能變化不明顯。

圖8 斜鋪式橡膠/鋼復(fù)合板的內(nèi)能曲線Fig.8 Internal Energy Curve of Inclined Pavement Rubber/Steel Composite Panel

圖9 鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合板的內(nèi)能曲線Fig.9 Internal Energy Curve of Serrated Rubber/Steel Composite Panel

3.4 二次沖擊后的仿真分析

碎片在初次沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)后會(huì)被反彈撞擊對(duì)面墻體而發(fā)生二次沖擊，為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)室上方易損裝置的安全，必須要保證二次碰撞后碎片不向上反彈。本仿真涉及碎片在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)墻體間的反彈碰撞，由于兩面墻體距離較遠(yuǎn)，如果按照實(shí)際尺寸建立模型并求解計(jì)算，將會(huì)極大增加計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，故引入重啟動(dòng)技術(shù)。重啟動(dòng)分析的核心是以第1次沖擊后的運(yùn)算結(jié)果作為第2次計(jì)算的初始狀態(tài)，即把碎片在初次沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)結(jié)果作為二次碰撞的初始條件。仿真后的豎直方向速度匯總結(jié)果，如圖10所示。

圖10 二次碰撞后碎片豎直方向速度匯總圖Fig.10 Summary of Vertical Velocity of Debris after Secondary Collision

如圖10所示，以豎直方向速度v=0m/s平面為分界限，經(jīng)過二次碰撞后剩余速度v＞0m/s的工況將會(huì)對(duì)上方易損裝置造成危險(xiǎn)，而剩余速度v＜0m/s的工況將不會(huì)破壞易損裝置，故規(guī)定碎片剩余速度大于0的區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)域，剩余速度小于0的區(qū)域?yàn)榘踩颉Ｓ蓤D10可見，碎片被初次反彈后撞擊對(duì)面防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生二次碰撞時(shí)，豎直方向速度均v≤0m/s，即所有工況最后都落在安全域中，故這兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)均能有效保護(hù)上方易損裝置。

4 結(jié)論

提出了兩種適用于民用防護(hù)領(lǐng)域的防護(hù)結(jié)構(gòu)形式—斜鋪式和鋸齒狀橡膠/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過LS-DYNA軟件對(duì)其抗沖擊性能和防護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，具體結(jié)論如下：

(1)根據(jù)碎片沖擊橡膠/鋼復(fù)合板防護(hù)結(jié)構(gòu)后剩余速度的不同，可分為三種典型工況。當(dāng)入射速度v＜80m/s時(shí)，橡膠的高彈性使碎片反彈飛出；當(dāng)入射速度80≤v≤120m/s時(shí)，碎片最終嵌入橡膠層內(nèi)；當(dāng)入射速度v＞120m/s時(shí)，碎片會(huì)擊穿橡膠層最終被鋼板反彈回來。

(2)提出的兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)工況各有側(cè)重，對(duì)于碎片入射速度v＜80m/s的工況的防護(hù)，可優(yōu)先選用鋸齒狀橡膠/鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)；當(dāng)碎片入射速度80≤v≤120m/s時(shí)，兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果一樣；對(duì)于入射速度n＞120m/s的工況，適合選用斜鋪式橡膠/鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)。所提出的兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)均可推廣到其他民用防護(hù)領(lǐng)域。