雙層復合結構對混凝土墻防護性能的模擬研究

吳瑋棟，高 星，郄彥輝，程 聰

（1.河北工業大學 機械工程學院，天津 300401；2.河北省特種設備監督檢驗研究院，河北 石家莊 050061）

0 前言

水壓爆破試驗是檢查承受內壓設備的爆破壓力的常用標準試驗，但在水壓爆破試驗過程中，迸濺的金屬碎片會撞擊并損壞封閉實驗室的混凝土墻壁。故需要在水壓爆破實驗室內安裝防護結構保護實驗室混凝土墻體不被損壞。為此，有實驗人員在水壓爆破實驗室的混凝土墻體上安裝鋼板以增強其防撞擊能力，但是鋼板的防護能力有限，高速碎片擊穿鋼板撞擊到混凝土墻體致使其產生凹坑的現象時有發生，如圖1所示。針對室內混凝土墻體的防護結構設計和防護性能的問題有待深入研究。

圖1 封閉實驗室破壞情況Fig.1 Destruction of the sealed laboratory

現階段，對于防護結構的研究主要集中在新材料和新結構兩個方向。主要研發并應用的防護材料有非金屬材料[1-2]、金屬材料[3-4]、復合材料[5-6]等，主要設計并應用的結構有三明治結構[7-8]、蜂窩結構[9-10]、負泊松比結構[11-12]等。盡管這些結構防護性能優越，但是造價高、結構較為復雜，通常應用在國防軍事和高新科技領域，而在民用領域內得不到推廣普及應用。結構簡單、成本較低的室內的防護結構，國內外的研究相對較少。針對這一現狀，本文提出了一種適用于民用領域的室內雙層防護結構，旨在減少水壓爆破試驗過程中產生的高速碎片對封閉實驗室的損壞。該雙層防護結構還具有造價較低，結構簡單且便于安裝更換等特點，亦可在其他民用防護領域推廣應用。

1 橡膠/鋼板復合防護結構設計

橡膠/鋼板復合防護結構主要由橡膠/鋼板用螺栓固定在混凝土墻體上構成。該防護結構利用橡膠的高彈性和鋼板的韌性及延展性來防護高速碎片的沖擊，其中鋼板厚度為4 mm，橡膠緩沖層厚度初步確定5 mm、10 mm和15 mm這3個備選方案，如圖2所示。

圖2 防護結構布置和構造示意圖Fig.2 Configuration and construction of protective structures

2 數值仿真

2.1 仿真模型及求解方法

鑒于水壓爆破實驗產生的爆破碎片尺寸較小、形狀較為復雜且具有一定的隨機性，在此忽略形狀的影響，把碎片簡化為直徑為8 mm的剛性小球進行研究，并且忽略橡膠和鋼板間粘合劑的影響，采用單元共用節點的方式模擬橡膠和鋼板間的連接。實驗室墻體的實際構造是在空心磚結構的基礎上均勻的平敷了一層10 cm厚度的混凝土，考慮到相較于平敷在表層的混凝土而言，空心磚結構不易被破壞，其損壞情況直接受混凝土的影響，為了減少網格數量從而便于計算，在此墻體模型僅考慮厚度為10 cm的混凝土結構。由于結構的對稱性，采用1/2模型建模，有限元模型尺寸為300 mm×400 mm，為了提高計算效率并防止網格產生畸變導致計算難以維系，采用在鋼球與防護結構的接觸區局部網格加密方法劃分單元.

有限元模型采用Lagrange算法定義，接觸類型采用自動單面接觸。有限元模型如圖3所示。

2.2 邊界條件及碎片初速度定義

在鋼球、鋼板和混凝土墻體對稱面處設置對稱邊界條件，鋼板兩側邊界施加固定約束條件，混凝土墻體兩側邊界設置無反射邊界條件。鋼球施加初始速度后進行仿真計算。碎片的穿透能力可由式（1）表示[13]：

圖3 碎片-橡膠/鋼復合板-墻體的有限元模型Fig.3 Fragment-rubber/steel composite panel-wall finite element model

式中：S是碎片對被撞擊物造成的穿透量；K為材料的穿透系數；E為碎片在穿透被撞擊物之前所具有的動能；A為碎片與被撞擊物之間的相撞截面積；m為碎片的質量；v為碎片的初始入射速度。由于爆破碎片的初始速度一般在80～120 m/s范圍內[13]，根據碎片的穿透力公式，在其他條件不變的情況下，碎片的初始入射速度越大，穿透能力越強，對墻體的威脅也就越大，本研究中選取碎片初速度v=120 m/s垂直沖擊防護結構的工況進行分析。

2.3 材料模型及參數

鋼板材料選用#45鋼，采用Johnson-Cook本構模型和Gruneisen狀態方程來描述其本構關系，其中Johnson-Cook本構模型考慮了應變率對材料力學性能的影響，具體形式為

式中：A為屈服應力；B為應變硬化系數；n為應變硬化指數；C為應變率相關系數；m為溫度相關系數；ε*為無量綱塑性比；為有效塑性應變率。D1～D5為材料的損傷參數。表1和表2給出了鋼的材料參數和損傷參數[14]，G為剪切模量。

橡膠采用6744型號的天然橡膠，其是一種典型的超彈性材料，具有較為復雜的本構關系。在仿真計算時采用Ogden本構模型定義其材料特性[15]，應變能密度函數為

式中：p,q,r取0，1，2；μ是與材料變形無關的材料常數；I1,I2,I3為左Cauchy-Green張量的不變量。材料模型參數見表3。其中，Hsa為材料邵氏硬度，Ss為拉伸強度，St為抗撕強度，εf為扯斷伸長率，εs為扯斷永久變形。

混凝土墻體采用HJC本構模型[16]，該模型能夠反映混凝土等脆性材料在大應變、高應變率下及材料失效的動態響應，材料參數如表4所示。其中，fc′為材料的靜抗壓強度，A、B、C是材料的強度參數，D1和D2為材料的損傷值，T為材料最大拉伸強度，Pc和μc分別對應著壓垮的靜水壓力和體積應變，k1～k3為壓力常數。

3 結果分析

表1 45號鋼的材料參數Tab.1 Material parameters of 45 steel

表2 45號鋼的損傷參數Tab.2 Damage parameters of 45 steel

表3 6744型號天然橡膠的材料參數Tab.3 Material parameters of 6744 natural rubber

表4 HJC模型參數Tab.4 Material parameters of HJC model

3.1 不同橡膠層厚度對鋼板防護效果的影響

分別對3種不同橡膠層厚度的雙層復合防護結構進行球形碎片的撞擊仿真分析，輸出球形碎片在碰撞過程中的速度變化曲線，如圖4所示。

由圖4可看出，橡膠層厚度越大，碎片最終剩余速度就越小。當橡膠層厚度為15 mm時，碎片剩余速度為0。雖然理論上橡膠厚度可以繼續增加，但是出于經濟考量及便于更換，綜上所述，結合碎片的最終剩余速度，故選取橡膠層厚度為15 mm。

3.2 橡膠/鋼復合板對混凝土墻體的防護效果

圖5和圖6分別給出了碎片以初速度v=120 m/s沖擊橡膠/鋼復合板-混凝土墻體的應力云圖和沖擊歷程的仿真結果。

圖4 碎片沖擊過程中豎直方向的速度曲線Fig.4 Vertical velocity curve during debris impact

如圖5和圖6所示，碎片沖擊橡膠/鋼復合板-混凝土墻過程中，碎片不斷侵徹橡膠層，橡膠緩沖層發生了破壞，最終嵌入橡膠層內。整個過程中，碎片沒有撞擊到鋼板結構，避免了與鋼板的直接接觸。

為比較純鋼板和橡膠/鋼復合板對混凝土墻的防護效果，對混凝土墻體的受損情況進行比較分析。圖7給出了混凝土墻體受沖擊面的應力云圖對比。

由圖7所示，兩種防護結構對混凝土墻體的防護效果截然不同，碎片沖擊鋼-混凝土墻體后的應力量級明顯比沖擊橡膠/鋼復合板-混凝土墻體后大。如圖7a）所示，高速碎片沖擊鋼-混凝土墻體后，由于鋼板結構受沖擊后發生變形，受沖擊區域向內凹陷。此時由于凹陷的鋼板擠壓混凝土墻體，墻體正面中心區域隨之破壞。并且觀察到混凝土墻體受沖擊區域中心的應力不連續且變化不規則，產生的原因是因為中心單元應力達到了材料的應力閾值，計算機識別其失效而刪除了結構中相應的單元，造成了應力釋放，從而導致應力不連續。如圖7b）所示，高速碎片沖擊橡膠/鋼復合板-混凝土墻體后，由于碎片在侵徹橡膠層的過程中消耗了大量能量，并沒有撞擊到鋼板，最終混凝土墻體正面沒有發生破壞。

除了混凝土墻體正面容易受到破壞外，混凝土墻體內部也極易被破壞，圖8和圖9分別給出了碎片沖擊鋼-混凝土墻體和雙層復合結構-混凝土墻體內部的損傷云圖。

圖5 碎片沖擊雙層復合結構-混凝土墻應力云圖Fig.5 The stress of fragment impact rubber/steel composite panelconcrete wall

圖6 碎片沖擊歷程Fig.6 The history of fragment impact

圖7 混凝土墻體正面的應力云圖Fig.7 The stress of the front of concrete wall

圖8 碎片沖擊鋼-混凝土墻體后墻體內部云圖Fig.8 The interior stress of fragment impact steel-wall

圖9 碎片沖擊雙層復合結構-混凝土墻體后墻體內部云圖Fig.9 The interior stress of fragment impact rubber/steel composite panel-wall

如圖8所示，碎片沖擊鋼-混凝土墻體后墻體內部會形成裂紋。墻體內部裂紋首先在靠近沖擊區域生成，隨著鋼板不斷向內凹陷，墻體裂紋不斷向四周擴展。并且發現當沖擊過程結束后，靠近墻體背面的區域裂紋較為集中。這是因為混凝土的抗拉能力遠遠小于抗壓能力，在沖擊過程中，墻體背面的拉力值達到了應力閾值導致裂紋大量產生。而如圖9所示，碎片沖擊橡膠/鋼復合板-混凝土墻體后，墻體內部沒有產生裂紋，墻體內部應力沒有達到極限強度。

由前文所述，碎片沖擊鋼-混凝土墻體后，其背面裂紋較為集中，在此對混凝土墻體背部破損情況進行分析比較。圖10給出了碎片沖擊鋼-混凝土墻體和雙層復合結構-混凝土墻體背面的損傷圖。

如圖10a）所示，球體碎片沖擊鋼-混凝土墻體后，墻體背面形成了中心為圓形并向四周線狀擴展的裂紋區域。如圖10b）所示，相同工況下，碎片沖擊雙層復合結構-混凝土墻體后，背面沒有產生裂紋，混凝土墻體完好無損。

圖10 混凝土墻體背面的破損情況Fig.10 Damage to the back of concrete wall

綜上所述，本文所設計的雙層復合結構能夠保護混凝土墻體免遭破壞，有效減少水壓爆破試驗過程中產生的高速碎片對封閉實驗室混凝土墻體的損壞。

4 結論

為減少水壓爆破試驗過程中產生的高速碎片對封閉實驗室墻體的損壞，本文提出了一種適用于民用領域的橡膠/鋼板組成的雙層復合防護結構，考慮了最危險工況即碎片以初速度v=120 m/s垂直沖擊防護結構，利用LS-DYNA軟件進行了數值模擬驗證分析，具體結論如下：

1）碎片沖擊雙層復合結構-混凝土墻體后，橡膠層的厚度越大，其防護效果越好，當橡膠層厚度為15 mm時，碎片最終將會嵌入橡膠層內。

2）本文提出的雙層復合結構能夠保護墻體表面不受破壞，能夠阻止混凝土墻體內部裂紋和背面裂紋的產生。