一种新型防护结构对爆炸冲击波的衰减研究

边小华 杨 飞

信息化战争条件下，精确制导武器在坑道口部附近爆炸，将会在坑道内部产生持续时间很短且峰值压力很高的爆炸冲击波，而持续时间增加得很快［1，2］，对坑道内部设备和人员构成了极大的威胁。为提高普通钢板防护门抗爆性能，设计人员往往采取加大其截面和厚度的方法，导致普通钢板防护门厚重有余而灵巧不足［3］。为此，作者提出了一种在普通钢板防护门前面设置泡沫铝缓冲层的新型防护结构。

1 泡沫铝性能简介

泡沫铝是一种在金属铝基体中分布着大量气泡的金属材料，它兼有连续金属相和分散空气相的特点，使其具有许多独特的功能。泡沫铝在压缩过程中，有高而宽的应力平台，在压缩过程中大量能量在近似恒应力下被吸收［4］，这种特性使得泡沫铝具有很高的吸能效率。此外，通过已有的静态力学研究进一步表明泡沫铝是一种极具潜力的吸能缓冲材料，具有很高的冲击吸能本领［5］。下面采用有限元软件是LS-DYNA，对该软件进行简要的叙述。

2 数值模拟

2.1 LS-DYNA 程序

LS-DYNA程序是在美国Larence Livermore National Lab.由J.Q.Hallquist博士主持开发完成的，主要目的是为武器设计提供分析工具，后经不断的改进和扩充，目前已成为著名的非线性动力分析软件，支持它的前处理器很多，本文使用的是ANSYS。下面就对本文所选用的材料参数与状态方程进行叙述。

2.2 材料参数与状态方程

本文所采用的材料参数与状态方程如下:数值模拟所用的TNT炸药，密度 ρ1=1.6 g/cm3，爆速 D=0.7cm/μs，CJ压力为 25.5 GPa。采用 Jones，Willkins，E.L.Lee 等提出的 JWL 状态方程［6，7］来模拟炸药爆轰过程中压力和内能及相对体积的关系，该状态方程为:

其中，A，B，R1，R2均为材料常数;P为压力;V为相对体积;E01为初始内能。计算时TNT炸药状态方程中的参数如表1所示。

空气用下面的气体状态方程来模拟，该状态方程［8］为:

其中，P'为空气压力;γ为气体热指数，γ=1.4;ρ2为空气相对密度，ρ2=1.3 ×10－3g/cm3;E02为空气内能，E02=2.5 ×10－1MPa。

钢板采用DYNAT24双线性弹塑性本构模型进行模拟，材料的参数分别为:ρ=7.85 ×103kg/m3，E=210 GPa，Et=3 GPa，μ =0.3，σs=0.4 GPa。

表1 所用TNT炸药的状态方程参数

B.A.Gama等［9］对泡沫铝材料进行数值模拟时曾采用 Honeycomb蜂窝结构模型，这里采用 Crushablefoam本构模型［8］来模拟。泡沫铝的本构关系需要输入材料的工程应力应变曲线。已有研究者通过SHPB实验得到了如图1所示泡沫铝应力应变曲线及其他参数:ρ0=1.2 ×103kg/m3，E=1.2 GPa，v=0.3，Pcut=10 MPa。其中，Pcut为拉伸荷载下定义失效的拉伸应力截止值［10］。

图1 泡沫铝应力应变曲线

2.3 计算结果分析

对所建立的有限元模型进行简要叙述(见图2)。该模型是利用波阵面上的超压遵从Hopkinson比例定律的衰减特性［11］，依托“某工程防护门抗化爆冲击波试验”进行了1∶5模型缩尺，坑道截面尺寸见图3。采用Euler算法，模拟出坑道口部爆炸冲击波的峰值压力，口部峰值压力约为1.03 MPa(如图4所示)。

2.3.1 普通钢板防护门对爆炸冲击波的衰减性能研究

在坑道口部设置一定厚度的普通钢板防护门。关于钢板防护门厚度问题，在类似问题的研究中［12］，研究人员通常选取的普通钢板厚度为6mm，本文亦是如此。

数值模拟分两步进行:第一步采用Euler算法，对如图2所示的有限元模型进行数值计算，并在爆炸冲击波传播至普通钢板防护门的临界面上，选取多个具有代表性的单元，把这些单元的平均压应力时程曲线作为施加在普通钢板防护门的加载曲线(如图5所示)。第二步是把第一步求出的平均压应力时程曲线施加在普通钢板防护门上，对其进行数值模拟。该方法模拟出的结果与试验结果吻合得较好，已得到不少研究人员的运用［12］。文中所选取的单元主要为截面中轴线上、拱顶附近应力较大的单元。

图2 有限元模型示意图

图3 坑道截面示意图

图4 坑道口部的压力时程曲线

图5 钢板防护门上的加载曲线

图6 钢板防护门正、背面应力时程比较图

由图6可以看出:在坑道口部设置普通钢板防护门时，相同位置处的爆炸冲击波峰值压力约为0.045 MPa。由此可以看出:在坑道口部设置一定厚度的普通钢板防护门，可以有效地降低坑道中爆炸冲击波的峰值压力。从爆炸冲击波对人员的伤害情况［13］显示，该峰值压力仍然会使坑道内部设备和人员受到伤害。因此，在无任何缓冲层的情况下，普通钢板在爆炸冲击波作用下产生的破坏作用是不容忽视的。为此，我们考虑在坑道口部设置泡沫铝缓冲层，以此来降低坑道口部爆炸冲击波的峰值压力。

图7 泡沫铝在钢板前面时泡沫铝正面、钢板背面应力时程比较图

2.3.2 缓冲层设置在普通钢板防护门前时的衰减性能研究

泡沫铝缓冲层设置在普通钢板防护门前面时，普通钢板防护门厚度为6mm，泡沫铝缓冲层厚度为10mm，对该新型防护结构的计算结果、对比分析如下:当泡沫铝缓冲层设置在普通钢板防护门前面时，由图7可以看出:普通钢板背面爆炸冲击波峰值压力约为22.5 ×10－3MPa(即0.225 atm)，与0.045 MPa相比，其峰值压力大幅度降低，泡沫铝有效地降低爆炸冲击波的峰值压力，保证了坑道内部设备和人员的安全。

3 结语

本文利用泡沫铝的衰减特性，将泡沫铝和普通钢板组合起来作为一种新型防护结构，与普通钢板防护门相比，该新型防护结构更能有效地降低爆炸冲击波的峰值压力，在很大程度上保证了坑道内部设备和人员的安全。在信息化战争中，该新型防护结构对洞库口部的抗爆缓冲设计有着重要的参考和应用价值。

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