铝板--环氧树脂夹层结构抗爆性能数值模拟研究

（空军勤务学院机场工程与保障系 江苏 徐州 221000）

铝板
--环氧树脂夹层结构抗爆性能数值模拟研究

谢永亮 赵 亮 张 勇

（空军勤务学院机场工程与保障系 江苏 徐州 221000）

运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA，在相同的爆炸冲击波作用下，对掩蔽物上方铝板和含环氧树脂夹层的普通铝板两种防护结构的抗爆性能进行了数值模拟和对比分析，结果表明：有环氧树脂夹层的铝板结构的抗爆性能要优于无环氧树脂夹层的铝板，且抗爆性能随着环氧树脂夹层厚度的增加呈现出先增大后减小的趋势，为防护结构的研制提供了一定的参考。

铝板；环氧树脂夹层；抗爆性能；数值模拟

0 引言

为避免敌火力打击，提升战场生存力，往往对我重点部位进行工程防护。在防护工程的中上部一方面对结构的抗打击性能要求较高，另一方面要求结构荷载不宜过大，而铝板材料所具备的质量轻、强度高、刚性好、环氧树脂质量轻，缓冲吸能性能好等优点是解决这一难题不错的选择[1]。本文通过采用大型模拟软件ANSYS/LS-DYNA对有无环氧树脂夹层，不同环氧树脂夹层厚度的复合板结构进行模拟，探讨出环氧树脂以及其厚度对冲击波的衰减作用，为工程防护提供一定的参考。

1 试验设计

试验实体的物理尺寸为：掩蔽物尺寸为24cm×4 cm×4cm，炸药为2 cm×4 cm×1 cm，上下层铝板为24cm×4cm×1cm，环氧树脂夹层的的尺寸为24cm×4cm×0.5cm、24cm×4cm×1cm和24cm×4cm×2cm，为了节省程序运算时间，考虑模型的对称性，建立1/4模型进行简化运算。另外为对比研究环氧树脂厚度变化对试验结果的影响，设炸药从上表面起爆，控制起爆点到掩蔽物上表面，即下层铝板的下表面的距离不变为7cm。本试验控制上下层铝板厚度为1cm不变，变量为中间夹层环氧树脂厚度，分别为0、0.5、1、2cm，0cm表示无中间夹层环氧树脂，只有两层1cm厚铝板。

2 数值模拟

2.1材料状态方程与模型

数值模拟所采用的材料主要为TNT炸药、空气、铝板、环氧树脂。

数值模拟所采用的TNT炸药选用材料类型8，密度为1.63g/cm3，爆速为0.693cm/μs，CJ压力为21Gpa，采用JWL状态方程，此状态方程通常用于描述高能炸药及爆轰产物[2]，其形式为：

其中，A，B，R，R’，是材料常数，P是压力，V是相对体积，E是初始内能。分别取A=373.8Gpa，B=3.747 Gpa，R=4.15，R’=0.9，=0.35，E=9.6GJ/m3。空气采用下面的气体状态方程来模拟，该状态方程为：P=（γ-1）ρE

其中，P是压力，γ是气体热指数，ρ是相对密度，E是空气内能。分别取γ =1.4，ρ=1.3×10-3g/ cm3，E=2.5×10-6（105MPa）。

铝板采用DYNA Johnson-Cook本构模型进行模拟，材料参数分别为：ρ=2.7g/ cm3，E=72Gpa，σ=0.33。

环氧树脂的应力应变关系采用LS-DYAN中的ELASTIC_PLASTIC_HYDRO本构模型，其参数值分别为：ρ=0.980 g/ cm3，弹性模量1Gpa，泊松比为0.38。

数值模拟过程中，炸药、空气、铝板和环氧树脂均采用3D SOLID164单元类型，炸药和空气使用欧拉算法，铝板和环氧树脂采用拉格朗日算法，炸药和空气单元不存在畸变问题，铝板环氧树脂夹层结构与炸药和空气采用耦合算法，计算时在对称面方向上进行面约束位移，在Z方向即厚度方向上进行节点约束位移，数值模拟采用cm-g-μs单位制。

2.2数值模拟过程

构建有限元实体及网格划分[3-4]，如图1所示。

3 计算结果分析

为考虑爆炸对结构的最大影响，选取炸药正下方处、下层铝板背面的单元进行分析，主要分析其在冲击波作用下压力、位移随时间的变化。

3.1压力时程图分析

图1 有限元实体及网格划分

图2 无夹层

图3 含0.5cm夹层

图4 含1cm夹层

图5 含2cm夹层

如图2,3,4,5所示，爆炸冲击波对复合板的作用是个反复的过程，具体表现为压力和拉力的交换进行。由图2可知，对于无环氧树脂的普通铝板结构，冲击波对所取单元造成的压力的峰值达到了4×10-3；由图3可知，对于含有0.5cm环氧树脂夹层的复合结构，冲击波对所取单元造成的压力的峰值达到了0.2×10-3，相比于无环氧树脂夹层的纯铝板结构，压力峰值降低3.8×10-3；由图4可知，对于含有1cm环氧树脂夹层的复合结构，冲击波对所取单元造成的压力的峰值达到了0.065×10-3，相比于无环氧树脂夹层的纯铝板结构，压力峰值降低3.935×10-3；由图5可知，对于含有2cm环氧树脂夹层的复合结构，冲击波对所取单元造成的压力的峰值达到了0.1×10-3，相比于无环氧树脂夹层的纯铝板结构，压力峰值降低3.9×10-3。通过对比发现，相比于无夹层结构的普通铝板，添加环氧树脂夹层后压力峰值下降明显，说明环氧树脂夹层的添加确实对冲击波起到相当的缓冲作用。随着夹层厚度继续增加至1cm时，峰值压力继续降低。但当夹层厚度继续增加至2cm时，峰值压力不减反增，说明复合板对冲击波的缓冲效果有所下降，这一方面是由于随着夹层厚度的增加，整个结构距离爆点更近了，炸药损失在空气中的能量更少而作用于结构的能量更多导致峰值压力增大，另一方面可能是环氧树脂层越厚，其刚性越强，传力效果越好，使得传递到底部铝板的峰值压力有所增加。因此，从压力时程图中可以看出：添加环氧树脂夹层确实对冲击波起到了一定的缓冲效果，但不是环氧树脂夹层越厚，对冲击波的衰减效果最好，本试验中环氧树脂夹层为1cm时，即占整体结构厚度的1/3时效果最好。

3.2位移时程图分析

图6 四种情况位移时程图

图6为单元的四种情况下位移时程图，从图中可以看出，对于无环氧树脂的普通铝板结构，冲击波对所取单元造成的位移的峰值达到了7.5×10-3；对于含有0.5cm环氧树脂夹层的复合结构，冲击波对所取单元造成的位移的峰值达到了2.5 ×10-3，相比于无环氧树脂夹层的纯铝板结构，位移峰值降低5×10-3；对于含有1cm环氧树脂夹层的复合结构，冲击波对所取单元造成的位移的峰值达到了0. 5 ×10-3，相比于无环氧树脂夹层的纯铝板结构，位移峰值降低7×10-3；对于含有2cm环氧树脂夹层的复合结构，冲击波对所取单元造成的位移的峰值达到了2× 10-3，相比于无环氧树脂夹层的纯铝板结构，位移峰值降低5.5×10-3。通过对比发现：相比于无夹层结构的普通铝板，添加环氧树脂夹层后位移峰值下降明显，说明环氧树脂夹层的添加确实对冲击波起到相当的缓冲作用。随着夹层厚度的增加，位移峰值出现先减小后增大的情况，说明整体结构对爆炸冲击波的衰减作用先增大后减小，且在含有1cm环氧树脂夹层即占整体结构厚度的1/3时效果达到最好，与压力时程图分析结果一致。

4 结语

由上面不同厚度环氧树脂夹层对爆炸冲击波的衰减效果分析可得到如下结论：

（1）相比于无环氧树脂夹层的纯铝板结构，环氧树脂夹层为0.5cm时整体结构压力缓冲效果提升95%，位移缓冲效果提升66.7%；环氧树脂夹层为1cm整体结构压力缓冲效果提升98.4%，位移缓冲效果提升93.3%；环氧树脂夹层为2cm整体结构压力缓冲效果提升97.5%，位移缓冲效果提升73.3%。

（2）环氧树脂夹层能够对冲击波起到一定的缓冲作用，但缓冲效果并不随着厚度的增加而线性增加。综合看来，当环氧树脂夹层厚度为1cm，即复合板由1cm厚上层铝板、1cm厚环氧树脂中间夹层和1cm厚下层铝板组合时整体缓冲效果最好。

[1]杜修力.炸药爆炸作用下地下结构的动力响应分析[J].爆炸与冲击，2006，26（5）：13-20

[2]边小华，石少卿，康建功等.一种新型防护结构对爆炸冲击波衰减特性的研究[J].后勤工程学报，2005：40-45

[3]时党勇.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显示动力分析[M].北京：清华大学出版社，2005

[4]赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京：兵器工业出版社，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

谢永亮，中国人民解放军空军勤务学院机场工程与保障系，教授

赵亮，中国人民解放军空军勤务学院机场工程与保障系，硕士研究生

姜凯邻（1994-），男，河北沧州人，本科。专业：土木工程