爆炸波在硬质聚氨酯泡沫中的衰减特性模拟

刘 佳，崔传安，徐 畅

(解放军理工大学 国防工程学院， 南京 210007)

【化学工程与材料科学】

爆炸波在硬质聚氨酯泡沫中的衰减特性模拟

刘 佳，崔传安，徐 畅

(解放军理工大学 国防工程学院， 南京 210007)

将不同密度及不同厚度的硬质聚氨酯泡沫作为成层式防护结构的分配层材料,采用非线性软件LS-DYNA对平面爆炸波在其中传播时的衰减特性进行数值模拟，数值模拟结果表明硬质聚氨酯泡沫作为分配层材料对爆炸波具有很好的衰减效果，厚度越大，衰减效果越好，但达到一定厚度后衰减不太明显；密度的大小对爆炸波衰减有影响，但并不呈简单的递增或递减关系。模拟结果对于成层式防护结构分配层的研究具有一定的参考价值。

数值模拟；爆炸波；硬质聚氨酯泡沫；分配层；衰减

野战防护工事通常是在临战前或战斗进行时构筑的野战阵地，因此要机动、轻便和快速构筑，同时要防止一般炮、航弹侵彻、爆炸破坏，现代战争中成层式防护结构作为一种适用性比较好的结构正被广泛采用。成层式防护结构一般由伪装层、遮弹层、分配层和支撑结构组成，伪装层一般由厚度较薄的松散土壤组成[1]，用于对工事进行伪装；遮弹层一般由混凝土或浆砌块石等材料构成，用于抵抗炮、航弹侵彻[2]；分配层一般选用波阻抗较小的介质，现阶段主要采用回填土或空气隔层[1]，可以极大地衰减爆炸冲击波，减弱对支撑结构的冲击作用。当前，穆朝民[3]、范鹏贤[4]等在遮弹层和支撑结构材料选用和设计计算等方面研究得已经比较深入，李砚召[5]等对分配层结构进行了研究，但对泡沫材料作为分配层的研究还不够充分。硬质聚氨酯泡沫是一种密度小，比较容易快速成型的多孔介质，与泡沫铝相比，价格更加低廉，更容易大规模推广使用。硬质聚氨酯泡沫具有吸收冲击荷载的良好特性，能够降低冲击压力，减弱震荡效应，因此用于防护工事的分配层对于支撑结构及工事内部设备、人员的保护具有极其重要的作用。

1 硬质聚氨酯泡沫的力学性能

硬质聚氨酯泡沫作为一种比重小、易成型的材料，又因其具有良好的耐火、吸收动能的特性，在现代工程和军事领域中得到广泛应用。硬质聚氨酯泡沫材料主要有以下特性：

1) 硬质聚氨酯泡沫材料的强度随着加载速率提高而增大，爆炸冲击作用下，其强度比准静态情况下会大幅提高[6]。

2) 硬质聚氨酯泡沫材料的屈服强度随密度的增大而提高，设计屈服强度值可根据经验公式制作一定密度的泡沫材料。

3) 在冲击波作用下，硬质聚氨酯泡沫材料在压缩强化前有较长的应力应变屈服平台阶段，表现出很好的吸能特性。

4) 硬质聚氨酯泡沫的应力应变曲线具有非线性粘弹特性和滞回特性，耗能机制比较明显[7]。

2 计算模型的建立

成层式防护结构中，由于伪装层在爆炸作用下对结构的影响很小，可不予考虑。计算有限元模型如图1所示。为模拟平面爆炸波，模型采用平铺装药，结构对称，以YOZ为对称平面，坐标原点在炸药与混凝土的对称交界面。Z方向尺寸足够大，在不考虑端面影响的情况下，采用Z方向为0.5 cm厚度的单层网格建模，模型沿X方向的长度为150 cm。上层为厚度5 mm与10 mm的炸药，遮弹层为厚度30 cm混凝土,分配层为厚度30 cm的硬质聚氨酯泡沫,支撑结构为厚度3 cm波纹钢。炸药、混凝土、硬质聚氨酯和波纹钢都采用Lagrange算法进行模拟，炸药采用多点起爆方式，上表面所有节点都设为起爆点。炸药与混凝土采用滑移接触算法，混凝土与聚氨酯泡沫、聚氨酯泡沫与波纹钢之间采用自动面面接触，模型左侧4个面在X方向有位移约束，模型所有节点在Z方向有位移约束，波纹钢右侧端面全约束。炸药为TNT，采用JWL状态方程，具体参数见表1。混凝土采用JHC材料模型[9],这种模型是一种表象的材料模型，它与广泛应用的Johnson-Cook模型相类似，不遵循严格的强化规律和流动性法则，混凝土等脆性材料具有的在大应变、高应变速率和高围压下的动态响应的特点能够被这种模型反映出来反映。波纹钢采用JC材料模型，这种模型虽然为经验模型，但与实验结果吻合很好，被广泛应用于金属材料的模拟。

图1 有限元计算模型

ρ/(g·cm-3)DH/(m·s-1)PCJ/GPaA/GPa1.63693020.6373.8B/GPaR1R2ωE0/GPa3.754.150.90.356.0

硬质聚氨酯泡沫采用低密度泡沫材料模型，分别采用密度为0.092 g/cm3，0.202 g/cm3，0.358 g/cm3，0.472 g/cm3这4种聚氨酯泡沫进行模拟，其本构关系曲线见图2。

图2 不同密度聚氨酯泡沫应力应变曲线[10]

3 数值模拟结果及分析

在两种装药量情况下，模拟过程采用两种对比方式进行，一种是厚度为30 cm，前述四种密度的硬质聚氨酯泡沫作为分配层进行模拟；另一种是厚度分别为5 cm，10 cm，20 cm，30 cm，密度为0.202 g/cm3的硬质聚氨酯泡沫作为分配层进行模拟。图3为5 mm厚炸药，30 cm厚、四种不同密度分配层的应力云图。

图3 分配层应力云图

图4、图5分别列出了5 mm厚度炸药与10 mm厚度炸药情况下，爆炸波峰值在相同厚度、不同密度分配层的衰减曲线。从图中可以看出：在其他条件相同情况下，硬质聚氨酯泡沫密度越大，从混凝土透射到分配层的入射压力也越大。爆炸波在分配层与遮弹层和支撑结构的两端交界面处衰减快，在中间部位衰减较慢。爆炸波经过分配层衰减后，到达与波纹钢支撑结构的交界面时，在四种不同密度的泡沫中最终的应力峰值随密度增大而增大，应力峰值的衰减率先减小后增大，具体数值见表2。

图4 5 mm炸药、30 cm分配层应力峰值衰减曲线

图6、图7分别列出了5 mm厚度炸药与10 mm厚度炸药情况下，爆炸波峰值在相同密度、不同厚度分配层的衰减曲线，从图中可以看出：在聚氨酯泡沫密度相同的情况下，分配层厚度不同，从混凝土透射到分配层的入射压力相同。在厚度超过5 cm后，爆炸波峰值应力—厚度曲线出现一平缓的平台，这表明分配层达到一定厚度后，爆炸波在其中传播时的衰减率随着厚度的增加变得缓慢。爆炸波经过分配层衰减后，到达与波纹钢支撑结构的交界面时，在四种不同厚度的泡沫中最终的爆炸波应力峰值与厚度成负相关关系，应力峰值的衰减率随厚度的增加而增加，具体数值见表3。

图5 10 mm炸药、30 cm分配层应力峰值衰减曲线

图6 5 mm炸药0.202 g/cm3分配层应力峰值衰减曲线

图7 10 mm炸药0.202 g/cm3分配层应力峰值衰减曲线

装药厚度/mm聚氨酯密度/(g·cm-3)入射峰值/MPa衰减后峰值/MPa衰减率/%装药厚度/mm聚氨酯密度/(g·cm-3)入射峰值/MPa衰减后峰值/MPa衰减率/%50.0920.750.02996.1100.0921.790.06496.450.2021.610.12292.4100.2025.010.22395.550.3584.390.2594.9100.358141.2191.350.4726.880.3495.1100.47217.81.3492.5

表3 0.202 g/cm3分配层应力峰值衰减变化

4 结论

硬质聚氨酯泡沫作为分配层，爆炸波在其中的衰减与聚氨酯泡沫的密度和厚度密切相关，通过数值分析，可以得出以下两点结论：

1) 硬质聚氨酯泡沫用作分配层材料时，爆炸波的入射压力与其密度成正相关关系，但爆炸波在其中传播时的衰减率与其密度不成简单的正相关关系，而是随着聚氨酯泡沫密度的增加先减小再增加。

2) 爆炸波的衰减率随硬质聚氨酯泡沫分配层厚度的增加而提高，但达到一定厚度时，其厚度增加对爆炸波的衰减效应不明显。本文的模拟情况中，分配层厚度为5cm时，爆炸波的衰减效率最高。

[1] 张春义，杨守信.信息化条件下防护工程面临的挑战与对策[C]//第3届全国工程安全与防护学术会议论文集.武汉：[出版社不详]，2012.

[2] 方秦，罗曼.弹体侵彻刚玉块石混凝土复合靶体的数值分析[J].爆炸与冲击，2015，35(4)：489-495.

[3] 穆朝民，施鹏，辛凯.射弹侵彻块石遮弹层的数值模拟[J].兵器材料科学与工程，2012,35(5):4-8.

[4] 范鹏贤，王明洋，王淑芳，等.爆炸地震波作用下深埋圆形隧道的动力响应[J].岩石力学与工程学报，2013,32(4):671-680.

[5] 李砚召，王肖钧，等.分配层分层结构对核爆炸荷载的防护效果实验研究[J].中国科学技术大学学报，2009,39(9):931-935.

[6] 田阿利，叶仁传，沈超明.船用夹层板芯材的动态力学性能实验研究[J].船舶力学，2015,19(7),834-840.

[7] 褚洪杰，崔国起，等.动力荷载下聚氨酯泡沫材料本构关系研究进展[J].高分子材料科学与工程，2012,28(5):157-159,164.

[8] MA G W,HAO H,ZHOU Y X.Modeling of wave propagation induced by Underground explosion[J].Computers and Geotechnics,1998,22(3/4):283-303.

[9] HOLMQUIST T J,JOHNSON G R,COOK W H.A Computational constitutive model for concrete subjected to large strains,high strain rates and high pressures[C]//14th International Symposium on Ballistics,1995,591-600.

[10] 范俊奇，董宏晓，高永红，等.高应变率下聚氨酯泡沫材料动态力学性能研究[J].建筑材料学报，2012,15(3):356-360.

(责任编辑杨继森)

SimulationofExplosiveWaveAttenuationCharacteristicsinRigidPolyurethaneFoam

LIU Jia， CUI Chuan’an， XU Chang

(National Defense Engineering Institute, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

The attenuation characteristics of plane explosive wave in the multilayer protective structure distribution layer composed of rigid polyurethane foam is simulated by LS-DYNA software. The explosive wave attenuation characteristics in the rigid polyurethane foam under certain conditions is studied in the text by numerical simulation with rigid polyurethane foam of various density and different thickness as the material of distribution layer. The numerical results shows that rigid polyurethane foam as the material of distribution layer has a very good damping effect on explosion wave. The attenuation effect is better when the thickness is bigger, but the attenuation is not obvious after reaching a certain thickness. The size of the density of the rigid polyurethane foam has an effect on the attenuation of explosion wave, but they do not have the simple relations of increasing or decreasing. Numerical results will provide reference for the study of the multilayer protective structure distribution layer.

numerical simulation; explosive wave; rigid polyurethane foam; distribution layer; attenuation

2017-04-26；

：2017-05-18

刘佳(1988—)，男，硕士研究生，主要从事防护工程设计与研究。

崔传安(1964—)，男，教授，主要从事阵地工程防护以及防护工程与伪装融合的教学和研究工作,E-mail:chuanan_cui@aliyun.com

10.11809/scbgxb2017.09.035

format:LIU Jia，CUI Chuan’an，XU Chang.Simulation of Explosive Wave Attenuation Characteristics in Rigid Polyurethane Foam[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):164-167.

O382+.1

：A

2096-2304(2017)09-0164-04

本文引用格式：刘佳，崔传安，徐畅.爆炸波在硬质聚氨酯泡沫中的衰减特性模拟[J].兵器装备工程学报，2017(9):164-167.