高阻尼橡胶填充钢制防护门动力响应数值模拟

方 浩，李秀地,2，耿振刚，许 珂

(1.后勤工程学院， 重庆 401311； 2.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室(后勤工程学院)， 重庆 401311)

【化学工程与材料科学】

高阻尼橡胶填充钢制防护门动力响应数值模拟

方 浩1，李秀地1,2，耿振刚1，许 珂1

(1.后勤工程学院， 重庆 401311； 2.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室(后勤工程学院)， 重庆 401311)

利用LS-DYNA有限元软件，对普通钢制和含高阻尼橡胶填充层两种防护门在爆炸冲击波作用下的动力响应进行了研究。数值模拟结果表明：高阻尼橡胶填充层的存在有效改善了面板的应力分布状态，衰减应力峰值达23.8%；减小门体背板跨中最大变形量达62%，显著提高了门体在爆炸冲击波作用下的承载能力和抵抗变形能力，表现出良好的冲击波衰减特性。

高阻尼橡胶；防护门；动力响应；温压炸药冲击波

防护门是防护工程口部最重要的防护设备，也是防护工程的薄弱环节，在信息化战争中，其能否抗得住敌方大威力武器的精确打击，对防护工程发挥其预定功能具有决定性的作用。研究表明温压炸药坑道内爆炸冲击波具有长持时、高冲量的特点[1-3]，同时其特有的后燃反应也会大量消耗周围空气中的氧，引起窒息效应，特别适合于打击坑道等密闭空间中的人员和设备。未来战场上我军坑道式防护工程将面临着温压弹打击的严重威胁。可以说，研究具有针对性的防护技术具有现实意义。

平板式钢结构作为一种普遍使用的门体形式，其抗力的提高还主要依靠增大材料截面尺寸，在抗力提高的同时也增大了门体自重，导致其不够灵巧。方秦[4]对双扇平板门钢结构防护门进行了优化分析研究，结果表明在抗力一定的条件下，可以将门体质量由初始设计值的 1 077 kg降为923 kg，单扇门体仍重达近1吨。郭东[5]利用有限元软件ABAQUS对GF2025钢防护门的动力响应进行了研究，结果表明骨架梁的数量和布置方式一定时，腹板厚度及高度、面板厚度对门体抗力影响显著，翼缘板厚度和宽度对门体抗力几乎无影响。

当前的防护门研究进展表明，利用轻质复合材料实现门体轻质高强是一个重要的发展方向[6]。边小华等[7]运用LS-DYNA软件，对比分析了普通钢板防护门和泡沫铝夹层钢板防护门的抗爆性能，结果表明泡沫铝夹层的存在，提高了钢板防护门的抗爆性能。刘学晨等[8]利用LS-DYNA有限元软件计算分析，验证了门前设置聚氨酯泡沫塑料对钢质防护门加固有效。周石磊等[9]提出了一种在工字钢网格中填充泡沫铝耗能层的新型防护门，数值模拟结果表明泡沫铝耗能层能够有效地控制门体变形，延缓防护门的破坏。张博一等[10]利用LS-DYNA软件，对比分析了普通钢制防护门和内置复合泡沫铝芯层两类防护门在相同炸药 TNT 当量爆炸荷载作用下的抗爆性能，结果表明在普通钢制防护门中填充复合泡沫铝可以明显提高防护门的抗爆性能。

高阻尼橡胶是以天然橡胶为基体，通过添加各种配合剂并经高温高压硫化等工艺制成。高阻尼橡胶材料整体的阻尼性能好、质量轻，具有良好的缓冲吸能特性，其在结构抗震、桥梁减震、抑制机械或设备共振、精密仪器仪表减震等方面有着广泛的应用[11-13]。本研究课题组前期研究表明，高阻尼橡胶具有良好的抗爆吸能效果[14]。本研究通过数值模拟将高阻尼橡胶材料与钢板防护门结合，提出新型高抗力防护门并分析其抗爆效果，为抗温压弹爆炸冲击波的防护技术研究提供参考。

1 数值模型

1.1 模型尺寸

本文以单扇平板钢结构防护门为研究对象。实际工程中，平板式钢结构防护门是通过在型钢边框和型钢梁组成的骨架两侧焊接一定厚度的钢板制作而成，其结构和工艺较为复杂。为了便于建立模型和计算，对钢板防护门进行简化。将防护门中型钢的翼缘折算到两侧的钢板中，模型就简化为由钢格构骨架和两侧钢板组成。利用高阻尼橡胶材料对格构进行填充，构造一种新型防护门，分析其整体抗爆效果。

简化的单扇普通平板钢结构防护门，高2 m(模型中Y方向)，宽1.5 m(模型中X方向)，总厚度为0.11 m(模型中Z方向)，门体前后面板厚度均为0.01 m，格构的骨架梁厚0.09 m。面板和背板与门体同高宽；格构中骨架由高0.09 m、宽0.03 m的矩形梁焊接构成。骨架梁等间距布置，横向(X方向)4根，竖向(Y方向)5根。填充高阻尼橡胶新型防护门尺寸同上。

在LS-DYNA软件中分别建立普通钢制防护门和新型防护门模型，如图1所示，骨架梁、外包板和高阻尼橡胶填充层均采用SOLID164单元进行网格划分，采用映射网格划分方法保证各部分之间网格划分一致。外包板和骨架梁之间采用共节点连接方式。

图1 防护门有限元模型

1.2 荷载及边界条件

本文将数值模拟得到的75 kg温压炸药在长50 m、宽 4 m、高4.5 m的直墙圆拱式坑道中堵口爆炸时，坑道内距离口部20 m处的反射冲击波荷载[15]直接施加到门体上，其峰值超压为2.92 MPa，持续时间为65.257 ms。施加的反射冲击波波形如图2所示。

图2 反射冲击波波形

实际上，防护门上设置有铰页和闭锁等构件，这些构件都会一定程度上对防护门在爆炸荷载作用下的动力响应产生影响。防护门在设计时，铰页和闭锁不得承受由门扇传来的正向冲击波荷载[16]，因此，可以忽略铰页和闭锁对门体变形的影响，对门体四边施加简支约束，近似模拟防护门关闭时的约束情况，这种约束方式合理，也是偏安全的[17]。

1.3 材料模型及参数

1) 钢材材料模型

钢材的材料参数如表1所示。采用塑性随动模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC。考虑应变率对材料本构关系的影响，钢材动态屈服强度的表达式见式(1)。

(1)

表1 Q235钢模型参数

2) 高阻尼橡胶材料模型

高阻尼橡胶选用两参数的*MAT_MOONEY-RIVLIN _RUBBER模型，该模型的应变能密度为：

W=A(I-3)+B(II-3)+

C(III-2-1)+D(III-1)2

(2)

C=0.5A+B

(3)

(4)

式中：ν是泊松比，2(A+B)是线弹性剪切模量；I、II、III是应力张量不变量。

在模拟爆炸作用下高阻尼橡胶的动力性能时，需给出该模型中的两个重要参数A和B。但根据实测的工程应力-应变曲线，该模型也可通过内置的最小二乘算法自动计算出参数A和B。高阻尼橡胶密度为1.35×103kg/m3，泊松比取0.499，结合课题组前期通过霍普金森压杆实验实测的应力-应变曲线(如图3所示)，便可最终输入该模型所需的所有参数。

图3 高阻尼橡胶应力-应变曲线

2 计算结果分析

2.1 防护门迎爆面Mises应力分布

图4为温压炸药爆炸荷载作用下，钢制防护门和格构内填充高阻尼橡胶新型防护门门体迎爆面钢板在不同时刻的Von-mises应力分布。在同一荷载作用下，两种防护门迎爆面上应力随时间的变化一定程度上与荷载随时间的变化趋势有关。普通钢板防护门迎爆面钢板上的应力峰值为 424 MPa；填充高阻尼橡胶新型防护门面板上的应力峰值为323 MPa，较普通钢板防护门减小了23.8%。

图4 防护门Mises应力分布

从云图可以看出，普通钢防护门的应力集中现象较为明显，而高阻尼橡胶填充防护门应力分布则表现出明显不同的趋势，这是由于高阻尼橡胶对格构的填充，改变了面板的受力变形趋势，原本较弱的部分得到了一定的增强，使得应力分布趋向均匀。

2.2 背板跨中位移

防护门背板最大位移是控制防护门变形条件的一个决定性因素，防护门跨中转角也是背板最大变形的另一种表现形式。TM5-1300手册[18]根据支撑旋转角的大小将防护门防护等级划分为弹性、2°、4°、12°四个等级，并且最好将支撑旋转角控制在2°以内，这样便于受爆炸荷载作用破坏后的快速抢修恢复。单扇防护门的支撑旋转角可以用下式计算

θmax=arctan(2wmax/B)

(5)

式中：wmax为防护门跨中最大位移；B为防护门宽度。

因此，通过防护门背板跨中最大位移，结合式(5)即可以判断防护门的防护等级。两种防护门背板跨中位移时程曲线如图5所示。

图5 防护门背板跨中位移时程曲线

从图5可以看出，普通钢制防护门背板跨中最大位移为58.9 mm，内置高阻尼橡胶防护门背板跨中最大位移为22.5 mm，较普通钢制防护门衰减约62%。可见高阻尼橡胶对格构的填充使背板跨中最大位移显著衰减，有效减小了门体变形。从防护等级方面来看，普通钢制防护门跨中最大位移对应的θmax约为4.5°，可见其防护等级介于4°和12°之间，而新型防护门的θmax约为1.7°，表明在格构内填充高阻尼橡胶可以将普通钢制防护门的防护能力提高2个等级。

2.3 能量分析

分别绘制温压弹爆炸冲击波作用下两种防护门的能量和动能时程关系曲线，如图6和图7所示。

从图6和图7可以看出，在门体格构内填充高阻尼橡胶后，门体总能量由149 kJ降到50 kJ，衰减66.4%；动能由21.09 kJ降到8.66 kJ，衰减58.9%，这充分说明高阻尼橡胶起到了很好的缓冲吸能作用，提高了门体抗温压炸药爆炸冲击波的能力。

图6 能量时程关系曲线

图7 动能时程关系曲线

3 结论

本文对温压炸药爆炸冲击波作用下，普通钢制防护门和高阻尼橡胶填充钢防护门的动力响应进行了数值模拟研究，得出如下结论：

1) 普通钢制防护门格构中填充高阻尼橡胶材料，可以有效改善迎爆面应力分布，能够衰减应力峰值达23.8%；有效减小防护门背板跨中最大位移达62%，将防护门防护能力提高2个等级。

2) 高阻尼橡胶填充层的存在，改变了防护门内各部分的能量分布状态，提高门体对爆炸冲击波的衰减能力。高阻尼橡胶的缓冲吸能特性好，是一种实用爆炸冲击缓冲材料，具有良好的抗爆应用前景。

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(责任编辑杨继森)

NumericalSimulationonDynamicResponseofSteelDoorFillingbyHighDampingRubber

FANG Hao1, LI Xiudi1, 2, GENG Zhengang1, XU Ke1

(1.Department of Architectural and Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China； 2.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironment Protection (Logistical Engineering University), Chongqing 401311, China)

Based on the LS-DYNA finite element software, the dynamic response of ordinary steel protective door and high damping rubber filling protective door under the impacting of explosive shock wave are studied.The numerical simulation results show that: The existence of high damping rubber filling layer effectively improves the stress distribution of the panel, which attenuates the peak stress by 23.8%;The existence of high damping rubber also reduces the center maximum deformation of the door backplane by the amount of 62%,which significantly improves the carrying capacity of the door and the ability to resist deformation under the action of the shock wave.High damping rubber shows a good shock wave attenuation characteristics.

high damping rubber; protective door; dynamic response; thermobaric shock wave

2017-04-28；

：2017-05-21

：全军后勤科研计划项目(CY213J009)

方浩(1992—),男,硕士研究生,主要从事防护工程研究。

李秀地(1970—),男,教授,博士生导师,主要从事地下工程防灾减灾与防护工程研究。

10.11809/scbgxb2017.09.037

format:FANG Hao, LI Xiudi, GENG Zhengang，et al.Numerical Simulation on Dynamic Response of Steel Door Filling by High Damping Rubber[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):173-177.

TU761.1

：A

2096-2304(2017)09-0173-05

本文引用格式：方浩，李秀地，耿振刚，等.高阻尼橡胶填充钢制防护门动力响应数值模拟[J].兵器装备工程学报，2017(9):173-177.