聚脲喷涂铝蜂窝结构抗爆性能数值模拟*

戴平仁，黄正祥，祖旭东，肖强强，贾 鑫

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引言

和平与发展是当今世界的主题，但局部战争与恐怖活动此起彼伏，严重危害社会安全稳定，防爆领域备受世界关注。为提高抗爆能力，普遍采用的方法是增加目标厚度、开发使用新材料以及采用复合结构方式等方案[1]。聚脲弹性体(polyurea,PUA)是由异氰酸酯(A组分)与氨基化合物(R组分)反应生成的高分子聚合物[2]，具有优异的理化性能与吸能特性，喷涂于结构上能够提高结构的防护性能，在防爆抗冲击领域深受国内外学者欢迎。宋彬[3]等人在研究聚脲弹性体夹层防爆罐中发现，聚脲较橡胶具有良好的吸能特性。甘云丹、赵延杰等人[4-5]研究了聚脲涂覆钢板水下抗性能，发现将聚脲涂覆在钢板的背爆面防护效果最佳。Junguo Wang、张跃飞等人[6-7]研究了聚脲喷涂墙体抗爆性能，研究发现聚脲加固墙体效果明显。蜂窝结构以其比刚度大、比强度高、吸能特性好等优点在军民领域应用十分广泛。B.ti[8]等人通过理论与数字模拟的方法发现以蜂窝为夹层的三明治复合结构具有良好的弯曲动态行为特性。朱易[1]等人研究了橡胶填充蜂窝夹层复合结构发现橡胶填充纵向蜂窝夹层复合靶板抗爆性能最优。 Tekalur S A[9]通过实验发现在三明治复合结构中，中间夹层含有软材料时抗爆性能达到最佳。聚脲弹性体具有良好的喷涂工艺，可对多种结构进行喷涂，但聚脲弹性体对轻型防护结构加固的研究，国内尚未开展。铝蜂窝是常用的轻型防护结构，具有良好的力学性能，应用十分广泛。本研究基于以上研究成果，用新型材料聚脲弹性体对复合结构蜂窝夹层进行加固形成的聚脲蜂窝复合靶板，通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA对聚脲蜂窝复合靶板进行数值模拟。聚脲对蜂窝靶板有四种喷涂方式，分别为正面喷涂、背面喷涂、双面喷涂以及蜂窝内腔填充聚脲，并与无喷涂聚脲的蜂窝靶板进行对比，主要研究分析在相同的爆炸载荷下四种复合靶板变形、吸能情况。

1 数值计算模型

1.1 数值计算方案

利用LS-DYNA有限元软件，对复合靶板进行三维实体建模，计算模型由炸药、空气、聚脲以及蜂窝靶板组成。在数值计算模型中，利用问题的对称性采用1/4模型，对称面上施加对称约束；靶板边界设置全约束。聚脲和蜂窝靶板采用Lagrange网格，炸药和空气采用Euler网格，两种网格采用流固耦合的算法(ALE)。为确保数值模拟的精度，采用网格细分技术，将靶板中心区域的面板、背板、以及喷涂与外表面的聚脲加密。

文中蜂窝采用典型正六边形结构，蜂窝胞元的内边长4 mm，壁厚1 mm，高8 mm。面板与背板均为200 mm×200 mm×2 mm。如图1所示，四种聚脲涂覆蜂窝靶板分别为A型正面喷涂、B型背面喷涂、C型双面喷涂、D型蜂窝内腔填充。为保证四种复合靶板质量等同，经计算，靶板质量均为224.9 g，表面喷涂总厚度设计为6 mm。记无喷涂聚脲的蜂窝靶板为O型靶板作为参照对象。炸药为Φ30×20 mm的圆柱TNT，药量为20 g，采用点起爆方式起爆点为药柱中心上表面，爆距30 mm，总计算时间为400 μs。

1.2 材料模型及参数

1.2.1 炸药模型及状态方程

炸药类型为TNT，本构模型采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，与之相匹配的状态方程采用EOS_JWL[10]，炸药的相关参数如表1所示。

表1 TNT炸药状态方程的相关参数[11]

1.2.2铝的模型及状态方程

铝的本构模型采用Johnson-Cook模型，状态方程采用EOS_GRUNEISEN来描述。铝的相关参数如表2所示。

表2 铝的材料参数[12]

1.2.3 聚脲弹性体的模型

聚脲弹性体是一种粘弹性体，具有明显的应变率效应，其本构模型常用来模拟弹性体的力学性能MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY[4]。材料的屈服准则由断裂应变定义，材料的应力应变曲线由屈服强度、剪切模量来定义或者通过8组塑性应变和应力的数组定义；应变率的影响采用Cowper-Symbols模型，具体的材料参数如表3所示。

表3 聚脲弹性体材料参数[4]

2 结果与分析

2.1 复合靶板的变形分析

根据数字计算的结果分析爆炸载荷作用下五种靶板的破坏情况，取t=100 μs时刻靶板的抗爆状态见图2。可以看出，O类型靶板的面板变形明显并伴有飞行破片产生，面板、背板变形明显并发生断裂；蜂窝发生折叠、坍塌、断裂并迅速向周围扩散。A类型靶板中聚脲发生严重的变形，面板变形明显且中心部分发生断裂；蜂窝发生折叠、坍塌、断裂并迅速向周围扩散，背板变形明显但无裂纹产生。B类型靶板的面板发生严重的塑性变形，蜂窝发生折叠、坍塌、断裂并迅速向周围扩散，背板发生剪切断裂现象，由于聚脲的存在抑制了破片飞出。C类型靶板的面板、背板变形明显，面板发生小范围剪切断裂，蜂窝变形明显并伴有坍塌断裂现象，但无破片飞出。D类型靶板的面板、蜂窝、背板均发生塑性变形但未发生剪切断裂现象。综上可知，D类型靶板的面板背板变形明显但均无裂纹产生，蜂窝的破坏程度也最小，而A、B、C三种类型的面板或背板均发生断裂破坏，且蜂窝变形破坏程度也较大。与O类型靶板相比，喷涂聚脲的靶板均为产生飞行片，抗爆性能较好。

为定量的对比面板、背板的变形情况，取面板和背板的中心单元位移作分析，作出以上五种类型靶板的中面板、背板的位移时程曲线如图3、图4所示。由图3可知，t=8 μs左右冲击波到达面板并对面板产生作用。O型靶板的面板中心出现剪切断裂现象，其中心单元位移呈线性变化。t=200 μs左右A、B、C、D靶板的面板中心单元的位移达到最大值，由于靶板边界条件是四周固定的，因此在面板达到最大塑性变形便开始反弹，位移出现小幅度下降。面板中心单元的位移量排序为B

2.2 复合靶板的吸能分析

在相同的爆炸载荷作用下，不同类型的聚脲蜂窝靶板吸能情况明显不同，对于A、B、C、D四种靶板的吸能如图5～图8所示。取四种类型靶板最大变形时刻靶板的能量值进行分析：A型靶板总能量为1 223 J，其结构四个部分的能量由多到少分别是聚脲弹性体(434 J)、蜂窝夹层(427 J)、面板(235 J)、背板(127 J);B型靶板总能量为916 J，其结构四个部分的能量由多到少分别是蜂窝夹层(382 J)、面板(267 J)、背板(199 J)、聚脲弹性体(68 J);C型靶板总能量为1 292 J，其结构四个部分的能量由多到少分别是蜂窝(497 J)、聚脲弹性体(310 J)、面板(272 J)、背板(213 J);D型靶板总能量为1 425 J，其结构四个部分的能量由多到少分别是蜂窝(599 J)、面板(332 J)、背板(318 J)、聚脲弹性体(176 J)。

复合靶板在抵抗变形过程中依靠其结构中各个部分的响应来消耗并衰减冲击波，转化为自身的动能与内能。聚脲弹性体的不同喷涂方式对靶板各个部分的吸能性能具有重要的影响。图9、图10为不同靶板类型中面板动能、内能时程曲线。从图9可知，四种面板动能曲线在初始响应阶段迅速增大并达到峰值，A型面板动能在t=22 μs达到265 J；B型面板动能在t=16 μs达到253 J；C型面板动能在t=16 μs达到268 J；D型面板动能在t=14 μs达到141 J。四种面板的动能峰值排序为C>A>B>D，在t=150 μs以后动能曲线变化趋势一致。由图10可知，四种靶板的面板内能时程曲线变化趋势一致。其中面板内能的高低排序为D>C>B>A，在t=280 μs时刻，四种类型靶板中面板具有的内能为D为311 J，C为269 J，B为262 J，A为218 J。

图11、图12分别为蜂窝的动能、内能时程曲线。由图11可知，四种类型靶板蜂窝的动能曲线前期变化均出现多个不同大小峰值，这是蜂窝在抵抗靶板变形的过程中发生不同程度的折叠、坍塌，断裂的结果。蜂窝的动能曲线峰值排序为B>D>A>C，在t=150 μs以后动能曲线变化趋势一致。由图12可知，四种类型靶板的蜂窝内能曲线在前期均快速增加，按靶板中蜂窝具有的内能大小排序为D>C>A>B。蜂窝的内能在不同的时刻达到各自的峰值：D蜂窝板在t=264 μs时达到594 J，C蜂窝在t=222 μs时达到478 J，A蜂窝在t=220 μs时刻达到391 J，B型蜂窝在t=220 μs达到369 J。

图13、图14为不同类型靶板中背板的动能、内能时程曲线。由图13可知，不同类型靶板的背板动能峰值比面板动能峰值出现不同程度的下降，且峰值的跨度也明显增加。这是因为蜂窝的存在使得背板获得初速的能力下降，并给其变形过程提供了一个缓冲时间。背板的动能排序为D>B>C>A，在t=150 μs以后动能曲线变化趋势一致。由图14可知，四种类型靶板中背板的内能大小排序为D>B>C>A。四种靶板背板内能的峰值来的时间有所差异：t=270 μs时D型背板达到328 J；t=228 μs时B型背板达到202 J；t=232 μs时C型背板达到193 J ；t=208 μs时A型背板达到130 J。D型靶板的背板内能远高于其他三种类型。

图15、图16是不同类型靶板中聚脲弹性体的动能、内能时程曲线。由图15可知，A型靶板的聚脲弹性体初始阶段动能的峰值很高达到384 J。B类型靶板的聚脲弹性体动能响应时间较其他三种类型靶板有明显滞后现象，这是因为聚脲弹性体喷涂在靶板的背板上，冲击波到达聚脲的时间延长，聚脲峰值排序为A>B>C>D, 在t=150 μs以后聚脲动能曲线变化趋势一致。由图16可知，A型靶板的聚脲弹性体的内能初始响应值远高于其他三种类型的，达到645 J。整体来看四种类型靶板中聚脲的内能从大到小排序为A>C>D>B。其中A、B、C靶板中的聚脲的内能曲线变化平稳，而D型靶板中的聚脲的内能在初始阶段迅速到达第一个峰值便减小，之后内能进一步增大后变化平缓，这是因为D靶板中蜂窝内腔填充聚脲，在爆炸载荷作用下，蜂窝与聚脲产发变形相互作用并伴随着大量的能量相互交换，使得聚脲的内能时程曲线有较大的波动。

因聚脲弹性体不同的喷涂方式，使得靶板在相同爆炸载荷作用下的吸能能力大不一样。表4为四种类型靶板在t=100 μs时刻的能量分析情况，其中单位质量吸收比能为Em=E/M[13]。由表4可知，靶板在爆炸载荷下所吸收的能量以内能为主，并且吸收的动能均以不同的效率转化为内能。A靶板的峰值压力最高，C靶板峰值压力最小。在短时间内，C靶板的动能转化率最高，B靶板的动能转化率最小。在100 μs时刻C靶板的吸能最多，B靶板最少。C靶板的单位质量比吸能最多为5.47 J/g，B单位质量比吸能最少为4.01 J/g。从靶板各部分的吸能来看，C靶板更加均衡。

靶板能量数据靶板类型ABCD最大动能/J534422484472最后动能/J172179142192动能转化的内能/J362243342280自身吸收内能/J647479701679总内能/J1 0097221 043959动能转化率/ %67.857.670.759.3总吸能/J1 1819011 2291150面板吸能比重/ %17.72620.724.7背板吸能比重/ %11.72416.323蜂窝吸能比重/ %29.637.63441.4聚脲吸能比重/ %4112.42910.9单位质量吸收比能Em/J/g5.264.015.475.12

整体来看，不同靶板中的面板、蜂窝、背板以及聚脲弹性体4个部分的动能、内能曲线的响应时刻均不一致，这是因为聚脲以不同喷涂方式，使得靶板抗爆能力不一样。不同靶板中的面板、蜂窝、背板以及聚脲的动能曲线数值差异较小，在t=320 μs左右均出现较小的波峰，而面板、蜂窝、背板的内能曲线也在t=320 μs左右出现与前面动能波峰具有互补性的低谷。这是因为靶板的四周固定，靶板在达到最大塑性变形后开始反弹，在这个过程中内能向动能转化的结果，与前面的面板、背板中心单元的位移时程曲线减小情况相呼应。不同靶板中的面板、蜂窝、背板、聚脲内能差异较大，其中D类型靶板的面板、蜂窝、背板的内能均远高于其他靶板的对应部分。与其他的结构不同，聚脲的内能曲线在t=210 μs后均很稳定，在内能吸收方面表现出较好的平稳性，这与其材料本身的力学性能有关。

3 结论

通过LS-DYNA对聚脲弹性体喷涂蜂窝夹层的四种类型复合靶板在爆炸载荷下的动力响应进行了模拟，主要分析复合靶板的变形与吸能情况，得到的结论如下：

1)与无喷涂聚脲的蜂窝靶板相比，聚脲以不同的方式喷涂于蜂窝靶板上，均能抑制靶板产生飞行破片，使得靶板的抗爆性能均有不同程度的提高。

2)在爆炸载荷作用下，聚脲对蜂窝外表面喷涂时，靶板中面板或背板的中心单元出现断裂现像，蜂窝变形失效严重。而蜂窝内腔填充聚脲时靶板的面板背板变形良好且均无裂纹产生，蜂窝无坍塌断裂现象，抗爆能力最佳。

3)在100 μs内，双面喷涂聚脲靶板的吸能响应性能较好，蜂窝内腔填充聚脲靶板吸能响应能力次之。

4)在整个抗爆过程中，蜂窝内腔填充聚脲时靶板中的面板、蜂窝、聚脲吸能能力远高于其他喷涂方式，且靶板的总吸能最多，吸能时间跨度大，抗爆性能最好。

5)聚脲弹性体以不同的喷涂方式涂覆靶板，均能在不同程度上提高靶板的吸能能力，在工程应用中，可综合使用蜂窝表面喷涂与内腔填充来提高靶板的抗爆能力。