多层复合抗爆结构的数值优化与试验研究

2019-07-05马洋洋安丰江

兵器装备工程学报 2019年6期

马洋洋，赵磊，吴成，安丰江

(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.中国人民解放军 96854部队，沈阳 110033)

现代战争中，作战舰船、装甲车辆的结构防护能力是其战斗力的重要保障[1-2]。在被动防护领域，均质装甲一直是简单有效的抗爆结构。然而，单一材料的防护结构已经越来越难以满足防护需求，更为优异的多层复合结构成为了防护研究的热点。目前国外学者研究了聚脲弹性体和玻璃纤维制作的复合结构的抗爆性能[3]。国内学者对泡沫铝夹层结构的抗爆性能进行了研究，结果表明铝合金-泡沫铝-高强度装甲钢夹层复合结构的抗爆性能最优[4]。对夹层防爆罐结构的抗爆性能进行了三种结构情况的仿真研究，结果表明聚脲弹性体夹层防爆罐为最优结构防爆罐，冲击波在聚脲弹性体传播过程中衰减幅度最大[5]。国内外研究重点多集中在双层、三层复合抗爆结构，对于多层复合结构的抗爆性能研究与优化设计，目前少见报道。

本文针对多层复合结构的抗爆防护问题，应用数值仿真的手段对由高强度钢、聚脲弹性体、泡沫铝、超高分子量聚乙烯材料组成的不同结构、不同厚度分配下多层复合结构开展了数值优化设计与抗爆性能研究，初步试验验证了最佳抗爆性能的多层复合结构。

1 数值仿真模型

1.1 数值仿真模型的建立

结合实际试验，建立了多层复合结构抗爆数值仿真模型(见图1)。采用显式动力分析软件ANSYS/Ls_Dyna进行三维数值仿真。在建立的模型中，将多层复合结构四周设置为固支边界条件。多层复合结构为拉格朗日网格，六面体单元。空气域、沙子、炸药为欧拉网格，六面体单元，空气域为渐变网格，四周设置无反射边界条件，在网格大小能保证计算精度的前提下，使用流固耦合算法耦合两种网格进行计算[6]。TNT炸药从最下方中心点起爆。各层材料间粘接采用关键字Automatic _Surface_to_Surface模拟。同时为减小计算量，建立四分之一模型，且在对称面上施加对称约束。

图1 多层复合结构抗爆数值仿真模型

1.2 材料模型

多层复合结构的面板、背板采用考虑了应变率效应的Johnson_Cook本构模型及Gruneisen状态方程。聚脲弹性体采用Piecewise_Linear_Plasticity本构模型，该模型考虑了聚脲冲击受载后的弹塑性变形、应变率效应以及断裂效应。泡沫铝采用Modified_Crushable_Foam本构模型。超高分子量聚乙烯采用Composite_Damage本构模型。材料主要参数见表1[3-7-8]。

TNT炸药采用High_Explosive_Burn本构模型以及Jwl状态方程。空气采用Null本构模型以及线性多项式状态方程。沙子采用Soil_And_Foam本构模型。以上3种材料参数均来源于文献[9]。

表1 4种材料主要参数

2 数值仿真结果分析

2.1 抗爆性能评价指标

对于舰船、装甲车辆的防护而言，其内部人员、设备的防护是重中之重。一方面，防护结构的小变形会给内部人员更好的生存环境，另一方面，较小的加速度载荷有利于作战设备的安全。因此，将背板中心处位移和加速度作为复合结构抗爆性能的评价指标。同时，为了区分不同复合结构的吸能效果，将复合结构吸收能量也作为评价指标之一，结合给出抗爆性能最佳条件[10]。

2.2 不同中间层结构多层复合结构抗爆性能分析

首先，设定多层复合结构面板、背板的材料、厚度相同，聚脲弹性体、泡沫铝、超高分子量聚乙烯的厚度也是相同的，只是更换中间层3种材料顺序，得到不同结构方案，进行数值仿真方案见表2。

表2 中间层结构优化数值仿真方案

注:P代表聚脲弹性体，L代表泡沫铝，U代表超高分子量聚乙烯

数值仿真后6种方案的动态响应曲线见图2。从图2(a)可以看出，中间层材料顺序的不同对多层复合结构背板中心处位移影响很小，在六种方案中，最大位移和最小位移仅仅相差0.36 cm。同时，背板中心位移最小的中间层方案为1-2方案。从图2(b)可以看出，不同结构的多层复合结构在能量吸收上差异较大，能量吸收最大值与最小值差距有11.7 kJ。其中，吸收能量较多的方案为1-1方案、1-3方案。从图2(c)可以看出，中间层材料顺序的不同导致多层复合结构背板中心处加速度值差异较大，但6种方案的振荡周期变化基本一致。从6种方案的背板中心处最大加速度来看，1-1方案与1-6方案的多层复合结构加速度峰值较小，对其防护目标危害较小。综合考虑，可以得出P-L-U中间层结构为多层复合结构最优方案。

图2 6种方案动态响应曲线

2.3 不同中间层厚度多层复合结构抗爆性能分析

采用2.2节中多层复合结构的最优结构方案，即P-L-U结构，保持多层复合结构面板、背板的材料、厚度均不变，聚脲弹性体、泡沫铝、超高分子量聚乙烯三种材料总厚度不变，选取7个中间层不同厚度分配的方案，进行数值仿真方案见表3。

表3 中间层厚度优化数值仿真方案

注:P代表聚脲弹性体，L代表泡沫铝，U代表超高分子量聚乙烯，P、L、U下标的增大意味着该材料厚度的增大

数值仿真后7种方案的动态响应曲线见图3。

从图3(a)可以看出，中间各层材料厚度不同对多层复合结构背板中心处影响很小，在6种方案中，最大位移和最小位移仅仅相差0.54 cm。同时，背板中心位移最小的厚度方案为2-3方案。从图3(b)可以看出，不同厚度分配的多层复合结构在能量吸收上差异较大，能量吸收最大值与最小值差距有9.9 kJ。其中，吸收能量最多的厚度方案为2-4方案，共吸收能量38.7 kJ。从图3(c)可以看出，中间层材料厚度不同导致多层复合结构背板中心处加速度值差异较大，但6种方案的振荡周期变化基本一致。从六种方案的背板中心处最大加速度来看，2-2、2-4方案的多层复合结构加速度峰值较小，对其防护目标危害最小。综合考虑，2-4方案为多层复合结构的最优厚度方案。

结合2.2节与2.3节的数值仿真结果，对多层复合抗爆结构的数值优化设计应当使其吸收能量越多越好，背板中心处加速度峰值越小越好，而背板中心处位移差距在1 cm以内时可以忽略不计。此外，数值仿真结果表明，P-L-U结构的3种材料厚度比为2∶1∶1时抗爆性能最优。

图3 7种方案动态响应曲线

3 多层复合结构抗爆试验

3.1 试验方案

对最优多层复合结构进行抗爆试验，试验样件和平台使用四根铁链悬挂于一个可移动的平台上，平台在试验时位置固定，试验样件与平台通过螺栓紧固连接，平台上方为1 000 kg的配重载荷。在配重下方及支撑架上固定有测试装置分别测量试验样件动态最大变形以及配重竖直方向上位移。试验时，试验样件与平台使用铁链升至一定高度，并在下方放置一沙箱，使得多层复合结构距离沙子表面300 mm，0.8 kg的长方体TNT炸药埋入沙中，使其位于多层复合结构中心正下方，且上表面距离沙表面50 mm。试验布置见图4。

图4 试验布置示意图

试验样件制备时，聚脲弹性体喷涂在泡沫铝表面，其余各层间均采用高强度胶粘接而成。试验样件实物见图5。

图5 试验样件

3.2 试验结果与分析

共进行了3发重复性抗爆试验，3发试验均成功抵抗了爆炸载荷，且保持了迎爆面、背爆面结构的完整性。试验结果见表4。

由试验结果可以看出，炸药起爆后，爆炸载荷首先作用于强度较高的钢面板上，钢板通过弹塑性变形吸收一部分能量，冲击波载荷进一步传递通过聚脲弹性体、泡沫铝、超高分子量聚乙烯。聚脲弹性体材料依靠本身的弹性变形压缩大幅度衰减冲击波能量，其后泡沫铝材料通过孔隙的坍塌压实，进一步吸收冲击波能量，再者超高分子量聚乙烯的迎爆面纤维通过基体开裂，压缩剪切破坏吸收冲击波能量，背爆面纤维通过拉伸破坏吸收冲击波能量。最后，大幅减弱的冲击波载荷作用于背板上，高强度的钢背板避免了结构的贯穿、大变形。同时，在面板一侧，中部为锅状变形，四个角落处各有一未变形的三角区域，边沿的中心发生了钢的拉伸出现了褶皱，主要原因为试验样件四个角落均处于固定状态，而边沿中心为支撑减弱处，导致了冲击波的反射拉伸。背板一侧，则是规则的锅状变形，边沿中心处钢板拉伸变形较小，主要原因在于冲击波载荷传递至背板时已衰减至一定程度。

对比数值仿真结果与试验结果，由于数值仿真中设置多层复合结构为四周固支边界，所以试验中测得的配重位移无法在仿真中体现。最大变形对应背板中心点处位移最大值，残余变形对应背板中心点处位移最终值。其中，数值仿真背板中心处位移最大值为4.32 cm，与试验最大变形均值7.13 cm相差2.81 cm，数值仿真位移最终值为3.2 cm，与试验残余变形均值4.87 cm相差1.67 cm。可以看出，数值仿真值均偏小，主要原因在于数值仿真固支边界的设置，使得多层复合结构无法在竖直方向上整体位移。但总体来说，数值仿真结果与试验结果变化基本一致，很好的体现了多层复合结构遭受爆炸载荷后的变形过程，并给出了试验中难以测出的部分数据，是一种良好的模拟手段，后续可在此基础上进一步优化设计。