新型栅栏式防爆构件数值模拟研究

2022-03-17范鹏震金佩剑蒋海峰祁兵隋鹏飞

科学咨询 2022年3期

范鹏震，金佩剑，蒋海峰，祁兵，隋鹏飞

（吉林建筑大学，吉林长春 130118）

一、结构与材料的选取

国内外对防爆构件复合结构的研究主要分为：两层材料组合结构；三层材料（“三明治”）组合结构；多层材料组合结构3种[1]。根据建造成本等方面考虑，新型栅栏式防爆构件选择三层材料组合结构。当前制备、性能参数比较完整的夹芯材料可分为：泡沫铝夹芯材料、金属型材夹芯材料及聚合物泡沫夹芯材料[2]。这些夹芯材料都具有良好的抗爆、吸能、减震特性，由于泡沫铝与其他材料相比，有经济的优势，本次构件设计选取泡沫铝为夹芯材料。钢作为金属材料较其他金属而言，具有很高的抗屈服能力，其原料丰富，性能与经济性能均符合构件面板材料所需，次构件设计选取钢为面板材料[3]。钢筋混凝土板较其他非金属材料而言，由于内置金属材料，使其在抗压、抗拉强度大大提高。并且制备工艺较为简单，也可选为面板材料。

（一）连接方式

夹芯层材料为泡沫铝。泡沫铝与钢板、泡沫铝与钢筋混凝土板有几种连接方式。当夹芯材料与面板材料存在较大的物理特性差别时，夹芯材料和面板之间的连接牢固情况就比较困难，也会导致结构性能稳定性差。对比粘结、焊接和缝合三种连接方式，本次设计中选择焊接的方式作为面板与夹层之间连接。

（二）尺寸确定

单体构件尺寸的选择与栅栏布置相结合，若整个单体构件尺寸过大，则会减弱整体布置时的对波的消减能力。选择柱体构件尺寸为：柱体高度150cm，柱体宽度10cm，柱体厚度10cm，面板材料厚度2cm，夹芯层材料厚度8cm。

（三）结构简图

复合构件结构上取三层材料组合结构，构件截面为矩形，两层夹板与内部夹芯材料采用焊接的方式。面板材料选用Q235钢与钢筋混凝土板两种常见材料，根据宗瑞卿[3]等人对新型护栏型结构防爆墙研究，整体结构设计图如下图1所示。

图1 栅栏式防爆墙单体构件设计

二、有限元模型的建立

选钢—泡沫铝—钢与钢筋混凝土—泡沫铝—钢筋混凝土两种试件，利用LS-DYNA有限元仿真软件模拟，分析每种构件的抗爆效果，选择其中吸能抗爆效果最佳的构件设计，作为栅栏式防爆墙的单体构件。

基于LS-DYNA有限元程序建立仿真计算模型如图2所示，柱体高度H取150cm，柱体宽度取10cm，柱体厚度取10cm（面板厚度取1cm，夹芯层厚度取8cm），TNT位于空气边界50cm，与柱体爆炸距离H取2.5m。爆高为0m。构件采用TNT爆炸冲击下动力学响应仿真，爆炸过程的描述采用多物质流固耦合算[4]。TNT与空气选用多物质网格ALE算法，泡沫铝与钢板、泡沫铝与钢筋混凝土板等固体物质之间则采用拉格朗日（Lagrange）单元算法，钢筋混凝土板、钢板与泡沫铝之间连接均选用无节点连接，钢板与空气选用流固耦合，使用关键字*CONSTRAINE_LAGANGE_IN_SOLID进行定义。单位制选用cm-g-μs。根据柱体周边环境和计算机设备性能，选取空气域的大小为：长度×宽度×高度=300cm×100cm×200cm。假设爆炸的整个过程为绝热过程，空气和炸药之间属于连续介质模型。空气模型中除底部为地面外，其余的五面均采用无反射边界条件。柱体底部地面采用固定约束，其他面无约束，均为自由面[5]。

图2 计算模型

（一）炸药模型及参数选取

炸药材料为TNT炸药，选择材料库中提供的008号材料模型：高燃炸药（MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN）模型。本次采用EOS_JWL状态方程描述定义TNT炸药的爆炸[6]。关系表达式为：

式中：A，B，R1，R2，ω为状态方程参数；P为爆轰过程产生的压力，Pa；V为炸药的相对体积；E0为炸药所拥有的初始内能，J/m3。

炸药参数如下表1所示。

表1 TNT炸药材料参数

（二）空气模型及参数选取

爆炸过程假设为绝热过程，空气材料为无粘性理想气体，选用数据库中MAT_NULL模型，整个爆炸过程中空气的变化情况采用线性多项式（EOS_LINEAR_POLYNOMIAL）来进行描述[7]，表达式为：P=C0+C1μ+C2μ3+(C4+C5+C6μ2)E

式中：μ=(1/V)-1；

E为空气所具有的初始内能。

空气参数如下表2所示。

表2 空气材料参数

（二）钢板材料模型及参数

钢板选用塑性运动（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）模型，参数如下表3所示[5]。

表3 钢板材料参数

（四）泡沫铝模型及参数选取

闭孔泡沫铝材料吸收能量的效率要比开孔泡沫铝材料的更高[8]。夹层材料的结构形式选用闭孔泡沫。闭孔泡沫铝的材料模型选择材料库中的可压缩性泡沫材料（MAT_CRUSHABLE_FOAM）模型，参数如下表4所示。

表4 泡沫铝材料参数

（五）钢筋混凝土模型及参数选取

钢筋混凝土板的模型描述采用数据库中MAT_BRITTLE_DAMAGE弹性损伤模型。具体参数如下表5所示。

表5 钢筋混凝土材料参数

三、数值模拟与结果分析

下文将钢板—泡沫铝—钢板构件称为1号构件，钢筋混凝土板—泡沫铝—钢筋混凝土构件称为2号构件。本次仿真为两种构件在相同当量的TNT爆炸荷载作用下构件的动力学响应情况。

（一）两种构件整体变形情况分析

图3中A、B、C三个字母分别代表泡沫铝、前受压面钢板及后受压面板钢板材料，图4中A、B、C三个字母分别代表泡沫铝材料、前受压面钢筋混凝土板及后受压面板钢筋混凝土板材料；1号构件在冲击波的作用下产生的最大变形量为3.65，2号构件在冲击波的作用下产生的最大变形量为14，2号构件的变形量为1号构件的3.5倍。由此可知1号构件有较好的抗爆吸能效果，并且能更好地保持自身的完整。

图3 1号构件总体变形情况

图4 2号材料总体体变形情况

（二）两种构件峰值压力随时间变化曲线分析

图5中A、B、C分别代表夹层泡沫铝材料、受压面钢板、后部钢板，图6中A、B、C分别代表受压面钢筋混凝土板、泡沫铝、后部钢筋混凝土板；从图中可以看出，两种构件压力随着时间的变化曲线大致相同。图6中泡沫铝的压力峰值为2.5，由此可以看出1号构件泡沫铝对能量的吸收大于2号构件。1号构件与2号构件的受压面板的压力时间变化曲线基本一致，受到的压力基本趋于0，1号材料与2号材料后部面板所受到的峰值压力随时间变化的趋势也基本相同，但1号构件中的材料在3个单位时间后所受压力明显增大，最大应力峰值超过1；2号材料压力没有1号材料增大明显，最大压力峰值为0.5。两者受到相同冲击情况下2号材料的变形大于1号材料。