骨料粒径对爆炸加载下混凝土破碎性的影响研究

2023-12-04张正义肖海英张笑瀛陈俊翰

兵器装备工程学报 2023年11期

张正义,郑宇,肖海英,张笑瀛,彭航,陈俊翰

(1.南京理工大学机械工程学院, 南京 210094; 2.哈尔滨工业大学建筑学院, 哈尔滨 150006; 3.中国人民解放军63863部队, 吉林白城 137001)

0 引言

混凝土在军事等工程领域有着广泛的应用,混凝土类目标主要有桥梁、建筑物、各类碉堡、半地下设施等。这些设施都是战场双方争夺的焦点,混凝土类目标的精确毁伤很大程度上决定战场的态势。研究混凝土类目标的毁伤效应至关重要。不仅可以加固混凝土类的目标也可以精准打击敌方的混凝土类目标。

骨料种类、粒径、体积占比会对混凝土的力学性能有所影响[1-5]。对于普通的混凝土,大量的学者研究表明:骨料粒径与混凝土的抗压强度有关[6]。且随着骨料粒径的增大抗压强度逐渐减少[7]。骨料粒径增大混凝土试件弯拉强度逐渐减小[8]。混凝土断裂韧度和断裂能随骨料粒径增大表现出先增大后减小[9-10]。且骨料粒径过大会导致混凝土抗压、抗折强度不足。王江波等[11]认为不同骨料粒径混凝土抗压强度总是小于其对应砂浆试件。综上所述,目前对于骨料粒径对混凝土性能的影响研究主要集中于混凝土力学性能和混凝土的抗侵彻性能。骨料粒径对混凝土的毁伤效应和抗爆性能影响的研究较少。为此,本文中进行了骨料粒径对混凝土毁伤效应影响规律的研究,为以后进一步研究打下基础。

1 仿真方法确定

1.1 几何模型

模型由空气、混凝土靶板、炸药3个部分组成,使用三维实体单元3D Solid164,混凝土靶板采用拉格朗日网格建模,炸药和空气采用欧拉网格建模,采用多物质流固耦合算法。

混凝土靶板尺寸直径和高均为500 mm,试件类型为5种不同粒径的混凝土靶板。

仿真方法1:炸药是立方体装药,采用炸药上表面中心点起爆,炸药中心距离混凝土圆柱靶板中心0.5 m。空气边界采用无反射边界条件,模型采用mm-g-ms单位制建模。

仿真方法2:采用*LOAD_BLAST_SEGMENT关键字,设置爆炸距离和炸药量。2种模型如图1所示,其中红色部分是砂浆,蓝色部分是骨料和砂浆之间的界面。数值仿真工况如表1所示。

使用*LOAD_BLAST关键字定义炸药量和起爆点计算爆炸加载下的混凝土的毁伤效应。相比于欧拉算法,*LOAD_BLAST加载算法由于没有空气网格和不需要流固耦合,且欧拉算法需要划分炸药和空气的网格,同等工况下,欧拉算法需要20 h,*LOAD_BLAST关键字算法只需要4 h。*LOAD_BLAST关键字计算时间更快、计算效率更高。

图1 有限元网格模型Fig.1 Finite element mesh model

表1 工况表Table 1 Working condition table

1.2 材料模型

目前混凝土的各项参数可以通过试验得到,砂浆的材料参数可以通过混凝土的水灰比来计算得出。国外学者Hsu等[13-14]通过大量的试验,推算出混凝土砂浆的相关材料参数,经验公式为:

(1)

Em=1 000[7.7ln(fcm)-5.5]

(2)

ft=1.4ln(fcm)-1.5

(3)

lgEc=vplgEp+vmlgEm+vnlgEn

(4)

式(1)—式(4)中:c/m为混凝土水灰比;Ec为混凝土板整体的弹性模量;Ep、Em、En分别为骨料、砂浆和界面的弹性模量;fcm为砂浆强度;ft为抗拉强度。

同样可通过经验公式推导出界面的材料参数。

混凝土采用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3,参数见文献[15]。炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型和* EOS_JWL 状态方程。空气采用* MAT_NULL 模型和* EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 状态方程。为了实现混凝土材料的毁伤效果,模型中添加失效判据* MAT_ADD_EROSION,通过最大主应变与最小主应变来控制单元的失效。参考已有文献[16],混凝土细观组分材料参数与失效判据见表2。

表2 混凝土细观组分材料参数

1.3 混凝土网格模型

利用ABAQUS进行混凝土骨料生成。ABAQUS上安装的骨料投放插件,可以选择骨料形状,本文中选用的是球形骨料,只需设置骨料最小和最大骨料粒径和体积分数即可生成。原理是将混凝土部分网格置换为骨料网格,并在砂浆和骨料之间置换为界面网格。为了提高骨料投放的效率,网格尺寸设置为5 mm。混凝土模型网格共计960 000,骨料体积分数均为0.3,投放后的骨料如图2所示。

图2 投放后骨料分布Fig.2 Aggregate distribution after placement

1.4 仿真算法准确性验证

本节将验证*LOAD_BLAST关键字算法的准确性,选取2组不同比例距离下混凝土梁的毁伤试验与数值仿真对比。验证*LOAD_BLAST加载算法仿真模型的准确性[12],试验工况见表3,0.59比例距离和0.64比例距离下仿真与实验对比情况分别如图3、图4所示。

主要选取具有代表性的超压和崩落区大小进行数据比对。超压对比如表4所示,崩落区对比如表5所示。

表3 试验工况表

图3 0.59比例距离下仿真与实验对比Fig.3 Comparison of simulation and experiment at 0.59 scale distance

图4 0.64比例距离下仿真与实验对比Fig.4 Comparison between simulation and experiment at 0.64 scale distance

表4 超压对比Table 4 Overpressure contrast

表5 毁伤效果对比

试验与仿真的误差值基本在10%左右,工程实际中此误差值是在可接受的范围内,综上所述,本文最终选择*LOAD_BLAST关键字算法。

2 骨料粒径在爆炸加载下数值计算与结果分析

数值仿真结果显示TNT药量为0.5 kg和1 kg时,混凝土整体的毁伤效果为破裂性毁伤,随着比例距离的降低,到2 kg TNT药量时,混凝土的毁伤效果整体表现为破碎性毁伤。研究骨料粒径在这2种毁伤效果下对混凝土抗爆性能的影响。

2.1 侧面裂纹分析

500 g TNT当量不同骨料粒径下,在0.6 ms时,随着骨料粒径的增大,混凝土的毁伤越明显。主要因为骨料粒径越小,混凝土的界面层越大,骨料和砂浆之间的连接越多。界面的抗压强度最弱,从而越容易被毁伤。其中靶板侧面最终毁伤效果基本一致,0.6 ms时刻不同骨料粒径等效塑性应变如图5所示。

图5 0.6 ms时刻不同骨料粒径等效塑性应变Fig.5 Equivalent plastic strain of different aggregate sizes at 0.6 ms

2.2 不同比例距离下骨料粒径的影响

混凝土试件随着比例距离的减小,毁伤越严重,在0.397比例距离下混凝土靶板发生破碎性破坏,如图6、图7所示。

数值仿真结果显示:当减小比例距离到0.397 m/kg1/3时,5组骨料粒径的混凝土都出现了破碎性毁伤。迎爆面都出现了一定程度的破坏,其中骨料粒径在10 mm和20 mm时,毁伤最严重,此时混凝土靶板的横向和纵向裂纹最多。随着骨料粒径的增加,混凝土靶板的横向裂纹和纵向裂纹在减少,其中骨料粒径为50 mm时,混凝土靶板的横向裂纹和纵向裂纹最少。

比例距离为0.630和0.500时混凝土靶板出现破裂性破坏时,从裂纹的扩展和裂纹大小看,随着骨料粒径的增大,混凝土靶迎爆面的裂纹逐渐减少,中心裂纹区的面积逐渐减少,最后消失。裂纹的数量也在逐渐的减少,随着骨料粒径的增大,混凝土砂浆与骨料的接触面积减小。骨料粒径越小,混凝土界面的体积越大,对外表现出,在相同的爆炸冲击载荷下,混凝土界面容易被毁伤。

当抗压强度相同的混凝土靶板出现破碎性毁伤时,随着骨料粒径的增大,混凝土靶板的毁伤效果越弱。

图6 迎爆面毁伤效果Fig.6 Blasting surface damage effect

图7 侧面裂纹分布Fig.7 Lateral crack distribution

3 不同骨料粒径下混凝土毁伤响应工程模型

描述爆炸载荷下冲击波强弱的参数有超压峰值、正压作用时间和冲量,其中爆炸载荷下威力场的大小与比例距离有关。比例距离越小,爆炸产生的威力越大,对应的混凝土毁伤越明显。为了细化分析,本文中将裂纹的体积占总体积的百分比作为量化混凝土毁伤的指标α,α越高,混凝土抗毁伤能力越弱。对比不同比例距离下不同骨料粒径的α值大小和变化,如表6所示。具体计算方法为:

(5)

式(5)中:V1为裂纹的体积;V2为混凝土靶板的总体积。

表6 不同比例距离不同骨料粒径下α值大小

由表6数据,绘制折线图,可以得出骨料粒径与α值的关系,数据分布如图8所示。

图8 不同比例距离不同骨料粒径α值变化Fig.8 The α value of aggregate particle size varies with different scale distance

由图8分析可知,只有在较小的比例距离下,骨料粒径对混凝土的抗毁伤能力才有影响,随着比例距离的减小,混凝土靶板毁伤越严重。骨料粒径的增大,混凝土抗毁伤能力呈现先增加后减小趋势,其中混凝土骨料粒径为30 mm时,抗毁伤能力最强。证明骨料能一定程度上加强混凝土的抗毁伤能力,骨料与砂浆的接触面积不宜过大也不宜过小。骨料粒径过小,骨料单位面积内获得的水泥浆较少,没有足够的能力抵抗内部裂纹扩展。骨料粒径过大,骨料单位面积内获得的水泥浆多。但是骨料粒径过大会导致混凝土内部均匀性降低,在混凝土实际浇筑过程中表现为其内部存在大量细裂纹,从而导致抗毁伤能力减弱。所以,随着骨料粒径的增大,抗毁伤能力呈现先增加后减小的趋势。