钢板_POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能_王逸平.pdf
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1、DOI:10.11858/gywlxb.20220650钢板/POZD 复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能王逸平1,汪维1,杨建超2,汪剑辉2,王幸2(1.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室,浙江宁波315211;2.中国人民解放军军事科学院国防工程研究院,河南洛阳471023)摘要:为研究钢板/聚异氰氨酸酯噁唑烷(polyisocyanateoxazodone,POZD)聚合物高分子材料复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能,开展了近距空爆试验,通过观察试验模型的损伤以及相关数据统计,分析了钢板/POZD 复合结构的变形失效模式。采用 LS-DYNA 软件进行数值模拟,通过与试验结果进行对比
2、,验证了数值模拟方法的准确性,并进一步分析了钢板/POZD 复合结构跨中位移变化和能量吸收特性。结果表明:在相同钢板厚度下,钢板/POZD 复合结构较单一钢板具有更优越的抗爆性能,钢板呈现出 3 种不同的变形失效模式;在钢板/POZD 复合结构中,当钢板和 POZD 均未出现破口时,钢板的塑性应变能占总能量吸收的大部分;钢板/POZD 复合结构中心点最大位移逐渐增大,且变形速度先升高后降低。研究结果可为工程中钢板/POZD 复合结构的抗爆防护设计提供参考。关键词:POZD 涂覆钢板;近距空爆;失效模式;能量吸收;有限元模拟中图分类号:O383文献标识码:A钢板以其高强度、高韧性、承载能力强等特
3、点被广泛应用于各种工程设计中,如航天、航空、机械、建筑、交通和航海等。近年来,世界多地局势动荡不安,恐怖主义依然威胁全球安全,爆炸事件时常发生,钢板结构常常受到爆炸冲击载荷作用13。因此,提高钢板结构的抗爆抗冲击能力非常必要。研究新型抗爆抗冲击材料和新技术的应用在抗爆领域具有重要意义4。聚脲弹性体的抗爆抗冲击性能较好,广泛应用于防护工程领域。目前,越来越多的学者将聚脲弹性体涂敷于结构表面来提升抗爆抗冲击能力。甘云丹等5采用 LS-DYNA 数值模拟了聚脲涂覆钢板在水下爆炸载荷下的动态响应和抗爆能力,发现聚脲涂覆钢板的抗爆炸冲击能力较单一钢板提升约 20%。Li 等6发现,相对于局部喷涂聚脲,整
4、体喷涂聚脲时结构的抗爆性能更优越。廖瑜等7采用有限元数值模拟方法研究了纯聚脲加固钢板和聚脲-编织玻璃纤维网格布加固钢板的抗爆性能,发现编织玻璃纤维网格布能进一步增强纯聚脲加固钢板的抗爆抗冲击能力。Chen 等810对钢板/聚脲复合结构的抗爆动响应过程进行了一系列试验和数值模拟研究,分析了不同厚度和强度配比下复合结构变形/失效及能量吸收,结果表明:随着厚度配比的增加,钢板层的最大塑性变形先减小后增大,且在总面密度不变的情况下,钢板/聚脲复合结构存在最优抗爆性能的厚度配比;随着强度配比的增加,钢板层的最大塑性变形和聚脲层的吸能占比均减小,整体结构的抗爆性能提升。大量研究表明,背面涂覆聚脲可提升钢板
5、的抗爆性能,且涂覆聚*收稿日期:2022-09-08;修回日期:2022-09-30 基金项目:国家自然科学基金(11972201);宁波市自然科学基金(202003N4147)作者简介:王逸平(1997),男,硕士研究生,主要从事爆炸与冲击动力学研究.E-mail: 通信作者:汪维(1983),男,博士,副教授,主要从事工程结构抗爆毁伤评估研究.E-mail: 杨建超(1976),男,硕士,高级工程师,主要从事工程结构抗爆毁伤评估研究.E-mail:第37卷第1期高压物理学报Vol.37,No.12023年2月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSFeb.,2
6、023014104-1脲的厚度与结构抗爆性能呈正相关。然而,很少有研究给出涂覆聚脲钢板的能量吸收特性,而且大部分试验都是在小炸药(小于 100g)、爆距在 100150mm 区间进行的。因此,设计炸药量和爆距较高的聚脲涂覆钢板爆炸试验,并通过数值模拟深入研究聚脲提升结构抗爆性能的机理具有重要意义。聚异氰氨酸酯噁唑烷(polyisocyanateoxazodone,POZD)是在聚脲弹性体等高分子材料研发的基础上,利用催化反应研制出的一种聚合物高分子材料。POZD 相比普通聚脲弹性材料具有更优越的韧性和抗爆抗冲击性能1113。本研究将针对 POZD 涂覆 4mm 厚钢板结构,开展钢板/POZD
7、复合结构近距爆炸试验,根据损伤形态获得失效模式,从应力波传播角度对 POZD 涂层钢板的抗爆性能进行分析,采用 LS-DYNA 对 POZD 涂覆钢板在近距爆炸下的变形和吸能特性进行数值模拟研究,分析钢板/POZD复合结构的吸能占比。1 试验 1.1 试验材料POZD 材料具有高强度、高韧性、高延展率等性能,同时具备耐酸碱腐蚀、耐低温、抗老化、防水、防火、阻燃和环保无异味等优点。POZD 材料与普通聚脲材料的力学性能对比14如表 1 所示。钢材选用 Q235A 低碳钢。试验中共有 4 块测试板,其中 2 块为无涂覆 POZD 的钢板,2 块为涂覆 POZD 的钢板,钢板厚度均为 4mm。组合板
8、是将 POZD 涂覆在钢板底面(与爆炸载荷相对的一侧),且 POZD 的厚度分别为 8 和 12mm。试验中,所有钢板的尺寸均为 1000mm1000mm,用16 个 M8 螺栓将其固定在试验台上。钢板的实际受载区域尺寸为 700mm700mm,钢板的平面布置和结构配置如图 1 所示。1.2 试验设计与试验工况将装有测试板的固定装置平放于地面上,在测试板的正上方放置圆柱形 TNT炸药,并在药柱中轴处开设用于放置雷管的圆柱孔,采用低强度盒体固定 TNT 炸药柱和确定爆距。在确定爆距和药量的前提下,进行不涂覆 POZD 钢板和涂覆POZD 钢板的近距爆炸试验,试验装置如图 2所示。表 2 列出了试
9、验工况。其中:S-1、S-2 为不涂覆 POZD 钢板试验,爆距(R)分别为 200、350mm;SP-1、SP-2 为背面涂覆 POZD 钢板试验,涂覆厚度分别为 12、8mm,爆距分别为 200、350mm。试验时,TNT 的药量均为 500g。表 1 POZD 和普通聚脲材料的力学性能Table 1 Mechanical properties of POZD and ordinary polyureaMaterialsDensity/(gcm3)Tensilestrength/MPaElasticmodulus/GPaPoissonsratioAdhesion(steelplate)/M
10、PaPOZD1.02252300.38Ordinarypolyurea1.02162130.367252507251 0001 000250(b)(a)SteelPOZD168图1(a)钢板平面布置(单位:mm),(b)复合板结构配置Fig.1(a)Steelplatearrangement(Unit:mm),(b)structuralconfigurationofcompositeplates第37卷王逸平等:钢板/POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能第1期014104-2 2 有限元模型 2.1 几何模型对试验工况进行数值模拟,有限元模型的详细视图见图 3。该模型由钢板、POZD 涂
11、层、起固定作用的支座、空气、炸药 5 部分组成。试验中,钢板通过螺栓固定在试验台上,形成长 700mm,宽 700mm 的矩形区域。因此,数值模拟中起固定作用的支座为同心矩形,使钢板受载区域的长和宽分别为 700 和 700mm。空气域的长和宽均设置为 1200mm,高设为 650mm,钢板背爆面空气域高 200mm,迎爆面空气域高 450mm。POZD、支座、空气和炸药采用 Solid164 单元描述;由于试验中钢板的长、宽与厚度之比大于20,因此钢板采用 Shell163 单元描述。钢板/POZD复合结构网格如图 4 所示。钢板四周固支,单元尺寸为1mm1mm。POZD 单元的网格尺寸为1
12、mm1mm,沿厚度方向网格划分为 6 份,以便准确观察板的弯曲。空气和炸药单元尺寸均为 1mm1mm,采用欧拉网格划分,其余部分采用拉格朗日网格划分。在空气域的 6 个面定义关键字*BOUNDARY_NON_REFLECTING 来施加无反射边界条件,一旦压力波到达空气域的边界,将通过边界流出,确保压力不会反射或衍射到钢板表面,支座的边界条件取表 2 试验工况Table 2 Test conditionsCaseno.PlatesExplosivePOZDTNTmass/gR/mmThickness/mmCoatingpositionS-1Steelplates5002000S-2Steelp
13、lates5003500SP-1Steel/POZDplates50020012BackSP-2Steel/POZDplates5003508Back图2试验装置Fig.2Testdevice650 mm1 000 mm1 200 mmSteel plateTNTSteadyPOZDAir图3有限元模型Fig.3Finiteelementmodel图4钢板/POZD 复合结构网格视图Fig.4Gridviewoffiniteelementmodelforsteel/POZDcompositestructure第37卷王逸平等:钢板/POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能第1期014104-
14、3为四周和底面刚固。对于钢板与 POZD 之间的连接,考虑到 POZD 失效多发生在聚合物与钢板脱粘之前,因此通过添加关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE 设置钢板与 POZD 之间的接触。拉格朗日网格与欧拉网格之间的强耦合关系至关重要,通过添加关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 来模拟欧拉空气域、钢板和 POZD 层(拉格朗日网格)之间的相互作用。2.2 材料模型模拟钢和 POZD 的应变率相关行为至关重要,特别是在近场爆炸下,爆炸过程中往往会产生超过材料屈服强度的压力,因此材料模型必须能够模拟超过弹性极限的非线性应力-应变
15、行为。采用*MAT_PLASTIC_KINNEMATIC 材料模型描述 Q235 钢的弹塑性特性,同时考虑应变率效应,使用随动强化塑性各向同性材料。应变率效应采用 Cowper-Symonds 模型描述Y=1+(/C)1/P(0+Epeffp)(1)Y0 effpEpCPEp=EtE/(EEt)Et式中:为屈服应力;为初始屈服应力;为应变率;为有效塑性应变;为硬化参数;为塑性硬化模量;和 为应变率参数;,其中 E 为弹性模量,为切线模量。钢板参数列于表 315,其中:为密度,为泊松比,Fs为失效参数。炸药模型选用 JWL 状态方程描述pe=A(1R1V)eR1V+B(1R2V)eR2V+eV(
16、2)VpeeR1R2式中:为相对体积,为爆轰产物的压力,为单位体积内能,、A、B、为常数。炸药参数列于表 48。空气模型采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程描述p=C0+C1+C22+C33+(C4+C5+C62)ea(3)eaC0=C1=C2=C3=C6=0 C4=C5=0.4式中:为空气的单位体积内能,为相对体积,C0C6为常数,根据文献 16,。聚脲材料的应力-应变行为高度依赖应变率效应,且聚脲在低应变率下表现出皮革状,在高应变率下表现出玻璃状。因此,根据文献 17,选用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLATICY 模型,该模型可以独立定义不同应变率下的
17、应力-应变曲线,并支持双线性弹塑性模型或使用至多 8 对有效应力-有效应变曲线。由于 POZD 材料具有复杂的微观结构,其在爆炸载荷下的动态响应非常复杂。Wang 等16给出了不同应变率下 POZD 的应力-应变曲线,如图 5 所示。根据图 5,可以将POZD 的拉伸破坏定义为 0.85。表 3 Q235 钢的材料参数15Table 3 Material parameters of Q235 steel15E/GPa/(kgm3)0/MPaEt/MPaC/s1PFs21078500.323525040.450.28表 4 TNT 炸药的状态方程参数8Table 4 Parameters of
18、equation of state for TNT explosive8e/(MJkg1)A/GPaB/GPaR1R26.74371.23.2314.150.950.31201008060402000.51.01.52.0Strain0.09 s17.5 s1168 s1210 s1294 s1Stress/MPa图5不同应变率下 POZD 的应力-应变曲线16Fig.5Stress-straincurvesofPOZDatdifferentstrainrates16第37卷王逸平等:钢板/POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能第1期014104-4 3 试验与数值模拟结果分析 3.1 破
19、坏损伤形态及模拟验证工况 S-1 和工况 SP-1 的试验与数值模拟损伤形态和平均破口直径对比如图 6 所示。由图 6(a)和图 6(b)可知,工况 S-1 中,钢板受到局部高强度的空气冲击,导致钢板中心区域破坏严重,钢板中心区域背面被完全撕裂,破口呈矩形,且撕裂出 5 个花瓣状裂口,花瓣状尖端被二次撕裂。数值模拟得到的钢板变形失效模式为花瓣状裂口,与试验结果一致,数值模拟得到的花瓣状破口平均直径约为 320mm,略大于试验所获得的 310mm,相对误差约为 3%。图 6(c)和图 6(d)显示了工况 SP-1 的试验和数值模拟结果,试验中背面涂覆 POZD 涂层。试验与数值模拟结果显示:复合
20、钢板的变形失效模式与数值模拟得到的变形失效模式一致,均为中心局部区域出现大的弹性变形;POZD 层均未发生破坏,主要为拉伸/弯曲变形,组合板的整体塑性变形程度由中心向周围逐渐减小。试验得到的板的跨中最大位移为 70mm,鼓包区域直径约为 250mm,数值计算所得的跨中最大位移为 73mm,鼓包区域直径为 225mm,相对误差分别为 4.2%和 10.0%,两者符合较好。观察工况 S-1 和工况 SP-1 中复合结构背面中心区域的损伤情况可知:工况 SP-1 中,距炸药最近的中心部位出现局部隆起变形,前钢板整体发生较大的径向收缩,后 POZD 层有明显的白色波纹,中心区域产生鼓包,但未产生花瓣形
21、裂口。与工况 S-1 中的钢板相比,工况 SP-1 的破坏模式从大面积花瓣裂口、花瓣裂口尖端撕裂转变为中心区域局部鼓包,POZD 极大地增强了钢板的抗爆能力。图 7 显示了试验与数值模拟得到的工况 S-2 和工况 SP-2 的损伤形态和跨中最大位移对比。图 7(a)和图 7(b)给出了工况 S-2 的试验结果和数值模拟结果。试验结果显示,钢板在爆炸载荷的作用下,钢0.200.180.160.140.120.100.080.060.040.02007.321.929.243.851.158.465.773.0310 mm250 mmBulge320 mm250 mmBulgeEffective
22、plastic strain(a)Back view of the tested plate in case S-1(c)Front view of the tested plate in case SP-114.636.5y-displacement/mmPetalingPetaling(b)Back view of the simulated plate in case S-1(d)Front view of the simulated plate in case SP-1图6工况 S-1 与工况 SP-1 的损伤形态比较Fig.6Comparisonofdamagemorphologyo
23、fcasesS-1andSP-1第37卷王逸平等:钢板/POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能第1期014104-5板并没有出现大面积破口,而是在钢板正面中心处出现凹陷区域,凹陷区域中心呈三角形,区域边缘处撕裂出一道长 90.0mm 的裂口。由于试验时炸药偏离板正上方中心,导致破口不对称,而数值模拟所得的钢板破口形状为十字形,破口区域直径约为 88.9mm,两者较接近。工况 SP-2 的试验结果和数值模拟结果如图 7(c)和图 7(d)所示。试验中钢板背面出现 6 条明显的白色折痕,而数值模拟中却没有这些折痕。这是由于试验中板通过螺栓固定在工作台上,爆炸过程中钢板发生塑性变形并沿着螺栓固定
24、位置产生白色折痕,而数值模拟中仅对支座进行固定约束。试验得到的工况 SP-2 的跨中最大位移为65.0mm,鼓包区域直径约为 230mm,数值计算得到的跨中最大位移为 64.3mm,鼓包区域直径为 207mm,相对误差分别为 1.1%和 10.0%。数值模拟所得的板的变形失效模式和跨中挠度均与试验结果比较吻合,证明了本数值方法的准确性。观察工况 S-2 和工况 SP-2 中复合结构背面中心区域的损伤情况可知:工况 SP-2 中前钢板发生大面积的凹陷和较大的变形,并在中心区域产生鼓包;复合结构背面未出现 POZD 层的剥落以及钢板与POZD 层之间的剥离,而是出现明显的径向收缩,中心区域可见白色
25、三角形的痕迹。3.2 应力波在 POZD 涂层复合钢板中的传播规律通过近距空爆试验和数值模拟已经证明背面涂覆 POZD 涂层能大幅提高钢板的抗爆性能,以下将对 POZD 涂层的防护机制进行阐述。IRT当 TNT 被引爆时,周围的空气被压缩并迅速向外移动,产生爆炸冲击波。当冲击波接触钢板表面时,将以应力波的形式在复合板中传播。为了便于分析,根据文献 18,假设爆炸入射波垂直入射钢板。当入射波传播到钢板与 POZD 的接触面时,会发生反射和透射,从而在钢板中产生反射波,在POZD 中产生透射波,如图 8 所示。根据试验结果可知,在爆炸过程中 POZD 始终未与钢板脱粘,且0.200.180.160
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