閻 石,黎 偉

(沈陽建筑大學 土木工程學院,沈陽 遼寧 110168)

0 引 言

土木工程結(jié)構(gòu)偶然會遇到爆炸荷載作用的情況如恐怖襲擊的炸彈爆炸,易燃易爆材料的爆炸等,事故一旦發(fā)生將對建筑結(jié)構(gòu)及人員造成巨大的傷害。另外,在工程爆破施工中,沖擊波可能對建筑物及精密儀器造成破壞。這種爆炸傷害主要來源于爆炸產(chǎn)生的高速彈片或碎片的直接作用和強爆炸沖擊波的影響。爆炸沖擊波是一種強壓縮波,爆炸瞬間,爆炸物質(zhì)在有限的空間和極短的時間內(nèi)釋放出大量能量,產(chǎn)生的大量高溫、高壓產(chǎn)物迅速擠壓周圍介質(zhì),使介質(zhì)的壓強、密度、溫度等物理量迅速突躍上升從而形成沖擊波,故沖擊波是一種狀態(tài)突躍變化陣面的傳播[1,2]。沖擊波不但對結(jié)構(gòu)會有很大的破壞,對人員也會根據(jù)沖擊波的峰值超壓、正壓持續(xù)時間、作用次數(shù)等因素的不同而出現(xiàn)不同程度的損傷,即使是弱沖擊波也會對人員造成很大的傷害,表1為沖擊波對人員和建筑物的損傷情況[3],因此,如何保護結(jié)構(gòu)和人員,有效的降低沖擊波峰值超壓的研究工作是非常具有研究價值的。

近年來,泡沫金屬作為一種新型的緩沖吸能材料越來越受到人們的青睞。泡沫鋁不但具有高阻尼性,而且具有相對密度低、比模量、比強度優(yōu)良的特性,還具有隔音、耐腐蝕、耐熱保溫、無污染、可循環(huán)利用等優(yōu)異的性能。將泡沫鋁與鋼板組成復合保護層,如圖1所示,能對沖擊荷載具有很好的緩沖吸能作用。利用有限元數(shù)值分析的方法,研究泡沫鋁復合保護層對結(jié)構(gòu)的保護作用及對空氣沖擊波衰減的影響。

表1 空氣沖擊波對人體及建筑物的損害

圖1 泡沫鋁復合緩沖層

1 材料模型和參數(shù)

爆炸過程是一種高度非線性的過程,數(shù)值模擬中網(wǎng)格發(fā)生嚴重的畸變,使計算出現(xiàn)錯誤的結(jié)果,甚至是計算不能收斂[4],因此本文采用ANSYS/LSDYNA軟件進行數(shù)值模擬。炸藥為TNT集團裝藥,采用MATHIGH EXPLOSIVE BURN[5]高能炸藥模型,爆轟壓力P和單位體積內(nèi)能及相對體積V的關(guān)系采用JWL狀態(tài)方程加以描述。炸藥密度取1.5 g/cm3,爆炸速度為7000 m/s,爆炸壓力 PCJ為2×1010Pa。JWL狀態(tài)方程P-V關(guān)系如(1)式

式中:P表示壓力,V為初始相對體積,E0為初始內(nèi)能密度,其它均為試驗確定的常數(shù),具體取值見表2。

表2 炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

空氣假設(shè)為非粘性理想氣體,沖擊波膨脹為絕熱過程,采用空材料MAT NULL 模型和線性多項式狀態(tài)方程EOS LINEAR POLYNOMIAL 來描述。線性多項式狀態(tài)方程如(2)式:

式中:P為壓力,E為單位體積內(nèi)能,C0,C1,C2,C3和C6為常數(shù),本文取零,C4=C5=0.4,ρ,ρ0分別表示空氣當前的密度和初始的密度,空氣的密度取1.29 g/cm3,初始單位內(nèi)能為2.5×105J/m3,初始相對體積 V0為1.0。

鋼筋混凝土板采用塑性隨動硬化模型MAT PLASTIC KINEMATIC來模擬。材料密度取2.45 g/cm3,彈性模量取30 GPa,泊松比為0.2,硬化系數(shù) β=1.0。

由于閉孔泡沫鋁的吸能效率要優(yōu)于開孔泡沫鋁的吸能效率,故采用閉孔泡沫鋁材料[6]。由于爆炸作用產(chǎn)生的質(zhì)點速度很快,因此材料的本構(gòu)關(guān)系必須考慮應變率效應,在數(shù)值模擬中泡沫鋁的應力-應變曲線采用曾斐、胡時勝等[7,8]根據(jù)SHPB試驗測得的相關(guān)曲線,泡沫鋁密度為1.0 g/cm3,彈性模量為1.2 GPa,采用Crushable foam模型。

2 計算模型

為了能更好的對比分析泡沫鋁復合保護層對結(jié)構(gòu)的保護作用和對空氣沖擊波的衰減作用,設(shè)計了三種計算工況,如圖2所示。

(1)不加任何保護層;

(2)僅加一層鋼板保護層;

(3)加鋼板和泡沫鋁復合保護層。

其中,在加鋼板和泡沫鋁復合保護層計算工況中(工況c),泡沫鋁厚度分別取20mm,30mm和 40mm三種情況,以便對復合保護層進行初步優(yōu)化設(shè)計。鋼筋混凝土計算板尺寸為400mm×400mm×60mm,泡沫鋁與鋼板平面尺寸與混凝土板一樣,厚度分別30mm和10mm。炸藥裝藥量為75 g,尺寸為50mm×50mm×20mm,建模時考慮到對稱性,為了節(jié)省計算時間,取1/4計算模型。鋼板、泡沫鋁和鋼筋混凝土板的對稱面采用對稱邊界,另外兩個側(cè)面為固支邊界,其他邊界均為無反射邊界,反應了空氣介質(zhì)為無限大。本文采用多物質(zhì)流固耦合算法,即鋼板、泡沫鋁和混凝土板采用Lagrange單元網(wǎng)格,炸藥與空氣采用歐拉單元網(wǎng)格,單元采用ALE算法,并運用軟件中提供的CONSTR AINED LAGRANGE IN SOLID 約束條件使Euler單元與Lagrange單元相互作用,接觸類型定義為面面接觸。

圖2 計算模型工況

3 計算結(jié)果分析

圖3為在加復合保護層與不加任何保護層,以及僅加鋼板保護層三種工況下,鋼筋混凝土板下方沿中軸線方向空氣層各點超壓峰值曲線,橫軸為距混凝土板下表面的距離;縱軸為空氣超壓。每隔1cm取一個單元,共取了8個單元。圖中很清楚的反應了爆炸荷載作用下,空氣沖擊波在三種工況下的衰減過程,是一個指數(shù)衰減的過程。

圖3(a)為沒有任何保護層的計算工況,在0.5cm～1.5cm內(nèi),空氣超壓在0.3～0.6個大氣壓范圍內(nèi),在7.5cm處超壓仍有0.1個大氣壓;圖3(b)為僅加了鋼板保護層的計算工況,在0.5cm～1.5cm內(nèi),空氣超壓在0.15～0.3個大氣壓之間,在7.5mm處超壓為0.1個大氣壓,比沒有任何保護層的情況降低了一些,說明鋼板保護層對沖擊波的衰減起到了一定的作用;圖3(c)為加泡沫鋁,鋼板復合保護層的計算工況,從圖中可以看出在0.5cm～7.5cm范圍內(nèi),空氣超壓在0.03～0.02個大氣壓之間,超壓大幅度降低,沖擊波的作用甚至可以忽略,表明泡沫鋁復合保護層對空氣沖擊波的衰減具有非常顯著的效果。

圖4為鋼筋混凝土板上表面中心單元的壓力時程曲線,可以看出,在沒有任何保護層與只有鋼板保護層的情況下,混凝土板最大峰值壓力分別為1.21 GPa和650MPa,而加了復合保護層的混凝土板峰值壓力僅為32MPa,如果取鋼筋混凝土屈服破壞強度為50MPa[9],事實上,前兩種工況下混凝土板已經(jīng)發(fā)生嚴重破壞,板下方空氣沖擊波超壓可以說是要比圖3(a)和(b)中的值還要大的,對人員及建筑物造成的傷害甚至會更加的嚴重,而加了復合保護層的鋼筋混凝土板遠低于屈服破壞強度,有效的保護了結(jié)構(gòu),降低了空氣沖擊波峰值,使人員及建筑物免遭傷害。

圖3 鋼筋混凝土下空氣層沿中軸線各點峰值超壓曲線

圖4 三種工況下鋼筋混凝土板中心壓力對比

4 吸能裝置厚度選取

泡沫鋁復合保護層對保護結(jié)構(gòu)、降低沖擊波峰值具有非常顯著的效果,尤其是使用泡沫鋁材料對緩沖耗能起了很大的作用。但是,如何選取泡沫鋁材料厚度,才能即經(jīng)濟,又能起到很好的耗能保護作用。經(jīng)過試算,對泡沫鋁厚度分別取20mm,30mm和40mm三種情況做了數(shù)值模擬計算。

圖5和圖6分別為三種不同厚度泡沫鋁復合保護層計算工況下鋼筋混凝土板下方沿中軸線方向空氣層各點(計算點)超壓峰值曲線和鋼筋混凝土板上表面中心單元的壓力時程曲線。

圖5 三種不同厚度泡沫鋁工況下計算點處超壓峰值曲線

圖6 三種不同厚度泡沫鋁工況下計算點處壓力時程曲線

從圖5可以看出,三種工況下沖擊波超壓峰值均降到了0.04 atm以下,已經(jīng)不能對人或建筑物造成任何傷害了,三條曲線沿縱軸方向也相差不大,說明在75 g炸藥量作用下,20mm厚的泡沫鋁緩沖層對爆炸所產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓的衰減作用已經(jīng)足夠了。但從圖6可以知道,泡沫鋁緩沖層為20mm時,鋼筋混凝土板上表面中心單元的壓力為92.3MPa,已經(jīng)大大超過鋼筋混凝土材料的屈服破壞強度50MPa,也就是說,20mm厚的泡沫鋁緩沖層雖然使混凝土板下方空氣沖擊波超壓滿足了不能造成任何傷害的要求,但是鋼筋混凝土板卻已屈服破壞,沒有達到很好的保護結(jié)構(gòu)的作用。當泡沫鋁緩沖層為40mm時,雖然空氣超壓與鋼筋混凝土板上表面中心單元壓力(21.3MPa＜50MPa)都滿足要求,但是卻偏于保守,根據(jù)經(jīng)濟適用的原則,40mm厚的泡沫鋁緩沖層也不符合要求。而當泡沫鋁緩沖層為30mm時,不但空氣超壓與鋼筋混凝土板壓力(32.0MPa＜50MPa)都滿足要求,而且比40mm厚減少了10mm,經(jīng)濟性更好。

因此,當炸藥量確定時,復合保護層中泡沫鋁的厚度并不是越厚越好,而是有一個合適的值,使得復合保護層對結(jié)構(gòu)的保護達到最優(yōu)的效果。

5 結(jié) 論

通過以上的數(shù)值計算與結(jié)果分析表明,泡沫鋁復合保護層能有效的降低作用在結(jié)構(gòu)上的爆炸沖擊荷載,對爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波的衰減也具有非常顯著的效果,很好的保護了人員及結(jié)構(gòu)的安全,而且對于復合保護層中泡沫鋁層的厚度取值并不是越厚越好,在一定的炸藥量下,存在一個合適的厚度值的,這為以后泡沫鋁復合保護層的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的設(shè)計基礎(chǔ)。

[1]李維新.一維不定常流與沖擊波[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[2]陳新華,聶萬勝.液體推進劑爆炸危害性評估方法及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[3]李翼祺,馬素珍.爆炸力學[M].北京:科學出版社,1992.

[4]時黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯示動力分析[M].北京:清華大學出版社,2005.

[5]LS-DYNA KEYWORD USER'S MANUAL(version970)US:LSTC,April,2003.

[6]陳永濤,樓志華,鄭鋼鐵.開孔和閉孔泡沫鋁的力學與吸能特性研究[J].高能量密度物理,2006,6(2):47-49.

[7]曾 斐.泡沫鋁緩沖吸能特性研究[D].合肥:中國科學技術(shù)大學,2002.

[8]王永剛,胡時勝,王禮立.爆炸荷載下泡沫鋁材料中沖擊波衰減特性的實驗和數(shù)值模擬研究[J].爆炸和沖擊,2003,23(6):516-522.

[9]李國強,孫建運,王開強.爆炸沖擊荷載作用下框架柱簡化分析模型研究[J].振動與沖擊,2007,26(1):8-11.