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(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

目前，人們對(duì)爆炸荷載下結(jié)構(gòu)安全防護(hù)的研究主要是基于沖擊波效應(yīng)和材料動(dòng)態(tài)特性兩方面的研究[1]。本文基于防爆基本技術(shù)措施的第4條和第5條，并參考現(xiàn)有的防爆覆層方面的文獻(xiàn)，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立了混凝土板及蜂窩夾芯覆層的幾何模型，在Hypermesh下將混凝土板劃分為六邊形實(shí)體網(wǎng)格，將蜂窩夾芯覆層劃分為規(guī)則四邊形殼網(wǎng)格，并導(dǎo)入AUTODYN有限元計(jì)算軟件，運(yùn)用ALE算法對(duì)混凝土單板及帶蜂窩夾芯覆層的混凝土板在爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析。

1 幾何模型

在實(shí)際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)多為大體積結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源并保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，取1∶100縮小的結(jié)構(gòu)模擬實(shí)際尺寸3 000 mm×3 000 mm×250 mm的混凝土板在爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)。由于結(jié)構(gòu)和爆炸荷載的對(duì)稱性[2]，在模擬計(jì)算時(shí)混凝土板與帶有蜂窩防爆覆層的混凝土板均采用1/4模型建模。1/4模型混凝土板計(jì)算尺寸為150 mm×150 mm×25 mm，單元尺寸為0.5 mm。蜂窩壁厚為0.04 mm，蜂窩邊長(zhǎng)5 mm，面板厚0.8 mm，夾芯覆層選取10 mm和20 mm兩種高度。

在整個(gè)建模中，蜂窩覆層、混凝土板均采用Lagrange單元，空氣和高能炸藥采用Euler單元?；炷羻卧叽鐬? mm×2 mm×2 mm，蜂窩及面板單元尺寸2 mm×2 mm×2 mm，空氣、炸藥單元尺寸為4 mm×4 mm×4 mm。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2 有限元算法

為了減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度，在數(shù)值模擬過(guò)程中采用了AUTODYNA軟件提供的映射(REMAP)技術(shù)。首先在計(jì)算精度更高的二維模型中建立圓柱型TNT炸藥模型與球形TNT炸藥模型，并計(jì)算初始起爆和爆炸沖擊波傳播過(guò)程，其中空氣的網(wǎng)格尺寸為4 mm。在沖擊波傳播到一定距離(未傳出空氣邊界)時(shí)，將二維的計(jì)算結(jié)果映射到三維歐拉型空氣域中，與計(jì)算模型進(jìn)行耦合，繼續(xù)下一步計(jì)算。

3 材料模型

鋁蜂窩夾心材料及其面板均采用JOHNSON_COOK材料模型[3]，屈服應(yīng)力表示為：

(1)

式中：ε-p——等效塑性應(yīng)變；ε-*——應(yīng)變率比值；T*——相對(duì)溫度；A——屈服應(yīng)力；B——應(yīng)變硬化常數(shù)；n——應(yīng)變硬化指數(shù)；C——應(yīng)變率敏感系數(shù)。

材料的具體參數(shù)如表1所示?；炷敛捎肁UTODYN自帶材料庫(kù)中的RHT混凝土材料，材料參數(shù)如表2所示。

表1 鋁蜂窩材料參數(shù)

表2 CONC-35 MPa材料參數(shù)

4 結(jié)果與討論

4.1 背爆面中心點(diǎn)撓度對(duì)比

圖2給出了混凝土單板及粘貼有蜂窩覆層的混凝土板背爆面中心點(diǎn)位移時(shí)程曲線。

圖2 混凝土板背爆面中心點(diǎn)位移時(shí)程曲線

從圖2可以看出，混凝土單板背爆面中心點(diǎn)在0.3 ms時(shí)達(dá)到最大位移2.25 mm，增加覆層后混凝土板背爆面中心點(diǎn)撓度明顯減小。設(shè)置10 mm覆層之后，撓度最大值減小至0.6 mm，約為之前的27%；覆層高度增加為20 mm后，混凝土板背爆面中心點(diǎn)撓度進(jìn)一步減小，約為0.3 mm，約為之前的13%，且基本上處于彈性震蕩范圍之內(nèi)。

從圖2還發(fā)現(xiàn)，增加覆層之后，背爆面出現(xiàn)撓度峰值的時(shí)間有一定的提前。未設(shè)置覆層時(shí)，峰值約在0.3 ms出現(xiàn)；設(shè)置10 mm覆層之后，峰值約在0.2 ms出現(xiàn)；設(shè)置20 mm覆層之后，峰值在0.15 ms左右出現(xiàn)。

4.2 各部分能量對(duì)比

各部分能量分布曲線如圖3所示。圖4為不同覆層厚度下混凝土板受到的沖擊能量。

圖3 各部分能量分布曲線

從圖3可以看出，芯層吸收了大部分的能量，約為0.25 kJ，面板和混凝土所吸收的能量較少，僅為蜂窩芯層的10%。所以，設(shè)置覆層能夠有效地減小結(jié)構(gòu)受到的沖擊能量，覆層在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的大變形耗散了絕大多數(shù)的沖擊荷載。

圖4 背爆面中點(diǎn)撓度對(duì)比

從圖4可以看出，增加蜂窩夾芯覆層高度后，混凝土板所受到的沖擊能量明顯減小，僅為之前的12.5%。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)混凝土板在爆炸荷載下的數(shù)值模擬，分析了混凝土板的主要變形以及失效模式，結(jié)果表明：

5.1 帶蜂窩夾芯覆層的混凝土板與單層混凝土板相比，背爆面撓度明顯減??；設(shè)置覆層后，可以大大減小結(jié)構(gòu)收到的沖擊荷載；增加覆層高度可以大大減輕結(jié)構(gòu)受到的沖擊能量，減輕結(jié)構(gòu)的破壞。

5.2 在爆炸沖擊下，蜂窩夾芯覆層對(duì)混凝土板有較好的防護(hù)作用，可以作為結(jié)構(gòu)的防護(hù)層來(lái)抵抗爆炸沖擊，具有良好的工程應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 寧建國(guó)，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010：246-247.

[2] Henrych J.爆炸動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用[M].熊建國(guó)等譯.北京：科學(xué)出版社，1987：351-355.

[3] 楊秀敏.爆炸沖擊現(xiàn)象數(shù)值模擬[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010：348-349.