鄭 盼，朱 錫，李永清，朱子旭

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

納米 SIO2氣凝膠氈與高強聚乙烯復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)隔熱性能研究

鄭 盼，朱 錫，李永清，朱子旭

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

為探討新型復(fù)合裝甲在艦船發(fā)生火災(zāi)時高溫對氣凝膠氈保護的高強聚乙烯的影響規(guī)律，以及在 A60標(biāo)準(zhǔn)條件下高強聚乙烯免受高溫影響所需氣凝膠氈的厚度，設(shè)計了不同厚度的氣凝膠氈與高強聚乙烯夾芯防護結(jié)構(gòu)，借助有限元軟件 Ansys14.0 對其溫度場進行了數(shù)值模擬，并與實驗結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明：實驗結(jié)果與數(shù)值仿真計算結(jié)果較吻合；氣凝膠氈面火層溫度梯度較大，向背火層方向依次減小，SiO2氣凝膠氈具有很好的隔溫效果；該防護結(jié)構(gòu)達到 A60 熱防護要所需 SiO2氣凝膠氈的厚度約為 21.8 mm。

熱防護；氣凝膠氈；火災(zāi)；數(shù)值仿真

0 引 言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，半穿甲導(dǎo)彈通過設(shè)置延時引信使戰(zhàn)斗部穿透船體外板后在艙室內(nèi)部起爆，爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高速破片對艦艇結(jié)構(gòu)和人員構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，聚乙烯纖維復(fù)合材料作為新型復(fù)合材料，其具有重量輕、抗彈性能優(yōu)異等特點[1–2]，朱錫等[3–6]對高強聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合抗爆艙壁進行了近距空爆下變形破壞模式試驗研究，結(jié)果表明：高強聚乙烯具有很好的抗穿甲性能和吸能性能，適當(dāng)增加復(fù)合抗爆艙壁夾芯層厚度和質(zhì)量有利于其整體抗彈性能的提高。

然而，高強聚乙烯受溫度影響明顯，UHMWPE 纖維晶體熔點（Tm）約為 147 ℃[7]，當(dāng)環(huán)境層溫度達到147 ℃ 后 UHMWPE 纖維晶體會逐漸軟化，持續(xù)高溫會使其脫層皺縮燒蝕，從而降低其抗彈性能。SiO2氣凝膠氈具有良好的隔溫性能[8–10]，譚大力等[11]對 SiC 陶瓷和 SiO2氣凝膠氈組合結(jié)構(gòu)隔熱性能研究表明：SiC 陶瓷和 SiO2氣凝膠氈組合結(jié)構(gòu)具有很好的隔熱性能，綜合利用該組合結(jié)構(gòu)能有效保護金屬背襯結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代艦船向著輕量化方向發(fā)展，用低質(zhì)量高強度的聚乙烯板代替厚重的船用裝甲，在達到相同防護效果的同時，對減小艙壁結(jié)構(gòu)整體面密度具有重要意義。

基于上述分析，為探討新型復(fù)合裝甲在艦船發(fā)生火災(zāi)時高溫對氣凝膠氈保護的高強聚乙烯的影響規(guī)律，以及在 A60[12]標(biāo)準(zhǔn)條件下高強聚乙烯免受高溫影響所需氣凝膠氈的厚度，設(shè)計了不同厚度的氣凝膠氈與高強聚乙烯夾芯防護結(jié)構(gòu)。本文以 10 mm、20 mm 和 30 mm的 SiO2氣凝膠氈為隔溫層，高強聚乙烯板為抗彈層，船用鋼為前/后面板，參照 A60 標(biāo)準(zhǔn)的實驗條件對單元模型進行仿真分析研究，并分析 SiO2氣凝膠氈厚度變化對夾芯結(jié)構(gòu)溫升變化的影響規(guī)律及用插值方法確定不使高強聚乙烯受高溫影響所需隔溫層的最佳厚度。

1 理論分析

熱量傳遞有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射 3 種形式。固體材料內(nèi)部主要熱量傳遞形式是熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)可用傅里葉方程表示；式中：Q 為時間 t 內(nèi)的傳熱量；K 為熱傳導(dǎo)系數(shù)；T1，T2為發(fā)生熱傳導(dǎo)的 2 個區(qū)域溫度；A 為傳熱面積；d 為傳熱距離。

為簡化模型單元以及方便計算，本文采用固體材料的熱傳導(dǎo)計算方法。火源溫度是隨時間變化的量，熱量的傳遞是對時間的積分，于是建立瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程：

式中：t 為時間；λij為材料導(dǎo)熱系數(shù)；T 為溫度；x 為板厚方向尺度；ρ 為材料密度；c 為比熱容。

2 模型建立

2.1 結(jié)構(gòu)單元設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)代艦船防護艙壁結(jié)構(gòu)的選材及設(shè)計特點，分別設(shè)計了 10 mm，20 mm 和 30 mm 的 SiO2氣凝膠氈隔溫層夾芯結(jié)構(gòu)模型，如圖 1 所示。

該結(jié)構(gòu)單元共有 5 層，中間層為具有抗彈作用的高強聚乙烯復(fù)合材料，根據(jù)實際艙壁防護結(jié)構(gòu)尺寸，取厚度為 60 mm；高強聚乙烯兩側(cè)為具有隔溫作用的納米 SiO2氣凝膠氈，因?qū)嶋H情況下火災(zāi)發(fā)生的地點具有不確定性，為更好地保護高強聚乙烯免受高溫影響，采取在高強聚乙烯兩側(cè)布置等厚度納米 SiO2氣凝膠氈的方法，模型中納米 SiO2氣凝膠氈隔溫層的厚度分別為 10 mm，20 mm 和 30 mm，計算不同厚度的氣凝膠氈作隔溫層時的溫度分布，有利于分析不同厚度的氣凝膠氈在相同條件下的導(dǎo)熱規(guī)律以及內(nèi)部溫度分布規(guī)律；結(jié)構(gòu)單元最外層分別為 5 mm 和 10 mm 的船用鋼，船用鋼主要起支撐、密封、裝飾等作用。

為準(zhǔn)確測定該結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部的溫度變化，布置了如圖 1 中的 4 個間隙層溫度測點，但在實際測試過程中，由于火源溫度是單向發(fā)生且單向傳導(dǎo)，所以只需要測定靠近火源那一側(cè)的溫度即可。

2.2 邊界條件與初始條件

在對熱防護結(jié)構(gòu)建模時，對模型的面的尺寸可以進行忽略，從熱模型簡化到實體模型并做如下假設(shè)：

1）結(jié)構(gòu)的初始溫度為室溫（25 ℃）弱化周圍空氣流動影響；

2）忽略結(jié)構(gòu)與空氣發(fā)生對流換熱等現(xiàn)象；

3）在厚度方向上，同等厚度平面的溫度等值；4）前鋼板靠近火源側(cè)表面溫度近似為火源溫度。

火源溫度設(shè)置為 A60 標(biāo)準(zhǔn)條件的值，其函數(shù)為：345log（8t + 1）+ 25，其中 t 為時間，單位為 min，溫度曲線如圖 2 所示。

2.3 材料熱物理參數(shù)

高強聚乙烯纖維增強復(fù)合材料層合板（以下簡稱高強聚乙烯層合板，英文名稱縮寫為 UFRP）和船用鋼板在進行傳熱計算時可忽略其力學(xué)性能，其熱物理性能見表 1。

納米 SiO2氣凝膠氈的納米孔隙會因高溫而發(fā)生破壞，從而增大其導(dǎo)熱系數(shù)，降低隔熱性能，其熱物理性能見表 2。

表 1 高強聚乙烯和船用鋼熱物理性能Tab. 1 Physical properties of high strength polyethylene and armor plate

表 2 氣凝膠氈的熱物理性能Tab. 2 Thermal physical properties of silicate Aero-gel

2.4 幾何模型

在實際艦船艙壁中，面積與厚度之比較大時，可忽略艙壁內(nèi)部溫度橫向傳播散熱，于是模型可視為一維單向熱傳遞，直接用 Ansys14.0 建立平板面模型，如圖 3 所示。

因納米 SiO2氣凝膠氈的導(dǎo)熱系數(shù)受環(huán)境溫度不同而不同，為計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，將納米 SiO2氣凝膠氈厚度按 10 mm 等分，根據(jù)計算過程中氣凝膠氈的實際平均溫度設(shè)置相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)。

另外，選擇距離熱源不同距離的節(jié)點 A，B，即靠近火源一側(cè)的隔溫層的兩側(cè)溫度，A 節(jié)點溫度用于與火源溫度對比，判斷仿真的準(zhǔn)確性，B 節(jié)點用于與實驗結(jié)果進行對比分析，判斷仿真的可靠性。

3 結(jié)果及分析

3.1 計算結(jié)果

溫度場模擬分析時，因為熱載荷為時間-溫度函數(shù)，各節(jié)點的瞬態(tài)溫度也是對時間函數(shù)的積分，于是可計算出不同時間段內(nèi)艙壁內(nèi)部的溫度分布，如圖 4～圖 6 所示分別為模型 1、模型 2 和模型 3 在 5 min，60 min 時的計算溫度分布。

將模型 1、模型 2 和模型 3 在不同時間段內(nèi)沿厚度方向上的溫度提取出來并繪制曲線，如圖 7 所示。

從圖 4～圖 7 中可知，納米 SiO2氣凝膠氈面火層附近的溫度梯度較高，并且隨著時間的持續(xù)，納米SiO2氣凝膠氈表面溫度上升，其溫度梯度也將上升。在納米 SiO2氣凝膠氈背火面的溫度梯度卻很小，即不隨時間的變化而發(fā)生大的變化。這是由于納米 SiO2氣凝膠纖細的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域激發(fā)的傳播，還由于孔洞尺度在幾十納米，比常壓下氣體分子的平均自由程要小，使得在微孔洞內(nèi)的氣體分子對熱傳導(dǎo)的貢獻受到抑制而具有極好的隔熱效果。

從圖 7 中的 3 幅不同時間內(nèi)沿厚度方向的溫度分布曲線圖可以看到，前 1～5 mm 為船用鋼板，由于鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)較大，所以鋼板前后兩面的溫差較小且接近火源溫度；每條溫度曲線在 5 mm 厚度開始都有明顯的轉(zhuǎn)折，溫度曲線急劇下滑，說明從 5 mm 開始的氣凝膠氈防火材料具有很好的隔溫性能；氣凝膠氈后為具有抗彈作用但不耐高溫的高強聚乙烯，從 3 幅圖中可看到溫度曲線在此再一次的發(fā)生了轉(zhuǎn)折，那是因為高強聚乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)較氣凝膠氈大得多的緣故，高強聚乙烯前后面的溫差不大，但主要計算高強聚乙烯板迎火側(cè)表面溫度是否達到 147 ℃，以此判斷高強聚乙烯是否受損及該艙壁結(jié)構(gòu)是否滿足在 A60 條件下的熱防護要求。

圖 8 為 Ansys14.0 所計算出的不同厚度氣凝膠氈防范 A60 火源后的剩余溫度，分別為 331 ℃，162 ℃、77 ℃，將三點連接起來為一條非線性的曲線，于是可以利用三點插值法初步計算防范溫度低于 147 ℃ 所需氣凝膠氈的厚度約為 21.8 mm。

3.2 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比

隔溫層氣凝膠氈的作用在于保護高強聚乙烯買免受高溫的影響，不同厚度的氣凝膠氈隔溫效果也大有不同。圖 9 給出了以 20 mm 和 30 mm 氣凝膠氈作隔溫層時，在 A60 標(biāo)準(zhǔn)條件下 60 min 內(nèi)高強聚乙烯表面的實驗溫度變化值[13]與仿真溫度變化值的比較。從圖中可以看出 2 組實驗溫度均低于相應(yīng)的仿真溫度，說明在實際實驗過程中的結(jié)構(gòu)散熱比較大，同時也說明了本仿真的可靠性；20 mm 氣凝膠氈作隔溫層時的實驗結(jié)果與計算結(jié)果吻合性較好，但 30 mm 氣凝膠氈作隔溫層時的實驗結(jié)果比計算結(jié)果低，說明隔溫層越薄，影響溫度傳遞的因素越少，實驗值越接近理論值；2組仿真值都是比較平穩(wěn)增加，且近視線性變化，而實驗值波動比較大，且剛開始時段溫度上升緩慢，但最終值還是會趨近計算值，說明實際情況下溫度的傳播需要反應(yīng)時間。

4 結(jié) 語

1）研究表明：納米 SiO2氣凝膠氈材料沿厚度方向的溫度梯度變化，在其面火層極為陡峭，但在其背火層變得平緩，說明納米 SiO2氣凝膠氈具有極好的隔熱效果。

2）利用 SiO2氣凝膠氈良好的隔熱性能和高強聚乙烯良好的抗彈性能，設(shè)計了納米 SiO2氣凝膠氈/高強聚乙烯/納米 SiO2氣凝膠氈夾芯組合隔熱防護結(jié)構(gòu)。

3）通過數(shù)值模擬計算分析了熱防護結(jié)構(gòu)在 A60 標(biāo)準(zhǔn)火源條件下的溫度分布及變化規(guī)律特性，并與試驗實測情況進行比較分析，結(jié)果表明：實測結(jié)果與計算結(jié)果吻合；通過三點插值計算優(yōu)化，得出高強聚乙烯免受高溫影響的納米 SiO2氣凝膠氈隔溫層厚度約為21.8 mm。

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The simulation analysis of composite annor structure heat insulation performance of different thickness of silicate Aero-gel and high strength polyethylene

ZHENG Pan, ZHU Xi, LI Yong-qing, ZHU Zi-xu
(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to explore the influence of new type composite armor in high temperature fire to protect high strength polyethylene from silicate Aero-gel. And the requirement of silicate Aero-gel for protecting high strength polyethylene from high temperature in A60 standard condition. Designed the sandwich armor structure using different thickness of silicate Aero-gel and high strength polyethylene, which used finite element software Ansys14.0 to analysis the temperature field. and compared the simulation results with experimental results. The results show that :the experimental results and simulation results are in good agreement; the reduce of temperature gradient from the surface toward fire to the surface backward fire indicate the good effect of silicate Aero-gel in temperature compartment; the armor structure to achieve the A60 standard needs a thickness of silicate Aero-gel as 21.8mm.

thermal protection；silicate Aero-gel；fire；numerical simulation

U668.1

A

1672–7619(2017)03–0041–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.008

2016–05–06；

2016–07–13

國家自然科學(xué)基金資助項目（51179200）

鄭盼(1990–)，男，碩士研究生，研究方向為船用材料與應(yīng)用工程。