（空軍勤務學院機場工程與保障系 江蘇 徐州 221000）

鋁板
--環(huán)氧樹脂夾層結構抗爆性能數(shù)值模擬研究

謝永亮 趙 亮 張 勇

（空軍勤務學院機場工程與保障系 江蘇 徐州 221000）

運用大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，在相同的爆炸沖擊波作用下，對掩蔽物上方鋁板和含環(huán)氧樹脂夾層的普通鋁板兩種防護結構的抗爆性能進行了數(shù)值模擬和對比分析，結果表明：有環(huán)氧樹脂夾層的鋁板結構的抗爆性能要優(yōu)于無環(huán)氧樹脂夾層的鋁板，且抗爆性能隨著環(huán)氧樹脂夾層厚度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，為防護結構的研制提供了一定的參考。

鋁板；環(huán)氧樹脂夾層；抗爆性能；數(shù)值模擬

0 引言

為避免敵火力打擊，提升戰(zhàn)場生存力，往往對我重點部位進行工程防護。在防護工程的中上部一方面對結構的抗打擊性能要求較高，另一方面要求結構荷載不宜過大，而鋁板材料所具備的質量輕、強度高、剛性好、環(huán)氧樹脂質量輕，緩沖吸能性能好等優(yōu)點是解決這一難題不錯的選擇[1]。本文通過采用大型模擬軟件ANSYS/LS-DYNA對有無環(huán)氧樹脂夾層，不同環(huán)氧樹脂夾層厚度的復合板結構進行模擬，探討出環(huán)氧樹脂以及其厚度對沖擊波的衰減作用，為工程防護提供一定的參考。

1 試驗設計

試驗實體的物理尺寸為：掩蔽物尺寸為24cm×4 cm×4cm，炸藥為2 cm×4 cm×1 cm，上下層鋁板為24cm×4cm×1cm，環(huán)氧樹脂夾層的的尺寸為24cm×4cm×0.5cm、24cm×4cm×1cm和24cm×4cm×2cm，為了節(jié)省程序運算時間，考慮模型的對稱性，建立1/4模型進行簡化運算。另外為對比研究環(huán)氧樹脂厚度變化對試驗結果的影響，設炸藥從上表面起爆，控制起爆點到掩蔽物上表面，即下層鋁板的下表面的距離不變?yōu)?cm。本試驗控制上下層鋁板厚度為1cm不變，變量為中間夾層環(huán)氧樹脂厚度，分別為0、0.5、1、2cm，0cm表示無中間夾層環(huán)氧樹脂，只有兩層1cm厚鋁板。

2 數(shù)值模擬

2.1材料狀態(tài)方程與模型

數(shù)值模擬所采用的材料主要為TNT炸藥、空氣、鋁板、環(huán)氧樹脂。

數(shù)值模擬所采用的TNT炸藥選用材料類型8，密度為1.63g/cm3，爆速為0.693cm/μs，CJ壓力為21Gpa，采用JWL狀態(tài)方程，此狀態(tài)方程通常用于描述高能炸藥及爆轟產(chǎn)物[2]，其形式為：

其中，A，B，R，R’，是材料常數(shù)，P是壓力，V是相對體積，E是初始內能。分別取A=373.8Gpa，B=3.747 Gpa，R=4.15，R’=0.9，=0.35，E=9.6GJ/m3。空氣采用下面的氣體狀態(tài)方程來模擬，該狀態(tài)方程為：P=（γ-1）ρE

其中，P是壓力，γ是氣體熱指數(shù)，ρ是相對密度，E是空氣內能。分別取γ =1.4，ρ=1.3×10-3g/ cm3，E=2.5×10-6（105MPa）。

鋁板采用DYNA Johnson-Cook本構模型進行模擬，材料參數(shù)分別為：ρ=2.7g/ cm3，E=72Gpa，σ=0.33。

環(huán)氧樹脂的應力應變關系采用LS-DYAN中的ELASTIC_PLASTIC_HYDRO本構模型，其參數(shù)值分別為：ρ=0.980 g/ cm3，彈性模量1Gpa，泊松比為0.38。

數(shù)值模擬過程中，炸藥、空氣、鋁板和環(huán)氧樹脂均采用3D SOLID164單元類型，炸藥和空氣使用歐拉算法，鋁板和環(huán)氧樹脂采用拉格朗日算法，炸藥和空氣單元不存在畸變問題，鋁板環(huán)氧樹脂夾層結構與炸藥和空氣采用耦合算法，計算時在對稱面方向上進行面約束位移，在Z方向即厚度方向上進行節(jié)點約束位移，數(shù)值模擬采用cm-g-μs單位制。

2.2數(shù)值模擬過程

構建有限元實體及網(wǎng)格劃分[3-4]，如圖1所示。

3 計算結果分析

為考慮爆炸對結構的最大影響，選取炸藥正下方處、下層鋁板背面的單元進行分析，主要分析其在沖擊波作用下壓力、位移隨時間的變化。

3.1壓力時程圖分析

圖1 有限元實體及網(wǎng)格劃分

圖2 無夾層

圖3 含0.5cm夾層

圖4 含1cm夾層

圖5 含2cm夾層

如圖2,3,4,5所示，爆炸沖擊波對復合板的作用是個反復的過程，具體表現(xiàn)為壓力和拉力的交換進行。由圖2可知，對于無環(huán)氧樹脂的普通鋁板結構，沖擊波對所取單元造成的壓力的峰值達到了4×10-3；由圖3可知，對于含有0.5cm環(huán)氧樹脂夾層的復合結構，沖擊波對所取單元造成的壓力的峰值達到了0.2×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結構，壓力峰值降低3.8×10-3；由圖4可知，對于含有1cm環(huán)氧樹脂夾層的復合結構，沖擊波對所取單元造成的壓力的峰值達到了0.065×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結構，壓力峰值降低3.935×10-3；由圖5可知，對于含有2cm環(huán)氧樹脂夾層的復合結構，沖擊波對所取單元造成的壓力的峰值達到了0.1×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結構，壓力峰值降低3.9×10-3。通過對比發(fā)現(xiàn)，相比于無夾層結構的普通鋁板，添加環(huán)氧樹脂夾層后壓力峰值下降明顯，說明環(huán)氧樹脂夾層的添加確實對沖擊波起到相當?shù)木彌_作用。隨著夾層厚度繼續(xù)增加至1cm時，峰值壓力繼續(xù)降低。但當夾層厚度繼續(xù)增加至2cm時，峰值壓力不減反增，說明復合板對沖擊波的緩沖效果有所下降，這一方面是由于隨著夾層厚度的增加，整個結構距離爆點更近了，炸藥損失在空氣中的能量更少而作用于結構的能量更多導致峰值壓力增大，另一方面可能是環(huán)氧樹脂層越厚，其剛性越強，傳力效果越好，使得傳遞到底部鋁板的峰值壓力有所增加。因此，從壓力時程圖中可以看出：添加環(huán)氧樹脂夾層確實對沖擊波起到了一定的緩沖效果，但不是環(huán)氧樹脂夾層越厚，對沖擊波的衰減效果最好，本試驗中環(huán)氧樹脂夾層為1cm時，即占整體結構厚度的1/3時效果最好。

3.2位移時程圖分析

圖6 四種情況位移時程圖

圖6為單元的四種情況下位移時程圖，從圖中可以看出，對于無環(huán)氧樹脂的普通鋁板結構，沖擊波對所取單元造成的位移的峰值達到了7.5×10-3；對于含有0.5cm環(huán)氧樹脂夾層的復合結構，沖擊波對所取單元造成的位移的峰值達到了2.5 ×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結構，位移峰值降低5×10-3；對于含有1cm環(huán)氧樹脂夾層的復合結構，沖擊波對所取單元造成的位移的峰值達到了0. 5 ×10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結構，位移峰值降低7×10-3；對于含有2cm環(huán)氧樹脂夾層的復合結構，沖擊波對所取單元造成的位移的峰值達到了2× 10-3，相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結構，位移峰值降低5.5×10-3。通過對比發(fā)現(xiàn)：相比于無夾層結構的普通鋁板，添加環(huán)氧樹脂夾層后位移峰值下降明顯，說明環(huán)氧樹脂夾層的添加確實對沖擊波起到相當?shù)木彌_作用。隨著夾層厚度的增加，位移峰值出現(xiàn)先減小后增大的情況，說明整體結構對爆炸沖擊波的衰減作用先增大后減小，且在含有1cm環(huán)氧樹脂夾層即占整體結構厚度的1/3時效果達到最好，與壓力時程圖分析結果一致。

4 結語

由上面不同厚度環(huán)氧樹脂夾層對爆炸沖擊波的衰減效果分析可得到如下結論：

（1）相比于無環(huán)氧樹脂夾層的純鋁板結構，環(huán)氧樹脂夾層為0.5cm時整體結構壓力緩沖效果提升95%，位移緩沖效果提升66.7%；環(huán)氧樹脂夾層為1cm整體結構壓力緩沖效果提升98.4%，位移緩沖效果提升93.3%；環(huán)氧樹脂夾層為2cm整體結構壓力緩沖效果提升97.5%，位移緩沖效果提升73.3%。

（2）環(huán)氧樹脂夾層能夠對沖擊波起到一定的緩沖作用，但緩沖效果并不隨著厚度的增加而線性增加。綜合看來，當環(huán)氧樹脂夾層厚度為1cm，即復合板由1cm厚上層鋁板、1cm厚環(huán)氧樹脂中間夾層和1cm厚下層鋁板組合時整體緩沖效果最好。

[1]杜修力.炸藥爆炸作用下地下結構的動力響應分析[J].爆炸與沖擊，2006，26（5）：13-20

[2]邊小華，石少卿，康建功等.一種新型防護結構對爆炸沖擊波衰減特性的研究[J].后勤工程學報，2005：40-45

[3]時黨勇.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

[4]趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2003

Numerical Simulation Study on Anti Explosion Performance of the Aluminium Plate--Epoxy Resin Sandwich Structure

XIE Yong Liang , ZHAO Liang, ZHANG Yong
(Department of Airport Engineering and Support of Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

using the large-scale finite element software ANSYS/LS-DYNA to conduct the numerical simulation and comparison on the explosion proof performance of the aluminium palte and aluminium palte with epoxy resin layer under the same action of blast shock wave, the result shows that the explosion proof performance of aluminium palte with epoxy resin layer is superior to aluminium palte, and the explosion proof performance shows a trend of increasing first and then decreasing with the increase of the epoxy resin layer, which provides some references for the development of protective structure.

aluminium palte; epoxy resin layer; explosion proof performance; numerical simulation

TU512.4

A

1007-6344（2017）04-0139-02

謝永亮，中國人民解放軍空軍勤務學院機場工程與保障系，教授

趙亮，中國人民解放軍空軍勤務學院機場工程與保障系，碩士研究生

姜凱鄰（1994-），男，河北滄州人，本科。專業(yè)：土木工程