何 翔，朱 錫，李永清，鄭 盼

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及隔熱性能驗(yàn)證

何 翔，朱 錫，李永清，鄭 盼

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料（UFRP）層合板具有良好的抗侵徹性能，但受溫度影響明顯，其熱損傷的臨界溫度僅為 147 ℃。為了避免火災(zāi)產(chǎn)生的高溫使 UFRP 層合板失去抗彈性能，設(shè)計(jì)了以船用鋼為前/后面板，SiO2氣凝膠氈為隔熱層，UFRP 層合板為抗彈層的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)。在 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，探索了復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布與 SiO2氣凝膠氈隔溫層厚度的關(guān)系。根據(jù)有限元仿真結(jié)果，近一步對(duì) SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度為 20 mm 的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)單元開展耐火試驗(yàn)。結(jié)果表明：SiO2氣凝膠氈具有良好的隔熱性能，在 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下，保持復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)中 UFRP 層合板抗彈性能完好所需的 SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度至少為 20 mm。

SiO2氣凝膠氈；復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)；瞬態(tài)熱分析；耐火試驗(yàn)

0 引 言

超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料（UFRP）層合板具有抗穿甲性能好[1-5]、密度低等優(yōu)點(diǎn)，近年來在抗彈防護(hù)方面得到了廣泛的研究。侯海量等[6-7]對(duì)以 UFRP層合板為芯材的復(fù)合抗爆艙壁進(jìn)行了大量穿甲及爆炸試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：以 UFRP 層合板為夾芯的復(fù)合抗爆艙壁具有良好的防護(hù)性能，能夠有效降低爆炸沖擊波和高速破片對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)及艙內(nèi)人員構(gòu)成的威脅。因此利用密度低的 UFRP 層合板代替部分密度大船用鋼，在達(dá)到相同防護(hù)效能的同時(shí)，對(duì)減小艦船艙壁的面密度具有重要的意義，符合現(xiàn)代艦船朝著高強(qiáng)輕量化方向發(fā)展的要求。

然而，UFRP 層合板的抗彈性能受溫度影響明顯，超高分子量聚乙烯纖維晶體熔點(diǎn)（Tm）為 147 ℃[8]，當(dāng)作用在 UFRP 層合板表面的溫度大于 147 ℃ 時(shí)，層合板將逐漸軟化，并出現(xiàn)脫層燒蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重削弱了其抗彈性能。如何維持火災(zāi)后 UFRP 層合板的抗彈性能，是以 UFRP 層合板為夾芯的復(fù)合抗爆艙壁在設(shè)計(jì)過程中需要著重考慮的問題。王俊儒等[9]對(duì)隔熱材料的保溫傳熱進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：采用導(dǎo)熱率低的材料，能夠有效減緩熱量向體系內(nèi)部傳遞；采用高密度、高比熱容的材料，能夠有效吸收傳入體系內(nèi)部的熱量，減緩溫度上升速率。譚大力等[10]對(duì) SiC 陶瓷和SiO2氣凝膠氈組合結(jié)構(gòu)的隔熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；王曉婷等[11]對(duì)剛性隔熱瓦和硅基納米隔熱材料組合結(jié)構(gòu)的隔熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果均表明：隔熱組合結(jié)構(gòu)能有效降低其背面溫度，保護(hù)背襯結(jié)構(gòu)。

基于上述分析，在 UFRP 層合板前面設(shè)置一定厚度的隔熱材料，能有效控制傳遞至 UFRP 層合板表面的溫度，使其低于 UFRP 層合板所能承受的臨界溫度，從而避免 UFRP 層合板因高溫而失效。本文設(shè)計(jì)了以船用鋼為前/后面板，SiO2氣凝膠氈為隔熱層，UFRP 層合板為抗彈層的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)。通過有限元分析軟件 ANSYS，建立瞬態(tài)熱分析模型，在 A60 耐火等級(jí)[12]標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，探索了 SiO2氣凝膠氈隔溫層厚度為 10 mm、20 mm和 30 mm 時(shí)，復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布情況。根據(jù)有限元仿真結(jié)果，進(jìn)一步對(duì) SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度為 20 mm 的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)單元開展耐火試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元分析模型的可靠性，最終確定了 UFRP 層合板在 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下保持完好所需的隔熱層厚度。

1 復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮現(xiàn)代艦船艙壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及 UFRP層合板熱防護(hù)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。

該結(jié)構(gòu)共 5 層，中間層為 UFRP 層合板抗彈層，其厚度為 50 mm；考慮到實(shí)際工作條件下火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)的不可預(yù)測(cè)性，在抗彈層左右兩側(cè)均布置等厚的SiO2氣凝膠氈隔熱層，避免 UFRP 層合板在發(fā)生火災(zāi)時(shí)因作用在其表面的溫度過高而脫層燒蝕，降低抗彈性能。SiO2氣凝膠氈隔熱層的實(shí)際厚度由有限元分析結(jié)果確定，并通過 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下的耐火試驗(yàn)來驗(yàn)證。在有限元分析模型中，SiO2氣凝膠氈隔熱層的厚度分別設(shè)置為 10 mm、20 mm、30 mm；復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)最外層均為 10 mm 厚的船用鋼，起支撐和封裝的作用。

2 復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)隔熱性能數(shù)值仿真

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

使用 Ansys14.0 軟件建立復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)的幾何模型，如圖 2 所示。共分為 5 層，沿 y 軸方向各層材料依次設(shè)置為船用鋼、SiO2氣凝膠氈、UFRP 層合板、SiO2氣凝膠氈及船用鋼。

計(jì)算單元采用 6 面體 20 節(jié)點(diǎn)的 SOLID90 單元，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖 3 所示。

模型中各層材料的幾何參數(shù)與實(shí)驗(yàn)材料具體尺寸保持一致，底面均為 400 × 400 mm 的正方形，厚度如表 1 所示。

2.2 數(shù)學(xué)控制方程

為簡(jiǎn)化模型計(jì)算，作如下假設(shè)：

1）在一定范圍內(nèi)沿復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)外表面水平方向的溫度梯度可以忽略，即熱量只沿?zé)岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)的 y 軸方向單向傳遞；

2）熱防護(hù)結(jié)構(gòu)層與層貼合緊密，層間不存在空氣，不考慮空氣的熱阻；

3）熱防護(hù)結(jié)構(gòu)與環(huán)境不存在熱交換。

因此在 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下，復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)問題是一個(gè)非線性的瞬態(tài)問題，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中的溫度分布滿足傳熱控制方程：

式中：ρi為材料密度；ci為材料比熱容；t 為持續(xù)時(shí)間；y 為厚度方向坐標(biāo)；T（y，t）為持續(xù)傳遞 t 秒后 y 厚度處的溫度；ki（T）為材料熱導(dǎo)率。

2.3 初始條件與邊界條件

復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)在 t = 0 時(shí)刻，溫度與周圍環(huán)境相同，即模型的初始條件為：

在本文中，模型底部為迎火面，頂部為背火面，火源直接加載在模型底部的船用鋼表面，模型的邊界條件為第一類邊界條件：

式中：T0為室溫，取 T0= 20 ℃；T（t）為 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下的升溫函數(shù)（0 ≤ t ≤ 3 600 s），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[12]：

2.4 材料熱物理參數(shù)

復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)選用材料的的基本熱物理參數(shù)如表 2所示。

表2 材料的基本熱物理參數(shù)Tab. 2 Basic thermal physical parameters of material

2.5 仿真結(jié)果及分析

通過有限元分析軟件 Ansys14.0 的仿真計(jì)算，得到了復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)模型在 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下，升溫 3 600 s 后的溫度分布情況，如圖 4 所示。

從圖 4 可看出，復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)迎火面和背火面的溫度差異很大。當(dāng) SiO2氣凝膠氈隔熱層的厚度為 10 mm時(shí)，復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)迎火面的溫度為 945.34 ℃，背火面的溫度為 46.36 ℃，兩側(cè)溫差接近 900 ℃，并隨 SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度的增加而繼續(xù)擴(kuò)大；當(dāng) SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度大于 20 mm 時(shí)，背火面的溫度小于22.81 ℃，基本維持在室溫。由此可見復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)具有良好的隔熱效果。

利用 Ansys14.0 軟件的時(shí)間歷程后處理器，進(jìn)一步提取不同時(shí)刻復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)模型中各層材料的近火側(cè)、遠(yuǎn)火側(cè)的溫度，繪制溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖 5 所示。

從圖 5 可看出，對(duì)于船用鋼而言，第 1 層、第 2層船用鋼兩側(cè)溫度隨時(shí)間的變化曲線基本重合，即在同一時(shí)刻，船用鋼沿厚度方向的溫度梯度幾乎為 0。這是由于船用鋼熱導(dǎo)率大，比熱容小，因此對(duì)溫度變化反應(yīng)迅速，具有良好的導(dǎo)熱性；對(duì)于 SiO2氣凝膠氈而言，SiO2氣凝膠氈兩側(cè)存在一定溫差，且離火源越近溫差越顯著，沿厚度方向的溫度梯度越大，這是由于 SiO2氣凝膠氈熱導(dǎo)率小，比熱容大，因此對(duì)溫度變化反應(yīng)不敏感，具有良好的隔熱性能。

從圖 5 也可發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠氈隔熱層對(duì) UFRP層合板起到了很好的熱防護(hù)作用，顯著降低了傳至UFRP 層合板表面的溫度。在 SiO2氣凝膠氈的隔熱作用下，UFRP 層合板表面的溫度緩慢上升，且上升速率隨 SiO2氣凝膠氈隔熱層的厚度增加而降低。當(dāng) SiO2氣凝膠氈隔熱層的厚度為 10 mm 時(shí)，傳至 UFRP 層合板表面的溫度為 290 ℃，超過了 UFRP 層合板正常發(fā)揮抗彈性能的臨界溫度 147 ℃，因此需要增加 SiO2氣凝膠氈隔熱層的厚度，以降低傳至 UFRP 層合板表面的溫度。當(dāng) SiO2氣凝膠氈隔熱層的厚度為 20 mm 時(shí)，傳至 UFRP 層合板表面的溫度為 130 ℃，低于 UFRP 層合板所能承受的臨界溫度。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)中 SiO2氣凝膠氈隔熱層的厚度大于等于 20 mm 時(shí)，能夠滿足 UFRP 層合板的熱防護(hù)要求。

3 復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)隔熱性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，對(duì) SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度為 20 mm 的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)單元開展耐火試驗(yàn)，如圖 6 所示。

耐火試驗(yàn)結(jié)束后 SiO2氣凝膠氈和 UFRP 層合板近火側(cè)的受損情況如圖 7 所示。

圖7（a）為 SiO2氣凝膠氈近火側(cè)的受損情況，從7（a）可看出，經(jīng)耐火試驗(yàn)后 SiO2氣凝膠氈表層的鋁箔已經(jīng)部分脫落，但氣凝膠氈結(jié)構(gòu)依然保持完整，無開裂等現(xiàn)象。圖 7（b）為 UFRP 層合板近火側(cè)的受損情況，從 7（b）可看出，經(jīng)耐火試驗(yàn)后 UFRP 層合板表面保持完好，未出現(xiàn)脫層燒蝕的情況。

SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度為 20 mm 的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)的耐火試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果對(duì)比情況，如圖 8所示。

在復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)的耐火試驗(yàn)中，火爐溫度通過調(diào)節(jié)輸入功率來控制。從圖 8 可看出，實(shí)際火源溫度比標(biāo)準(zhǔn)火源溫度要高，因此實(shí)際試驗(yàn)條件較標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)條件更苛刻。

通過對(duì)比 UFRP 層合板近火側(cè)仿真溫度隨時(shí)間的變化曲線和 UFRP 層合板近火側(cè)實(shí)測(cè)溫度隨時(shí)間的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在前 200 s 內(nèi)，實(shí)際火源溫度和標(biāo)準(zhǔn)火源溫度基本相同，而 UFPR 近火側(cè)實(shí)測(cè)溫度的上升速率明顯高于仿真溫度的上升速率。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于 SiO2氣凝膠氈在環(huán)境中受潮，材料內(nèi)部含有少量水氣，導(dǎo)致實(shí)際熱導(dǎo)率大于參考值；在 1 500 s后，UFPR 近火側(cè)實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度基本保持一致。在實(shí)際試驗(yàn)條件下，當(dāng) SiO2氣凝膠氈隔熱層的厚度為 20 mm 時(shí)，傳至 UFPR 層合板表面的實(shí)際溫度為133 ℃，低于 UFRP 層合板的臨界溫度 147 ℃，滿足UFRP 層合板的熱防護(hù)要求。

4 結(jié) 語

為了維持火災(zāi)發(fā)生后 UFRP 層合板的抗彈性能，設(shè)計(jì)了以船用鋼為前/后面板，SiO2氣凝膠氈為隔熱層，UFRP 層合板為抗彈層的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)。在 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，探索復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布與SiO2氣凝膠氈隔溫層厚度的關(guān)系。根據(jù)有限元仿真結(jié)果，進(jìn)一步對(duì) SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度為 20 mm 的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)單元開展耐火試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）SiO2氣凝膠氈具有良好的隔熱性能，在 UFPR層合板前側(cè)布置 SiO2氣凝膠氈，能夠有效降低傳至UFPR 層合板表面的溫度。當(dāng) SiO2氣凝膠氈隔熱層為 20 mm 時(shí)，傳至 UFPR 層合板表面的溫度為 133 ℃，滿足 UFRP 層合板的熱防護(hù)要求且具有 10% 的溫度余量；

2）通過有限元分析軟件 Ansys，建立瞬態(tài)熱分析模型，在 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，得到的仿真結(jié)果與實(shí)際耐火試驗(yàn)結(jié)果吻合很好，大大節(jié)約試驗(yàn)成本；

3）以船用鋼為前/后面板，SiO2氣凝膠氈為隔熱層，UFRP 層合板為抗彈層的復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)在 A60 耐火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行耐火試驗(yàn)，保持 UFRP 層合板抗彈性能完好所需的 SiO2氣凝膠氈隔熱層厚度至少為 20 mm。

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Design and fire resistance test validation of sandwich armor structure

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

Ultra-high molecular weight polyethylene fiber reinforced plastic (UFRP) laminates has good penetrationresistance, however, the penetration-resistance of UFRP laminates is sensitive to temperature and the critical temperature is 147 ℃. A sandwich armor structure was designed to protect the antiknock performance of UFRP laminates under the impact of conflagration, and steel is front/rear panel, Silicate Aero-gel is thermal barrier, UFRP laminates is armor for the structure. In order to explore the relationship between temperature distribution of composite armor structure and thickness of silicate aero-gel, a transient thermal analysis on the finite element model of composite armor structure was carried out under the condition of A60 standard. According to the results of finite element simulation, a fire resistance test for composite armor structure also carried out, and the thickness of heat insulation layer is 20 mm. Finally,the results show that silicate aero-gel has good heat insulation performance, and in order to maintain the antiknock performance of UFRP laminates under the condition of A60 standard, the thickness of heat insulation layer in sandwich armor structure should set at least 20 mm.

silicate aero-gel；sandwich armor structure；transient thermal analysis；fire resistance test

U668.1

A

1672–7619(2017)05–0042–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.009

2016–06–20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179200)

何翔(1993–)，男，碩士研究生。研究方向?yàn)榇脧?fù)合材料。