劉 佳，崔傳安，徐 暢

(解放軍理工大學 國防工程學院， 南京 210007)

【化學工程與材料科學】

爆炸波在硬質(zhì)聚氨酯泡沫中的衰減特性模擬

劉 佳，崔傳安，徐 暢

(解放軍理工大學 國防工程學院， 南京 210007)

將不同密度及不同厚度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為成層式防護結(jié)構(gòu)的分配層材料,采用非線性軟件LS-DYNA對平面爆炸波在其中傳播時的衰減特性進行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層材料對爆炸波具有很好的衰減效果，厚度越大，衰減效果越好，但達到一定厚度后衰減不太明顯；密度的大小對爆炸波衰減有影響，但并不呈簡單的遞增或遞減關(guān)系。模擬結(jié)果對于成層式防護結(jié)構(gòu)分配層的研究具有一定的參考價值。

數(shù)值模擬；爆炸波；硬質(zhì)聚氨酯泡沫；分配層；衰減

野戰(zhàn)防護工事通常是在臨戰(zhàn)前或戰(zhàn)斗進行時構(gòu)筑的野戰(zhàn)陣地，因此要機動、輕便和快速構(gòu)筑，同時要防止一般炮、航彈侵徹、爆炸破壞，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中成層式防護結(jié)構(gòu)作為一種適用性比較好的結(jié)構(gòu)正被廣泛采用。成層式防護結(jié)構(gòu)一般由偽裝層、遮彈層、分配層和支撐結(jié)構(gòu)組成，偽裝層一般由厚度較薄的松散土壤組成[1]，用于對工事進行偽裝；遮彈層一般由混凝土或漿砌塊石等材料構(gòu)成，用于抵抗炮、航彈侵徹[2]；分配層一般選用波阻抗較小的介質(zhì)，現(xiàn)階段主要采用回填土或空氣隔層[1]，可以極大地衰減爆炸沖擊波，減弱對支撐結(jié)構(gòu)的沖擊作用。當前，穆朝民[3]、范鵬賢[4]等在遮彈層和支撐結(jié)構(gòu)材料選用和設計計算等方面研究得已經(jīng)比較深入，李硯召[5]等對分配層結(jié)構(gòu)進行了研究，但對泡沫材料作為分配層的研究還不夠充分。硬質(zhì)聚氨酯泡沫是一種密度小，比較容易快速成型的多孔介質(zhì)，與泡沫鋁相比，價格更加低廉，更容易大規(guī)模推廣使用。硬質(zhì)聚氨酯泡沫具有吸收沖擊荷載的良好特性，能夠降低沖擊壓力，減弱震蕩效應，因此用于防護工事的分配層對于支撐結(jié)構(gòu)及工事內(nèi)部設備、人員的保護具有極其重要的作用。

1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的力學性能

硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為一種比重小、易成型的材料，又因其具有良好的耐火、吸收動能的特性，在現(xiàn)代工程和軍事領(lǐng)域中得到廣泛應用。硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料主要有以下特性：

1) 硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的強度隨著加載速率提高而增大，爆炸沖擊作用下，其強度比準靜態(tài)情況下會大幅提高[6]。

2) 硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的屈服強度隨密度的增大而提高，設計屈服強度值可根據(jù)經(jīng)驗公式制作一定密度的泡沫材料。

3) 在沖擊波作用下，硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料在壓縮強化前有較長的應力應變屈服平臺階段，表現(xiàn)出很好的吸能特性。

4) 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的應力應變曲線具有非線性粘彈特性和滯回特性，耗能機制比較明顯[7]。

2 計算模型的建立

成層式防護結(jié)構(gòu)中，由于偽裝層在爆炸作用下對結(jié)構(gòu)的影響很小，可不予考慮。計算有限元模型如圖1所示。為模擬平面爆炸波，模型采用平鋪裝藥，結(jié)構(gòu)對稱，以YOZ為對稱平面，坐標原點在炸藥與混凝土的對稱交界面。Z方向尺寸足夠大，在不考慮端面影響的情況下，采用Z方向為0.5 cm厚度的單層網(wǎng)格建模，模型沿X方向的長度為150 cm。上層為厚度5 mm與10 mm的炸藥，遮彈層為厚度30 cm混凝土,分配層為厚度30 cm的硬質(zhì)聚氨酯泡沫,支撐結(jié)構(gòu)為厚度3 cm波紋鋼。炸藥、混凝土、硬質(zhì)聚氨酯和波紋鋼都采用Lagrange算法進行模擬，炸藥采用多點起爆方式，上表面所有節(jié)點都設為起爆點。炸藥與混凝土采用滑移接觸算法，混凝土與聚氨酯泡沫、聚氨酯泡沫與波紋鋼之間采用自動面面接觸，模型左側(cè)4個面在X方向有位移約束，模型所有節(jié)點在Z方向有位移約束，波紋鋼右側(cè)端面全約束。炸藥為TNT，采用JWL狀態(tài)方程，具體參數(shù)見表1。混凝土采用JHC材料模型[9],這種模型是一種表象的材料模型，它與廣泛應用的Johnson-Cook模型相類似，不遵循嚴格的強化規(guī)律和流動性法則，混凝土等脆性材料具有的在大應變、高應變速率和高圍壓下的動態(tài)響應的特點能夠被這種模型反映出來反映。波紋鋼采用JC材料模型，這種模型雖然為經(jīng)驗模型，但與實驗結(jié)果吻合很好，被廣泛應用于金屬材料的模擬。

圖1 有限元計算模型

ρ/(g·cm-3)DH/(m·s-1)PCJ/GPaA/GPa1.63693020.6373.8B/GPaR1R2ωE0/GPa3.754.150.90.356.0

硬質(zhì)聚氨酯泡沫采用低密度泡沫材料模型，分別采用密度為0.092 g/cm3，0.202 g/cm3，0.358 g/cm3，0.472 g/cm3這4種聚氨酯泡沫進行模擬，其本構(gòu)關(guān)系曲線見圖2。

圖2 不同密度聚氨酯泡沫應力應變曲線[10]

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在兩種裝藥量情況下，模擬過程采用兩種對比方式進行，一種是厚度為30 cm，前述四種密度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層進行模擬；另一種是厚度分別為5 cm，10 cm，20 cm，30 cm，密度為0.202 g/cm3的硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層進行模擬。圖3為5 mm厚炸藥，30 cm厚、四種不同密度分配層的應力云圖。

圖3 分配層應力云圖

圖4、圖5分別列出了5 mm厚度炸藥與10 mm厚度炸藥情況下，爆炸波峰值在相同厚度、不同密度分配層的衰減曲線。從圖中可以看出：在其他條件相同情況下，硬質(zhì)聚氨酯泡沫密度越大，從混凝土透射到分配層的入射壓力也越大。爆炸波在分配層與遮彈層和支撐結(jié)構(gòu)的兩端交界面處衰減快，在中間部位衰減較慢。爆炸波經(jīng)過分配層衰減后，到達與波紋鋼支撐結(jié)構(gòu)的交界面時，在四種不同密度的泡沫中最終的應力峰值隨密度增大而增大，應力峰值的衰減率先減小后增大，具體數(shù)值見表2。

圖4 5 mm炸藥、30 cm分配層應力峰值衰減曲線

圖6、圖7分別列出了5 mm厚度炸藥與10 mm厚度炸藥情況下，爆炸波峰值在相同密度、不同厚度分配層的衰減曲線，從圖中可以看出：在聚氨酯泡沫密度相同的情況下，分配層厚度不同，從混凝土透射到分配層的入射壓力相同。在厚度超過5 cm后，爆炸波峰值應力—厚度曲線出現(xiàn)一平緩的平臺，這表明分配層達到一定厚度后，爆炸波在其中傳播時的衰減率隨著厚度的增加變得緩慢。爆炸波經(jīng)過分配層衰減后，到達與波紋鋼支撐結(jié)構(gòu)的交界面時，在四種不同厚度的泡沫中最終的爆炸波應力峰值與厚度成負相關(guān)關(guān)系，應力峰值的衰減率隨厚度的增加而增加，具體數(shù)值見表3。

圖5 10 mm炸藥、30 cm分配層應力峰值衰減曲線

圖6 5 mm炸藥0.202 g/cm3分配層應力峰值衰減曲線

圖7 10 mm炸藥0.202 g/cm3分配層應力峰值衰減曲線

裝藥厚度/mm聚氨酯密度/(g·cm-3)入射峰值/MPa衰減后峰值/MPa衰減率/%裝藥厚度/mm聚氨酯密度/(g·cm-3)入射峰值/MPa衰減后峰值/MPa衰減率/%50.0920.750.02996.1100.0921.790.06496.450.2021.610.12292.4100.2025.010.22395.550.3584.390.2594.9100.358141.2191.350.4726.880.3495.1100.47217.81.3492.5

表3 0.202 g/cm3分配層應力峰值衰減變化

4 結(jié)論

硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層，爆炸波在其中的衰減與聚氨酯泡沫的密度和厚度密切相關(guān)，通過數(shù)值分析，可以得出以下兩點結(jié)論：

1) 硬質(zhì)聚氨酯泡沫用作分配層材料時，爆炸波的入射壓力與其密度成正相關(guān)關(guān)系，但爆炸波在其中傳播時的衰減率與其密度不成簡單的正相關(guān)關(guān)系，而是隨著聚氨酯泡沫密度的增加先減小再增加。

2) 爆炸波的衰減率隨硬質(zhì)聚氨酯泡沫分配層厚度的增加而提高，但達到一定厚度時，其厚度增加對爆炸波的衰減效應不明顯。本文的模擬情況中，分配層厚度為5cm時，爆炸波的衰減效率最高。

[1] 張春義，楊守信.信息化條件下防護工程面臨的挑戰(zhàn)與對策[C]//第3屆全國工程安全與防護學術(shù)會議論文集.武漢：[出版社不詳]，2012.

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[4] 范鵬賢，王明洋，王淑芳，等.爆炸地震波作用下深埋圓形隧道的動力響應[J].巖石力學與工程學報，2013,32(4):671-680.

[5] 李硯召，王肖鈞，等.分配層分層結(jié)構(gòu)對核爆炸荷載的防護效果實驗研究[J].中國科學技術(shù)大學學報，2009,39(9):931-935.

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[8] MA G W,HAO H,ZHOU Y X.Modeling of wave propagation induced by Underground explosion[J].Computers and Geotechnics,1998,22(3/4):283-303.

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(責任編輯楊繼森)

SimulationofExplosiveWaveAttenuationCharacteristicsinRigidPolyurethaneFoam

LIU Jia， CUI Chuan’an， XU Chang

(National Defense Engineering Institute, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

The attenuation characteristics of plane explosive wave in the multilayer protective structure distribution layer composed of rigid polyurethane foam is simulated by LS-DYNA software. The explosive wave attenuation characteristics in the rigid polyurethane foam under certain conditions is studied in the text by numerical simulation with rigid polyurethane foam of various density and different thickness as the material of distribution layer. The numerical results shows that rigid polyurethane foam as the material of distribution layer has a very good damping effect on explosion wave. The attenuation effect is better when the thickness is bigger, but the attenuation is not obvious after reaching a certain thickness. The size of the density of the rigid polyurethane foam has an effect on the attenuation of explosion wave, but they do not have the simple relations of increasing or decreasing. Numerical results will provide reference for the study of the multilayer protective structure distribution layer.

numerical simulation; explosive wave; rigid polyurethane foam; distribution layer; attenuation

2017-04-26；

：2017-05-18

劉佳(1988—)，男，碩士研究生，主要從事防護工程設計與研究。

崔傳安(1964—)，男，教授，主要從事陣地工程防護以及防護工程與偽裝融合的教學和研究工作,E-mail:chuanan_cui@aliyun.com

10.11809/scbgxb2017.09.035

format:LIU Jia，CUI Chuan’an，XU Chang.Simulation of Explosive Wave Attenuation Characteristics in Rigid Polyurethane Foam[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):164-167.

O382+.1

：A

2096-2304(2017)09-0164-04

本文引用格式：劉佳，崔傳安，徐暢.爆炸波在硬質(zhì)聚氨酯泡沫中的衰減特性模擬[J].兵器裝備工程學報，2017(9):164-167.