%b8%80种新型防护结构对爆炸冲击波的衰减研究

第37卷第26期 2 0 1 1年 9月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECTURE Vo1．37 No．26 Sep． 2011 ·55· 文章编号：1009·6825(201 1)26—0055-02 一 种新型防护结构对爆炸冲击波的衰减研究 边小华 杨 飞 摘 要：运用大型有限元软件LS．DYNA，在相同爆炸冲击波作用下，对坑道口部普通钢板防护门前面不设置泡沫铝缓冲 层和设置泡沫铝缓冲层两种情况分别进行了数值模拟和对比分析，结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：泡沫铝缓冲层对爆炸冲击波峰值压力有着 良好的衰减特性，对坑道口部抗爆炸冲击波 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 有着一定的参考价值。 关键词：坑道，爆炸冲击波，泡沫铝 ，衰减，数值模拟 中图分类号：TU352．1 文献标识码：A 信息化战争条件下，精确制导武器在坑道口部附近爆炸，将 会在坑道内部产生持续时间很短且峰值压力很高的爆炸冲击波， 而持续时间增加得很快 ，对坑道 内部设备和人员构成了极大 的威胁。为提高普通钢板防护门抗爆性能，设计人员往往采取加 大其截面和厚度的方法，导致普通钢板防护门厚重有余而灵巧不 足 j。为此，作者提出了一种在普通钢板防护门前面设置泡沫铝 缓冲层的新型防护结构。 1 泡沫铝性能简介 泡沫铝是一种在金属铝基体中分布着大量气泡的金属材料 ， 它兼有连续金属相和分散空气相的特点，使其具有许多独特的功 能。泡沫铝在压缩过程 中，有高而宽的应力平 台，在压缩过程 中 大量能量在近似恒应力下被吸收 J，这种特性使得泡沫铝具有很 高的吸能效率。此外，通过已有的静态力学研究进一步表明泡沫 铝是一种极具潜力的吸能缓冲材料，具有很高的冲击吸能本领 J。 下面采用有限元软件是 LS—DYNA，对该软件进行简要的叙述。 2 数值模拟 2．1 LS—DYNA程序 LS—DYNA程序是在美国 Larence Livermore National Lab．由J． Q．Hallquist博士主持开发完成的，主要 目的是为武器设计提供分 析工具，后经不断的改进和扩充，目前已成为著名的非线性动力 分析软件，支持它的前处理器很多，本文使用的是 ANSYS。下面 就对本文所选用的材料参数与状态方程进行叙述。 2．2 材料参数与状态方程 本文所采用的材料参数与状态方程如下：数值模拟所用的TNT 炸药，密度P =1．6 g／cm ，爆速 D=0．7 cm／i．~s，CJ压力为 25．5 GPa。 采用Jones，Willkins，E．L．Lee等提出的JWL状态方程 ’ 来模拟 炸药爆轰过程中压力和内能及相对体积的关系，该状态方程为： P=A(卜南)e +B( 一 )e + (1) 其中，A，B，R1，R2均为材料常数；P为压力；V为相对体积；Eo 为初始 内能。计算时 TNT炸药状态方程中的参数如表 1所示。 空气用下面的气体状态方程来模拟，该状态方程 为 ： P =( 一1)P2 (2) 其中，P 为空气压力； 为气体热指数， =1．4；p 为空气相对 密度，P2=1．3×10 g／cm ； 为空气内能，E02=2．5×10-。MPa。 钢板采用 DYNAT24双线性弹塑性本构模型进行模拟，材料 的参数分别为：P=7．85×10 kg／m ，E=210 GPa，E =3 GPa， = 0．3，or。=0．4 GPa。 表 1 所用 TNT炸药的状态方程参数 符号 名称 数值 符号 名称 数值 A 材料常数 5．4O9 4 材料常数 O．35 曰 材料常数 0．093 726 Eol 初始内能／MPa 8 o00 1 材料常数 4．5 初始相对体积 1．0 R2 材料常数 1．1 B．A．Gama等 对泡沫铝材料进行数值模拟时曾采用 Hon— eycomb蜂窝结构模型，这里采用 Crushablefoam本构模型 来模 拟。泡沫铝的本构关系需要输入材料的工程应力应变 曲线。已 有研究者通过 SHPB实验得到了如图 1所示泡沫铝应力应变曲线 及其他参数：Po=1．2×10 kg／m3，E=1．2 GPa， =0．3，Pc =10 MPa。 其中，P 为拉伸荷载下定义失效的拉伸应力截止值 。 140 l2O 1o0 80 60 40 20 O 图1 泡沫铝应力应变曲线 2．3 计算结果分析 对所建立的有限元模型进行简要叙述 (见 图2)。该模型是 利用波阵面上的超压遵从 Hopkinson比例定律的衰减特性 ，依 托“某工程防护门抗化爆冲击波试验”进行了 1：5模型缩尺，坑道 截面尺寸见图3。采用 Euler算法，模拟出坑道 口部爆炸冲击波的 峰值压力，口部峰值压力约为 1．03 MPa(如图4所示)。 2．3．1 普通钢板防护门对爆炸冲击波的衰减性能研究 在坑道口部设置一定厚度的普通钢板防护门。关于钢板防 护门厚度问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，在类似问题的研究中” ，研究人员通常选取的普 通钢板厚度为 6 mm，本文亦是如此。 数值模拟分两步进行：第一步采用 Euler算法，对如图2所示 的有限元模型进行数值计算，并在爆炸冲击波传播至普通钢板防 护门的临界面上，选取多个具有代表性的单元 ，把这些单元的平 均压应力时程曲线作为施加在普通钢板防护门的加载曲线(如图 5所示)。第二步是把第一步求出的平均压应力时程曲线施加在 普通钢板防护门上，对其进行数值模拟。该方法模拟出的结果与 试验结果吻合得较好，已得到不少研究人员的运用 121。文中所选 取的单元主要为截面中轴线上、拱顶附近应力较大的单元。 收稿 日期 ：2011—05—10 作者简介：边小华(1978一)，男，工程师，94647部队，福建 福州 350026 杨 飞(1983一)，男，94647部队，福建 福州 350026 万方数据 第37卷 第26期 · 56· 2。0 1 1年9月 山 西 建 筑 罨 趟 1．2 l O．8 0．6 0．4 0．2 0 图2 有限元模型示意图 时间，s 罢 ‘ 0 — 0．2 — 0-4 — 0．6 — 0．8 一 l — 1．2 — 1-4 ． ．- 图3 坑道截面示意图 0．005 0．01 0．015 0．02 时间，s 图4 坑道口部的压力时程曲线 图5 钢板防护门上的加载曲线 0．12 0．1 日 O．O8 皇 0．06 0．04 0．02 0 — 0．o2 时间／s(E-03) 图6 钢板防护门正、背面应力时程EB较图 由图 6可以看出：在坑道口部设置普通钢板防护门时，相同 位置处的爆炸冲击波峰值压力约为 0．045 MPa。由此可以看出： 在坑道口部设置一定厚度的普通钢板防护门，可以有效地降低坑 道中爆炸冲击波的峰值压力。从爆炸冲击波对人员的伤害情 况 显示，该峰值压力仍然会使坑道内部设备和人员受到伤害。 因此，在无任何缓冲层的情况下，普通钢板在爆炸冲击波作用下 产生的破坏作用是不容忽视的。为此，我们考虑在坑道口部设置 泡沫铝缓冲层，以此来降低坑道口部爆炸冲击波的峰值压力。 0·2 0．15 要 0．1 0．05 O 时间，s(E-03) 图 7 泡沫铝在钢板前面时 泡沫铝正面、钢板背面应力时程比较图 2．3．2 缓冲层设置在普通钢板防护门前时的衰减性能研究 泡沫铝缓冲层设置在普通钢板防护门前面时，普通钢板防护 门厚度为6 mm，泡沫铝缓冲层厚度为 10 mm，对该新型防护结构 的计算结果、对比分析如下：当泡沫铝缓冲层设置在普通钢板防护 门前面时，由图7可以看出：普通钢板背面爆炸冲击波峰值压力 约为 22．5×10 MPa(即0．225 atm)，与 0．045 MPa相 比，其峰值 压力大幅度降低，泡沫铝有效地降低爆炸冲击波的峰值压力，保 证了坑道内部设备和人员的安全。 3 结语 本文利用泡沫铝的衰减特性，将泡沫铝和普通钢板组合起来 作为一种新型防护结构，与普通钢板防护门相比，该新型防护结 构更能有效地降低爆炸冲击波的峰值压力，在很大程度上保证了 坑道内部设备和人员的安全。在信息化战争中，该新型防护结构 对洞库口部的抗爆缓冲设计有着重要的参考和应用价值。 参考文献 ： [1] Ann-Sofie L E，Forsberg．Blast Valves—Unnecessary Expensive or Vital Components in Structure Hardening[A]．Proceeding of the 9th Symposium on the Interaction of Non-nuclear Mutation with Structure[C]．Mclean Virginia，1999：238-245． [2] Hader H J．Design and Application of Reinforced Concrete—ar- moured Doors[A]．Proceeding of the 2th Symposium on the In- teraction of Non-nuclear Munitions with Structures[C]．Panama City Beach，FL．，1985：494—499． [3] 金子 明，张菡英，王亚平．芳纶复合材料抗爆炸性能研 究 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structure BIAN Xiao．hua YANG Fei Abstract：Using the finite element software LS—DYNA，under the same blast wave loading，numerical simulation is respectively done for the re— sponse of general steel defensive structure and steel defensive structure with aluminum foam buffer before general stee1．Comparative analysis is made with numerical simulation’S result of the two defensive structure．The result shows that steel defensive structure with aluminum foam buffer behind general steel has a good attenuation characteristic for peak pressure of blast wave．It is proved that the new defensive structure is worth applying in anti-blast desigla of the entrance of tunne1． Key words：tunnel，blast wave，aluminum foam，attenuation，numerical simulation 万方数据