一种新型柔性复合防护结构的数值模拟

邵先锋，赵捍东，朱福林，王 庆

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)



【化学工程与材料科学】

一种新型柔性复合防护结构的数值模拟

邵先锋，赵捍东，朱福林，王 庆

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

为减少小当量TNT爆炸冲击波对人员伤害,构思了一种由泡沫铝、水溶液、凯夫拉材料复合而成的柔性结构并对结构参数优化，依据爆炸相似理论，运用AUTODYN软件，采用欧拉建模的方法模拟确定泡沫铝的最佳厚度和水体的最优参数，调整复合结构中泡沫铝材料的密度，使承受的冲击超压符合要求。结果表明，由泡沫铝、水组合而成的防护结构参数最优水的密度为1.5 g/cm3厚度为30 mm，泡沫铝密度为0.8 g/cm3厚度为10 mm，能有效降低冲击波的压力，使2 kg TNT爆炸，可保证在5 m以外人身安全。

柔性防护结构；爆炸冲击；峰值超压；数值模拟

为降低和防止爆炸冲击波对人员的伤害,各国正致力于一种新的便携式、防爆炸冲击结构的研究。国内学者王海福对聚氨酯泡沫塑料的孔隙度与爆炸冲击波衰减程度作了理论和实验分析,结果表明随着材料的孔隙度增大,冲击波衰减程度显著下降[1]。王永刚对多种多孔泡沫材料进行了高应变率实验,提出了包括应力、应变的本构关系,分析了冲击波在泡沫材料中的传播特性[2]。彭佳采用欧拉算法数值模拟圆柱形柔性防护结构对爆炸冲击波的衰减作用，发现不同厚度的柔性防护结构能有效的减小冲击波超压峰值[3]。作者构思出由泡沫铝-水体-凯夫拉材料构成的复合柔性防护结构，在小当量TNT爆炸条件下进行数值模拟并对主要结构参数进行优化。

1 材料模型的建立

1.1 TNT和空气模型

在模型中，TNT的状态方程采用JWL描述，空气采用理想气体状态方程描述。JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程是典型的动力状态方程，它是一种不显含化学反应,由实验方法确定的经验状态方程，能比较精确地描述爆轰产物的膨胀驱动做功过程。

1.2 水材料

水体材料，采用线性多项式方程描述：

P=A1+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)ρ0e(μ≥0)

(1)

P=T1μ+T2μ2+B0ρ0e(μ<0)

(2)

表1 水材料参数

1.3 泡沫铝材料

泡沫铝材料采用多孔可压缩材料模型，使用Autodyn材料库中Crushable Foam本构模型。根据文献[4]不同密度泡沫铝的材料参数如表2所示。

表2 泡沫铝材料参数

表中ρ0为初始密度；E为弹性模量；υ为泊松比；Pout为失效的拉伸应力截止值。

1.4 凯夫拉材料

凯夫拉材料的本构模型采用Hydro(Pmin)失效模型，使用Autodyn材料库中的Puff状态方程，其参数A1=8.2×106kPa、A2=7.0×107kPa、A3=0.0，格尼因子0.35，失效参数为1.2。

翻阅陈雷部长的工作报告，以人为本的理念犹如一条红线贯穿始终。“民生”成为此次会议的最强音，指引着水利事业的发展方向。

2 数值仿真及分析

2.1 爆炸相似原理的仿真验证

由爆炸相似原理：在相同空气中爆炸的两个装药，若外形几何相似、装药成份相同，则在相同的比例距离上产生相似的冲击波，如下式：

(3)

di、wi、ri、ti分别为两次装药直径、装药量、爆距及爆炸持续时间。其防护结构模型如图1。

图1 结构模型

主要是针对小当量TNT=2 kg，保证5 m范围以外人身不受冲击波伤害，其他因素暂不考虑。本文采用文献[5]提出的爆炸相似比理论，简化为50 g的TNT当量，圆柱内径为100 mm，高300 mm，炸高150 mm，TNT离高斯点1、2、3的距离分别为0.9 m、1.11 m、1.26 m进行分析计算，其对冲击波超压的仿真计算结果如图2、图3(纵坐标为冲击波超压，单位为kPa,横坐标为时间单位为ms)。为验证相似比正确性，将仿真超压值与按我国国防工程设计规范中规定的冲击波超压公式(4)计算得出的值进行对比，如表3所示。

(4)

式中r为比例距离取值为1≤r≤15。

图2 2 kg冲击波超压仿真结果

图3 50 g冲击波超压仿真结果

计算方法装药量TNT离各高斯点距离0．9m1．11m1．36m工程计算值2kg115kPa72kPa49kPa仿真计算值12kg112kPa73kPa50kPa仿真计算值250g108kPa72kPa49kPa相对偏差A3．6%1%2%相对偏差B6%1．3%0%

表3中,相对偏差A是仿真计算值1与工程计算值的相对偏差，大小在3.6%以内，相对偏差B是仿真计算值2与工程计算值的偏差，大小在6%以内且比例距离越大越精确。因此可以利用爆炸相似理论进行数值仿真研究。

2.2 仿真结果研究与分析

2.2.1 变厚度及密度的水作防护结构

表4 不同密度ρ和厚度h的水体结构超压峰值的仿真计算结果

表4可看出，通过改变水的密度可降低冲击波超压，在密度一定时，一定范围内增加墙厚也会降低超压，密度为1.0 g/cm3厚50 mm和1.5 g/cm3厚30 mm冲击波超压在高斯点3分别为39.99 kPa和41.35 kPa几乎相等，但前者体积增加了1.1倍。因此密度为1.5 g/cm3厚30 mm情况下防护效果最好。

2.2.2 变厚度泡沫铝作防护结构

该防护结构仅由泡沫铝组成，取不同厚度的泡沫铝分析。从表5可以看出,在一定范围内，随着泡沫铝材料厚度的增加各高斯点对应的超压峰值明显降低，通过与表4对比，相同厚度条件下，泡沫铝的消波减压作用要优于水体结构。因此，在能达到预期缓冲降压条件下，设想提出一种由泡沫铝与水体复合防护结构。空爆为没有防护结构时，TNT爆炸的超压值。

表5 不同厚度的泡沫铝防护层仿真结果

2.2.3 复合柔性防护结构仿真分析

复合柔性防护模型由泡沫铝、水、凯夫拉材料复合而成，凯夫拉材料取3 mm，其厚度较薄主要是因为做柔性外围壳体。在此不作详细分析，复合防护结构的容积大小不变仅对外部结构做适当调整。其结构布局根据文献[6]从内到外依次选择为：泡沫铝、水、凯夫拉材料。取水的密度1.5 g/cm3厚度为30 mm，泡沫铝厚度为10 mm，根据文献[7-9]由于泡沫铝的密度对冲击波超压影响较大取泡沫铝密度分别为0.8 g/cm3、1.2 g/cm3，用欧拉算法建立有限元模型进行分析其仿真结果如图4、图5。

图4 密度为1.2的超压

图5 密度为0.8的超压

2.2.4 防爆结构的防爆过程

防爆结构的防爆过程如图6。

图6 防护结构防爆过程

从图6可以看出，在炸药开始起爆时，接近t=0时刻，起爆后瞬间生成大量的爆轰产物压缩周围空气介质，从而产生冲击波；爆炸产物继续扩散，在t=0.11 ms时爆炸产物充满整个防护装置，冲击波开始对防护装置发生作用；在t=0.33 ms时，冲击波作用使得泡沫铝层的尖角处由于应力集中出现破坏；泡沫铝的破坏随时间的增加越来越大。在t=1.5 ms时，整个防护装置完全被冲击波破坏，冲击波的能量转换为水的动能、泡沫铝材料的塑性应变能及凯夫拉材料的塑性应变能，超压值降低。各高斯点的超压如表6所示，此处没有考虑泡沫铝碎片的二次伤害。

表6 不同密度泡沫铝各高斯点超压峰值

由表6可以看出，采用复合柔性防护结构,各观测点超压明显降低，其中当泡沫铝材料的密度为0.8 g/cm3，高斯点1、2、3的超压分别为 0.028 MPa、0.024 MPa和0.022 MPa,防护性能达到了预期的要求。试验[10]证明了当冲击波超压达到0.013 8～0.027 6 MPa时最多使人耳鸣，因此本文提出的复合柔性防护结构，能够保证5 m范围外的人员不受伤害。

3 结论

1) 本文通过爆炸相似理论简化模型，并运用AUTODYN仿真软件分析了组成复合柔性防护结构的每种材料的防护性能，提出了一种防护性能较好的柔性复合结构。

2) 泡沫铝材料对降低冲击波超压具有明显作用，且在一定范围内随着材料厚度的增加，缓冲作用加强；合理调整水的密度可以降低冲击波压力。

3) 由泡沫铝和水溶液组合成的复合柔性防护结构存在一个最优值即水的密度为1.5 g/cm3厚度为30 mm，泡沫铝密度为0.8 g/cm3厚度为10 mm，能有效的降低冲击波的压力，使2 kg TNT爆炸，在5 m以外可以保证其人身安全。

[1] 王海福,冯顺山.爆炸载荷作用下聚氨酯泡沫中冲击压力特性[J].爆炸与冲击,1999,19(1):78-83.

[2] 王永刚,胡时胜,王礼立.爆炸载荷下泡沫铝材料中冲击波衰减的实验和数值模拟研究[J].爆炸与冲击,2013,23(6):516-521.

[3] 彭佳.复合柔性防护结构防爆炸作用技术研究[D].太原:中北大学,2015:3-5.

[4] 王月.密度对泡沫铝吸声性能和抗拉强度的影响[J].上海金属，2004，26(1)：14-22.

[5] 钟倩,王伯良,黄菊.TNT空中爆炸超压的相似律[J].火炸药学报,2008,33(4):31-34.

[6] 李刚,陈正汉,谢云.波在分层材料中的传播及防冲击波分层材料结构的设计[J].振动与冲击,2005,24(2):89-94.

[7] 倪小军,马宏昊,沈兆武.泡沫铝爆炸冲击特性的数值研究[J].爆炸与冲击,2013(2):120-125.

[8] 康颖安,张俊彦.相对密度和应变率对泡沫铝压缩行为的影响[J].湘潭大学自然科学学报，2006(1):54-57.

[9] 杨冬丽,王琳,杨杰.泡沫铝复合结构的应力波防护性能研究[J].兵工学报,2014(1):96-101.

[10]孙艳馥，王欣.爆炸冲击波对人体损伤与防护分析[J].火炸药学报,2008,31(4):31-34.

(责任编辑 杨继森)

Numerical Simulation of a New Flexible Compound Protective Structure

SHAO Xian-feng, ZHAO Han-dong, ZHU Fu-lin, WANG Qing

(School of Mechatronical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to reduce the impact of the explosion on the personnel in this paper, a new composite flexible structure is imagined. The structure consists of Al foam, water and composite materials of kevlar. The use of AUTODYN software adapt the method of Euler modeling, according to the similar theory of explosion, and we use numerical simulation to ensure the thickness of Al foam and to confirm optimal parameters of water and adjust the density of the foamed Al in the composite structure to achieve the desired purpose. The results show: there is an optimal value that the density of water is 1.5 g/cm3, the thickness 30mm and Al foam is 0.8 g/cm3, the thickness 10mm can effectively reduce the shock waves pressure so that 2 kg TNT explosion in 5 m away to ensure personal safety.

flexible protective structure; blast wave; peak overpressure; numerical simulation

2017-02-16；

2017-03-15

邵先锋(1990—)，男，硕士研究生，主要从事弹药毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.06.031

format:SHAO Xian-feng, ZHAO Han-dong, ZHU Fu-lin, et al.Numerical Simulation of a New Flexible Compound Protective Structure[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):142-145.

TJ55

A

2096-2304(2017)06-0142-04

本文引用格式：邵先锋，赵捍东，朱福林，等.一种新型柔性复合防护结构的数值模拟[J].兵器装备工程学报，2017(6):142-145.