空中爆載荷作用下復合材料泡沫夾芯板結構抗爆性能分析

作者：三木先生

1研究背景和意義：

在現代反恐戰爭中，軍用汽車經常會遭遇炸彈、炮彈、手榴彈或航彈等爆炸性武器的襲擊。爆炸是一種非常迅速的能量釋放過程，其發生時爆炸物質能在有限的空間和極短的時間內產生高壓的化學反應，并釋放出大量的能量和熱量沖擊作用到結構上。

隨著反裝甲武器裝備技術的發展，變得越來越精致，威力也越來越大，因此，采用一些新結構或新技術提高軍車的防爆性，減小對士兵的傷害已成為軍用車輛研究的重要組成部分。

“三明治”夾層結構是一種典型的裝甲防護結構，其由不同材料相互組合而成，并通過利用各個組分的性能特點達到整個結構性能最佳。按照所含芯體種類的不同，夾層結構大致可以分為五類：泡沫夾層、蜂窩夾層、波紋板夾層、點陣夾層和混合夾層結構，目前，常用的泡沫材料有開孔金屬泡沫、閉孔金屬泡沫、硬質聚醋泡沫等。與聚酷泡沫相比，金屬泡沫的剛度更高，使用溫度范圍更廣，并且具有較強的抗有機溶劑能力，因此受到人們的廣泛關注。

本文釆用適合求解爆炸、沖擊等強非線性動力問題的顯式有限元分析軟件LS-DYNA,研究空爆載荷作用下泡沫夾心結構的抗爆性能

 

2數值模型：

2.1 爆炸載荷仿真

根據爆炸點的位置不同，爆炸可以分為自由空中爆炸、近地面空中爆炸、地表面爆炸三種。本文研究的夾芯板主要考慮應用在軍用裝甲車的底盤上，因此爆炸類型選為地表面爆炸。目前，對爆炸問題的仿真研究多采用流固耦合方法，即ALE算法，但由于爆炸過程比較復雜，而算法需要同時建立空氣和炸藥網格，計算爆炸問題需要花費較長時間，并且占用大量的存儲空間。CONWEP方法一種可以高效計算爆炸荷載的算法，LOAD_BLAST關鍵字將其內嵌于軟件中，用戶可通過設置當量、炸點位置、起爆時間、單位制和爆炸類型直接對殼結構施加爆炸荷載。算法在結構抗爆性研究中已得到了廣泛應用一些研究也已經證明算法能保證爆炸載荷下結構響應分析的精度。

空中爆炸載荷特點：

CONWEP算法模擬爆炸載荷作用時考慮了入射壓力和反射壓力的影響，通過炸點與目標作用面間的相對位置、入射角度計算作用在結構上的爆炸載荷值，其將爆炸載荷定義為：

2.2 有限元模型

物理模型：

有限元模型：

(1)模型尺寸描述：

長：0.5m,寬：0.5m,面板厚度：2mm,芯層厚度：50mm

網格尺寸：5mm

網格單元數：12萬

(2)下面板（迎爆面）：Q235鋼

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

(3)下面板（背爆面）：Q235鋼

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

(4)夾芯層：泡沫鋁的性能與金屬基體材料的性能密切相關，本文數值模擬中泡沫鋁基體材料均采用常見的ZL101A鋁合金。由于該合金中存在大量Al-Si共晶體而具有很好的流動性和鑄造性能，因此適合制備泡沫鋁。泡沫鋁基體材料的本構選擇理想彈塑性模型， Cowper -Symonds模型來描述基體材料的應變率效應，表達式為：

鋁合金密度ρ=2.68g/cm3，彈性模量E=70Gpa，泊松比ν=0.33，靜態屈服應力=160MPa，應變率相關參數取C=6500/s，P=4，其動態屈服應力隨應變率變化的關系見圖，不考慮材料的失效問題。

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

$#     mid        ro         e        pr      sigy      etan      beta    

       102    2680.07.00000E10      0.331.600000E8       0.0       0.0

$#     src       srp        fs        vp  

    6500.0       4.0       0.0       0.0

(5)接觸

*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SOLID_OFFSET

(5)關鍵字：

 

3 仿真計算結果

（1）夾芯層結構壓力云圖：

                              

 

（2）中心撓度曲線：

5 總結

     泡沫鋁質量輕、比強度高、吸能強、隔熱降噪的特點，使其廣泛的用于航空航天、交通運輸、建筑及軍事各大領域。

     本文只采用 Q235 鋼作為面板材料，且前后面板均采用相同的厚度。作為裝甲車底板的防護研究，可以采用更高強度的鋼材作為面板，并采用不同面板材料的混合搭配，以及不同厚度的面板進行組合。

根據本文的模型可以繼續討論功能梯度的泡沫鋁的抗爆性能，研究最佳優化組合。