爆炸荷载下泡沫铝复合结构耗能性能分析

阎 石,黎 伟

(沈阳建筑大学 土木工程学院,沈阳 辽宁 110168)

0 引 言

土木工程结构偶然会遇到爆炸荷载作用的情况如恐怖袭击的炸弹爆炸,易燃易爆材料的爆炸等,事故一旦发生将对建筑结构及人员造成巨大的伤害。另外,在工程爆破施工中,冲击波可能对建筑物及精密仪器造成破坏。这种爆炸伤害主要来源于爆炸产生的高速弹片或碎片的直接作用和强爆炸冲击波的影响。爆炸冲击波是一种强压缩波,爆炸瞬间,爆炸物质在有限的空间和极短的时间内释放出大量能量,产生的大量高温、高压产物迅速挤压周围介质,使介质的压强、密度、温度等物理量迅速突跃上升从而形成冲击波,故冲击波是一种状态突跃变化阵面的传播[1,2]。冲击波不但对结构会有很大的破坏,对人员也会根据冲击波的峰值超压、正压持续时间、作用次数等因素的不同而出现不同程度的损伤,即使是弱冲击波也会对人员造成很大的伤害,表1为冲击波对人员和建筑物的损伤情况[3],因此,如何保护结构和人员,有效的降低冲击波峰值超压的研究工作是非常具有研究价值的。

近年来,泡沫金属作为一种新型的缓冲吸能材料越来越受到人们的青睐。泡沫铝不但具有高阻尼性,而且具有相对密度低、比模量、比强度优良的特性,还具有隔音、耐腐蚀、耐热保温、无污染、可循环利用等优异的性能。将泡沫铝与钢板组成复合保护层,如图1所示,能对冲击荷载具有很好的缓冲吸能作用。利用有限元数值分析的方法,研究泡沫铝复合保护层对结构的保护作用及对空气冲击波衰减的影响。

表1 空气冲击波对人体及建筑物的损害

图1 泡沫铝复合缓冲层

1 材料模型和参数

爆炸过程是一种高度非线性的过程,数值模拟中网格发生严重的畸变,使计算出现错误的结果,甚至是计算不能收敛[4],因此本文采用ANSYS/LSDYNA软件进行数值模拟。炸药为TNT集团装药,采用MATHIGH EXPLOSIVE BURN[5]高能炸药模型,爆轰压力P和单位体积内能及相对体积V的关系采用JWL状态方程加以描述。炸药密度取1.5 g/cm3,爆炸速度为7000 m/s,爆炸压力 PCJ为2×1010Pa。JWL状态方程P-V关系如(1)式

式中:P表示压力,V为初始相对体积,E0为初始内能密度,其它均为试验确定的常数,具体取值见表2。

表2 炸药JWL状态方程参数

空气假设为非粘性理想气体,冲击波膨胀为绝热过程,采用空材料MAT NULL 模型和线性多项式状态方程EOS LINEAR POLYNOMIAL 来描述。线性多项式状态方程如(2)式:

式中:P为压力,E为单位体积内能,C0,C1,C2,C3和C6为常数,本文取零,C4=C5=0.4,ρ,ρ0分别表示空气当前的密度和初始的密度,空气的密度取1.29 g/cm3,初始单位内能为2.5×105J/m3,初始相对体积 V0为1.0。

钢筋混凝土板采用塑性随动硬化模型MAT PLASTIC KINEMATIC来模拟。材料密度取2.45 g/cm3,弹性模量取30 GPa,泊松比为0.2,硬化系数 β=1.0。

由于闭孔泡沫铝的吸能效率要优于开孔泡沫铝的吸能效率,故采用闭孔泡沫铝材料[6]。由于爆炸作用产生的质点速度很快,因此材料的本构关系必须考虑应变率效应,在数值模拟中泡沫铝的应力-应变曲线采用曾斐、胡时胜等[7,8]根据SHPB试验测得的相关曲线,泡沫铝密度为1.0 g/cm3,弹性模量为1.2 GPa,采用Crushable foam模型。

2 计算模型

为了能更好的对比分析泡沫铝复合保护层对结构的保护作用和对空气冲击波的衰减作用,设计了三种计算工况,如图2所示。

(1)不加任何保护层;

(2)仅加一层钢板保护层;

(3)加钢板和泡沫铝复合保护层。

其中,在加钢板和泡沫铝复合保护层计算工况中(工况c),泡沫铝厚度分别取20mm,30mm和 40mm三种情况,以便对复合保护层进行初步优化设计。钢筋混凝土计算板尺寸为400mm×400mm×60mm,泡沫铝与钢板平面尺寸与混凝土板一样,厚度分别30mm和10mm。炸药装药量为75 g,尺寸为50mm×50mm×20mm,建模时考虑到对称性,为了节省计算时间,取1/4计算模型。钢板、泡沫铝和钢筋混凝土板的对称面采用对称边界,另外两个侧面为固支边界,其他边界均为无反射边界,反应了空气介质为无限大。本文采用多物质流固耦合算法,即钢板、泡沫铝和混凝土板采用Lagrange单元网格,炸药与空气采用欧拉单元网格,单元采用ALE算法,并运用软件中提供的CONSTR AINED LAGRANGE IN SOLID 约束条件使Euler单元与Lagrange单元相互作用,接触类型定义为面面接触。

图2 计算模型工况

3 计算结果分析

图3为在加复合保护层与不加任何保护层,以及仅加钢板保护层三种工况下,钢筋混凝土板下方沿中轴线方向空气层各点超压峰值曲线,横轴为距混凝土板下表面的距离;纵轴为空气超压。每隔1cm取一个单元,共取了8个单元。图中很清楚的反应了爆炸荷载作用下,空气冲击波在三种工况下的衰减过程,是一个指数衰减的过程。

图3(a)为没有任何保护层的计算工况,在0.5cm～1.5cm内,空气超压在0.3～0.6个大气压范围内,在7.5cm处超压仍有0.1个大气压;图3(b)为仅加了钢板保护层的计算工况,在0.5cm～1.5cm内,空气超压在0.15～0.3个大气压之间,在7.5mm处超压为0.1个大气压,比没有任何保护层的情况降低了一些,说明钢板保护层对冲击波的衰减起到了一定的作用;图3(c)为加泡沫铝,钢板复合保护层的计算工况,从图中可以看出在0.5cm～7.5cm范围内,空气超压在0.03～0.02个大气压之间,超压大幅度降低,冲击波的作用甚至可以忽略,表明泡沫铝复合保护层对空气冲击波的衰减具有非常显著的效果。

图4为钢筋混凝土板上表面中心单元的压力时程曲线,可以看出,在没有任何保护层与只有钢板保护层的情况下,混凝土板最大峰值压力分别为1.21 GPa和650MPa,而加了复合保护层的混凝土板峰值压力仅为32MPa,如果取钢筋混凝土屈服破坏强度为50MPa[9],事实上,前两种工况下混凝土板已经发生严重破坏,板下方空气冲击波超压可以说是要比图3(a)和(b)中的值还要大的,对人员及建筑物造成的伤害甚至会更加的严重,而加了复合保护层的钢筋混凝土板远低于屈服破坏强度,有效的保护了结构,降低了空气冲击波峰值,使人员及建筑物免遭伤害。

图3 钢筋混凝土下空气层沿中轴线各点峰值超压曲线

图4 三种工况下钢筋混凝土板中心压力对比

4 吸能装置厚度选取

泡沫铝复合保护层对保护结构、降低冲击波峰值具有非常显著的效果,尤其是使用泡沫铝材料对缓冲耗能起了很大的作用。但是,如何选取泡沫铝材料厚度,才能即经济,又能起到很好的耗能保护作用。经过试算,对泡沫铝厚度分别取20mm,30mm和40mm三种情况做了数值模拟计算。

图5和图6分别为三种不同厚度泡沫铝复合保护层计算工况下钢筋混凝土板下方沿中轴线方向空气层各点(计算点)超压峰值曲线和钢筋混凝土板上表面中心单元的压力时程曲线。

图5 三种不同厚度泡沫铝工况下计算点处超压峰值曲线

图6 三种不同厚度泡沫铝工况下计算点处压力时程曲线

从图5可以看出,三种工况下冲击波超压峰值均降到了0.04 atm以下,已经不能对人或建筑物造成任何伤害了,三条曲线沿纵轴方向也相差不大,说明在75 g炸药量作用下,20mm厚的泡沫铝缓冲层对爆炸所产生的空气冲击波超压的衰减作用已经足够了。但从图6可以知道,泡沫铝缓冲层为20mm时,钢筋混凝土板上表面中心单元的压力为92.3MPa,已经大大超过钢筋混凝土材料的屈服破坏强度50MPa,也就是说,20mm厚的泡沫铝缓冲层虽然使混凝土板下方空气冲击波超压满足了不能造成任何伤害的要求,但是钢筋混凝土板却已屈服破坏,没有达到很好的保护结构的作用。当泡沫铝缓冲层为40mm时,虽然空气超压与钢筋混凝土板上表面中心单元压力(21.3MPa＜50MPa)都满足要求,但是却偏于保守,根据经济适用的原则,40mm厚的泡沫铝缓冲层也不符合要求。而当泡沫铝缓冲层为30mm时,不但空气超压与钢筋混凝土板压力(32.0MPa＜50MPa)都满足要求,而且比40mm厚减少了10mm,经济性更好。

因此,当炸药量确定时,复合保护层中泡沫铝的厚度并不是越厚越好,而是有一个合适的值,使得复合保护层对结构的保护达到最优的效果。

5 结 论

通过以上的数值计算与结果分析表明,泡沫铝复合保护层能有效的降低作用在结构上的爆炸冲击荷载,对爆炸产生的空气冲击波的衰减也具有非常显著的效果,很好的保护了人员及结构的安全,而且对于复合保护层中泡沫铝层的厚度取值并不是越厚越好,在一定的炸药量下,存在一个合适的厚度值的,这为以后泡沫铝复合保护层的优化设计提供了一定的设计基础。

[1]李维新.一维不定常流与冲击波[M].北京:国防工业出版社,2003.

[2]陈新华,聂万胜.液体推进剂爆炸危害性评估方法及应用[M].北京:国防工业出版社,2005.

[3]李翼祺,马素珍.爆炸力学[M].北京:科学出版社,1992.

[4]时党勇,李裕春,张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显示动力分析[M].北京:清华大学出版社,2005.

[5]LS-DYNA KEYWORD USER'S MANUAL(version970)US:LSTC,April,2003.

[6]陈永涛,楼志华,郑钢铁.开孔和闭孔泡沫铝的力学与吸能特性研究[J].高能量密度物理,2006,6(2):47-49.

[7]曾 斐.泡沫铝缓冲吸能特性研究[D].合肥:中国科学技术大学,2002.

[8]王永刚,胡时胜,王礼立.爆炸荷载下泡沫铝材料中冲击波衰减特性的实验和数值模拟研究[J].爆炸和冲击,2003,23(6):516-522.

[9]李国强,孙建运,王开强.爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分析模型研究[J].振动与冲击,2007,26(1):8-11.