爆炸冲击环境下内凹蜂窝型梯度结构响应特性研究*

卫禹辰,袁梦琦,钱新明,郭亚鑫,梁一鸣

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081;2.深圳清华大学研究院 公共安全研发中心，广东 深圳 518000)

0 引言

近年来，我国各类爆炸事故已严重威胁人民群众生命财产安全。通过调研国内外重特大爆炸事故发现，死伤者中应急救援人员占66%，其中爆炸冲击波直接作用引起伤亡约60%[1-2]，主要原因是应急救援人员未配备专业、轻便的爆炸防护服。现有防爆服主要包括硬质防爆服与软质防爆服2种[3-4]：硬质防爆服能有效抵御高速破片与冲击波超压对人体的伤害，但重达7～25 kg导致穿着效率低下，且热湿阻是羽绒服的6倍；软质防爆服灵活性较好，能有效防止碎片四散，但对强冲击波防护效果不佳，KEVLAR纤维软质防爆服受冲击波阵面作用时反而加重肺冲击损伤。现有防爆服每次穿着时间上限30 min，穿着时间过长轻则中暑、晕眩，重则意识模糊、危及生命。因此，面向生产安全爆炸事故应急救援的轻量化、高效能个体防护装备研发意义重大[5]。

本文利用氢氧爆轰测试平台研究内凹蜂窝型梯度结构在爆炸冲击波加载作用下的动态力学行为，获取蜂窝结构透射冲击波压力曲线，得到不同蜂窝结构下冲击波透射超压峰值，并通过分析实验数据，对比不同功能梯度蜂窝结构及复合蜂窝结构对冲击波衰减性能差异。利用Hypermesh和LS-Dyna软件构建爆炸冲击有限元模型，得到爆炸冲击过程中内凹蜂窝型梯度结构对爆炸冲击波的响应机制，分析内凹蜂窝型梯度结构对爆炸冲击波的衰减效应。

1 爆炸响应特性实验研究

1.1 实验测试平台

采用氢氧爆轰测试平台测试不同内凹蜂窝型梯度结构对冲击波的衰减效应，如图1所示。初始压力0.1 MPa，室温条件下将摩尔比2∶1的氢氧气体充入驱动段，通过调整充入气体比例，使实验段平面冲击波入射压力稳定在250 kPa，如图2所示。实验采用KD2004G-01壁面压力传感器，测量间隔0～3 MPa，满足本实验测试要求。

图1 氢氧爆轰测试平台Fig.1 Test platform of hydrogen and oxygen detonation

图2 实验测试Fig.2 Experimental test

1.2 实验测试样品

内凹型蜂窝梯度结构采用BLT-S310金属3D打印机加工，材料选取TC4钛合金粉末,比强度高，韧性好且耐蚀性强。胞元结构的不同设计参数和空间拓扑结构会引起力学性能改变。本文通过改变防护基板中胞元结构凹角、尺寸梯度研究结构对冲击波动态响应、衰减效应及吸能特性的影响。如图3所示，防护基板长宽60 mm×60 mm，竖直方向为3个胞元结构，不同尺寸、角度梯度的内凹蜂窝结构的胞元结构如图4所示，其优化设计参数见表1。

图3 内凹蜂窝型梯度结构Fig.3 Concave honeycomb gradient structure

图4 不同尺寸和角度梯度的内凹蜂窝结构的胞元结构Fig.4 Cell structure of concave honeycomb structure with different sizes and angle gradients

表1 不同尺寸和角度梯度的内凹蜂窝结构设计参数Table 1 Design parameters of concave honeycomb structure with different sizes and angle gradients

2 爆炸响应特性数值仿真研究

2.1 荷载方法确定

2.1.1 3种爆炸荷载方法

利用Hypermesh和LSDYNA软件实现爆炸冲击荷载方法主要有3种：1)ALE流固耦合算法，建立炸药、空气和构件模型，模拟真实爆炸场景中空气介质对构件的高速冲击过程，但建模复杂度高，计算量庞大[6]，通过添加关键字*CONCTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 和*ALE 来实现；2)CONWEP爆炸模型，该爆炸模型不考虑空气介质，无需划分爆炸空气或其他介质场网格，只需在爆源处设置起爆点，计算收敛性，通过添加关键字*LOAD_BLAST，配合*LOAD_SEGMENT_SET、*DEFINE_CURVE和*SET_SEGMRNT实现，加载方便，计算省时[7-9]；3)时间荷载曲线加载，查询TM5-1300得到爆炸持时和爆炸压力峰值，定义数组或曲线进行加载[10]。

本文采用 CONWEP 经验爆炸模型加载，在关键字*LOAD_BLAST 中定义等效爆炸TNT质量、起爆点3维坐标设置、爆炸初始时间、单位制的选择。

2.1.2 CONWEP理论模型

CONWEP法源于美国实验数据爆炸荷载计算方法[11]，用于计算自由空气场中爆炸与近距离爆炸，CONWEP法忽略空气介质刚度和惯性，可避免对介质进行建模与计算。给定距离，CONWEP法可给出以下荷载数据[12-13]：荷载传播到迎爆面作用时间、最大超压、超压时间等，从而得到完整爆炸荷载压力曲线。以无限空间中炸药爆炸为例，炸药在空气中爆炸时，满足式(1)所示的函数关系：

Δp=f(E0,p0,ρ0,r)

(1)

式中：Δp为爆炸超压，MPa；E0为炸药爆炸能量，J；p0为空气初始状态压力，MPa;ρ0为空气密度，g/cm3；r为空气冲击波传播距离，mm。

CONWEP经过多次修正可执行多种武器毁伤效果计算，包括常规空气爆炸、碎片、弹丸侵彻、地震波等。

2.2 几何模型构建

本文数值仿真采用TNT爆炸代替氢氧点火爆炸，爆距500 mm，通过调节TNT 当量将平面冲击波入射压力稳定在250 kPa。立方根比例相似定律指出，同种炸药若尺寸不同，装药几何形状相似，在同样大气环境中发生爆炸时，同等距离产生的爆炸波相似，由此引入折合距离Z，如式(2)所示：

(2)

式中：R为结构与爆心的距离，m；W为等效TNT 炸药质量，kg；文献[14]指出折合距离Z=1.75时，冲击波超压峰值250 kPa。当爆距为500 mm，TNT当量0.023 3 kg，爆炸几何模型如图5所示，四周边界节点限制全部自由度。

图5 爆炸冲击内凹蜂窝型梯度结构几何模型Fig.5 Geometric model of concave honeycomb gradient structure under explosion impact

2.3 有限元模型构建

2.3.1网格划分

利用Solidworks建立3维模型将其导入Hypermesh 软件，利用Solid edit和Solid map进行网格划分。由于抵御爆炸冲击波过程属于高强高速动力学冲击荷载过程，对网格精度要求较高，因此在网格划分时选择精度高、收敛速度计算快的6面体网格。为提高网格精确度，降低实验误差，在利用Check elems对网格进行质量检查与优化基础上，对翘曲度、长宽比、偏斜度及雅克比进行检测。结果显示，上述指标均符合工程要求，优化后的内凹蜂窝型梯度结构有限元模型如图6所示。综合仿真效果优化程度、仿真耗时长短及几何复杂度，将内凹蜂窝型梯度结构单元网格尺寸设置为0.1 mm。

图6 内凹蜂窝型梯度结构网格划分Fig.6 Grid division of concave honeycomb gradient structure

2.3.2 材料模型和参数

TC4钛合金材料延展性好、韧性优良、成本低，是防护服材料首选,TC4钛合金材料模型各项参数见表2[15]。钛合金材料属性选用3号分段线性弹塑性本构模型MATL3进行模拟，该模型能描述大冲击荷载下的材料属性。

表2 TC4钛合金的材料参数Table 2 Material parameters of TC4 titanium alloy

3 爆炸冲击梯度结构响应机制

3.1 力学响应过程

计算样品1在0.023 3 kg TNT爆炸冲击荷载下的动力响应过程，其垂直迎爆面方向位移云图如图7所示。

图7 爆炸冲击内凹蜂窝型梯度结构变形量云图Fig.7 Cloud map for displacement amount of concave honeycomb gradient structure under explosion impact

由图7可知，当t=0.18 ms时爆炸冲击波到达梯度结构，随后沿梯度结构逐层传播，其向内运动位移曲线云图呈条状变化，因为内凹蜂窝型梯度结构属于规律的多孔结构，孔与支撑柱交叠排列从而产生条状位移云图。

3.2 梯度间应力传播机制

3层内凹蜂窝型结构之间冲击响应局部传播如图8所示。第1层A、B属正向结构，受爆炸冲击荷载作用向外膨胀，同时梁a、b向外作用使结构C产生内凹效应，产生向外的张力；作用力传播到第2层结构D、E，结构C内凹效应产生的张力作用于角点3，角点3受力作用增大；该力沿梁c作用于角点4，梁c的力分为垂直结构D沿X轴方向的力与沿Y轴方向的力，X方向的力使梁d产生拉伸效应，间接导致结构D产生内凹效应并产生向外的张力；向上的张力部分抵消结构A产生的作用力，向下的张力作用于角点5，使角点5产生高强作用力并沿梁e传播至第3层结构且作用于角点6，使第3层内凹型结构向内压缩。

图8 内凹蜂窝型梯度结构3层梯度间响应传递机制Fig.8 Response transfer mechanism between three layers of concave honeycomb gradient structure

4 不同梯度设计对冲击波衰减影响

4.1 尺寸梯度对冲击波衰减影响

内凹蜂窝型梯度结构受冲击波载荷作用产生形变吸收能量。冲击波作用固体表面产生的应力波扰动在传递过程中经反射、透射不断耗散和衰减。理想防护结构受冲击波作用时应具备一定承载力和衰减特性，且衰减过程保持稳定以降低透射压力峰值，这样才能保护人员安全。实验与仿真将入射压力控制在250 kPa，冲击波衰减峰值等于入射压力值减去图9中各尺寸梯度对应透射压力值，即尺寸梯度为2.58 mm-3.40 mm-2.58 mm，3.40 mm-2.58 mm-3.40 mm，5.05 mm-3.40 mm-2.58 mm，2.58 mm-3.40 mm-5.05 mm，3.40 mm-5.05 mm-3.40 mm，5.05 mm-3.40 mm-5.05 mm内凹蜂窝结构冲击波衰减峰值依次为213.63，206.67，200.18，190.49，186.53，177.05 kPa，尺寸梯度2.58 mm-3.40 mm-2.58 mm内凹蜂窝结构冲击波衰减率为85.44%，衰减效果最佳，冲击波衰减峰值分别是尺寸梯度为3.40 mm-2.58 mm-3.40 mm，5.05 mm-3.40 mm-2.58 mm，2.58 mm-3.40 mm-5.05 mm，3.40 mm-5.05 mm-3.40 mm，5.05 mm-3.40 mm-5.05 mm内凹蜂窝结构的1.03，1.07，1.12，1.15，1.21倍；尺寸梯度为5.05 mm-3.40 mm-2.58 mm的内凹蜂窝结构冲击波峰值衰减效果优于尺寸梯度2.58 mm-3.40 mm-5.05 mm，因为蜂窝结构受冲击波正面作用时，尺寸较大的胞元面首先受到冲击波载荷作用，应力波反射效应随传递节点增加更加明显，衰减程度增大，透射波减小。

图9 6种尺寸梯度结构透射压力变化曲线Fig.9 Change curves of transmission pressure for gradient structures with six sizes

4.2 角度梯度对冲击波衰减的影响

由图10可知，各角度梯度下，内凹蜂窝结构冲击波衰减压力为入射压力值减去图10中各角度梯度下透射压力值，即角度梯度为30°-22.5°-30°、22.5°-30°-22.5°、22.5°-15°-22.5°、15°-22.5°-30°、30°-22.5°-15°和15°-22.5°-15°内凹蜂窝结构冲击波衰减峰值依次为205.73，201.59，191.43，194.93，195.45，185.91 kPa，角度梯度30°-22.5°-30°的内凹蜂窝结构衰减效果最佳，冲击波衰减效率达82.29%，冲击波衰减峰值分别是角度梯度22.5°-30°-22.5°、22.5°-15°-22.5°、15°-22.5°-30°、30°-22.5°-15°和15°-22.5°-15°内凹蜂窝结构的1.02，1.07，1.06，1.05，1.10倍。

图10 6种角度梯度结构透射压力变化曲线Fig.10 Change curves of transmission pressure for gradient structures with six angles

5 结论

1)通过构建爆炸冲击模型获得爆炸冲击云图梯度结构力学响应过程，剖析3层梯度结构之间压力传播机制发现，爆炸冲击荷载作用下内凹结构梯度排列使内凹效应、力学特性加强。

2)在冲击波加载作用下，不同功能梯度的单一及复合内凹蜂窝结构对冲击波衰减效果较好，透射冲击波压力曲线变化趋势基本一致，分为压力快速上升、短暂超压和缓慢衰减3个阶段。通过对比不同尺寸梯度和角度梯度的内凹蜂窝结构透射压力曲线可知，尺寸梯度为2.58 mm-3.40 mm-2.58 mm、角度梯度为30°-22.5°-30°的单一及复合内凹蜂窝结构冲击波衰减效果最佳。