壁厚对泡沫铝填充钢管的抗爆性能数值模拟研究

第20卷 6期 2012年 l2月 应用基础与工程科学学报 JOURNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGINEERING Vo1．2O．No．6 DecembeF 2012 文章编号：1005-0930(2012)06—1014-008 中图分类号：038 文献标识码 ：A doi：10．3969／j．issn．1005-0930．2012．06．007 壁厚对泡沫铝填充钢管的抗爆 性能数值模拟研究 李顺波， 杨 军， 夏晨曦 (北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081) 摘要：为 了研究壁厚对钢管泡沫铝填充结构在水中抗爆炸冲击性能，利用 ANSYS／LS—DYNA对不同壁厚的钢管泡沫铝填充结构进行了数值模拟，比较了 不同厚度情况下的数值模拟结果．结果明，通过和经验公式计算结果对比，水 下爆炸冲击波压力值和经验公式计算值二者接近，随着钢管壁厚的增加，钢管在 水下爆炸冲击波作用下的挠度变形明显减小，钢管抗变形能力提高，泡沫铝中的 压力和动能不断减小，在同一爆炸冲击波强度作用下，钢管壁厚和填充的泡沫铝 之间存在一个合理的值，使钢管和泡沫铝的抗爆炸冲击性能都得到最大的 利用． 关键词：泡沫铝；钢管；冲击波；数值模拟 泡沫铝是一种新型的缓冲吸能材料，对冲击荷载和爆炸冲击波具有很好的衰减作用， 被越来越广泛地应用到军事和民用，13本将泡沫铝填充结构应用于高速公路两侧的吸能 降噪、汽车的撞击缓冲等．美国陆军研究所对泡沫金属应用于装甲防护层的设计进行了研 究 引¨．在航空航天中空间飞行器的防护中也有广泛的应用． 通常泡沫铝被设计成夹芯板结构，即由金属面板与泡沫铝芯构成所谓的“三明治”结 构，黄西成 对撞击作用下泡沫铝填充结构进行了研究，指出钢壳是主要的承载和吸能 部件，要想提高泡沫铝填充结构的吸能特性，需要合理地设计泡沫密度与钢壳厚度．贾 斌 等通过数值模拟对泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响进行了研究，泡沫铝 几何参数不同，防护性能也不同．袁林 等利用ANSYS／LS—DYNA对含泡沫铝防护层钢筋 混凝土板的抗爆性能进行了研究．Chen，Sokolinsky，Andras，Hanssen等 圳对含泡沫铝夹 层的梁和板在爆炸荷载作用下 的性能进行了研究，泡沫铝具有很好 的防护性能． Seitzberger 叫指出泡沫铝层合结构的力学性能要好于泡沫铝，具有一定的研究价值．谢中 友等 对泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲试验进行了数值模拟，分析了不同填充长度对 结构承载能力的影响．本文对不同壁厚的泡沫铝填充薄壁管在水中的抗爆性能进行了数 值模拟研究． 收稿日期：201l-07-07：修订日期：2012-03-22 作者简介：李顺波(1985一)，男，博士研究生．E．mail：lshunbo@126．con 应用基础与工程科学学报 Vo1．20 图2 屈服应力与体积应变关系曲线 Fig．2 Relation between yielding stress and volume strain 重新加载到4点的过程，并且重新加载继续沿 原来的加载曲线上升． 假定弹性模量为常数，且修正的应力假定 为弹性特性，则试应力 tri =or：+雎： A t (3) E为杨氏模量，检查试应力主值 t rial( =1，3) 是否超过，如果超过屈服应力 ，则其值按比 例回到屈服 or <} I(4) 泡沫铝密度P=0．8g／cm。，弹性模量 E=500MPa， 白松比 =0．21，弹性极限 or cr ： 15MPa，阻尼系数 D一 =0．2． 钢管采用 Johnson—cook模型描述，应力应变关系可以表示为 ] or =(A+Bs ‘)(1+Cln6 )(1一T ) (5) 式中， ，为屈服应力；A、日、C、n和 m是材料常数；； 是等效塑性应变； = ／s。80参考 应变率， 为温度． 表 2 钢管主要参数 Table 2 The main parameters of steel tube 1．3 数值模拟结果 Cole关于水中冲击波的峰值压力 P 公式为 P =k(me1／3／R) (6) 式中，m 为装药量；R为距爆心的距离；k， 为经验系数，对于 rI'NT装药有 =1．13．k： 52．27MPa．分别取距离爆源 l0、l5、20、25、30cm距离处的压力和式(6)的计算值相比较， 如图3所示．从中可看出，二者相差 10％左右，可见数值模拟结果是可信的． 测点到爆源距离／em 图3 爆源不同距离处水中压力曲线 Fig．3 The curve of shock wave in water No．6 李顺波等：壁厚对泡沫铝填充钢管的抗爆性能数值模拟研究 时间／os 图4 钢管中压力时间曲线 Fig．4 Pressure-time curves in steel tube 钢管厚度／cm 图5 钢管中压力峰值和壁厚拟合曲线 Fig．5 Fitting curve of pressure peak and the thickness of steel tube 图4中的压力曲线取 自迎爆面钢管的中心位置点．从图4可以看出，钢管中压力随 着时间的增加不断减小，钢管壁厚为 0．3cm时，先出现负的拉应力 ，壁厚为 0．5cm时， 到达峰值的时刻要早于其它几种情况，0．1、0．5、1．3cm壁厚的压力时间曲线变化趋势 基本一致 ，0．9cm壁厚在到达初始峰值之后 ，随着时间的增加逐渐减小 ，后出现负的拉 应力．图5是图4中各壁厚压力峰值的拟合曲线和壁厚的关系曲线图，利用三次多项式 曲线进行拟合后 ，压力峰值随着壁厚的增加呈现增大一减小一增大．减小的过程，由图5可 以看出，压力随壁厚的变化呈现对称性，0．3cm和 1．2cm壁厚时压力峰值最大．从图6 不同壁厚钢管在同一时刻的压力云图可以看出，0．1、0．3、0．5cm壁厚时钢管在冲击波 作用下，两端翘起，中间被冲击波压缩，0．9cm壁厚时中间部分鼓起，两端被压缩， 1．3cm壁厚时钢管没有出现明显的变形，随着壁厚的增加钢管在等同强度冲击波作用 下的抗爆性能不断提高．假定水中冲击波进入钢管初始冲击波强度是等同的，水的波 阻抗要小于钢管的波阻抗，水和钢管界面的冲击波产生反射加载，透射波的强度要小 于入射波的强度 ，同样在冲击波由钢管中进入泡沫铝中时，钢管的波阻抗大于泡沫铝 的波阻抗，这时在界面产生反射卸载，随着钢管壁厚的增加，在钢管中的冲击波能量消 耗就越大，所以壁厚的增加反而使其内部的压力峰值减小，因此壁厚和压力峰值存在 一 个临界点．在同等重量炸药产生的冲击波作用下 ，爆炸产生的总能量等同，随着钢管 壁厚的增加，核心泡沫铝的体积在减小，其吸收的能量不断减少，钢管中吸收的能量不 断增加．进一步观察图4中压力的变化曲线 ，随着壁厚的增加，钢管中的：动能变化和压 力变化一致，要保持能量的守恒，钢管中的内能变化呈现一个相反的趋势，如果将冲击 波压力线所围成的图形近似为三角形 ，则三角形面积即为冲击波在单位面积上作用的 冲量 ，0．9cm壁厚是拉应力产生的冲量大于压应力产生的正冲量，这和0．9cm壁厚 时钢管的变形是一致的． No．6 李顺波等：壁厚对泡沫铝填充钢管的抗爆性能数值模拟研究 1019 从图9和图10中可以看出，不同壁厚情况下，泡沫铝中的动能最大值随着壁厚的增 加不断减小，图9中不同壁厚的动能随时间的变化曲线基本保持一致，泡沫铝在压力作用 下产生的变形可分为3个阶段：弹性区、屈服平台区以及致密区．在线弹性阶段，泡沫铝的 应力一应变呈现直线，进入平台区后应力提高、应变增大．在不同壁厚钢管和泡沫铝在受 到冲击波的压缩开始阶段表现为一个实体，钢管阻碍了泡沫铝的变形，在使钢管受到弹性 变形的同时，还得外加一定应力使泡沫铝发生变形，才能使泡沫铝变形达到屈服平台区． 在钢管壁厚较小情况下，钢管抵抗冲击波的压缩能力较小，使泡沫铝吸收大量的能量，而 随着钢管壁厚的增加，钢管的抗冲击性能增强，要保持能量的守恒，泡沫铝中吸收的能量 就较小． 勰 擦 时间／ 图9 泡沫铝中动能时间曲线 Fig．9 Pressure·time curves of kinetic energy in foamed aluminum 图 10 动能峰值拟合曲线 Fig．10 Fitting curve of foamed aluminum kinetic energy peak 2 结论 本文对不同壁厚的钢管泡沫铝填充结构在水下爆炸冲击波的作用进行了数值模拟， 分析结果表明：通过和水下爆炸经验公式对比，水中冲击波压力的数值模拟结果和计算结 果相差不大，说明计算结果可信．壁厚的不同对提高钢管泡沫铝填充结构在冲击波作用下 的冲击性能有一定影响，从钢管对冲击波的吸收作用出发，钢管壁厚的最佳值在0．8cm． 壁厚对钢管在冲击波作用下的变形形态也有一定的影响，随着壁厚的增加，泡沫铝吸收的 能量越来越小，因此在设计钢管泡沫铝组合结构时，为了发挥结构的最大抗爆炸冲击性 能，需要设计合理的壁厚来实现和泡沫铝的协调变形，使钢管和泡沫铝都发挥其最大的抗 1020 应用基础与工程科学学报 Vo1．20 冲击和吸能性能 [2] [3] [4] [5] [12] [13] [14] [15] 参 考 文 献 Hassan M，Zu Yuehui．Investigation of high．velocity impact on integral arnlor using finite element 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Filled with Aluminum LI Shunbo， YANG Jun， XIA Chenxi (State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China) To study the thickness of the steel tube filled with aluminum foam structure of anti- explosion performance in the water，different thickness of steel pipes filled with aluminum foam structure was simulated using ANSYS／LS·DYNA，the different thickness of numerical simulation results was compared．The results showed that the calculated results and the anderwater shock wave experience formula was compared，and the value of the numerical simulation close to the empirical formula，with the thickness of steel pipe increase，steel pipe significantly reduced deftec~on when underwater explosion shock waves．the deformation of steel pipe increased．The pressure and kinetic energy grow down in aluminum foam ，under the same shock wave intensity， the thickness of steel pipe and aluminum foam between a reasonable design values，SO that the steel pipe and aluminum foam are anti—explosion performance get the maximum use． Keywords：aluminum foam；steel tube；shock wave；numerical simulation 声 明 《应用基础与工程科学学报)2012年第20卷第5期759页—767页刊发的论文《添加 复合保水剂对无土栽培基质保水性能的影响》作者署名为：张璐、孙向阳、田贽、龚小强， 因通信作者信息遗漏，现补充如下： 通信作者：孙向阳(1965一)，男，教授，博士生导师．E-mail：sunxy@bjfu．edu．CB 特此声明。 应用基础与工程科学学报编辑部 2012年 12月