空中爆载荷作用下复合材料泡沫夹芯板结构抗爆性能分析

空中爆载荷作用下复合材料泡沫夹芯板结构抗爆性能分析

作者：三木先生

1研究背景和意义：

在现代反恐战争中，军用汽车经常会遭遇炸弹、炮弹、手榴弹或航弹等爆炸性武器的袭击。爆炸是一种非常迅速的能量释放过程，其发生时爆炸物质能在有限的空间和极短的时间内产生高压的化学反应，并释放出大量的能量和热量冲击作用到结构上。

随着反装甲武器装备技术的发展，变得越来越精致，威力也越来越大，因此，采用一些新结构或新技术提高军车的防爆性，减小对士兵的伤害已成为军用车辆研究的重要组成部分。

“三明治”夹层结构是一种典型的装甲防护结构，其由不同材料相互组合而成，并通过利用各个组分的性能特点达到整个结构性能最佳。按照所含芯体种类的不同，夹层结构大致可以分为五类：泡沫夹层、蜂窝夹层、波纹板夹层、点阵夹层和混合夹层结构，目前，常用的泡沫材料有开孔金属泡沫、闭孔金属泡沫、硬质聚醋泡沫等。与聚酷泡沫相比，金属泡沫的刚度更高，使用温度范围更广，并且具有较强的抗有机溶剂能力，因此受到人们的广泛关注。

本文釆用适合求解爆炸、冲击等强非线性动力问题的显式有限元分析软件LS-DYNA,研究空爆载荷作用下泡沫夹心结构的抗爆性能

2数值模型：

2.1 爆炸载荷仿真

根据爆炸点的位置不同，爆炸可以分为自由空中爆炸、近地面空中爆炸、地表面爆炸三种。本文研究的夹芯板主要考虑应用在军用装甲车的底盘上，因此爆炸类型选为地表面爆炸。目前，对爆炸问题的仿真研究多采用流固耦合方法，即ALE算法，但由于爆炸过程比较复杂，而算法需要同时建立空气和炸药网格，计算爆炸问题需要花费较长时间，并且占用大量的存储空间。CONWEP方法一种可以高效计算爆炸荷载的算法，LOAD_BLAST关键字将其内嵌于软件中，用户可通过设置当量、炸点位置、起爆时间、单位制和爆炸类型直接对壳结构施加爆炸荷载。算法在结构抗爆性研究中已得到了广泛应用一些研究也已经证明算法能保证爆炸载荷下结构响应分析的精度。

空中爆炸载荷特点：

CONWEP算法模拟爆炸载荷作用时考虑了入射压力和反射压力的影响，通过炸点与目标作用面间的相对位置、入射角度计算作用在结构上的爆炸载荷值，其将爆炸载荷定义为：

2.2 有限元模型

物理模型：

有限元模型：

(1)模型尺寸描述：

长：0.5m,宽：0.5m,面板厚度：2mm,芯层厚度：50mm

网格尺寸：5mm

网格单元数：12万

(2)下面板（迎爆面）：Q235钢

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

(3)下面板（背爆面）：Q235钢

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

(4)夹芯层：泡沫铝的性能与金属基体材料的性能密切相关，本文数值模拟中泡沫铝基体材料均采用常见的ZL101A铝合金。由于该合金中存在大量Al-Si共晶体而具有很好的流动性和铸造性能，因此适合制备泡沫铝。泡沫铝基体材料的本构选择理想弹塑性模型， Cowper -Symonds模型来描述基体材料的应变率效应，表达式为：

铝合金密度ρ=2.68g/cm3，弹性模量E=70Gpa，泊松比ν=0.33，静态屈服应力=160MPa，应变率相关参数取C=6500/s，P=4，其动态屈服应力随应变率变化的关系见图，不考虑材料的失效问题。

*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)接触

*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SOLID_OFFSET

(5)关键字：

3 仿真计算结果

（1）夹芯层结构压力云图：

（2）中心挠度曲线：

5 总结

     泡沫铝质量轻、比强度高、吸能强、隔热降噪的特点，使其广泛的用于航空航天、交通运输、建筑及军事各大领域。

     本文只采用 Q235 钢作为面板材料，且前后面板均采用相同的厚度。作为装甲车底板的防护研究，可以采用更高强度的钢材作为面板，并采用不同面板材料的混合搭配，以及不同厚度的面板进行组合。

根据本文的模型可以继续讨论功能梯度的泡沫铝的抗爆性能，研究最佳优化组合。