橡胶/钢层防护结构数值模拟研究

吴玮栋，郄彦辉，程 聪，王 昱

(1.河北工业大学机械工程学院，天津 300130；2.河北省特种设备监督检验研究院，河北 石家庄 050061)

1 引言

水压爆破试验是指对承受内压的设备持续加压使之产生泄露乃至爆破。水压爆破试验是检查压力容器和承压管道元件产品的极限承压能力的标准试验。对于新型结构的压力容器或新材料、新工艺制造的压力容器应经水压爆破试验证实设计制造均安全后方可投入批量制造。但是在水压爆破实验过程中，迸溅的金属碎片会撞击并损坏封闭实验室的内壁和上方易损装置(如摄像头和照明装置)，如图1、图2所示。故需要在实验室内安装一种既能确保实验室内壁不受破坏，又能保护上方易损装置的防护结构。防护结构能有效保护人员、建筑和装置免遭损伤破坏，随着防护结构应用领域的不断扩大，对其性能和种类的需求也越来越大。目前，国内外技术人员主要从材质和结构两个方面对防护结构进行设计和研究。防护结构的材质主要有非金属材料[1-2]、金属材料[3]、复合材料[4-5]等，设计并应用的结构主要有多层结构[6]、蜂窝结构[7-8]等。这些防护材料以及特殊结构都有其不可替代的优点，但是由于这些防护结构造价高、结构复杂，大多应用于军事国防领域。结构简单造价低廉的民用室内防护结构有待进一步研究。针对这一问题，提出了两种造价低廉、结构简单便于制造安装的防护结构—斜铺式和锯齿状橡胶/钢板复合结构，旨在保护室内墙壁和上方的易损装置。针对不同水压爆破试验迸溅的金属碎片对封闭试验的初次冲击和二次冲击过程，采用显式非线性软件LS-DYNA模拟不同速度和不同入射角度条件下碎片对防护结构的碰撞过程，分析对比两种橡胶/钢复合板的防护效果和抗冲击性能。

图1 爆破瞬间Fig.1 Blasting Moment

图2 封闭实验室破坏情况Fig.2 Destruction of the Sealed Laboratory

2 数值仿真

2.1 几何模型及求解方法

所提出的防护结构是在钢板上铺装一定形状的橡胶，两种防护结构的钢板厚度均为8mm，橡胶层厚度均为15mm，两种防护结构的橡胶层结构形式不同。其中碎片在爆破实验室内的冲击历程简图，如图3所示。

图3 碎片冲击历程Fig.3 The Impact of the Fragments of the Process

图4 橡胶/钢复合板的有限元计算模型Fig.4 Finite Element Calculation Model of Rubber/Steel Composite Panel

鉴于爆破碎片的尺寸较小、形状较为复杂且具有一定的随机性，而碎片的形状对防爆结构的防护性能影响较小，故把碎片简化为直径为8mm的刚性小球进行研究。由于钢球与防护结构的对称性，采用1/2模型建模，对称面处设置对称边界条件，约束其对称面相应的位移及转动，防护结构模型的边界施加固定约束条件。有限元模型忽略橡胶和钢板间粘合剂的影响，采用单元共用节点的方式模拟橡胶和钢板间的连接。为了提高计算效率并防止网格产生畸变计算难以维系，采用在接触区局部网格加密方法的方法对仿真模型进行网格划分。有限元模型，如图4所示。

2.2 材料模型及参数

钢板材料选用#45钢，采用Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程来描述其本构关系。钢的材料参数[9]，如表1所示。各参数的含义见文献[10]。防护结构的橡胶采用6744型号的天然橡胶，在仿真计算时采用Ogden本构模型定义其材料特性。Ogden本构模型可以很好的描述橡胶材料在常温、常应变率情况下不同应力情况时的变形情况，且在应变大于100%时计算精度比较高。6744型号天然橡胶的材料参数[11]，如表2所示。

表1 45号钢的材料参数Tab.1 Material Parameters of 45 Steel

表2 6744型号天然橡胶的材料参数Tab.2 Material Parameters of 6744 Type Natural Rubber

3 结果分析

3.1 初次冲击后的速度分析

根据河北省锅炉压力容器监督检验院管道元件中心水压爆破实验室多次试验结果，统计爆破产生的金属碎片对墙体的破坏位置并绘制简图，如图5所示。在水压爆破试验时，被测的承压容器或承压管道元件置于实验室地面中央，而水压爆破实验室的长度通常为(4～6)m、宽度为(3～5)m、高度为(3～4)m，且由图5所示，爆破产生的高速碎片全部撞击到四周墙壁，则爆破产生的高速金属碎片与墙壁或防护结构碰撞时的入射角度不超过45°。考虑到不同型号承压容器和管道元器件的不同爆破压力造成的不同初始速度的碎片，选取了碎片在入射角度q=45°、40°、30°、20°下以不同速度(0≤v≤300m/s)冲击防护结构的工况进行了仿真。通过研究碎片被反弹后竖直方向的速度大小最能直观反应防护结构对上方易损装置的防护效果，故比较了碎片初次冲击这两种防护结构后竖直方向的速度，如图6所示。

图5 碎片撞击墙体位置示意图Fig.5 Location Map of the Fragment Impacting the Wall

图6 碎片初次冲击后竖直方向速度对比图Fig.6 Comparison of Vertical Speed after Initial Impact of Debris

根据图6所示，不同入射角度下，碎片冲击两种防护结构后的剩余速度的曲线规律趋势大致接近。当入射速度v＜80m/s时，相同入射角度下，碎片冲击斜铺式橡胶/钢复合板后的竖直方向的剩余速度大于冲击锯齿状橡胶/钢复合板后的剩余速度。当入射速度80≤v≤120m/s时，这两种防护结构的防护效果一样，碎片均会直接嵌入橡胶层。当入射速度v＞120m/s时，相同入射角度下，碎片冲击斜铺式橡胶/钢复合板后的竖直方向的剩余速度小于冲击锯齿状橡胶/钢复合板后的剩余速度。

3.2 典型工况的冲击历程

根据图6分析可得，碎片冲击防护结构后，根据剩余速度的不同，可分为三种典型工况类型，即入射速度范围分别在v＜80m/s、80≤v≤120m/s、v＞120m/s时的工况。由于在各类典型工况下的冲击历程比较相似，故在此只以入射角度q=45°为例，分别选取v=30m/s，v=120m/s和v=200m/s三种典型工况，仿真结果，如图7所示。

图7 三种典型工况下的冲击历程的对比Fig.7 Comparison of Impact History under Three Typical Conditions

如图7所示，当碎片以入射速度v=30m/s冲击防护结构时，橡胶层没有发生实质性的破坏，碎片被橡胶层反弹，该工况下防护结构能发挥橡胶的高弹性。碎片在冲击斜铺式橡胶/钢复合板后将会向上反弹，而冲击锯齿状橡胶/钢复合板后将会向下反弹，极大地改善防护结构的防护效果。当碎片以入射速度v=120m/s冲击防护结构时，碎片最终会嵌入橡胶层。当碎片以入射速度v=200m/s冲击防护结构时时，防护结构的橡胶层将会被侵彻，碎片撞击到钢板并被钢板反弹，此时防护钢板表面虽然由于碰撞而产生了凹坑，但是钢板均没有发生穿透性的破坏。

3.3 典型工况的内能曲线分析

碎片在冲击防护结构的过程中，其动能转化为防护结构的内能、迸溅橡胶碎片的动能和热能等，其中防护结构的内能曲线能够反映在整个冲击过程中的吸能特性。故为了深入研究碎片在冲击过程中防护结构的吸能特性，选取了上述2.2节中三种典型工况下所对应的防护结构的内能曲线，如图8、图9所示。结合图8、图9所示，橡胶/钢复合板的吸能特性随着冲击速度的变化而变化。当碎片以v=30m/s的速度冲击防护结构时，橡胶层的内能先增加后降低，而钢板的内能几乎不变。当碎片以v=120m/s的速度冲击防护结构时，橡胶层的内能和钢板的内能均会上升。钢板的内能上升幅度较大，最终稳定在一定值，而橡胶层的内能增加幅度较小，其内能变化先是逐渐增加，随后又降低为0。当碎片以v=200m/s的速度冲击防护结构时，钢板的内能上升幅度较大，相比于钢板的内能，橡胶层的内能变化不明显。

图8 斜铺式橡胶/钢复合板的内能曲线Fig.8 Internal Energy Curve of Inclined Pavement Rubber/Steel Composite Panel

图9 锯齿状橡胶/钢复合板的内能曲线Fig.9 Internal Energy Curve of Serrated Rubber/Steel Composite Panel

3.4 二次冲击后的仿真分析

碎片在初次冲击防护结构后会被反弹撞击对面墙体而发生二次冲击，为了保护实验室上方易损装置的安全，必须要保证二次碰撞后碎片不向上反弹。本仿真涉及碎片在实验室内墙体间的反弹碰撞，由于两面墙体距离较远，如果按照实际尺寸建立模型并求解计算，将会极大增加计算机运算时间，故引入重启动技术。重启动分析的核心是以第1次冲击后的运算结果作为第2次计算的初始状态，即把碎片在初次冲击防护结构后的运动状态结果作为二次碰撞的初始条件。仿真后的竖直方向速度汇总结果，如图10所示。

图10 二次碰撞后碎片竖直方向速度汇总图Fig.10 Summary of Vertical Velocity of Debris after Secondary Collision

如图10所示，以竖直方向速度v=0m/s平面为分界限，经过二次碰撞后剩余速度v＞0m/s的工况将会对上方易损装置造成危险，而剩余速度v＜0m/s的工况将不会破坏易损装置，故规定碎片剩余速度大于0的区域为危险域，剩余速度小于0的区域为安全域。由图10可见，碎片被初次反弹后撞击对面防护结构发生二次碰撞时，竖直方向速度均v≤0m/s，即所有工况最后都落在安全域中，故这两种防护结构均能有效保护上方易损装置。

4 结论

提出了两种适用于民用防护领域的防护结构形式—斜铺式和锯齿状橡胶/钢复合结构，通过LS-DYNA软件对其抗冲击性能和防护效果进行了数值模拟研究，具体结论如下：

(1)根据碎片冲击橡胶/钢复合板防护结构后剩余速度的不同，可分为三种典型工况。当入射速度v＜80m/s时，橡胶的高弹性使碎片反弹飞出；当入射速度80≤v≤120m/s时，碎片最终嵌入橡胶层内；当入射速度v＞120m/s时，碎片会击穿橡胶层最终被钢板反弹回来。

(2)提出的两种防护结构的防护工况各有侧重，对于碎片入射速度v＜80m/s的工况的防护，可优先选用锯齿状橡胶/钢板复合结构；当碎片入射速度80≤v≤120m/s时，两种防护结构的防护效果一样；对于入射速度n＞120m/s的工况，适合选用斜铺式橡胶/钢板复合结构。所提出的两种防护结构均可推广到其他民用防护领域。