建筑覆层抗爆性能研究

2013-12-18□□

建材技术与应用 2013年5期

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(山西职业技术学院，山西太原 030006)

引言

目前，人们对爆炸荷载下结构安全防护的研究主要是基于冲击波效应和材料动态特性两方面的研究[1]。本文基于防爆基本技术措施的第4条和第5条，并参考现有的防爆覆层方面的文献，运用有限元分析软件ANSYS建立了混凝土板及蜂窝夹芯覆层的几何模型，在Hypermesh下将混凝土板划分为六边形实体网格，将蜂窝夹芯覆层划分为规则四边形壳网格，并导入AUTODYN有限元计算软件，运用ALE算法对混凝土单板及带蜂窝夹芯覆层的混凝土板在爆炸荷载下的动力响应进行了分析。

1 几何模型

在实际工程中，混凝土结构多为大体积结构，为节省计算机资源并保证计算的准确性，取1∶100缩小的结构模拟实际尺寸3 000 mm×3 000 mm×250 mm的混凝土板在爆炸荷载下的动力响应。由于结构和爆炸荷载的对称性[2]，在模拟计算时混凝土板与带有蜂窝防爆覆层的混凝土板均采用1/4模型建模。1/4模型混凝土板计算尺寸为150 mm×150 mm×25 mm，单元尺寸为0.5 mm。蜂窝壁厚为0.04 mm，蜂窝边长5 mm，面板厚0.8 mm，夹芯覆层选取10 mm和20 mm两种高度。

在整个建模中，蜂窝覆层、混凝土板均采用Lagrange单元，空气和高能炸药采用Euler单元。混凝土单元尺寸为2 mm×2 mm×2 mm，蜂窝及面板单元尺寸2 mm×2 mm×2 mm，空气、炸药单元尺寸为4 mm×4 mm×4 mm。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

2 有限元算法

为了减少计算时间，提高计算精度，在数值模拟过程中采用了AUTODYNA软件提供的映射(REMAP)技术。首先在计算精度更高的二维模型中建立圆柱型TNT炸药模型与球形TNT炸药模型，并计算初始起爆和爆炸冲击波传播过程，其中空气的网格尺寸为4 mm。在冲击波传播到一定距离(未传出空气边界)时，将二维的计算结果映射到三维欧拉型空气域中，与计算模型进行耦合，继续下一步计算。

3 材料模型

铝蜂窝夹心材料及其面板均采用JOHNSON_COOK材料模型[3]，屈服应力表示为：

(1)

式中：ε-p——等效塑性应变；ε-*——应变率比值；T*——相对温度；A——屈服应力；B——应变硬化常数；n——应变硬化指数；C——应变率敏感系数。

材料的具体参数如表1所示。混凝土采用AUTODYN自带材料库中的RHT混凝土材料，材料参数如表2所示。

表1 铝蜂窝材料参数

表2 CONC-35 MPa材料参数

4 结果与讨论

4.1 背爆面中心点挠度对比

图2给出了混凝土单板及粘贴有蜂窝覆层的混凝土板背爆面中心点位移时程曲线。

图2 混凝土板背爆面中心点位移时程曲线

从图2可以看出，混凝土单板背爆面中心点在0.3 ms时达到最大位移2.25 mm，增加覆层后混凝土板背爆面中心点挠度明显减小。设置10 mm覆层之后，挠度最大值减小至0.6 mm，约为之前的27%；覆层高度增加为20 mm后，混凝土板背爆面中心点挠度进一步减小，约为0.3 mm，约为之前的13%，且基本上处于弹性震荡范围之内。

从图2还发现，增加覆层之后，背爆面出现挠度峰值的时间有一定的提前。未设置覆层时，峰值约在0.3 ms出现；设置10 mm覆层之后，峰值约在0.2 ms出现；设置20 mm覆层之后，峰值在0.15 ms左右出现。

4.2 各部分能量对比

各部分能量分布曲线如图3所示。图4为不同覆层厚度下混凝土板受到的冲击能量。