钢板与泡沫铝复合板弹药包装箱的对比研究

2019-11-08李如江赵家骏许亚北安文同

兵器装备工程学报 2019年10期

田斌，李如江，赵家骏，许亚北，安文同

(中北大学环境与安全工程学院, 太原 030051)

弹药从生产到使用得过程中，绝大多数时间处于在包装箱存放状态，由于包装箱内弹药处于密集放置状态，如果其中一发弹药发生爆炸很有可能引发周围的弹药相继爆炸，这一过程称为殉爆。当发生殉爆时，首先发生爆炸的炸药为主发装药，被激发爆炸的炸药为被发装药，所以包装箱的设计必须考虑抑制主发装药能量的传播。一般情况下，当主发装药与被发装药距离较近时，引起被发装药殉爆的主要原因为冲击波与碎片的共同作用，当距离较远时，碎片的机械撞击起主要作用[1]。周冰等[2]提出了隔爆，抗爆，泄爆和缓冲减震等4种方法是弹药包装箱防殉爆设计的主要依据。李兴隆等[3]提出了殉爆产生的原因包括有空气冲击波、爆炸产物流、高速破片及其他飞散物等，并更深入的分析了殉爆的理论，给出了提高弹药殉爆安全性的建议。Bohoon Kim等[4]通过实验研究PBXN-109弹药堆叠放置和单列放置时的殉爆特点，发现二者殉爆的发生有很大的区别，当堆叠密集放置时主发装药发生爆炸最有可能引发对角线装药的爆炸。Thomas Widlund等[1]根据弹药密集堆叠放置的殉爆特点，提出殉爆箱的设计方法，并通过实验验证其设计的合理性。顾太平等[5]对舰船泡沫铝冲击吸能器工程设计提出了可行性方案，提出实例，并进行仿真，仿真结果与理论设计一致。目前防爆箱的材料主要有木材、钢等，为了有效的提高防护性能，同时减少箱体的重量，有必要设计一种新型材料。泡沫铝由于其密度低，耐高温，吸收冲击波能量强等优点，完全可以作为防爆箱的箱体材料，通过对防爆箱钢板材料和钢板-泡沫铝-钢板材料的数值仿真对比，为新型防爆箱材料的设计提供参考。

1 理论分析

当防爆箱隔板采用单一钢板材料和钢板复合材料时在防爆性能上有较大的差异，为研究在冲击波载荷作用下单一钢板材料和复合钢板材料的抗爆性能，有必要对冲击波的抗爆机理进行研究分析[6]。

当冲击波在复合材料中传播时，由于复合材料中各层材料的声阻抗不同，所以冲击波在不同材料的分界面上对产生反射波与透射波，其中由分界面的连续条件可知，当在分界面的压力、质点速度相同，分界面俩侧的材料的声阻抗不同时，产生的反射波与透射波强度分别为[7]

σR1=[(ρ2c2-ρ1c2)/(ρ2c2+ρ1c2)]σ1

(1)

ρT2=[2ρ2c2/(ρ1c1+ρ2c2))]σ1

(2)

其中:σR是反射波强度，σT是透射波强度，下标1,2分别代表第一、二层材料，ρ1为第一层材料密度，ρ2为第二层材料密度，c1为第一层材料的弹性波速，c2为第二层材料的弹性波速，σ1为入射应力波强度，ρ1c1为第一层材料的波阻抗，ρ2c2为第二层材料的波阻抗。反射波系数R和透射波系数T分别为

R=(ρ2c2-ρ1c1)/(ρ2c2+ρ1c1)

(3)

T=[2ρ2c2/(ρ1c1+ρ2c2)]σ1

(4)

对于入射波为压缩纵波的情况下可得如下的结论：

1) 当ρ2c2>ρ1c1，即第二层材料的波阻抗大于第一层材料的波阻抗时，由式(3)和式(1)可得，反射波系数大于零，所以反射波强度大于零，由式(4)和式(2)可得T>1和σT>1，即透射波的应力增幅大于入射波。

2) 当ρ2c2<ρ1c1，即第二层材料的波阻抗小于第一层材料的波阻抗时，由式(3)和式(1)可得，反射波系数小于零，反射波强度小于零，由式(4)和式(2)可得T<1和σΤ<1，即透射波的应力增幅小于入射波。

通过以上应力波在波阻抗材料不同的界面传播公式可具体分析泡沫铝三明治结构(钢板-泡沫铝-钢板)与单层钢板结构的冲击波缓冲规律，其具体的缓冲效果计算如下：

在钢板-泡沫铝-钢板的模型中，由于钢的密度ρ1=7.860×103kg/m3，钢介质中的弹性波速c1=0.5×104m/s,钢介质的波阻抗ρ1c1=3.93×107kg/(m2·s)，泡沫铝的密度ρ2=1.2×103kg/m3，泡沫铝的弹性波速c2=2.15×103m/s，泡沫铝的波阻抗为ρ2c2=2.58×106kg/(m2·s)。假定爆炸冲击波在第一层钢板中的峰值应力为σT1,当冲击波经过钢板与泡沫铝的分界面时会产生反射与透射，进入泡沫铝介质中的峰值应力为σT2,由式(2)可知，峰值应力σT2=[2ρ2c2/(ρ1c1+ρ2c2)]σT1≈0.123 209σT1,当冲击波经过泡沫铝与钢板的分界面时同样会产生透射与反射，假设透过第二层钢板的峰值应力为σT3,由式(2)可知，峰值应力σT3=[2ρ1c1/(ρ1c1+ρ2c2)]σT2≈0.231 237 5σT1,所以经过钢板-泡沫铝-钢板复合夹层后冲击波的峰值应力为初始应力的0.231 237 5倍。冲击波在钢板与钢板-泡沫铝-钢板中的传播如图1所示。

图1 冲击波在不同隔板中的传播

通过冲击波在不同波阻抗材料中的冲击波传播原理阐释了钢板-泡沫铝-钢板复合结构相较于单层钢板缓冲吸能效果的优越性。但是，在防爆箱中被发装药发生爆炸除了冲击波作用外，也有可能是主发装药外壳或隔板对被发装药的机械作用及主发装药爆炸的热能作用。所以，为研究钢板-泡沫铝-钢板对冲击波的缓冲吸能效果，必须控制单一变量。

2 数值模拟

2.1 有限元模型及算法

炸药殉爆有限元模型如图2所示，主发装药与被发装药外形尺寸均为34 mm×30 mm的圆柱体，柱体中心距为80 mm，均包裹与2 mm厚钢壳，钢壳下垫有5 mm厚钢板，主发装药与被发装药间有不同厚度，不同材料的隔板，分别用于模拟不同情况下对主发装药发生爆炸时的防护效果。

图2 殉爆有限元模型

该模型共使用主发装药，被发装药，钢板(主/被发装药外壳，垫板，隔板均使用45号钢)，泡沫铝，空气，5种材料，其中主发装药，空气，被发装药使用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法，主发装药外壳，被发装药外壳，底板，隔板使用LAGRANGE算法，不同算法单元使用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID实现流固耦合[9]。模型使用的网格均为3D SOLID 164六面体网格，网格尺寸对模拟的精确性影响较大，加密网格会提高结果精度，但是会成倍提高计算时间，综合考虑结果的精确度与运算速率，该模型的网格尺寸设置为1 mm。根据模型对称性的特点，建立1/2有限元模型模型，分别设立对称边界条件，非反射边界条件，另外设置接触、求解时间等。

2.2 材料参数

本文所使用的材料中，主发装药使用B炸药，选用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，状态方程为JWL；被发装药采用流体弹塑性材料模型*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDR用点火增长反应速率方程*EOS_IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE[10],点火增长方程如下：

G1(1-λ)cλdPy+G2(1-λe)λgpz

(5)

式中:λ为炸药反应度；t为时间；ρ为密度；ρ0为初始密度；P为压力I、G1、G2、a、b、χ、c、d、y、e、g和z为拟合系数；钢板使用MAT-JOHNSON-COOK模型，状态方程选用GRUNEISEN;空气域选用无偏应流体动力模型(NULL),状态方程选用GRUNEISEN。其参数见表1。泡沫铝使用Crushable_foam本构模型模拟，通过实验得到如图3所示的泡沫铝应力应变关系曲线及相关其他参数[8]。ρ0=1.2×103kg/m3,E=1.2 GPa,υ=0.3,pcut=10 MPa，pcut为拉伸载荷下定义的拉伸应力截止值。泡沫铝的本构应力应变曲线如图3所示。

表1 各物质材料模型参数

图3 泡沫铝的应力应变曲线

2.3 模拟过程及结果分析

为了比较不同隔板的防护效果，必须分别进行冲击波防护模拟，找出俩者防护效果的优劣性，同时由于主发装药引爆被发装药的主要因素有冲击波能量、爆炸产物流，高速破片碰撞等，模拟过程中必须控制变量。

1) 首先进行较低厚度钢板的殉爆防护模拟，找出避免高速破片撞击以及隔板撞击引起被发装药爆炸的临界板厚度。结果显示：6 mm隔板变形较小，未与被发装药外壳碰撞，且隔板完全阻挡了碎片，导致被发装药发生爆炸主要为冲击波能量；而4 mm隔板在冲击波、碎片等共同作用下产生较大变形而碰撞被发装药外壳，导致被发装药发生爆炸，此时引发被发装药爆炸的能量中既有冲击波能，也有碰撞机械能。模拟隔板爆炸应力云图如图4、图5所示。

图4 4 mm隔板爆炸应力云图

图5 6 mm隔板爆炸应力云图

2) 继续增加钢板的厚度模拟出主发装药不能激发被发装药发生爆炸的极限厚度。结果证明直至增加钢板厚度到14 mm时依然能够发生爆炸，但是当钢板厚度为16 mm时，能够有效的避免爆炸的发生。模拟14 mm隔板爆炸应力云图如图6所示。

图6 14 mm隔板爆炸应力云图

3) 通过设置钢板-泡沫铝-钢板复合隔板的厚度与钢板的极限厚度一致，比较对冲击波防护的效果。分别设置钢板-泡沫铝-钢板厚度为3 mm、8 mm、3 mm和4 mm、6 mm、4 mm进行模拟，与14 mm钢板进行防护比较，模拟发现，无论3 mm、8 mm、3 mm复合板还是4 mm、6 mm、4 mm复合板都能够很好的吸收冲击波，避免殉爆爆炸的发生。具体的应力云图如图7、图8所示。图9、图10为二者在600 μs时的爆炸能量变化。