兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3909-3920.doi: 10.12382/bgxb.2023.0735
所属专题: 爆炸冲击与先进防护
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袁名正1, 潘腾1, 卞晓兵1,2, 杨磊1, 周宏元4, 黄广炎1,3, 张宏1,3,*()
收稿日期:
2023-08-09
上线日期:
2023-12-30
通讯作者:
基金资助:
YUAN Mingzheng1, PAN Teng1, BIAN Xiaobing1,2, YANG Lei1, ZHOU Hongyuan4, HUANG Guangyan1,3, ZHANG Hong1,3,*()
Received:
2023-08-09
Online:
2023-12-30
摘要:
自二战以来战场上遗留了大量未爆弹,为合理高效地处置未爆弹,需要强防护和轻量化的防爆掩体以保护拆弹专家的安全。基于该背景,选取铝合金6061-T6、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维层合板和碳纤维层合板3种材料,通过实爆实验和有限元仿真结合的方式,对比研究曲面型防爆掩体与方型防爆掩体在冲击波作用下的抗变形能力和冲击波超压衰减效果。3种材料平板的爆炸实验结果发现,相同面密度靶板的抗变形能力排序为碳纤维层合板>UHMWPE纤维层合板>铝板;由仿真结果可知曲面结构的抗变形能力优于平面结构;在2kg TNT 3m距离、0.5m高处爆炸冲击下,相较于方型防爆掩体,曲面型防爆掩体因其更好的抗变形能力以产生更小的透射超压,在小变形的情况下使掩体内部超压不超过20kPa,可以保证内部人员安全无伤,其中,材料选择对于曲面型防爆掩体削波效果的影响不大,方型防爆掩体采用碳纤维层合板的效果最好。
中图分类号:
袁名正, 潘腾, 卞晓兵, 杨磊, 周宏元, 黄广炎, 张宏. 曲面型纤维复材防护掩体在爆炸冲击波下的响应特性[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3909-3920.
YUAN Mingzheng, PAN Teng, BIAN Xiaobing, YANG Lei, ZHOU Hongyuan, HUANG Guangyan, ZHANG Hong. Response Characteristics of Curved Fiber Composite Protective Shelter under the action of Explosive Shock Wave[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3909-3920.
靶板类型 | 面密度/ (kg·m-2) | 质量/ g | 厚度/ mm |
---|---|---|---|
铝合金6061-T6 | 1944 | 4.5 | |
UHMWPE纤维层合板 | 12 | 1940 | 12.5 |
碳纤维层合板 | 1955 | 8.4 |
表1 靶板数据表
Table 1 Target plate data table
靶板类型 | 面密度/ (kg·m-2) | 质量/ g | 厚度/ mm |
---|---|---|---|
铝合金6061-T6 | 1944 | 4.5 | |
UHMWPE纤维层合板 | 12 | 1940 | 12.5 |
碳纤维层合板 | 1955 | 8.4 |
R0/(kg·m-3) | E/GPa | v |
---|---|---|
7800 | 206 | 0.30 |
表2 靶架和螺栓材料参数表
Table 2 Material parameters of target frame and bolt
R0/(kg·m-3) | E/GPa | v |
---|---|---|
7800 | 206 | 0.30 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
R0/(kg·m-3) | 2704 | D1 | -0.77 | |
E/GPa | 71 | D2 | 1.45 | |
G/GPa | 26.69 | D3 | -0.47 | |
v | 0.330 | D4 | 0 | |
A/MPa | 256 | D5 | 1.60 | |
B/MPa | 113.8 | C | 5240 | |
C | 0.002 | S1 | 1.40 | |
M | 1.34 | TM/K | 877.6 | |
N | 0.42 | Tr/K | 293.0 |
表3 铝合金6061-T6材料参数表[15]
Table 3 Material parameters of aluminum alloy 6061-T6[15]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
R0/(kg·m-3) | 2704 | D1 | -0.77 | |
E/GPa | 71 | D2 | 1.45 | |
G/GPa | 26.69 | D3 | -0.47 | |
v | 0.330 | D4 | 0 | |
A/MPa | 256 | D5 | 1.60 | |
B/MPa | 113.8 | C | 5240 | |
C | 0.002 | S1 | 1.40 | |
M | 1.34 | TM/K | 877.6 | |
N | 0.42 | Tr/K | 293.0 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
R0/(kg·m-3) | 1006 | K/GPa | 2.20 | |
E1/GPa | 34.3 | SC/GPa | 0.5 | |
E2/GPa | 34.3 | XT/GPa | 1.25 | |
E3/GPa | 3.26 | YT/GPa | 1.25 | |
v12 | 0 | YC/GPa | 1.90 | |
v13 | 0.013 | ALPH | 0.50 | |
v23 | 0.013 | SN/MPa | 900 | |
G12/MPa | 174 | S23/MPa | 900 | |
G23/MPa | 548 | S13/MPa | 900 | |
G13/MPa | 548 |
表4 UHMWPE纤维层合板材料参数表
Table 4 Material parameters of UHMWPE fiber laminates
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
R0/(kg·m-3) | 1006 | K/GPa | 2.20 | |
E1/GPa | 34.3 | SC/GPa | 0.5 | |
E2/GPa | 34.3 | XT/GPa | 1.25 | |
E3/GPa | 3.26 | YT/GPa | 1.25 | |
v12 | 0 | YC/GPa | 1.90 | |
v13 | 0.013 | ALPH | 0.50 | |
v23 | 0.013 | SN/MPa | 900 | |
G12/MPa | 174 | S23/MPa | 900 | |
G23/MPa | 548 | S13/MPa | 900 | |
G13/MPa | 548 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
R0/(kg·m-3) | 1500 | S12/MPa | 450 | |
E1/GPa | 231 | S13/MPa | 325 | |
E2/GPa | 231 | S23/MPa | 325 | |
E3/GPa | 10 | XC/GPa | 1.47 | |
v12 | 0.300 | YC/GPa | 1.47 | |
v13 | 0.026 | ZC/GPa | 1.03 | |
v23 | 0.026 | XT/MPa | 2160 | |
G12/GPa | 4.50 | YT/MPa | 2160 | |
G23/GPa | 1.80 | ZT/MPa | 71 | |
G13/GPa | 1.80 |
表5 碳纤维层合板材料参数表
Table 5 Material parameters of carbon fiber laminates
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
R0/(kg·m-3) | 1500 | S12/MPa | 450 | |
E1/GPa | 231 | S13/MPa | 325 | |
E2/GPa | 231 | S23/MPa | 325 | |
E3/GPa | 10 | XC/GPa | 1.47 | |
v12 | 0.300 | YC/GPa | 1.47 | |
v13 | 0.026 | ZC/GPa | 1.03 | |
v23 | 0.026 | XT/MPa | 2160 | |
G12/GPa | 4.50 | YT/MPa | 2160 | |
G23/GPa | 1.80 | ZT/MPa | 71 | |
G13/GPa | 1.80 |
靶板类型 | 最大位移 | 最终位移 | ||
---|---|---|---|---|
仿真值 | 实验值 | 仿真值 | 实验值 | |
铝板 | 20.5 | 19.2 | 11.4 | 11.2 |
UHMWPE纤维层合板 | 25.5 | 27 | 1.5 | 4.8 |
碳纤维层合板 | 14.2 | 13.2 | -0.3 | 0 |
表6 仿真靶板中心点位移
Table 6 Displacement table of center point of simulated target platemm
靶板类型 | 最大位移 | 最终位移 | ||
---|---|---|---|---|
仿真值 | 实验值 | 仿真值 | 实验值 | |
铝板 | 20.5 | 19.2 | 11.4 | 11.2 |
UHMWPE纤维层合板 | 25.5 | 27 | 1.5 | 4.8 |
碳纤维层合板 | 14.2 | 13.2 | -0.3 | 0 |
材料类型 | TNT 当量/kg | TNT 位置 | 厚度/ mm |
---|---|---|---|
铝合金6061-T6 | 2 | 防爆掩体外侧3m、高0.5m处 | 10 |
UHMWPE纤维层合板 | 27 | ||
碳纤维层合板 | 18 |
表7 防爆掩体仿真工况
Table 7 Simulation conditions of explosion-proof shelters
材料类型 | TNT 当量/kg | TNT 位置 | 厚度/ mm |
---|---|---|---|
铝合金6061-T6 | 2 | 防爆掩体外侧3m、高0.5m处 | 10 |
UHMWPE纤维层合板 | 27 | ||
碳纤维层合板 | 18 |
R0/(kg·m-3) | C4/Pa | C5/Pa | E0/(J·m-3) |
---|---|---|---|
1.23 | 0.400 | 0.400 | 2.50×105 |
表8 空气材料参数
Table 8 Air material parameters
R0/(kg·m-3) | C4/Pa | C5/Pa | E0/(J·m-3) |
---|---|---|---|
1.23 | 0.400 | 0.400 | 2.50×105 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
R0/(kg·m-3) | 1600 | SC/Pa | 1.55×108 | |
E1/Pa | 1.27×1011 | XC/Pa | 1.47×109 | |
E2/Pa | 8.42×1010 | XT/Pa | 2.20×109 | |
v12 | 0.0205 | YT/Pa | 4.89×107 | |
G12/Pa | 4.21×109 | YC/Pa | 1.99×108 | |
G23/Pa | 4.21×109 | G31/Pa | 4.21×109 |
表9 防爆掩体碳纤维层合板材料参数[24]
Table 9 Material parameters of carbon fiber laminates for explosion-proof shelters[24]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
R0/(kg·m-3) | 1600 | SC/Pa | 1.55×108 | |
E1/Pa | 1.27×1011 | XC/Pa | 1.47×109 | |
E2/Pa | 8.42×1010 | XT/Pa | 2.20×109 | |
v12 | 0.0205 | YT/Pa | 4.89×107 | |
G12/Pa | 4.21×109 | YC/Pa | 1.99×108 | |
G23/Pa | 4.21×109 | G31/Pa | 4.21×109 |
伤害级别 | 超压/MPa | 伤害程度 | 伤害情况 |
---|---|---|---|
1 | <0.02 | 安全 | 安全无伤 |
2 | 0.02~0.03 | 轻伤 | 轻微挫伤 |
3 | 0.03~0.05 | 中等 | 听觉、器官损伤 |
4 | 0.05~0.1 | 严重 | 内脏受到严重挫伤 |
5 | >0.1 | 极严重 | 大部分人死亡 |
表10 超压峰值对人体的危害情况
Table 10 Harm of peak overpressure to human body
伤害级别 | 超压/MPa | 伤害程度 | 伤害情况 |
---|---|---|---|
1 | <0.02 | 安全 | 安全无伤 |
2 | 0.02~0.03 | 轻伤 | 轻微挫伤 |
3 | 0.03~0.05 | 中等 | 听觉、器官损伤 |
4 | 0.05~0.1 | 严重 | 内脏受到严重挫伤 |
5 | >0.1 | 极严重 | 大部分人死亡 |
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