兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 3091-3104.doi: 10.12382/bgxb.2023.0607
收稿日期:
2023-06-25
上线日期:
2023-10-24
通讯作者:
基金资助:
KONG Xiangqing1,2,*(), LI Ruonan1, CHANG Yahui1, FU Ying3
Received:
2023-06-25
Online:
2023-10-24
摘要:
为研究爆炸荷载作用下泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构(Foam-filled Auxetic Honeycomb Sandwich Structure,FAHSS)的动态响应及其对混凝土板的防护性能,利用有限元软件,考虑应变率对材料动态本构特性的影响,建立FAHSS在爆炸荷载下的有限元数值模型。通过已有负泊松比蜂窝夹层结构(Auxetic Honeycomb Sandwich Structure,AHSS)的爆炸试验对数值模型进行验证,基于验证模型分析爆炸荷载作用下FAHSS的损伤破坏规律、能量吸收特性及其对混凝土板的应力分布影响,并与AHSS和FSS(Foam Sandwich Structure)进行对比。在此基础上综合考虑聚氨酯泡沫材料密度、爆炸比例距离及填充材料等因素对FAHSS抗爆性能的影响。研究结果表明:FAHSS中的泡沫填充降低了负泊松比蜂窝夹层结构的破坏程度;随着聚氨酯泡沫材料密度的增加,FAHSS中的泡沫材料吸收能量增加;随着比例距离的增加,FAHSS的破坏程度逐渐降低,破坏形态也由局部破坏转变为整体破坏。
中图分类号:
孔祥清, 李若男, 常雅慧, 付莹. 泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构的抗爆性能数值模拟[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 3091-3104.
KONG Xiangqing, LI Ruonan, CHANG Yahui, FU Ying. Numerical Simulation of Blast Resistance of Foam-filled Auxetic Honeycomb Sandwich Structures[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(9): 3091-3104.
部件 | 材料 | 密度/ (kg·m-3) | 弹性 模量/GPa | 泊松比 | 屈服应 力/MPa | 失效 应变 | C | P | 单轴抗 拉强度 | A0 | A2 | NOUT |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
钢板 | G800HSS | 7850 | 223 | 0.3 | 789 | 0.2 | 3200 | 5 | ||||
AHSS | AA6061 | 2710 | 40.3 | 0.33 | 113 | 0.12 | ||||||
混凝土板 | 钢筋 | 7850 | 200 | 0.25 | 502 | 0.15 | 40.4 | 5 | ||||
混凝土板 | 混凝土 | 2400 | 0.1 | 0 | 0.04 | 0 | 2 |
表1 材料模型参数[4]
Table 1 Material model parameters[4]
部件 | 材料 | 密度/ (kg·m-3) | 弹性 模量/GPa | 泊松比 | 屈服应 力/MPa | 失效 应变 | C | P | 单轴抗 拉强度 | A0 | A2 | NOUT |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
钢板 | G800HSS | 7850 | 223 | 0.3 | 789 | 0.2 | 3200 | 5 | ||||
AHSS | AA6061 | 2710 | 40.3 | 0.33 | 113 | 0.12 | ||||||
混凝土板 | 钢筋 | 7850 | 200 | 0.25 | 502 | 0.15 | 40.4 | 5 | ||||
混凝土板 | 混凝土 | 2400 | 0.1 | 0 | 0.04 | 0 | 2 |
试验与 模拟 | H0/ mm | H1/ mm | H2/ mm | H3/ mm | L1/ mm | L2/ mm |
---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 10.0 | 45.8 | 50.0 | 46.4 | 91.4 | 182.8 |
模拟 | 11.89 | 49.92 | 48.6 | 49.2 | 94.2 | 190.4 |
相对误差/% | 1.9 | 9.0 | 2.8 | 6.0 | 3.1 | 4.0 |
表2 变形几何参数的定量比较
Table 2 Quantitative comparison of geometric parameters
试验与 模拟 | H0/ mm | H1/ mm | H2/ mm | H3/ mm | L1/ mm | L2/ mm |
---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 10.0 | 45.8 | 50.0 | 46.4 | 91.4 | 182.8 |
模拟 | 11.89 | 49.92 | 48.6 | 49.2 | 94.2 | 190.4 |
相对误差/% | 1.9 | 9.0 | 2.8 | 6.0 | 3.1 | 4.0 |
图5 FAHSS/复合结构、AHSS/复合结构和FSS/复合结构变形过程对比
Fig.5 Comparison of deformation processes of FAHSS/composite structure, AHSS/composite structure and FSS/composite structure
结构 | 泡沫 密度/ (kg·m-3) | 比例 距离/ (m·kg-1/3) | 填充 材料 | 总能 量/kJ | 上面板 位移峰 值/mm | 背面板 位移峰 值/mm |
---|---|---|---|---|---|---|
AHSS | 0.064 | 37.4 | 100.11 | 18.75 | ||
FSS | 92 | 0.064 | 34.38 | 63.60 | 13.20 | |
FAHSS | 92 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 41.23 | 79.65 | 11.95 |
FAHSS | 92 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 38.52 | 79.65 | 9.95 |
FAHSS | 202 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 37.79 | 72.37 | 9.41 |
FAHSS | 358 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 37.95 | 65.80 | 8.68 |
FAHSS | 472 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 38.11 | 60.56 | 6.78 |
FAHSS | 92 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 38.53 | 79.33 | 9.95 |
FAHSS | 92 | 0.144 | 聚氨酯 泡沫 | 16.86 | 19.33 | 6.54 |
FAHSS | 92 | 0.433 | 聚氨酯 泡沫 | 13.35 | 7.66 | 3.83 |
FAHSS | 92 | 1.299 | 聚氨酯 泡沫 | 12.12 | 7.02 | 4.29 |
FAHSS | 92 | 0.064 | 热塑性聚 氨酯泡沫 | 39.27 | 45.17 | 6.77 |
表3 计算结果
Table 3 Calculated results
结构 | 泡沫 密度/ (kg·m-3) | 比例 距离/ (m·kg-1/3) | 填充 材料 | 总能 量/kJ | 上面板 位移峰 值/mm | 背面板 位移峰 值/mm |
---|---|---|---|---|---|---|
AHSS | 0.064 | 37.4 | 100.11 | 18.75 | ||
FSS | 92 | 0.064 | 34.38 | 63.60 | 13.20 | |
FAHSS | 92 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 41.23 | 79.65 | 11.95 |
FAHSS | 92 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 38.52 | 79.65 | 9.95 |
FAHSS | 202 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 37.79 | 72.37 | 9.41 |
FAHSS | 358 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 37.95 | 65.80 | 8.68 |
FAHSS | 472 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 38.11 | 60.56 | 6.78 |
FAHSS | 92 | 0.064 | 聚氨酯 泡沫 | 38.53 | 79.33 | 9.95 |
FAHSS | 92 | 0.144 | 聚氨酯 泡沫 | 16.86 | 19.33 | 6.54 |
FAHSS | 92 | 0.433 | 聚氨酯 泡沫 | 13.35 | 7.66 | 3.83 |
FAHSS | 92 | 1.299 | 聚氨酯 泡沫 | 12.12 | 7.02 | 4.29 |
FAHSS | 92 | 0.064 | 热塑性聚 氨酯泡沫 | 39.27 | 45.17 | 6.77 |
图8 FAHSS/复合结构、AHSS/复合结构及FSS/复合结构中混凝土板应力分布
Fig.8 Stress distributions in concrete slabs in FAHSS/composite structure, AHSS/composite structure and FSS/composite structure
图9 FAHSS/复合结构、AHSS/复合结构及FSS/复合结构能量时程曲线
Fig.9 Energy-time course curves of FAHSS/composite structure, AHSS/composite structure and FSS/composite structure
图10 FAHSS/复合结构、AHSS/复合结构及FSS/复合结构各组成部分的能量吸收
Fig.10 The energy absorption of FAHSS/composite structure, AHSS/composite structure and FSS/composite structure
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