兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3687-3695.doi: 10.12382/bgxb.2023.0256
所属专题: 爆炸冲击与先进防护
王昊1,2, 徐斌1,2,*(), 王舒2, 徐永杰1,3, 吴浩1,2
收稿日期:
2023-03-27
上线日期:
2023-12-30
通讯作者:
基金资助:
WANG Hao1,2, XU Bin1,2,*(), WANG Shu2, XU Yongjie1,3, WU Hao1,2
Received:
2023-03-27
Online:
2023-12-30
摘要:
针对波纹板受爆炸载荷冲击的变形吸能问题,对梯形波纹结构进行顶部开口和折叠改进,提出一种盒型结构作为波纹板芯层,以提高其在爆炸冲击载荷下的吸能特性。通过对盒型芯层的单个胞元进行准静态压缩试验,与kirigami改进梯形波纹结构对比,比较吸能值、质量比吸能、初始压垮峰值力、平均压垮力、压垮力效率等主要吸能指标。应用有限元软件建立数值模拟模型,利用试验数据对数值模拟模型进行校正,将不同长宽比的盒型结构和kirigami改进梯形波纹结构阵列排布作为波纹板芯层,对比不同芯层波纹板在相同爆炸载荷作用下的抗爆性能,分析吸能值与背板变形量等特征,并结合变形过程应力云图分析波纹板在爆炸载荷作用下的响应。研究结果表明,所提出的盒型芯层具有质量比吸能值高,变形模式均匀稳定,有效吸能行程长等优良的吸能特性,以其为芯层的波纹板在爆炸冲击载荷作用下,能有效降低背板变形,在爆炸冲击防护领域具有潜在的应用前景。
中图分类号:
王昊, 徐斌, 王舒, 徐永杰, 吴浩. 盒型芯层波纹板的抗爆炸冲击防护性能[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3687-3695.
WANG Hao, XU Bin, WANG Shu, XU Yongjie, WU Hao. Explosion Impact Protection Performance of Sandwich Structure with Box-shaped Cores[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3687-3695.
图1 kirigami改进梯形波纹结构(左)和盒型结构(右)的几何结构
Fig.1 Geometric structure of Kirigami modified trapezoidal corrugated structure (left) and box-shaped structure (right)
结构 | a/ mm | b/ mm | c/ mm | α/ (°) | β/ (°) | Asurf/ mm2 | M/g |
---|---|---|---|---|---|---|---|
ST | 18 | 24.5 | 4 | 125 | 90 | 696.12 | 1.98 |
LT | 18 | 29 | 4 | 125 | 90 | 832.98 | 2.37 |
SA | 10 | 19.25 | 78.3 | 81.35 | 695.87 | 2.17 | |
LA | 10 | 26.29 | 78.3 | 80.5 | 839.53 | 2.65 |
表1 不同长宽比kirigami改进梯形波纹结构和盒型结构的几何参数
Table 1 Geometric parameters of Kirigami modified trapezoidal corrugated structure and box-shaped structure with different aspect ratios
结构 | a/ mm | b/ mm | c/ mm | α/ (°) | β/ (°) | Asurf/ mm2 | M/g |
---|---|---|---|---|---|---|---|
ST | 18 | 24.5 | 4 | 125 | 90 | 696.12 | 1.98 |
LT | 18 | 29 | 4 | 125 | 90 | 832.98 | 2.37 |
SA | 10 | 19.25 | 78.3 | 81.35 | 695.87 | 2.17 | |
LA | 10 | 26.29 | 78.3 | 80.5 | 839.53 | 2.65 |
结构 | IPCF/kN | EA/J | Lmax/mm | Pm/kN | CFE | SEA/(J·g-1) | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 误差/% | |
SA | 8.47 | 7.82 | 43.40 | 43.83 | 7.70 | 7.29 | 5.64 | 6.01 | 0.67 | 0.77 | 20.00 | 20.20 | 0.99 |
ST | 4.50 | 5.12 | 37.90 | 41.03 | 6.91 | 7.44 | 5.48 | 5.51 | 1.22 | 1.08 | 19.14 | 20.72 | 8.26 |
LA | 9.52 | 9.19 | 46.03 | 48.75 | 7.57 | 7.56 | 6.08 | 6.45 | 0.64 | 0.70 | 17.37 | 18.40 | 5.91 |
LT | 5.05 | 5.35 | 33.00 | 36.06 | 6.35 | 7.21 | 5.20 | 5.00 | 1.03 | 0.93 | 13.92 | 15.22 | 9.27 |
表2 SA、ST、LA和LT四种结构在准静态试验和数值模拟下的吸能指标参数及误差
Table 2 Energy absorption index parameters and errors of SA, ST, LA, and LT in quasi-static test and numerical simulation
结构 | IPCF/kN | EA/J | Lmax/mm | Pm/kN | CFE | SEA/(J·g-1) | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 试验值 | 仿真值 | 误差/% | |
SA | 8.47 | 7.82 | 43.40 | 43.83 | 7.70 | 7.29 | 5.64 | 6.01 | 0.67 | 0.77 | 20.00 | 20.20 | 0.99 |
ST | 4.50 | 5.12 | 37.90 | 41.03 | 6.91 | 7.44 | 5.48 | 5.51 | 1.22 | 1.08 | 19.14 | 20.72 | 8.26 |
LA | 9.52 | 9.19 | 46.03 | 48.75 | 7.57 | 7.56 | 6.08 | 6.45 | 0.64 | 0.70 | 17.37 | 18.40 | 5.91 |
LT | 5.05 | 5.35 | 33.00 | 36.06 | 6.35 | 7.21 | 5.20 | 5.00 | 1.03 | 0.93 | 13.92 | 15.22 | 9.27 |
A/ MPa | B/ MPa | n | m | C | / s-1 | Tr/ K | Tm/ K |
---|---|---|---|---|---|---|---|
301 | 553.7 | 0.596 | 1.3646 | 0.04963 | 1 | 298.15 | 1673.15 |
表3 316L不锈钢材料Johnson-Cook模型参数
Table 3 Johnson-Cook model parameters of 316L stainless steel
A/ MPa | B/ MPa | n | m | C | / s-1 | Tr/ K | Tm/ K |
---|---|---|---|---|---|---|---|
301 | 553.7 | 0.596 | 1.3646 | 0.04963 | 1 | 298.15 | 1673.15 |
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表4 SA、LA、ST和LT四种结构试件在0、0.25、0.50和0.75应变下的变形应力云图和试验压缩变形过程
Table 4 Deformation stress nephograms and experimental compression deformation processes of SA, LA, ST, and LT structural specimens, at 0, 0.25, 0.50, and 0.75 strains
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A/MPa | B/MPa | n | m | C | Tr/K | Tm/K |
---|---|---|---|---|---|---|
910 | 586 | 0.26 | 1.03 | 0.014 | 298 | 1726 |
表5 4340合金钢材料Johnson-Cook模型参数
Table 5 Johnson-Cook model parameters of 4340 alloy steel
A/MPa | B/MPa | n | m | C | Tr/K | Tm/K |
---|---|---|---|---|---|---|
910 | 586 | 0.26 | 1.03 | 0.014 | 298 | 1726 |
结构 | 最大背凸/ mm | 稳定背凸/ mm | 中心点最大 速度/(m·s-1) | 芯层质量比 吸能/(J·g-1) |
---|---|---|---|---|
SA | 3.19 | 1.36 | 28.30 | 17.44 |
ST | 3.53 | 1.49 | 22.37 | 17.36 |
LA | 2.63 | 0.98 | 25.12 | 15.30 |
LT | 3.12 | 1.16 | 21.23 | 14.50 |
表6 SA、LA、ST和LT结构为芯层胞元的波纹板在动态爆炸冲击载荷作用下吸能效果对比
Table 6 Comparison of energy absorption effects of corrugated plates with SA, LA, ST, and LT structures as core cells under dynamic explosive impact loads
结构 | 最大背凸/ mm | 稳定背凸/ mm | 中心点最大 速度/(m·s-1) | 芯层质量比 吸能/(J·g-1) |
---|---|---|---|---|
SA | 3.19 | 1.36 | 28.30 | 17.44 |
ST | 3.53 | 1.49 | 22.37 | 17.36 |
LA | 2.63 | 0.98 | 25.12 | 15.30 |
LT | 3.12 | 1.16 | 21.23 | 14.50 |
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表7 以SA、LA、ST和LT结构为芯层胞元的波纹板在动态爆炸冲击载荷作用下 时刻为0.1ms、0.2ms、0.4ms、0.8ms的应力云图
Table 7 Stress nephograms of corrugated plates with SA, LA, ST, and LT structures as core cells under dynamic explosive impact load at 0.1ms, 0.2ms, 0.4ms, and 0.8ms
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