首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 建筑工程论文 > 建筑材料论文 > 玻璃纤维掩蔽部顶盖构件抗爆炸性能分析

玻璃纤维掩蔽部顶盖构件抗爆炸性能分析

2024-07-19 59 上传者：管理员

摘要：针对目前掩蔽部在搭设及使用期间存在的一些问题，研制了一款新型高抗力装配式玻璃纤维增强复合材料构件，用于搭设掩蔽部顶盖。通过爆炸试验和数值模拟的方法，验证了该构件研制的可行性；根据爆炸荷载作用下构件的动态响应和冲击波在构件中的传播规律，探究了其抗爆炸冲击性能。研究发现：构件在多次爆炸荷载作用下，可以通过发生较大塑性变形起到耗能缓冲的目的，具有良好的抗爆炸冲击性能；该构件可用于覆土条件下抵御155 mm榴弹直接命中的防护工事，满足高抗力的设计要求。

关键词：
掩蔽部顶盖
数值模拟
爆炸试验
玻璃纤维增强复合材料
防护性建筑
加入收藏

工事是为保障作战而构筑的防护性建筑。掩蔽部作为一种用于局部作战中抗爆、隐蔽、防御的野战临时工事，可以为战斗人员提供掩体，对人员、物资起到有效的防护。其作用主要有两个方面：一方面是抵抗爆炸物产生的破片和冲击波；另一方面是抵抗步枪等轻武器射击[1]。随着信息化在军事领域的深入发展，一次打击携带炸药多、破坏范围广，这对掩蔽部等野战防护工事的搭设时间和抗力等级提出了更高的要求[2]。而目前掩蔽部顶盖的主要构筑方式是将木梁并排固定在掩蔽部上方。木材的优点明显，能就地取材、加工方便，且木材导热系数低，具有良好的隔热保温性能[3]。但木材易因腐蚀和虫蛀而出现裂缝，导致其强度不能得到较好保证，且木材的防火性差，人员生存率大打折扣[4]。因此，研制一种新型掩蔽部顶盖构件用以代替现有掩蔽部顶盖中的圆木成为亟待解决的问题。

本文以玻璃纤维增强复合材料(GFRP)为基本材料，通过合理设计结构形式，研制了一款新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件，用于搭设掩蔽部顶盖。

1、新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件的制备

新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件选用GFRP来制作。GFRP是以玻璃纤维为增强体，以树脂为基体，通过手糊、缠绕、拉挤等成型工艺结合而成的一种复合材料[5]。玻璃纤维承受主要载荷，提供复合材料的强度和刚度，基体材料为纤维提供固定和保护作用，传递纤维间的剪力并防止纤维屈曲[6,7]。其中E玻璃纤维/环氧树脂复合材料的比强度是结构钢的4.5倍，铝合金的4.2倍，松木的3.1倍[8,9,10,11]。

国内外学者通过一系列试验验证了GFRP的动载作用时间短，有利于结构抗爆炸荷载这种短时作用，GFRP具有优异的抗多次爆炸性能[12,13]，是制作浅埋抗爆结构的理想材料，可广泛应用于防护工程中制作各种抗爆结构。

因此，本文以玻璃纤维为增强体、环氧树脂为基体，通过拉挤成型制备了一种高度为20 cm、宽度为15 cm、厚度为0.5 cm的箱型截面高抗力装配式掩蔽部顶盖构件，如图1所示。为了进一步减少单个构件质量，以便于搬运、易于储存，本文设计将新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件通过两个L形构件组装而成，使得2.6 m长的新型高抗力装配式掩蔽部顶盖的单个构件质量减小到10 kg，并且可以叠放，提高了空间利用率。

图1结构截面设计

2、室内爆炸试验与分析

2.1爆炸试验布置

为了探究构件在爆炸荷载作用下的损伤效应，在覆土条件下分别用质量为200g和300g的炸药对同一试件进行了重复爆炸荷载加载试验。爆炸试验采用等效TNT当量为0.67的乳化炸药。试验工况设置如表1所示。通过观察加速度—时间曲线和爆炸后的构件损伤形态，分析新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件在经过多次炸药爆炸作用下的抗爆炸冲击能力。

表1爆炸试验工况设置

在实际运用中，掩蔽部顶盖构件上方还需覆盖一定厚度的土体。因此，将试件水平放置于支座上之后，还需在试件上方堆载沙袋以模拟构件作为掩蔽部顶盖构件与覆土层协同工作。而后将球形乳化炸药包通过细铁丝垂直悬挂于覆土层上表面(迎爆面)的几何中心之上，炸药包中心离试件的距离按工况进行设置。加速度传感器布置于试件下面板(背爆面)的跨中位置。试验布置如图2所示。

2.2试验结果分析

通过高速摄像机观察，在工况1的试验条件下，新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件发生上下振动，并在跨中处有较大的变形，在爆炸结束后构件变形回弹，且仍具有良好的整体性和稳定性，依然具有承载沙袋的能力，如图3所示。在爆炸荷载作用下，新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件能通过自身发生较大塑性变形起到耗能缓冲以及保护其中人员设备安全的作用，初步说明此构件具有良好的抗爆炸性能。

图2爆炸试验布置

图3构件变形过程

工况1、2中试件的加速度随时间变化曲线如图4所示，构件在受到爆炸冲击荷载作用后，其背爆面中心加速度总体变化趋势是先迅速增大并达到峰值，此后逐渐减小并在零刻度线附近振荡。

图4试件背爆面中心处加速度—时间曲线

3、新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件抗爆炸数值模拟研究

新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件主要用于覆土条件下抵御155 mm榴弹直接命中下的防护工事，故还需对其进行抗155 mm榴弹的爆炸性能验证研究。但进行155 mm榴弹实爆试验较为困难，故选择有限元法对该试验条件下构件的动力响应和破坏形态进行数值模拟分析。

3.1材料模型及参数

为考虑GFRP的应变率效应，本文采用Cowp⁃er-Symonds模型对GFRP高应变率下的本构关系进行拟合。Cowper-Symonds模型具有形式简单、物理概念清晰和便于工程应用等优点，被广泛运用于爆炸作用下构件的数值模拟计算[14]。参照文献[15]进行相关材料力学性能试验，获得数据进行拟合，得到材料参数取值如表2、3所示。

构件上加载的土体选用MAT-SOIL-AND-FOAM-FAILURE模型进行描述，该模型可以较好地模拟土体外围存在包裹物或几何边界的情形，土体材料密度取1.67 g/cm3、剪切模量为2.52 MPa、体积模量为46.7 GPa[16]。

炸药采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型及EOS-JWL状态方程进行描述，空气采用MAT-NULL模型及EOS-LINEAR-POLYNOMIAL状态方程进行描述。炸药和空气具体材料参数取值如表4、5所示[16,17]。表4中A、B、R1、R2和ω为炸药性能参数，由试验得到。表5中ρ0表示初始密度；C0、C4、C5均为与气体性质有关的常数；E0为初始单位体积内能；V0为初始相对体积。

表2 GFRP基本力学性能参数

表3 Cowper-Symonds模型参数取值

表4炸药材料及状态方程部分参数

表5空气材料及状态方程主要参数

3.2有效性验证

根据试验实际模型尺寸建立有限元计算模型。从试验结果来看，爆炸效果对于土层结构整体性破坏不大，因此在进行建模时采用连续固体单元模拟土体是可行的。对新型高抗力装配式掩蔽部顶盖的L形构件、构件与沙土、构件与支座之间的接触设置为自动面面接触，空气域、炸药与沙土之间定义流固耦合，对空气域添加无反射边界条件。将数值模拟结果与试验结果进行对比，以检验数值模拟的有效性，为后续进行大当量爆炸数值模拟提供支撑。

图5是在表1试验工况1的条件下，试验现象与数值模拟现象对比。从图5可以看出，试验与数值模拟的沙土部分，均在乳化炸药下方出现轻微的凹陷，且对工况1模拟得到的加速度—时间曲线(见图6)与试验实测曲线的走势基本一致，模拟得到的加速度峰值为4 671 m/s2，这比试验实测到的加速度峰值4 189 m/s2大了11.5%，在可接受的误差范围内。

图5工况1中试验现象与模拟现象的对比

图6工况1中加速度—时间曲线对比

图7是在表1试验工况2的条件下，试验现象与数值模拟现象对比。从图7可以看出，试验后沙土的凹陷程度加大，数值模拟结果与试验结果保持一致。对工况2模拟得到的加速度—时间曲线(见图8)与试验实测曲线的走势基本一致，模拟得到的加速度峰值为6 287.2 m/s2，比试验实测到的加速度峰值5 899.9 m/s2大了6.56%，在可接受的误差范围内。

图7工况2中试验现象与模拟现象的对比

图8工况2中加速度—时间曲线对比

以上结果说明所建立的数值模型可用于后续的计算与分析。

3.3计算模型及算法

本文所用弹体参考某型155 mm榴弹，弹体外壳为钢质材料，战斗部装药为TNT，弹体尺寸如图9(a)所示，全长为805 mm，弹体顶部为圆锥形设计，直径为61 mm，弹体底盘直径为102 mm，战斗部TNT装药量为7 kg，装药密度为1.6 g/cm3。在进行有限元模型建立时，将炸药模型简化为半径7 cm、高度28.4 cm的圆柱体，起爆点设置在炸药顶端中心，如图9(b)所示。

图9炸药模型的建立

为了节省计算时间，根据实际模型尺寸将新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件抗155 mm榴弹爆炸试验简化为1/2有限元计算模型，如图10所示，并在模型对称面上施加对称约束。对新型高抗力装配式掩蔽部顶盖的L形构件、构件与沙土、构件与支座之间的接触设置为自动面面接触，空气域、炸药与沙土之间定义流固耦合，对空气域添加无反射边界条件。

图1 0 1/2有限元计算模型

3.4计算结果分析

图11是新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件在155 mm榴弹爆炸荷载作用下的压力分布图。由图11可知，爆炸冲击波在空气中的传播呈环形，所以受阻力小，传播速度快；当爆炸冲击波遇到覆土层后，土体单元迅速发生失效，并在爆炸中形成直径逐渐增大的土坑；当爆炸入射冲击波传至构件上表面时，一部分发生了反射，与土体中后续的入射冲击波叠加成复杂应力状态，另一部分透射到构件中，透射波在构件各表面又不断发生反射，使构件内部的应力迅速变化，从而引起构件不断振荡的宏观现象。

图1 1 155 mm榴弹爆炸下压力分布图

构件的整体变形如图12所示。爆炸荷载作用时，覆土层失效面积不断增加，构件在爆炸荷载作用下的动态响应可分为振荡变形、挠度最大、变形回弹三个阶段。结果表明，新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件覆土后在155 mm榴弹的爆炸荷载作用下整体形态较为完整，没有发生垮塌，仍具备承载能力。该构件能够用于覆土条件下抵御155 mm榴弹直接命中下的防护工事。

4、结语

本文通过试验研究和数值模拟的方法，对设计制备的新型高抗力装配式掩蔽部顶盖构件进行了研究，通过室内爆炸试验和数值模拟研究了构件在承受不同炸药量爆炸作用下的动力响应，说明了所设计构件在多次爆炸荷载作用下仍然具有承载土体的能力，模拟分析了构件在覆土条件下的抗155 mm榴弹爆炸性能，研究结果表明该构件可以用于覆土条件下抵御155 mm榴弹直接命中的防护工事。

图1 2构件整体变形过程

参考文献:

[1]吴健.“中军账”的盾牌--苏联武装力量指挥所筑城工事[J].兵器, 2019(5):65-91.

[2]王成毓,杨照林,王鑫,等.木材功能化研究新进展[J].林业工程学报, 2019, 4(3):10-18.

[3]刘瑾,李亚静,杜磊.我国木材防腐行业现状及发展[J].中国木材,2023(2):40-41.

[4]张国星,强洪夫,陈福振,等.钻地弹侵彻地下工事问题的研究与发展[J].飞航导弹, 2018(6):34-38.

[5]王昊康.玻璃纤维增强复合材料力学性能研究进展[J].合成纤维,2022, 51(11):40-43.

[6]李明明,严文聪,王晓洁.基体性能对芳纶Ⅲ纤维复合材料力学性能的影响[J].玻璃钢/复合材料, 2017(3):76-80.

[7]高佳佳,楚珑晟.纤维增强树脂基复合材料连接技术研究现状与展望[J].玻璃钢/复合材料, 2018(2):101-108.

[8]张硕,姚宁,吴继平,等.玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能[J].电工材料, 2016(1):11-14.

[9]唐昌州,智小琦,高峰,等.钨球侵彻防弹衣加红松木复合靶的研究[J].爆炸与冲击, 2021, 41(6):84-97.

[10]陈诚,詹发民,周方毅,等.基于SPH-FEM算法的钢板接触爆破数值模拟研究[J].计算机仿真, 2022, 39(8):6-9.