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H. Ousji, B. Belkassem, M. A. Louar, B. Reymen, L. Pyl, J. Vantomme， ＂简支钢梁用泡沫塑料作易碎芯的牺牲包层有效性试验研究"，土木工程进展， 卷。2016年， 文章的ID8301517， 13 页面， 2016年． https://doi.org/10.1155/2016/8301517/8301517
简支钢梁用泡沫塑料作易碎芯的牺牲包层有效性试验研究
h . Ousji
，1，2
B. Belkassem.，1
M. A. Louar.，1，2
b . Reymen，1
L. pyl.，2
和
J.Vantomme1
1民用和材料工程系，皇家军校（RMA），AV。De La Renaissance 30,1000布鲁塞尔，比利时
2布鲁塞尔自由大学材料与建筑力学系，比利时布鲁塞尔，Pleinlaan 21050
抽象的
本文着重研究了以泡沫聚合物为可压芯的牺牲包层在简化结构下降低爆炸能量的有效性。后者由一个受局部爆炸荷载作用的简支钢梁组成。牺牲包层的截面面积为80 × 80 mm2．研究了前板质量和可压芯性能(平台应力和厚度)的影响。研究了三种聚合物泡沫:(a)膨胀聚苯乙烯泡沫(PS13)，密度为13公斤/米3.， (b)密度为30kg /m的闭孔聚氨酯(PU30)3.， (c)密度为50kg /m的开孔聚氨酯(PU50)3.．四个前板质量使用:144,188,336，和495 g。测试所有可能的组合以确定它们的吸收能力。结果表明:随着前板质量、平台应力和可压芯厚度的增大，吸波能力增大;开孔聚氨酯PU50性能更好。膨胀聚苯乙烯PS13在压缩过程结束后出现解体问题。
1.介绍
在意外和故意爆炸后，可以观察到显著的影响。这使得保护技术对于确保生存是必要的。为了降低对主体结构的传递压力，对防护结构进行了大量的研究。牺牲包层结构受到了广泛的关注[1- - - - - -10］．它们包括主结构和前板之间的可抵碎芯。芯材通常是蜂窝固体，允许在相对低的恒定应力下进行大的塑性变形（平台应力，这是可抵碎核心的应力 - 应变曲线的塑料区域的平均应力）[1- - - - - -8，11- - - - - -13］．为了控制传递到主体结构的压力大小，保证牺牲包层的优化设计，需要研究给定牺牲包层结构的有效性和吸收能力的确定。
牺牲包芯采用易碎材料和结构两种材料。泡沫铝和蜂窝结构受到了很多关注[1- - - - - -9，11，12];分析了吸振机理、动力特性、前板(质量和刚度)的影响以及可压芯性能。然而，这些岩心的特征是相对较高的高原应力(介于1 ~ 10 MPa之间)[14)来保护给定的结构。吴及周[9研究泡沫覆层的使用，以保护简支钢筋混凝土(RC)板抵御爆炸荷载。他们采用了一个适应的单自由度模型，并通过一个全尺寸实验来研究泡沫铝对钢筋混凝土板的有效性。他们观察到泡沫铝没有完全压实，裂缝是明显的深度和沿板的长度。他们解释了所获得的结果是由较高的高原应力传递到主要构造[3.］．夏等[8]进行了一系列全尺寸试验，研究了爆炸荷载作用下梯度密度泡沫铝在RC板上的效果。密度梯度泡沫的概念在于使用沿其厚度不同密度的泡沫结构，以增加泡沫铝的整体吸能能力，同时将传递应力保持在一个合理的低幅度。几种密度组合试验，以保护简支钢筋混凝土板。他们观察到，与密度均匀的泡沫相比，从下到上的密度上升可以提高抗爆性。然而，即使有了保护层，也会出现裂缝和损坏。因此，需要具有较低平台应力的可压碎核心，如聚合泡沫塑料。然而，对泡沫塑料作为可压芯材料的有效性的研究还相当有限。
在文献中，摆(主要是四索摆)多用于实验研究几种牺牲包层构型的有效性[1，6，11，12］．摆系统是用来记录摆质量的水平位移来测量脉冲的。然而，吸收能力不能从现有的实验结果量化。例如，使用摆装置，Hanssen等人[1[探讨铝泡沫的吸收能力，以减少输送的爆破能量。他们观察到泡沫不能降低摆锤的全局响应，因此不能计算泡沫材料的吸收能力。马和你[3.[解释结果是可以理解的，因为主要结构设计(钟摆系统)不适合进行爆破缓解措施。为了达到有效的保护，主体结构的电阻与牺牲包层的电阻，特别是可压碎芯的电阻应相当[3.］．可压碎岩心的阻力受平台应力的控制。但汉森摆系统的阻力比泡沫铝的阻力低500倍[3.］．因此，需要设计一个适合所研究的易碎材料的实验装置来评估牺牲包层的有效性。
本文的目的是通过一个适当的实验装置来研究以聚合物泡沫作为可压芯的牺牲包层的有效性。实验装置的设计来源于马和叶理论[3.］．在局部爆炸荷载作用下，采用简支钢梁对主体结构进行了模拟。研究了前板质量和可压芯性能(厚度和平台应力)对效果的影响。所研究的牺牲包层由以下几部分组合而成:(我)三种聚合物泡沫：（a）膨胀的聚苯乙烯泡沫，密度为13 kg / m3.， (b)密度为30kg /m的闭孔聚氨酯3.， (c)密度为50kg /m的开孔聚氨酯3.，标记为PS13，PU30和PU50。(2)具有不同质量的四个金属前板（144,188,336和495g）分别标记为FP1，FP2，FP3和FP4。
本文分为四个部分。首先，提出了主结构和研究抵碎芯的材料特性的描述。其次，介绍了MA和YE理论的简要说明，用于选择足够的实验设置。第三，提出了实验装置的详细描述和所得结果。说明了牺牲包层的有效性。最后，给出了结论和观点。
2.测试材料
有两种材料可供使用:聚合泡沫塑料和钢。聚合物泡沫被用作牺牲包层的易碎芯。这种钢用于简支梁。这些材料是根据马和叶[3.]理论(见章节3.)．
2．1．钢
主体结构采用S355JR钢，由一个简支钢梁组成。梁试件(700 × 80 × 5mm)3.)由跨度600毫米、长6米的扁钢条切割而成。根据拉伸试验结果，力学性能总结如表所示1,在那里代表钢的密度，杨氏模量,是屈服应力，和为抗拉强度。
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2.2。聚合物泡沫
三种聚合物泡沫被用作可压碎的核心:密度为13kg /m的发泡聚苯乙烯泡沫3.，密度为30kg /m的闭孔聚氨酯3.和密度为50kg / m的开放式聚氨酯3.(分别标记为PS13、PU30和PU50)。这些材料用于压缩以吸收产生的爆炸能量。准静态和动态加载的单轴压缩应力-应变响应被划分为三个不同的区域:弹性区、塑性区和致密区(图1)．应考虑两个主要参数：高原压力塑性区相对恒定应力和致密应变的特征是什么这标志着致密化行为的开始。根据Li等人的发展[16，即致密应变为能量吸收效率(1)，在效率-应变曲线上达到最大值。平台应力计算方法为(2),表示对应于塑性行为开始时的应变。
测试泡沫的准静态响应如图所示2．机械性能总结在表中2．膨胀聚苯乙烯泡沫塑料的压缩试验取自Chen等[15］．
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3.牺牲包层和主要结构选择
根据Ma和Ye建立的载荷-包层-结构(LCS)分析模型[3.]，牺牲包层结构的选择应适应主要结构性能。将主体结构简化为单自由度系统;参见图3.,在那里代表主要结构僵硬，表示梁的等效质量，表示前板的横截面积，和代表反射压力时间历史。在可抵碎核心的完全致密化之前将传递的压力置于可抵抗核心的主动力胁迫．可抵抗芯电阻，前板的横截面积的产物，以及高原压力应可与主体结构的最大阻力()．当高原压力很低时，，泡沫均匀变形，甚至在较低的负载下比结构电阻（)．当高原压力非常大时，，主结构的传递压力高于允许的负载（结构电阻），导致结构较高偏转（>)．
根据同样的理论，前板在到达可压芯密实区和结构临界挠度前应停止。需要的可压碎材料的最小厚度取决于前板质量，高原应力，总冲量，最大反射压力．
综上所述，前板质量、可压芯性能(平台应力和厚度)和主要结构的最佳组合对保证理想的吸收能力至关重要。在目前的工作中，我们有以下几点:(我)主体结构在局部荷载作用下采用简支钢梁进行模拟。钢梁的宽度为80mm，厚度为5mm，跨度为600mm。它的特点是有最大电阻用单自由度理论计算得到的1.3 kN(见本节)4.2)．(2)所研究的牺牲包层由以下几部分组合而成:(一)三种聚合物泡沫：（a）膨胀的聚苯乙烯泡沫，密度为13 kg / m3.， (b)密度为30kg /m的闭孔聚氨酯3.， (c)密度为50kg /m的开孔聚氨酯3.；相应的高原胁迫与：．(b)有四种不同质量(144、188、336和495克)的钢板。
4.实验研究
实验部分的目的是研究使用聚合物泡沫作为可抵碎芯的牺牲包层的有效性，其具有简单地支撑的钢梁。为了满足此目的，开发了三个部分：(我)首先，提出了实验设置的描述。(2)其次，讨论了没有牺牲包层的光束响应。(3)第三，通过研究可压芯性能(平台应力和厚度)和前板质量对牺牲包层的影响，分析了牺牲包层的有效性。
4．1.实验装置
使用如图所示的实验设置执行一系列实验测试4．示意图如图所示4（C）。方形截面爆炸驱动的冲击管（EDST）用于在其末端产生平面爆发波[17］．所使用的EDST为内边长70mm，厚度5mm，长度1m的方型钢管。在入口，管是加强超过前150毫米。管端爆炸波受爆炸质量控制()和对峙距离(炸药和EDST入口之间的距离)。为了避免梁振动时梁与管之间的冲击，选择了如爆破荷载，以保证足够的塑性变形。在距离管入口5毫米处引爆10克C4炸药，即可获得这一载荷。在距离管端2 mm处反射超压和脉冲的最大值分别为13.85 MPa和2250 Pa·s，标准差分别为7.75%和4.31%。平面度在[18］．反射压力剖面如图所示5．在本作工作中，对所有实验保持相同的压力 - 脉冲组合。
在管端(图4(b))，两个压力传感器(和）安装以测量管端的两个不同面对的压力。这些测量用于检查所应用的不同实验的可重复性。数字6介绍了典型的和可以识别两个峰的测量：第一是入射压力，第二个是在位置测量的反射压力和．
在EDVE端结束后在2mm处，牺牲包层配置固定到钢梁的中间。牺牲包层的尺寸为80×80毫米2(见图4(c))，由前板和可压碎的芯组成。这三个部件(前板、可压碎材料和钢梁)通过双面胶粘带粘合在一起。钢梁为简支，跨度0.6 m，宽度80mm，厚度5mm。钢梁支撑由两端的两个钢瓶保证，如图所示4(d)使用两台高速相机(HSC1和HSC2)， Photron Fastcam SA5，记录牺牲包层破碎和光束偏转，并检查边界条件。测量由光强度触发器触发。
4．2．无牺牲包层的光束响应
讨论了在局部爆炸荷载作用下简支梁的挠度问题。数字7(一)说明使用LabVIEW代码跟踪MidsPan的点。由此产生的偏转（进行三次测试以进行再现性）绘制在图中7 (c)．最大挠度为104毫米，永久塑性挠度为57.57毫米，相对标准偏差为4.51%。自由振动周期是32。正相位持续时间(）和结构的自由振动周期是关于这相当于一个脉冲载荷。
(一)
(b)
(c)
出于简单的目的，并为了限制所需的参数数量(图8)，梁的阻力函数采用理想弹塑性模型。关于弹性挠度的值和僵硬时，刚度计算与给出于表中3.，弹性挠度是由弯曲时程结果得到的。直到第一个最大挠度，由于梁阻力从弹性到塑性的变化，观察到两个斜坡(图)7 (c))．发生这种变化的时间是由偏转时间历史的推导确定的。因此，相应的弹性挠度找到了39毫米。最大的结构电阻（) =．从响应函数曲线下的表面可以得到耗散能量。
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将实验结果与单自由度理论进行了比较[19］．该案例研究被简化为在准时荷载下的简支梁(图)7 (b))．公式及相应值列于表中3.．实验结果与分析预测相一致，最大相对差异约为12％（)．
4．3．带有牺牲包层的光束响应
调查了14个配置;见表4．每个配置重复三次，以检查测量的重复性。梁偏转的最大相对标准偏差为7.10%。对几种牺牲包层结构进行了测试，分析了可压碎材料(平台应力和厚度)和前板质量的影响。实验结果如表所示4：最大偏转，永久性变形，自由振动周期，可压芯的最大应变，前板的初始速度，以及吸收能力牺牲包层配置。吸收能力是通过比较在无牺牲包层的情况下，钢梁内的耗散能量为钢梁中的散热能量呈牺牲包层。 在哪里代表钢梁与牺牲包层的最大偏转。为了方便比较，配置标记为在哪里(我) 代表可压碎的核心()，(2) 代表可压芯厚度， ，(3) 代表前板（)．
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PU30-050-FP1和PU30-050-FP3的按时间顺序粉碎事件显示在图中9和10．装药爆炸后，爆震波通过炸药驱动的激波管传播。在管端产生平面爆震波()．因此，在前板上施加冲击载荷，将爆炸能量转化为动能。 在哪里为总冲量(N·s)和代表前板块。假设总喷砂能量被转换成动能，可抵碎芯的压缩从初始前板速度开始．泡沫开始变形()．致密部分与前板运动速度相同[1］．泡沫芯的未变形部分在平台应力的作用下随钢梁运动［3.)(图3.)．取决于初始速度，可压芯厚度，以及高原压力，有两种情况。第一种情况是在前板速度非零的情况下，可压碎的核心完全致密化(；pu30 - 050 fp1)。在这种情况下，前板和完全压实的泡沫以相同的速度一起撞击钢梁。第二种情况是前板在达到完全致密化之前完全减速(直到零速度)(；pu30 - 050 fp3)。在这种情况下，冲击爆炸载荷转化为一个较低的压力(由）超过更长的持续时间。
压缩过程结束后，前板回到一起与泡沫核心(取决于双面胶粘带)。由于传递的压力，钢梁的跨中点继续移动，直到最大挠度然后是围绕其永久塑性变形的自由振动行为．在某些情况下，牺牲包层仍然附着在钢梁上，导致不同的自由振动周期(由于牺牲包层对钢梁的增加质量)。
测试了几种配置，以研究抵碎芯特性（平台应力和厚度）和前板质量的效果。中坡偏转与未牺牲包层的配置进行比较。在表中报告的吸收能力4，通过增加前板质量、厚度和可压碎核心的高原应力而增加。出于实际原因，一个轻型前板是可取的。因此，为保证较轻前板的预期吸收能力，应增加平台应力和厚度。由于测试的可压碎材料密度低，泡沫质量可以忽略不计，厚度可以增加，直到达到所需的吸收能力。然而，高原应力的增加受到Ma和Ye准则的限制3.)，并取决于最大的结构阻力。
4.3.1。可挤压核心厚度的影响
可碎核的作用是在较长的时间跨度内，将爆炸波产生的高反射压力转换为相对较低的恒定压力(由高原应力控制)。换句话说，可压碎物料的作用是在到达致密区之前将加速的前板停止(图)1)．根据汉森理论[1，最小厚度取决于给定的爆炸载荷、前板质量和可粉碎材料的平台应力。数字11说明了在若干PU30厚度下，采用牺牲包覆相同前板(FP1)的钢梁跨中挠度。虚线表示钢梁的永久塑性变形。
将计算结果与没有牺牲包层的梁跨中挠度进行了比较。当厚度为150 mm时，最大压缩应变低于致密应变(表4)．前板停在PU30致密区前。最大挠度和永久塑性变形分别降低了32.5%和61%，吸收能力为40%。PU30厚度50mm，可压芯完全压实()．即使是100mm的厚度也不足以在密实区前停止前板()，吸收率为34.37%。
用膨胀的聚苯乙烯泡沫PS13观察到类似的结果（见表4和图12)．PS13-050-FP3配置不保证吸收。由此产生的跨中挠度与没有牺牲包层的梁响应相似。在完全压实后，观察到材料的弹出(图)13）后跟前板对结构的影响。通过增加厚度和前板质量来提供吸收能力的增强。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.3.2。可压碎岩心高原应力的影响
通过增加高原应力，可抵碎芯的吸收能力增加。数字14显示PS13、PU30和PU50的跨中挠度，使用相同的厚度和相同的前板。使用PU50时，前板在达到致密应变前停止，吸收能力约为50%。对于PU30，在未达到完全致密化的情况下达到致密化区域。然而，正如前一节所讨论的，PS13是完全压实的，并不能保证钢梁的永久塑性变形的减少。
4.3.3。前板质量的影响
前板的作用是将载荷均匀地分布在覆层上，使可压碎的核心在压缩下均匀变形[6］．前板应刚性足以保证均匀的分布。如果前板不够刚性，则可以发生可抵碎芯的不均匀压缩，这可能导致能量吸收能力的不完全使用[6］．在目前的工作中，前板被认为是刚性的。质量是一个重要的变量，因为它影响包层系统需要吸收的总动能(见4）).因此,更大的越小，吸收的动能就越小。数字15说明了前板质量的影响。
对PU50和PS13和几个可抵碎芯厚度观察到类似的结果。数字16介绍了前板对吸收能力的影响。
5.结论和观点
本文的目的是通过一个适当的实验装置来研究以聚合物泡沫作为可压芯的牺牲包层的有效性。研究了前板质量和可压芯性能(厚度和平台应力)对效果的影响。测试了三种不同的聚合物泡沫:(a)发泡聚苯乙烯泡沫PS13， (b)闭孔聚氨酯PU30， (c)开孔聚氨酯PU50。四个前板质量使用:144,188,336，和495 g。测试所有可能的组合以确定它们的吸收能力。
为了实现这一目标，设计了一个由爆炸驱动激波管、高速摄像机和简支钢梁组成的实验装置。爆炸驱动激波管的使用有助于产生只聚焦于所研究的牺牲包层系统的可控平面爆炸波。高速摄像机用于记录多孔材料的破碎和光束的偏转。在局部爆炸荷载作用下，采用简支钢梁对主体结构进行了模拟。根据Ma和Ye理论选择梁的结构特性(材料和尺寸)[3.］．
首先，研究并与单一的自由理论相比，首先进行钢梁偏转（没有牺牲覆层）。观察到良好的一致性。采用理想的弹性塑料模型作为钢梁的响应函数，并计算耗散能量。其次，研究了几种牺牲包层配置的有效性。测量具有牺牲包层的钢梁偏转。根据测试配置，观察到主要结构的全局响应的降低。通过比较钢束散发的能量而没有通过牺牲包层的钢梁散发的能量来计算吸收能力。通过增加前板质量，可抵碎的芯厚度和高原应力，吸收能力增加。但是，出于实际原因，优选使用刚性和较轻的前板。而且，平台应力的增加受结构阻力的限制。 Hence, a minimum thickness of the crushable core may ensure a specific absorption capacity.
因此，为了实现积极的保护，泡沫材料和前板的性能都取决于主要结构。首先，所选择的泡沫材料应具有与主体结构的阻力相当的高原应力。第二，出于实际原因，前板材料应刚性好，重量轻。第三，根据所选泡沫材料的平台应力、压力-冲击载荷和前板质量，可采用Hanssen模型选取最小泡沫厚度[1］．
在目前的工作中，开孔聚氨酯PU50由于其高高原应力确保了最高的保护水平。膨胀聚苯乙烯PS13呈现较低的平台应力，导致厚度增加，以确保与PU50相同的吸收能力。然而，观察到一个衰变问题，这限制了它的吸收能力。闭孔聚氨酯PU30表现出相当的效果。
采用80 × 80 m的小试样尺度研究了牺牲包层的有效性2只有一个压力冲击组合。需要大规模和其他压力冲击的广泛研究来确认所获得的结论。
命名法
| ： | 可压芯的最大应变 |
| ： | 能量吸收效率 |
| ： | 钢的密度 |
| ： | 前板的横截面积 |
| ： | 梁宽 |
| ： | 梁厚度 |
| ： | 年轻的模量 |
| ： | 没有保护的钢梁耗散能量 |
| ： | 前板动能 |
| ： | 用带保护的钢梁耗散能量 |
| 杰夫: | 牺牲包层的吸收能力 |
| ： | 总脉冲（n·s） |
| ： | 第二时刻 |
| ： | 主体结构刚度 |
| ： | 负载质量因子 |
| ： | 梁跨度 |
| ： | 可压碎的核心厚度 |
| ： | 光束质量 |
| ： | 前板的质量 |
| ： | 相当于主体结构的质量 |
| ： | 最大反射压力 |
| ： | 抗拉强度 |
| ： | 主要结构的最大阻力 |
| ： | 屈服应力 |
| ： | 主体结构的自由振动周期 |
| ： | 反射压力的正相位持续时间 |
| ： | 前板位移 |
| ： | 前板的初始速度 |
| ： | 爆炸性的指控 |
| ： | 主要结构的偏转 |
| ： | 主要结构的临界挠度 |
| ： | 主结构的弹性偏转 |
| ： | 主要结构的最大偏转 |
| ： | 牺牲包层钢梁的最大挠度 |
| ： | 主要结构的永久塑料偏转 |
| EDST: | 爆炸驱动激波管 |
| FP1: | 质量为144克的前板 |
| FP2： | 前板质量为188克 |
| FP3: | 前板的质量为336克 |
| FP4： | 质量为495克的前板 |
| HSC: | 高速相机 |
| LCS: | Load-Cladding-Structure |
| ： | 反射压力时程 |
| ： | 压力传感器1设置在管端 |
| ： | 压力传感器2设置在管端 |
| 信息: | 密度为13kg /m的膨胀聚苯乙烯3. |
| PU30: | 密度为30kg / m的闭孔聚氨酯3. |
| PU50: | 开孔聚氨酯，密度为50kg /m3. |
| 应用: | 单自由度。 |
利益争夺
两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。
致谢
感谢荷兰Nestaan公司提供聚氨酯样品PU50。
参考
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版权
版权所有©2016 H. Ousji等。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。
