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研究文章|开放获取
锅,拥有一系列Cheng刘小君, ”动态响应的数值分析瓦楞芯三明治板进行近场空中爆炸载荷”,冲击和振动, 卷。2014年, 文章的ID180674年, 16 页面, 2014年。 https://doi.org/10.1155/2014/180674
动态响应的数值分析瓦楞芯三明治板进行近场空中爆炸载荷
文摘
三维完全耦合的模拟进行了分析夹层板的动力响应由同等厚度的脸表时夹层瓦楞芯受到局部脉冲由柱形炸药的爆轰。大量的计算情况下计算了全面调查三明治板近场空中爆炸载荷作用下的性能。结果表明,板的变形/失效模式强烈依赖对峙距离。有益的FSI效应可以增强通过减少前面板的厚度。核心配置有一个微不足道的影响反射峰值压力,但它会影响面板的挠度。发现的好处夹层板在一个当量固体板承受近场空中爆炸载荷较低的对峙距离更明显。
1。介绍
三明治板由光脸表和密度相对较低,核心是著名的强大的能力来支持弯曲加载和保存结构重量。三明治结构的潜在优势的减震在水和空气爆炸已经被一些研究者利用(1- - - - - -3),但大多数作品都集中在远场爆炸,和更少的程度研究近场鼓风。在远场爆炸,冲击波可以普遍接受声波弱冲击波冲击极限声波衰减,无限刚性板和脉冲传播是事件的两倍由于完整的激波反射激波。经典解决方案是由泰勒(4]分析声学冲击波和独立的板块之间的相互作用,而冲击波是一种具有高强度和空间定位在近场的情况下爆炸。此外,非线性压缩空气的影响可以进一步提升的有利影响FSI减少脉冲传播结构(5- - - - - -7]。
高强度的爆炸荷载作用下,金属三明治结构的力学性能与几个拓扑核心(如正方形蜂窝(8,9],三角蜂窝[10],六角蜂窝[11,12],锥体格(13)已被调查。朱et al。8)调查的失败行为蜂窝芯材夹层板在均匀或局部空气爆炸加载。几个不同的失效模式被确定。最近的实验结果表明,方形蜂窝和锥体晶格核心三明治板背面挠度明显小于固体板与相同的质量受到高强度冲击波加载。发现广场蜂窝芯材的好处(9)和锥体晶格核心(13]三明治板在单片板减少当脉冲激波强度极高。这是由于完全粉碎的核心网的中心面板和动态断裂前的面孔(由于惯性稳定桁架的高强度)。Rimoli et al。14)应用一个解耦的湿砂加载模型由Deshpande et al。15)来模拟edge-clamped瓦楞芯三明治板的动态响应和等效重量单片板(6061 - t6铝合金制成的)受到湿喷砂加载。额外的面板伸展和偏转的现象起皱网络节点之间观察到高冲动爆炸加载实验。然后,Wadley et al。16)使用一种修改Johnson-Cook本构关系和Cockcroft-Latham失效准则(17)模型的本构行为6061 - t6铝合金,采用完全耦合的仿真方法基于离散particle-based方法做出详细调查FSI这个复杂的力学问题的影响和断裂机制。仿真结果合理化当地“条纹”现象,这是源自当地强劲FSI效应,并解释了如何酒窝形成的测试板和夹紧边缘面板故障预测。
尽管大量的工作对爆炸性能的三明治板,主要是远场爆炸,局部爆炸加载部分,有一些报告关于瓦楞芯三明治板的动态响应近场空中爆炸载荷作用下。本研究的目的是调查瓦楞芯三明治板的动态行为受到高度强烈的近场空气爆炸加载和显示结构性能指标之间的关系和几何参数进行数值模拟。
2。几何和材料
检查三明治板由两个同等厚度的脸床单和瓦楞芯304不锈钢制成的。板保持给定的接触面积280毫米×300毫米,和网络的瓦楞芯保持一个恒定的60°倾角。与此同时,圆柱形TNT炸药的半径17.5毫米和37.2毫米的高度。波纹夹层板的几何模型如图1。所有三明治板的几何参数表列出在这个研究1。表中列出的计算等效固定板厚度2。
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面部表和核心网的三明治板采用相同材料制作,相对密度可以表示为核心 在哪里是核心web厚度,是核心厚度,核心网络的倾角。
材料用于制造瓦楞夹芯板退火304不锈钢,这潜在爆炸载荷作用下具有较高的加工硬化。因此,Johnson-Cook可塑性配方,它定义了流动应力的函数等效塑性应变,应变率和温度,采用模拟。表达的动态流动应力方程如下: 在哪里和等效塑性应变和等效塑性应变率,分别。材料的温度,是室温,是材料的熔化温度。,Johnson-Cook参数由拟合实验曲线。Johnson-Cook标识的材料属性和参数(18)退火304不锈钢表中列出3。虽然304不锈钢拥有一个理想的延性性能承受爆炸产生的变形,严重的加载测试场景下的夹层板将会失败。因此,304不锈钢的故障判据的基础上有效的塑性应变是纳入数值模型。下材料的断裂应变影响等于0.42,根据安等人的工作19]。
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一般来说,周围的空气和TNT爆炸的产物被认为像理想气体。理想气体的状态方程指定可以表示如下: 在哪里绝热指数,气体的密度,内部能量,和定压比热和体积分别和是气体温度。空气的物质属性来自ANSYS-AUTODYN物质库,采用表所示4。
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此外,Jones-Wilkins-Lee EOS (JWL),目前支持的水动力计算爆轰产品扩展,用于TNT炸药的行为模型。这个方程定义的压力引爆产品相对体积的函数每个初始体积和内部能量所示(4): 在哪里爆炸压力,和分别爆炸和爆炸的产品的密度,然后呢具体的内部爆炸的能量。的参数,是材料常数与炸药的类型有关。材料属性采用TNT炸药也从ANSYS-AUTODYN物质库,表所示5。
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3所示。数值模型和验证
3.1。数值模型
三明治板外围夹。由于对称结构和荷载条件,只有四分之一的波纹夹层板和柱形爆炸建模模拟。在这项研究中使用的三维数值模型如图2。
面对表和核心都是网状使用1毫米Belytschko-Tsay基于Mindlin板壳单元理论(20.]。同时,周围的空气是使用Euler-Godunov建模求解是一个二阶欧拉求解复合材料用默认SLIC(简化行界面计算)ANSYS-AUTODYN运输方案,和圆柱周围空气填充的部分。接触核心的细胞壁和脸由于塑料薄板屈曲的自力接触心墙由于细胞壁折叠在模拟考虑。此外,壳牌的欧拉网格完全两元素。耦合过程中,欧拉细胞分割的拉格朗日接口定义一个应力剖面的拉格朗日边界顶点。作为回报,拉格朗日接口定义了几何约束材料的流动欧拉网格。参数命名为“封面分数限制”用于确定当部分覆盖欧拉细胞是一个邻居细胞混合。封面的价值分数限制设置为0.5。在离散过程中,规模最小的细胞周围的欧拉网格应该最多一个一半的人工壳单元的厚度,以保证FSI的效果。此外,周围空气的网格是偏向于附近的三明治板(如图2)。网格优化执行之间做出权衡的结果计算和计算效率。
3.2。验证
3.2.1之上。自由场鼓风压力
二维轴对称模型用一个非常精细的欧拉网格用于模拟爆炸和扩大55 g球形爆炸的过程放在一个无穷大气场。图3显示了pressure-time计点的历史定位在一个僵局30毫米的距离。发现一个轻微的数值振荡的压力出现压力达到峰值后,其次是指数衰减。脉冲由冲击波,作为一个关键因素确定爆炸加载的偏转板,可以计算集成时的压力。相信数值振荡产生弱引起的误差影响下的面积压力线。
比较仿真结果与拟合方程的预测价值由Kinney和格雷厄姆(21)的峰值压力的对峙距离范围从30毫米到200毫米,如图4。很明显,数值结果非常接近预测的值。
3.2.2。结构/爆炸交互
一系列的实验的夹低碳钢四角形的板块局部空气爆炸加载进行了雅各布et al。22]。测试板的低碳钢和削减从书架上冷轧钢板。爆炸加载被塑料炸药的爆轰产生圆形盘形状。塑料炸药放置在聚苯乙烯泡沫垫的中心12毫米厚度和通过一个简短的存根雷管引爆1 g的质量。的质量负责的范围3.5 - -4.5 g。因此,雷管的破坏力量应该考虑在模拟。但雷管不是给定的轮廓。电荷的高度变化,以确保费用建模仿真的重量等于雷管的重量的总和,用于实验。然而,这将导致一个overprediction雷管的破坏力量,由于板之间的对峙距离和雷管更小。
直观地验证使用的数值方法在这项研究中,五个实验情况下拥有详细的尸检资料选择使用ANSYS-AUTODYN模拟动态响应过程。接触面积的影响广场盘子是190 mm×129 mm,和板的厚度是1.6毫米。材料系数用于模型的动态力学行为影响板块由雅各et al。22]。四分之一的测试板和空气场的有限元模型如图5。板的有限元模型包括5000个四边形元素,而空气场的有限元模型包括1000000个六面体的元素。
图6显示了实验和数值模拟的横截面。可以看出部分撕裂出现在中心区域的实验和仿真的测试用例N01100122和预测资料密切与实验结果相似。预测中心点挠度和测量值的比较,提出了在桌子上6。仿真结果与实验结果,除了小高估观察模拟。主要原因是overpredicted雷管的破坏力量。结果表明,采用数值方法模拟足够准确,预计将应用于复杂结构的动态分析近场空气爆炸加载,如三明治板。
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(一)
(b)
4所示。数值模拟结果
缓解使用夹层板的影响,保护建筑设计师通常评估夹层板的性能从以下方面:脉冲在前板,永久变形量,历史FSI表面或附近的压力和变形/故障模式。
图7显示了典型的完全耦合的计算结果揭示了爆炸性气体产品和夹层板之间的交互(例S20-1数量)。图7(一)给出了爆炸和夹层板的初始状态。柱形爆炸瞬间点燃了此刻的雷管放在中心的顶面。在μ年代,爆炸性气体产品突然向外扩大压缩周围的空气,然后开始与夹层板的前表面进行交互μ年代。一旦互动,夹层板作为流边界扩大炸药产品,相对地,对结构施加压力载荷。在固耦合的初始阶段,夹层板几乎一直未变形的原因有两个:(1)夹层板的动力是不够大,(2)结构响应行为一定程度的时间滞后。削弱失败是首先形成三明治正面的中心区域μ年代,还发现了朱et al。23]。之后,向外延伸变形和向下转移的冲动。前面的脸变形不断拍打到背面μ年代。在这个过程中,中间的核心网提供正面的阻力和开始粉碎。由于大型拉伸和弯曲变形,正面失败在前面板之间的联合和中层核心web然后炸药产品渗透到细胞的内部空间。仿真程序,面对床单和核心继续变形下惯性,如图7 (f),以及它们之间的接触中发现其在后续的工作过程,直到接触力降低为0。
(一)μs
(b)μs
(c)μs
(d)μs
(e)μs
(f)μs
轻微的振荡后的夹层板由于回弹效应的发生,所有的动能结构的塑性弯曲和伸展的脸床单和瓦楞芯的破碎。最后的材料状态和变形和破坏模式的面板如图8。总体来看,大部分的夹层板下沉到塑性状态。在中央部分的前后脸表,点蚀故障特征是局部坑和断裂表面上发生,和重要的撕裂失败是观察到前面和后面的脸上沿着波纹中间岭核心,如图8(一个)和8 (b)。仔细检查表明,一些折痕形成正面沿着山脊的瓦楞芯由于核心web的本地化支持力量,也正面和核心之间的分层故障发生时,显示在图8(一个)。压力的加载力下炸药产品的正面收益可观的势头远离爆炸位置和经历非常大的拉伸变形导致核心部分材料没有,基于几何变形和侵蚀效应应用于这些过度扭曲的元素。图8 (c)说明了故障模式的核心近场空中爆炸载荷作用下起皱。破碎的波纹核心网在中央部分有足够的最大失败,因为最大的应用压力与电荷的位置有关。第二个网(排序从中心到郊区)细胞经历显著的塑性失稳变形;同时,网第三单元进行弹性屈曲变形,而其他人几乎仍未变形的。板的失效模式和固体板测试所识别和列在表中1和2,分别。
(一)正面
(b)的脸
(c)波纹核心
沿着方向分段预测的一半概要干硬后平行和垂直于干硬后绘制在图9夹层板和当量单片板在相同的空气爆炸加载。背面的中点的夹层板只有经历一半固定板的挠度中点。正面和背面之间的差值变位显示核心破碎效果突出的中心地区,但在郊区消失在近场鼓风场。这套装置一个重要局部弯曲变形对全球弯曲变形的正面沿电场方向垂直于中心干硬后。全球非弹性变形起着决定性的作用,正面的外部区域。当地的弯曲变形不清楚背面和正面(沿方向平行于干硬后)。也发现材料的中心领域的正面表失败在这种高强度负荷,和撕裂故障之间的背面第一个细胞核心网(图8 (b))。
(一)
(b)
为了更好地理解FSI效应、压力的分布是研究暂时和空间。上面几个压力表故意放置在空军基地的冲击影响板块沿轴圆柱。这些压力表的确切位置如图所示10。计的位置1是首先被未变形的测试板在初始状态,和表2是放在FSI表面测量反射冲击波的压力。相邻指标之间的距离等于2毫米。pressure-time历史五个压力表的夹层板(箱号S20-1)和一个当量单片板(箱号sp 1)在相同爆炸加载如图11。通过表5首先的入射波向前传播。从指标观察2 - 5,入射波的压力跳跃现象不明显。但这种现象通常存在于远场爆炸。这是由于这样的事实,影响板限制炸药产品的扩张。这些空气粒子接近FSI表面,如仪表2 - 5左右,迅速压缩由于炸药生产的扩张,导致增加的压力。因此,在初始阶段,压力仪表的位置的增加2 - 5由高压事件不仅诱导激震前沿也高度非线性压缩的空气介质。反射波的压力更值得关注,因为它是有效载荷结构。使用固定板(箱号sp 1)作为基准,三明治面板(箱号S20-1)给出了反射峰值压力的减少17.3%的有益FSI效果。值得注意的是,仪表的pressure-time曲线3 - 5双峰特性。 Gauge 3 is characterized by a high hump for reflected shock and a low hump for incident shock. As the decay of the reflected shock wave, the characteristics of Gauges 4-5 are just reverse to that of Gauge 3. And the pressure of Gauge 1 increases abruptly as the explosive products flow into the field occupied by the test plates initially.
(一)
(b)
图12表明反射峰值压力衰减非常快从中心到外面。它符合夹层板结构与光面板可以减少反射的压力。然而,这些益处的夹层板结构在一个当量固体板明显只有在板的中心领域近场空中爆炸载荷作用下。结果表明,变形模式的局部性特征推断不是在压力场展出。
(一)
(b)
5。讨论
瓦楞芯三明治板爆炸荷载作用下的性能密切相关的几何参数面板。在这个研究中,一个参数之间的关系进行的研究是揭示的关键特征(变形、破坏、脉冲传输和峰值压力FSI表面附近)的结构响应和几个具体几何参数(对峙距离,表皮厚度、细胞大小、和核心网络厚度、相对密度的核心)。参数研究的结果提出了在这一节中。
5.1。对峙距离的影响
调查对峙距离对变形和破坏模式的影响和反映压力,所有面板配置和固体板认为这是受空气爆炸加载由TNT炸药的爆轰与给定质量但30 mm的对峙距离,50毫米,80毫米和100毫米。
图13显示了最终的三明治板的变形和破坏模式使用相同的面板厚度(毫米)和核心web厚度(毫米),但不同的细胞大小(28岁和40毫米,职责。)和当量固体板在不同对峙距离。发现的失效模式的正面让失败来缩进与对峙距离的增加和那些失败和花瓣的背面把全球圆顶失败(我失败模式)。同时,等效固体板的失效模式将从全球穹顶连接于内圆顶未能就全球圆顶失败。此外,结构的破坏区域较低的对峙距离较大。正如所料,中心变位的三明治正面,背面,和固体板减少对峙距离的增加,如图14。情节说明夹层板结构的好处在一固定板承受爆炸加载显然是明显较小的背板变形量与当量固体板受到相同的负载。然而,爆炸加载对于一个给定的电荷质量较低的对峙距离展品高强度和空间定位。和一些三明治的背面面板配置可能会在这种加载失败。因此,夹层板的好处将消失。图13表明,撕裂损伤发生在三明治板的背面与细胞大小的28毫米和40毫米受到爆炸荷载的对峙距离30毫米。仔细检查表明,一些条纹形成正面核心网之间由于局部强FSI的效果,如图13。
(一)
(b)
(c)
(d)
FSI表面的反射峰值压力是一个重要的指数定量分析FSI效应所带来的好处。图15显示了峰值反映压力的空气粒子的中心点放在夹层板前脸和固体的车牌。这些三明治板相同的核心配置(毫米,毫米),但不同面板厚度(毫米,1.6毫米,2.0毫米和2.5毫米)选择与等效固体板。发现的夹层板反射峰值压力较低执行比当量固定板的低惯性的夹层板正面。这种三明治结构的好处是显著的空气冲击波荷载较低的对峙距离,和对峙距离对反射峰值压力的影响规则是相同的面板与面板厚度不同。使用相当于固体板作为基准,这四个三明治板的面板厚度1.2毫米,1.6毫米,2.0毫米和2.5毫米导致反映压力峰值下降了46.23%,25.59%,17.29%,和14.7%的对峙30 mm的距离;27.98%,13.74%,8.11%,7.02%在对峙50 mm的距离;6.35%,8.27%,0.71%,1.64%的对峙距离80 mm;和8.92%,7.55%,0.11%,0.39%的对峙距离100 mm,分别。
5.2。表皮厚度的影响
前面板的厚度FSI效应是至关重要的。因此,面对薄板厚度的影响的调查是必要的披露一些固有的法律指导核心波纹夹层板的设计。
显示在图15,正面的厚度有显著影响反射峰值压力。如果采用厚的正面(2.5毫米)作为基准,其他方面面临(1.2毫米、1.6毫米、2.0毫米)给出一个反映压力峰值下降了40.29%,15.6%,和4.98% 30 mm的距离对峙;24.94%、8.91%和2.46%,对峙50 mm的距离;28.78%、23.52%和12.9%,对峙距离80 mm;和9.52%,7.87%,和0.34%在对峙距离分别为100毫米。FSI三明治建设效果的好处是增强大大减少面板厚度。此外,这种效应的面板厚度近场爆炸条件下更为突出。
调查面板厚度的影响中心挠度的正面和背面,三明治板的结果与相同的核心配置(毫米,毫米)和不同面板厚度(毫米,1.6毫米、2.0毫米和2.5毫米),如图所示16。与面板厚度的增加,中点变位的减少,尤其是在近场爆炸加载下,但它是一个重要的问题对于一个设计师正确处理冲突之间的刚度和体重。
5.3。核心配置的影响
核心配置包含核心web厚度、细胞大小和相对密度的核心。他们都发挥显著作用的影响减轻瓦楞芯夹层板的效果。
三明治板的反射峰值压力相同的面板厚度(毫米),但不同的核心web厚度(毫米,0.7毫米和0.5毫米)和不同的细胞大小(毫米,28毫米和40毫米)绘制在图17。乍一看,其中有一个完整的重叠峰反映压力对峙距离曲线。得出核心web厚度的变化和细胞大小导致微不足道的变化反映压力峰值的正面的中点。然而,核心是正面的基础,同时是一个装载运输车的脸。核心的配置可以大大影响变形的正面和背面。它可以看到从图14,对于给定的面板厚度和核心web厚度、大细胞大小(给定倾角较大的核心厚度60°)导致较小的后端面变形量和更大的正面变位。背面的失效模式是一种全球变形;背面的变形主要取决于全球夹层板的抗弯强度。更大的细胞大小有很高的弯曲刚度,导致一个更小的背面爆炸荷载作用下挠度。然而,正面偏转的失效模式是一种中央本地化失败和被本地化的偏转。正面的最大变形量有关的局部刚度中央。细胞大小的增加,中央场在两个核心网变得弱刚度。这是更大的细胞大小的原因导致更大的正面变位。对于一个给定的细胞大小、核心web厚度变形的效果如图18。正如所料,正面和背面减少的变位与核心web厚度的增加导致全球抗弯强度的增强和局部夹层板的刚度。
(一)
(b)
正如先前所示,核心媒体的破碎机理主要是依赖于核心的相对密度。核心的相对密度是由核心web厚度和细胞大小。然而,核心的相对密度无显著影响反射峰值压力,推断从图17。
图19显示了三明治板的最大挠度(S20-25 ~ S20-28 S28-5 ~ S28-8, S40-1 ~ S40-4)与不同的细胞大小和核心web厚度但同样相对密度的核心(5.46%)。正面变形量的变化趋势并不明显的背面。对于给定的相对密度,细胞大小的影响起主导作用后端面变形量。
图20.显示的最大变形量体重相似的三个三明治板的背面(即。,the equivalent solid plates thicknesses are 5.79 mm, 5.85 mm, and 5.89 mm, resp.) but different relative density of core (i.e., 10.35%, 7.63%, and 5.46%, resp.) subjected to the same blast loading. It is found that the back face deflections increase with the increase of core relative density, especially at lower stand-off distance.
6。结论
基于完全耦合的数值方法详细的数值分析,旨在揭示爆炸性气体产品和夹层板之间的交互。的重要作用的非线性压缩空气介质在有益FSI效应在近场鼓风被调查显示冲击波压力的分布暂时和空间。结果表明,非线性压缩效应是重要的在近场鼓风。近场空中爆炸载荷作用下,夹层板的正面经历一个重要的地方弯曲变形导致核心网之间的连续型变形的发生在中心领域,而背面的变形模式是由全球弯曲变形。
参数研究表明三明治板的失效模式强烈依赖对峙距离。和故障区域对峙距离的增加而减少。三明治结构的好处在固定板承受爆炸加载显然是明显较低的背板变形量和更低的峰值反映压力与当量固体板受到相同的负载。发现这些好处更明显较低的对峙距离。作为表皮厚度的减少,FSI夹层建筑效果的好处是大大增强和三明治正面和背面的变形量增加。三明治板的光面板更容易失败。因此,它是至关重要的优化配置的夹层板防止背面损伤故障。核心配置有一个微不足道的影响反映压力峰值。采用较大的细胞大小和厚核心网,可以减少背面的变位。对于一个给定的磁录密度的夹层板,后端面变形量随着核心相对密度的增加而增加。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
支持的研究报道国家自然科学中国(根据合同不成立。51209099)和造船工业的技术资金支持。金融的贡献在此感激地承认。
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