双层复合结构对混凝土墙防护性能的模拟研究

吴玮栋，高 星，郄彦辉，程 聪

（1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300401；
2.河北省特种设备监督检验研究院，河北 石家庄 050061）

水压爆破试验是检查承受内压设备的爆破压力的常用标准试验，但在水压爆破试验过程中，迸溅的金属碎片会撞击并损坏封闭实验室的混凝土墙壁。故需要在水压爆破实验室内安装防护结构保护实验室混凝土墙体不被损坏。为此，有实验人员在水压爆破实验室的混凝土墙体上安装钢板以增强其防撞击能力，但是钢板的防护能力有限，高速碎片击穿钢板撞击到混凝土墙体致使其产生凹坑的现象时有发生，如图1所示。针对室内混凝土墙体的防护结构设计和防护性能的问题有待深入研究。

图1 封闭实验室破坏情况Fig.1 Destruction of the sealed laboratory

现阶段，对于防护结构的研究主要集中在新材料和新结构两个方向。主要研发并应用的防护材料有非金属材料[1-2]、金属材料[3-4]、复合材料[5-6]等，主要设计并应用的结构有三明治结构[7-8]、蜂窝结构[9-10]、负泊松比结构[11-12]等。尽管这些结构防护性能优越，但是造价高、结构较为复杂，通常应用在国防军事和高新科技领域，而在民用领域内得不到推广普及应用。结构简单、成本较低的室内的防护结构，国内外的研究相对较少。针对这一现状，本文提出了一种适用于民用领域的室内双层防护结构，旨在减少水压爆破试验过程中产生的高速碎片对封闭实验室的损坏。该双层防护结构还具有造价较低，结构简单且便于安装更换等特点，亦可在其他民用防护领域推广应用。

橡胶/钢板复合防护结构主要由橡胶/钢板用螺栓固定在混凝土墙体上构成。该防护结构利用橡胶的高弹性和钢板的韧性及延展性来防护高速碎片的冲击，其中钢板厚度为4 mm，橡胶缓冲层厚度初步确定5 mm、10 mm和15 mm这3个备选方案，如图2所示。

图2 防护结构布置和构造示意图Fig.2 Configuration and construction of protective structures

2.1 仿真模型及求解方法

鉴于水压爆破实验产生的爆破碎片尺寸较小、形状较为复杂且具有一定的随机性，在此忽略形状的影响，把碎片简化为直径为8 mm的刚性小球进行研究，并且忽略橡胶和钢板间粘合剂的影响，采用单元共用节点的方式模拟橡胶和钢板间的连接。实验室墙体的实际构造是在空心砖结构的基础上均匀的平敷了一层10 cm厚度的混凝土，考虑到相较于平敷在表层的混凝土而言，空心砖结构不易被破坏，其损坏情况直接受混凝土的影响，为了减少网格数量从而便于计算，在此墙体模型仅考虑厚度为10 cm的混凝土结构。由于结构的对称性，采用1/2模型建模，有限元模型尺寸为300 mm×400 mm，为了提高计算效率并防止网格产生畸变导致计算难以维系，采用在钢球与防护结构的接触区局部网格加密方法划分单元.

有限元模型采用Lagrange算法定义，接触类型采用自动单面接触。有限元模型如图3所示。

2.2 边界条件及碎片初速度定义

在钢球、钢板和混凝土墙体对称面处设置对称边界条件，钢板两侧边界施加固定约束条件，混凝土墙体两侧边界设置无反射边界条件。钢球施加初始速度后进行仿真计算。碎片的穿透能力可由式（1）表示[13]：

图3 碎片-橡胶/钢复合板-墙体的有限元模型Fig.3 Fragment-rubber/steel composite panel-wall finite element model

式中：S是碎片对被撞击物造成的穿透量；
K为材料的穿透系数；
E为碎片在穿透被撞击物之前所具有的动能；
A为碎片与被撞击物之间的相撞截面积；
m为碎片的质量；
v为碎片的初始入射速度。由于爆破碎片的初始速度一般在80～120 m/s范围内[13]，根据碎片的穿透力公式，在其他条件不变的情况下，碎片的初始入射速度越大，穿透能力越强，对墙体的威胁也就越大，本研究中选取碎片初速度v=120 m/s垂直冲击防护结构的工况进行分析。

2.3 材料模型及参数

钢板材料选用#45钢，采用Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程来描述其本构关系，其中Johnson-Cook本构模型考虑了应变率对材料力学性能的影响，具体形式为

式中：A为屈服应力；
B为应变硬化系数；
n为应变硬化指数；
C为应变率相关系数；
m为温度相关系数；
ε*为无量纲塑性比；
为有效塑性应变率。D1～D5为材料的损伤参数。表1和表2给出了钢的材料参数和损伤参数[14]，G为剪切模量。

橡胶采用6744型号的天然橡胶，其是一种典型的超弹性材料，具有较为复杂的本构关系。在仿真计算时采用Ogden本构模型定义其材料特性[15]，应变能密度函数为

式中：p,q,r取0，1，2；
μ是与材料变形无关的材料常数；
I1,I2,I3为左Cauchy-Green张量的不变量。材料模型参数见表3。其中，Hsa为材料邵氏硬度，Ss为拉伸强度，St为抗撕强度，εf为扯断伸长率，εs为扯断永久变形。

混凝土墙体采用HJC本构模型[16]，该模型能够反映混凝土等脆性材料在大应变、高应变率下及材料失效的动态响应，材料参数如表4所示。其中，fc′为材料的静抗压强度，A、B、C是材料的强度参数，D1和D2为材料的损伤值，T为材料最大拉伸强度，Pc和μc分别对应着压垮的静水压力和体积应变，k1～k3为压力常数。

表1 45号钢的材料参数Tab.1 Material parameters of 45 steel

表2 45号钢的损伤参数Tab.2 Damage parameters of 45 steel

表3 6744型号天然橡胶的材料参数Tab.3 Material parameters of 6744 natural rubber

表4 HJC模型参数Tab.4 Material parameters of HJC model

3.1 不同橡胶层厚度对钢板防护效果的影响

分别对3种不同橡胶层厚度的双层复合防护结构进行球形碎片的撞击仿真分析，输出球形碎片在碰撞过程中的速度变化曲线，如图4所示。

由图4可看出，橡胶层厚度越大，碎片最终剩余速度就越小。当橡胶层厚度为15 mm时，碎片剩余速度为0。虽然理论上橡胶厚度可以继续增加，但是出于经济考量及便于更换，综上所述，结合碎片的最终剩余速度，故选取橡胶层厚度为15 mm。

3.2 橡胶/钢复合板对混凝土墙体的防护效果

图5和图6分别给出了碎片以初速度v=120 m/s冲击橡胶/钢复合板-混凝土墙体的应力云图和冲击历程的仿真结果。

图4 碎片冲击过程中竖直方向的速度曲线Fig.4 Vertical velocity curve during debris impact

如图5和图6所示，碎片冲击橡胶/钢复合板-混凝土墙过程中，碎片不断侵彻橡胶层，橡胶缓冲层发生了破坏，最终嵌入橡胶层内。整个过程中，碎片没有撞击到钢板结构，避免了与钢板的直接接触。

为比较纯钢板和橡胶/钢复合板对混凝土墙的防护效果，对混凝土墙体的受损情况进行比较分析。图7给出了混凝土墙体受冲击面的应力云图对比。

由图7所示，两种防护结构对混凝土墙体的防护效果截然不同，碎片冲击钢-混凝土墙体后的应力量级明显比冲击橡胶/钢复合板-混凝土墙体后大。如图7a）所示，高速碎片冲击钢-混凝土墙体后，由于钢板结构受冲击后发生变形，受冲击区域向内凹陷。此时由于凹陷的钢板挤压混凝土墙体，墙体正面中心区域随之破坏。并且观察到混凝土墙体受冲击区域中心的应力不连续且变化不规则，产生的原因是因为中心单元应力达到了材料的应力阈值，计算机识别其失效而删除了结构中相应的单元，造成了应力释放，从而导致应力不连续。如图7b）所示，高速碎片冲击橡胶/钢复合板-混凝土墙体后，由于碎片在侵彻橡胶层的过程中消耗了大量能量，并没有撞击到钢板，最终混凝土墙体正面没有发生破坏。

除了混凝土墙体正面容易受到破坏外，混凝土墙体内部也极易被破坏，图8和图9分别给出了碎片冲击钢-混凝土墙体和双层复合结构-混凝土墙体内部的损伤云图。

图5 碎片冲击双层复合结构-混凝土墙应力云图Fig.5 The stress of fragment impact rubber/steel composite panelconcrete wall

图6 碎片冲击历程Fig.6 The history of fragment impact

图7 混凝土墙体正面的应力云图Fig.7 The stress of the front of concrete wall

图8 碎片冲击钢-混凝土墙体后墙体内部云图Fig.8 The interior stress of fragment impact steel-wall

图9 碎片冲击双层复合结构-混凝土墙体后墙体内部云图Fig.9 The interior stress of fragment impact rubber/steel composite panel-wall

如图8所示，碎片冲击钢-混凝土墙体后墙体内部会形成裂纹。墙体内部裂纹首先在靠近冲击区域生成，随着钢板不断向内凹陷，墙体裂纹不断向四周扩展。并且发现当冲击过程结束后，靠近墙体背面的区域裂纹较为集中。这是因为混凝土的抗拉能力远远小于抗压能力，在冲击过程中，墙体背面的拉力值达到了应力阈值导致裂纹大量产生。而如图9所示，碎片冲击橡胶/钢复合板-混凝土墙体后，墙体内部没有产生裂纹，墙体内部应力没有达到极限强度。

由前文所述，碎片冲击钢-混凝土墙体后，其背面裂纹较为集中，在此对混凝土墙体背部破损情况进行分析比较。图10给出了碎片冲击钢-混凝土墙体和双层复合结构-混凝土墙体背面的损伤图。

如图10a）所示，球体碎片冲击钢-混凝土墙体后，墙体背面形成了中心为圆形并向四周线状扩展的裂纹区域。如图10b）所示，相同工况下，碎片冲击双层复合结构-混凝土墙体后，背面没有产生裂纹，混凝土墙体完好无损。

图10 混凝土墙体背面的破损情况Fig.10 Damage to the back of concrete wall

综上所述，本文所设计的双层复合结构能够保护混凝土墙体免遭破坏，有效减少水压爆破试验过程中产生的高速碎片对封闭实验室混凝土墙体的损坏。

为减少水压爆破试验过程中产生的高速碎片对封闭实验室墙体的损坏，本文提出了一种适用于民用领域的橡胶/钢板组成的双层复合防护结构，考虑了最危险工况即碎片以初速度v=120 m/s垂直冲击防护结构，利用LS-DYNA软件进行了数值模拟验证分析，具体结论如下：

1）碎片冲击双层复合结构-混凝土墙体后，橡胶层的厚度越大，其防护效果越好，当橡胶层厚度为15 mm时，碎片最终将会嵌入橡胶层内。

2）本文提出的双层复合结构能够保护墙体表面不受破坏，能够阻止混凝土墙体内部裂纹和背面裂纹的产生。