地面防護工程抗爆復合材料與結構研究.pdf

1、面對大當量殺傷性常規(guī)武器的爆炸破壞效應,地面防護工程的抗力設計和施工技術都已經不能滿足工程防護的要求,而地面防護工程沒有地下防護工程可以提供的堅實厚重的巖土層作為防護層,完全依靠自身結構抵抗武器破壞效應。因此,選取當前防護工程領域內亟待解決的前沿課題——地面防護工程的抗爆技術研究作為論文選題。針對地面防護工程的抗爆防護技術,對雙摻混凝土、聚氨酯泡沫鋁復合材料和聚氨酯蜂窩紙板復合材料等三種復合材料進行研究,從材料強度、吸能特性、本構關系和

2、復合吸能抗爆結構型式等四方面進行了研究,提高地面防護工程的抗爆防護能力。主要取得以下研究進展:
　　(1)研究摻加硅粉和粉煤灰混凝土的動態(tài)抗壓強度及最佳摻量。針對當前地面防護工程結構使用的普通 C50混凝土,在節(jié)約資金、減輕自重的前提下提高混凝土的強度,通過SHPB動態(tài)沖擊試驗發(fā)現(xiàn):雙摻混凝土的動態(tài)抗壓強度從120MPa提高到180MPa,顯著提高了結構抗力。通過正交試驗分析方法,找到不同沖擊條件下的最佳摻量,低速沖擊的最優(yōu)組合為

3、J2G3F1S3;中速沖擊的最優(yōu)組合為J2G2F1S2;高速沖擊的最優(yōu)組合為J1G3F1S3。
　　(2)研究聚氨酯泡沫鋁復合材料力學性能和吸能性能。通過對聚氨酯泡沫鋁結構的靜、動態(tài)力學性能的研究,得出結論:聚氨酯泡沫鋁的屈服強度與應變率、相對密度和聚氨酯含量成正比。隨著相對密度增加和聚氨酯含量增加,屈服強度均可提高10％以上。隨著應變率的增加,泡沫鋁的屈服強度可提高45%以上,聚氨酯泡沫鋁的屈服強度可提高30%以上,因此認為,泡

4、沫鋁和聚氨酯泡沫鋁具有非常明顯的應變率效應。聚氨酯含量的提高可使聚氨酯泡沫鋁吸能量提高50%以上,吸能效率提高30%以上。聚氨酯泡沫鋁的吸能效率可以達到0.7,是一種很好的吸能材料。
　　(3)研究聚氨酯蜂窩紙板復合材料力學性能和吸能性能。填充聚氨酯材料的蜂窩紙板在靜態(tài)受壓時使本來會有的失穩(wěn)階段消失,從而提高了蜂窩紙板復合材料的彈性極限水平(從0.2240MPa提高到0.5422MPa,增長了41.3%)和屈服應力(約為填充前的3

5、-4倍),提升了蜂窩紙板材料的緩沖性能。復合材料靜、動態(tài)吸能性能大幅提高,吸能量約為復合前兩種材料吸能量總和的1-2倍;吸能效率E和理想吸能效率I均在0.6以上,是很好的緩沖吸能材料。
　　(4)建立抗爆復合材料的動態(tài)本構模型。基于現(xiàn)有的研究基礎,分別對以上三種材料建立了動態(tài)本構模型。分別建立了雙摻混凝土基于ZWT本構模型的低應變率本構模型和非線性條件下隨機損傷本構模型:
　　建立了聚氨酯泡沫鋁基于硬質聚氨酯泡沫塑料本構關系

6、的包含相對密度、應變、應變率和聚氨酯含量等影響因素的泡沫金屬本構模型:
　　建立了聚氨酯蜂窩紙板基于Sherwood-Frost本構關系的本構模型:
　　(5)獲得不同抗爆結構的最優(yōu)化組合型式。通過 LS-DYNA有限元程序對SAFFC-聚氨酯泡沫鋁復合結構進行抗爆吸能數(shù)值計算,對復合結構進行優(yōu)化分析。結果表明:同等抗爆條件下,SAFFC(50cm)-聚氨酯泡沫鋁(20cm)-SAFFC(50cm)的抗爆性能為最佳。對填充S