爆炸冲击波在质量变化空心球夹芯复合结构中的传播分析方法

技术领域

本发明属于空心球夹芯复合结构的爆炸动力学响应，尤其爆炸冲击波在具有不同质量空心球复合结构中的传播分析方法。

背景技术

三明治结构由面板-夹芯层-面板组成，是一种常见的冲击防护结构。泡沫结构、蜂窝结构、点阵结构等具有较强缓冲吸能特性的轻质材料通常作为三明治结构的夹芯层被应用在航空航天、交通工业、军事设施等多个领域的冲击防护结构设计中。其中金属空心球具有均匀的内部结构和简单的制作工艺，是一种应用广泛的泡沫材料。该结构在拥有密度低、比强度高、比刚度高等优异性能的同时，还能保持较轻的质量和较大的吸能潜力。因此，在军事爆炸防护领域得到了较多的应用。

随着时代的发展和科技的进步，军事武器和作战环境都发生了较大的变化。战场上爆炸发生速度之快、破坏力之强对我方军事设备和作战人员的安全产生了严重的威胁。掌握爆炸冲击波在防护结构中的传播衰减规律，能够有效降低装备的战争损耗。现有研究发现，金属空心球的吸能性能会受到质量的影响，而外径和壁厚的大小是空心球质量控制的关键。所以，研究如何自主调控空心球夹芯复合结构的质量，从而控制复合结构在爆炸载荷下的防护性能使其满足抗爆防护装甲轻质、高效的要求，对提高我军在中、高烈度战争条件下的防御能力、战场生存力及突击能力具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于，建立层合板-空心球夹芯复合结构，提供该结构在爆炸载荷下整体和局部变形的分析方法，给出爆炸冲击波在复合结构中的传播和扩散路径，对于已知的爆炸环境，通过设置适当的空心球质量，使复合结构在受到爆炸载荷作用时，发生最小的变形，对爆炸冲击波起到最大的衰减作用，实现最优的防护性能。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

步骤1：建立层合板-空心球夹芯复合结构并分析其动力学响应的变形模式；

步骤2：引入爆炸冲击波在复合结构中传播和扩散的三个阶段；

步骤3：通过调节空心球质量，控制层合板-空心球夹芯复合结构的防护能力。

所述步骤1具体是，首先根据现场爆炸环境确定防护结构的整体质量范围，依据实际工程需要，给出上下层合板的具体尺寸；其次进行质量计算，通过改变外径和壁厚的大小得到满足质量和尺寸要求的空心球夹芯层，利用ANSYS/LS-DYNA建立层合板-空心球夹芯复合结构以及对应的空气和炸药模型，同时进行流固耦合计算；最后研究计算结果，给出爆炸载荷下，层合板-空心球夹芯复合结构的变形模式。

所述步骤2具体是，利用LS-PREPOST导出Lagrange算法下，层合板-空心球夹芯复合结构的应力变化，再分析ALE算法下炸药作为流体的传播过程和路径，结合两个结果，确定爆炸冲击波在具有不同质量的空心球夹芯复合结构中的传播与扩散规律。

所述步骤3具体是，当爆炸载荷确定时，借助数值模拟，研究冲击波的传播规律，在选取合适的层合板材料和层合板几何尺寸的基础上，通过调控空心球的外径和壁厚，从而控制空心球的整体质量，进而实现对复合结构在爆炸冲击波作用下的防护能力的调控。当上下层合板材料与尺寸固定时，调整空心球夹芯层的质量，进而有效控制复合结构的变形模式以及冲击波传播方式，保证被防护物的安全。

本发明通过设置适当的层合板材料和尺寸，确定空心球夹芯层合理的外径和壁厚，实现空心球质量调控，使层合板-空心球夹芯复合结构在爆炸载荷下的变形模式以及爆炸冲击波的传播途径可以被控制，提高了结构的抗爆性能。

附图说明

图1是层合板-空心球夹芯复合结构的计算模型示意图

图2是层合板-空心球夹芯复合结构的变形模式和冲击波传播规律图

具体实施方式

下面结合附图，对优选实例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，本发明将整个复合结构置于一定体积的空气域内，炸药设置体积为4cm*4cm*4cm，起爆点距离复合结构6cm，层合板-空心球夹芯复合结构由上层合板-空心球夹芯-下层合板组成，其中夹芯层是由材料和尺寸相同的单个空心球简单排布构成的，在保持外径相同的基础上，设置0.1195cm、0.239cm、0.478cm三种不同的壁厚形成三种质量不同的复合结构，对比分析三种结构的变形模式和爆炸冲击波的传播途径。

第一步：建立一层空心球简单立方排布的层合板-空心球夹芯复合结构的有限元模型，设置相关参数，利用ANSYS/LS-DYNA软件对该模型在爆炸载荷下的动态变形模式进行分析。如图2所示，三种模型的变形模式基本相似，即当冲击波在空气中传播至上层合板时，上层合板受到冲击波的压力开始产生应力并发生变形，同时引起夹芯层的变形，在此阶段，上面板先发生塑性变形，很快出现内部开裂的变形模式；随着爆炸的持续进行，上面板发生破坏，冲击波开始直接压缩夹芯层，使空心球受到横向和纵向挤压发生塑性变形，具有不同质量的空心球夹芯层会发生不同程度的塑性变形和破坏，壁厚大的空心球硬度较大，当前炸药当量不能使夹芯层充分变形；与此同时，一部分冲击波穿过空心球间隙到达下面板，下面板发生弯曲变形，面板和夹芯层之间发生界面脱粘现象，模型产生局部凹陷的变形模式，中高质量模型被击穿，防护性能大大降低。

第二步：基于流固耦合算法，设置炸药和空气为流体，在LS-PREPOST中观察炸药的爆炸传播过程，可以将整个传播过程分为三个阶段，显示在图2中。爆炸第一阶段：炸药从起爆点开始爆炸以球形在空气中向外传播，当冲击波到达复合结构的上层合板时，第一阶段结束；爆炸第二阶段：冲击波在层合板表面向两边扩展进行横向传播，同时局部向下纵向传播导致上面板破坏以及空心球夹芯层压缩；爆炸第三阶段：冲击波在夹芯层之间的传播可以分为两部分，一部分冲击波到达夹芯层，给空心球施加压力，不同质量的空心球表现出不同的吸能能力，对冲击波起到不同的分散作用，在当前炸药量下，质量较轻的空心球更容易发生压缩变形，耗散了较多的冲击波，未被耗散的冲击波通过空心球与空心球之间的间隙向下传播抵达下层合板发生二次铺开横向传播；另一部分冲击波沿着空心球排列的接触点向着远离炸药的两边横向传播。当冲击波击破下层合板时，结构破坏失去防护能力。

第三步：前两步的讨论表明，本发明可以预测爆炸载荷下层合板-空心球夹芯复合结构的变形模式以及爆炸冲击波的传播规律。当实际军事工程应用对结构尺寸和材料用量有要求时，可以根据实际需要灵活设计结构尺寸、空心球质量分布，利用数值模拟评估复合结构的抗爆性能，可以有效节约成本，减少爆炸载荷对人和物带来的伤害。

本发明提供的方法，实验测试结果与数值模拟结果保持了良好的一致性，对军事近场爆炸环境中抗爆结构的设计提供了可靠的参考。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。