硬质聚氨酯泡沫塑料抗爆炸冲击作用的研究

图(
聚氨酯的应力应变曲线 图 A 不加聚氨酯泡沫时地下工事结构顶板 下表面中心点的位移时程曲线
炸药采用 0120345-6781943:;<= 模型以及如 下 >?6 状态方程加以描述： （!） 式中： ! 为爆轰压力， " 是相对体积， #! 是炸药单位体 积内能； !， $， %， & !@& " 为材料常数。它们分别取为 #*(， ()!*"2-.， (*"(2-.， A*!B， #*CB。 空气采用 =;66 材料模型以及 61=4D</-76EF =7,1D6 状态方程加以描述。线性多项式状态方程为：
图 " 蜂窝式短钢管混凝土 遮弹层示意图
图’
铺设层及地下工事示意图
" 模型的建立
在抗爆结构设计中，由于结构本身既要达到一定 的抗力要求， 又要有非常好的吸能效果， 同时还要使结 构整体达到足够的刚度，使得纯刚性的设计和纯柔性 的设计都难以达到设计要求，导致刚柔并重的设计理 念应运而生。蜂窝式短钢管混凝土遮弹层是一种新型 的遮弹层结构， 作者已申请专利且已授权， 证书号为： D7(C’CC*C"1+。 由于蜂窝式短钢管混凝土遮弹层的刚性 很强， 因此， 我们提出了在蜂窝式短钢管混凝土遮弹层 和地下工事结构中间铺设一层硬质聚氨酯泡沫塑料，
下表面中心点的位移时程曲线
另外，硬质聚氨酯泡沫塑料垫层不仅能保护下面 地下工事结构免于破坏， 而且由于其较软， 起到了缓冲 作用，对上部铺设的蜂窝式短钢管混凝土遮弹层的反 作用力较小， 从而也减轻了上部遮弹层的破坏程度。图 +、 ) 分别列出了两种情况下， 垫层上部遮弹层中爆坑处 位移最大的节点的位移时程曲线，可以看出加了聚氨 酯泡沫垫层后，遮弹层爆坑最大位移处的位移比不加 聚氨酯泡沫时的位移约减小了一半， 效果是明显的。
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振 动 与 冲 击
())P 年第 (- 卷
图+
加聚氨酯泡沫时遮弹层爆坑处最 大位移的节点位移时程曲线 图 " 具有聚氨酯泡沫夹层时地下工事顶板 的 U 方向应力等值线图
根据应力波传播原理，爆炸冲击波在结构中形成 的压缩波在经过松软夹层时衰减很快，尤其对于波长 比较短的化爆压缩波更是如此。通过夹层后的压缩波 升压过程增加，对地下工事造成的危害将得到缓和或 消除。其实， 我们通过数值模拟发现硬质聚氨酯泡沫塑 料的作用不仅如此，而且对消除蜂窝式钢管混凝土遮 弹层对地下工事顶板造成的应力集中有明显的效果。 我们选取了最后时刻两种情况下地下工事顶板的应力 图 "。通过比较两图可以看出， 等值线分布图， 见图 !、 具有硬质聚氨酯泡沫塑料夹层时，地下工事顶板的应 力集中现象得到了明显的缓解，只是加约束的一侧存 在着一定程度的应力集中。这对于减轻结构的局部破 坏具有一定的保护作用。
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结
论
硬质聚氨酯泡沫塑料， 具有相对密度低， 比模量、 比强度高的特性。由于泡孔以闭孔为主， 是一种多孔介 质， 因此具有很好的吸收动能的特性， 能够缓和冲击、 减弱振荡、 减低应力幅值。通过本文的数值例子进一步 说明硬质聚氨酯泡沫塑料具有很好的抗爆、隔爆、 消 压、 吸能的作用， 可以在防护工程中用作抵御武器爆炸 的打击。本文的研究还表明： 在防护工程的抗爆结构设 计中， 刚柔并重的设计相比纯刚性的设计要更加合理， 其抗爆、 隔爆效果也明显要好得多， 值得在防护工程中 应用。
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引 言
海湾战争、 科索沃战争和伊拉克战争结束后， 世界 基本战略格局发生了重大变化， 未来战争向信息化、 网 络化、 精确化、 机动化、 隐蔽化等方向发展， 以远程攻击 和精确打击为主的战争模式业已形成。对于发展中国 家而言， 由于经济相对落后， 建立完善的防护工程体系 在高科技局部战争中就具有极为重要的作用，如何防 精确制导武器， 提高防护工程的综合防护能力， 是防护 工程必须尽快解决的问题。考虑到硬质聚氨酯泡沫塑 料是一种密度小、 价格低、 成型容易的多孔介质， 具有 ?"@ 很好的吸收动能的特性 ， 能够缓和冲击、 减弱振荡、 减 ?’@ 且随着应变速率的增加A在一定应变速率 低应力幅值 。 范围内B，硬质聚氨酯泡沫塑料的屈服强度逐渐增加?C@。 因此硬质聚氨酯泡沫塑料可以在防护工程中用作抵御 武器爆炸的打击， 起到很好的抗爆、 隔爆的作用?!)-@。为 从理论上更好地了解硬质聚氨酯泡沫塑料的抗爆性 能，本文对硬质聚氨酯泡沫塑料在军事上的应用情况 作了分析研究，并通过一个简化的防护工事的抗爆性 能分析， 说明硬质聚氨酯泡沫塑料具有良好的抗爆、 隔 爆性能， 非常适合于防护工程的应用。
图 B 加聚氨酯泡沫时地下工事结构顶板
（"） 式中： ! 为爆轰压力； #" 为空气单位体积内能； " 为相对 体积。当线性多项式状态方程用于空气模型时： ’#G’!G ’"G’(G’+G#， ’AG’BG#*A。 空气的密度取为 !*""B$% & ’(， 初 始相对体积 " # 取 !*#。 混凝土采用 >70=87=3076,H;18I3J7=J<4I4 材料模型， 该模型适用于大应变、 高应变率、 高压力情 况下的混凝土。钢材料采用 -6D8I1J3K1=4,DI1J 材 料模型，该材料模型适用于包含应变率效应的各向同 性塑性随动强化材料。限于篇幅对这两种材料模型和 参数的取值不再给出， 有兴趣的读者可参阅文献L)M。
在进行数值模拟时， 在不脱离实际的基础上， 对模 型进行了一定的简化处理。首先为减少运算工作量， 根 据结构的对称性， 选取图 ’ 中的 " F ! 作为研究对象。由 于我们主要研究铺设层对地下工事结构顶板的防护作 用， 同时也为便于网格划分， 去掉 " F ! 结构中的下部支 撑侧壁，将模型作进一步的简化。在进行有限元分析 时， 假设钢管与钢管之间为有效连接， 并将炸药视为欧 拉单元， 混凝土视为拉格朗日单元。为使炸药与混凝土 二者之间能够传输能量， 利用 #7G 方法， 在炸药周围布
以增强结构的吸能效果的方案，采用数值模拟的方法 对加硬质聚氨酯泡沫塑料垫层与不加硬质聚氨酯泡沫 塑料垫层两种情况进行对比分析，发现硬质聚氨酯泡 沫塑料在抗爆、 隔爆方面是非常明显的。下面以一数值 模拟为例作一简述。 本文中铺设的蜂窝式短钢管混凝土遮弹层为采用 六边形短钢管混凝土构件平行排列并相互连接形成蜂 窝式结构 （见图 "） 。其中六边形钢管的厚度为 !EE， 边 长为 ’((EE， 高度为 ’((EE。遮弹层、 硬质聚氨酯泡沫 地下工事模型的上 塑料垫层及地下工事示意图见图 ’， 表面尺寸与图 " 中所采用的遮弹层的平面尺寸相同。 装药的位置为铺设层上表面的中心， 装药为 :2: 炸药， 长、 宽均为 "-(EE 的长方体装药。 模拟成高为 *(EE，
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材料的模型
硬质聚氨酯泡沫塑料的密度选为 !"#$% & ’(，其材 料模型采用弹塑性等向强化模型描述。材料特性为： 弹 屈服强度取为 !*#+#",-.， 泊松 性模量取为 !)*+),-.， 比取为 #*#"， 受拉失效应变取为/#*#+， 硬质聚氨酯泡沫 塑料的应力应变关系见图 (。
部地下工事结构主体的安全。另外， 我们可以注意到硬 质聚氨酯泡沫塑料的受压破坏极限应变很大，而此处 垫层正好发挥了其良好的受压变形性能。 从图 A、 B 中的位移时程曲线中可以看出不加硬质 聚氨酯泡沫塑料垫层时地下工事顶板的跨中位移已达 顶 到了将近 N#’’，而加了硬质聚氨酯泡沫塑料之后， 板的跨中位移只有不到 !*A’’，足以说明硬质聚氨酯 泡沫塑料垫层的作用。因此进行防护结构设计时， 应当 充分认识到吸能效果的重要性。纯刚性的设计既浪费 材料， 也不一定能够抵抗较高的爆炸荷载作用， 刚柔并 重的设计理念是比较合理的。
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计算结果分析
从数值模拟结果可以看出加硬质聚氨酯泡沫塑料 时，结构的变形明显小于不加硬质聚氨酯泡沫塑料时 的变形。主要是因为硬质聚氨酯泡沫塑料材质疏松， 而 且弹性模量很小， 易于变形， 吸收大量的能量。这样使 得作用在下部防护结构上的爆炸能量很少，保护了下
图 + 不加聚氨酯泡沫时遮弹期
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硬质聚氨酯泡沫塑料抗爆炸冲击作用的研究
石少卿 张湘冀 刘颖芳 尹 平
（解放军后勤工程学院军事土木工程系， 重庆 !(((!"）
摘 要 硬质聚氨酯泡沫塑料具有刚度小、 材质松散、 易于吸收爆炸能量的特点。本文根据硬质聚氨酯泡沫塑料的这
些性能和特点， 结合军事工程的要求， 介绍了硬质聚氨酯泡沫塑料在在抗爆、 隔爆方面的应用情况。通过一个简化的防护工 事的抗爆性能分析， 说明硬质聚氨酯泡沫塑料具有良好的抗爆、 隔爆性能， 非常适合于防护工程的应用。 关键词： 防护工程， 聚氨酯泡沫塑料， 抗爆吸能， 有限元分析 中图分类号： :9CC’ 文献标认码： #
本文受总部科研项目资助， 项目编号为： !"#$%&" 收稿日期： ’((!)(!)’* 修改稿收到日期： ’((!)(+)"& 第一作者 石少卿 男， 博士， 副教授， ",-- 年生
第B期
石少卿等： 硬质聚氨酯泡沫塑料抗爆炸冲击作用的研究
B)
置一定范围的空气 （采用欧拉单元） 与混凝土耦合。对 于不加硬质聚氨酯泡沫塑料垫层的情况，模型取同样 的尺寸， 只是没有增设硬质聚氨酯泡沫塑料垫层。
参 考 文 献 # 朱海静、 杨 伟、 李忠明$ 玻纤增强硬质聚氨酯泡沫塑料研究进 展%&’$ 工程塑料应用， ())*， *# （+） ： ,(—,杨振国$ 承载结构聚氨酯硬泡沫材料的研究进展%&’$ 理 ( 赵 斌， 化检验—物理分册， ())*， *" （(） ： !(—!! * ./ 012345613457 82 92:7 ;2<=2345 =>/:1$ ?@43A/6<A:61< 34/63B >C2D@ EF G3C:H<IBEG4 J/5/D KEB@2H:C134: ;E3A> G/C1 34D G/C1E2C LE@ ;BE2H %&’$ &E2H43B EF MNNB/:D KEB@4:H L6/:4< 6:7 ())#7!#OPQR()(+—()*P - 任志刚， 楼梦麟， 田志敏$ 聚氨酯泡沫复合夹层抗爆特性分析 %&’$ 同济大学学报， ())*， *# （#） ： ,—#) P 顾红军， 赵国志， 张海波， 张 伟$ 高聚物复合材料动力学性能 实验研究%&’$ 振动与冲击， ())*， (( （(） ： ")—"( , 赵海鸥编著， .L—?8SM 动力分析指南%T’， 兵器工业出版社， ())*$"
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无聚氨酯泡沫夹层时地下工事顶板 的 U 方向应力等值线图
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