钢-泡沫铝-纤维复合结构抗冲击性能数值分析

南方能源建设

SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION勘测设计

Survey ZDesign

DOI: 10. 16516/j. gedi. issn2095-8676. 2017. 01. 022

钢-泡沬铝-纤维复合结构抗冲击性能数值分析

王潇羽，贺广零，李趾扬，王邦国，谢晓峰

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京1001!)

摘要：采用数值模拟的方法研究了冲击荷载作用下钢-泡沫铝-纤维复合结构（以下简称复合结构）的动力响应特性，并着重考察了面板厚度和芯层厚度对复合结构抗冲击性能的影响，寻找其规律，比较分析同质量复合结构中前置钢板 与泡沫铝材料质量比重对其冲击性能的影响，寻找前置钢板与泡沫铝最优质量比，并对这种复合结构进行优化设计， 为工程实际提供数据依据。结果表明，一定质量范围内，增加钢板厚度对复合结构抗冲击性能的提升要优于同质量泡 沫铝，但钢板与泡沫铝存在一个质量最优比，在平面尺寸9.2 m X9. 2 m、120 t级的复合结构（PE纤维和后置钢板定 量）中这个最优比在0.97 : 1附近。相同平面尺寸150 t级的复合结构，最优比在0.75 : 1~0. 83 : 1之间，考虑工艺 要求和造价，选择前置钢板9. 5 cm、泡沫4§ cm时综合性能更好，可以抵抗300 m/s初始速度弹体，具有一定安全 储备，其重量只有钢筋混凝土结构的1/5. 67，体积只有钢筋混凝土结构的17%且抗冲击性能较其更优越。关键词：泡沫铝；纤维；复合结构；抗冲击性能中图分类号：V229.7 文献标志码：A

文章编号$ 2〇95-8676(2017)01-0113-06

Numerical Analysis on Impact Properties

of Steel-aluminum Foam-fiber Composite Structure

WANG Xiaoyu, HE Guangling, LI Zhiyang, WANG Bangguo, XIE Xiaofeng

(North China Power Engineering Co. $ Ltd. of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China)

Abstract: The method of numerical simulation was used to study the dynamic response characteristics of steel-aluminum foam-fiber composite structure under the action of impact load. The influence of different panel thickness and core layer thickness on the impact resistance of the composite structure was investigated emphatically to find the rule. Compaed the influnce witli diferent ratio of alumi­num foam sandwich plate and front plate in composite structure , optimal mass ratio was marlced to optimiz e the de s i^gn . In this case, it can provide

data

basis for engineering

practice. It is indicated that: (1)

Within the

ture with increasing steel plate perform better than aluminum foam in impact resistance. However, there was a optimal quality ratio between steel plates and aluminum foam. The optimal quality ratio was about 0. 97 3 1 with 10 tons composite structure with sice of

scope of a certain

9. 2 m x9. 2 m; (2) The optimal quality ratio was about 0. 75 3 1 〜0. 83 3 1 with 150 tons composite

plate is 9. 5 cm and aluminum foam is cm, the combination property was achieved to resist 300 m/s velocity projectile considered technological requirements and cost. In this way, its weight is only 1/5. 67 and volume is only 17% of the reinforced concrete struc­ture under acertain safety reserve, and it can performbetter in impact resistance.Key words: foam aluminum; fiber; composite structure; impact properties

传统混凝土防护结构体系具有体积大、重量大 等缺点，有较大的改进空间。根据国际研究动态， 随着新材料和新结构不断地涌现与应用，针对我国

未来防护工程建设（特别是地下油库地面附近附属 设施、导弹发射井等埋深较浅设备）对适应环境条 件的新材料与新结构的迫切需要[1]，本文提出了一 种通用的保护地下设施抗冲击结构一

-PE纤维复合结构。

钢-泡沫铝

收稿日期：2016-09-22

作者简介：王潇羽（1991),男，山西大同人，工程师，硕士，主要从

关于夹芯结构高速冲击吸能特性的研究许多都 是基于实验研究[3_4],张明华等人[5]通过对泡沫铝

事组合结构相关工作（e-mail) wangxiaoyu297090@sina. com。

114南方能源建设

第4卷

彻实验，得到不同 下的

模式。Ho/Fatt等人'$也归纳出一个利用平头弹和 头弹 蜂窝 弹道 论解。Han-等利用LS_DYNA对泡沫材料夹层板受鸟撞 的

拟，泡

本构模型在达到最大

积 生 ，“” 子弹模型替代。M\"等利用相同软件分析了夹芯板结构的冲击性 ，

中

了 Chang-Chang失效准则

损伤。Gumprasad'%提出了牺牲性覆层设计的概念， 101 020 个单元，弹体和泡沫铝结构采用Soildl 建模， ）维和后 均：度

太小 She11163单元建模，均为4 356 个 ，

和后

分，

均

向3个积分点积

， 向48

维以0。/%。/0。的交叉方式 ，因此厚度方向为设置48个积分点。在复结构与弹体接触的

丙烯纤维层为复

提高

附近，将复合结构的网格做进一 计算 。

提出了以多孔金属 设计装甲防护结构的一般性准则。G. Reyes Villanueva等'#]对以纤维-铝板多

为

、以泡

为夹心的复

了

高 实验研究指出高

下该体系有很

好的

。

到

为止，国外已经对泡 结构抗做了大量研究，但对-泡

-PE纤

维复合结构研究 不多，因此，研究不同 荷

下复合结构 、各

参数对复合结

构的

，以及同工况下复合结构

筋

土结构的

对比分析，对推行此

新型复合防护结构具有现实指导意义。1

研究方案

本文以国内某重要地下 设施为算例，选取平 9.2 mx%2 #的复合结构作为 防护结构，研究

型号导弹（以下为弹体#

作

下的力学（暂不 导弹 #。复结构分为钢、泡 、PE纤维、钢四。在控后置钢 和纤维层不变的前提下，本文着重 了

：钢

、泡

对复合结构的

。设

结构工况，各复合结构 及工况设置见表1。

2

有限元建模2. 1

模型的建立-泡

-纤维复合结构平面尺寸均为9. 2

mx9. 2 m，表 1 中后四组（S6F5、S4F6、S8F4 和 S10F3)按照等质量原则设置。弹体长3. 88 m，弹 径37 cm，总重2 #2 kg，初始速度为200 m/s、 233 m/s、266 m/s、300 m/s，圆形弹头。采用

ANSYS建立1/4模型，分析过程由结构非线 丨

态分析程序LS-DYNA3D. 971完成。以S2F5模型

为例，有

型与计算模型如图1所示，模型共

表1复合结构尺寸及工况设置

Tab. 1 Size and operating conditions of composite structure

3泡

3 PE:

维/后

3

弹 始

3

S2F52.050.02.0. 5S2F62.060.02.0. 5S2F72.07\".\"2.0. 5200

S4F.2250.02.0. 5233S6F56.4450.02.0. 5266S4F.226\".\"2.0.)300

S8F48.6 .2.0.S10F3

10.88

3 .

2.

0.

! S-钢；F-泡 & S2F5 表示 2 cm、泡 50 cm、

纤维2 cm、后置钢板0. 5 cm的钢-泡

-纤维复合结构。

(a)复合结构1/4建模

\"a) 14 model of the composite structure

(b)弹体与S2A5复合结构尺寸图（单位！ cm)(b)Missile and S2A5 composite structure size\"unit: cm)

图1复合结构有限元模型与计算模型

Fig. 1 Finite element model and the calculation model

第1期王潇羽，等：钢-泡沫铝-纤维复合结构抗冲击性能数值分析115

2.2材料参数

弹体和钢板均采用％ MAT_JOHSON_COOK材型，该型 弹 屈

于

率大范围变化的问题。

7. 85 g/cm3，两者

7. 83 g/cm3，

束。弹 弹

并与泡

接触，因此弹体于泡 了面对面侵蚀接触。 纤维层、纤维

后

对 蚀接触。由于

生：与

对均设置、泡自

、纤维分 泡 均

、纤维、后

弹性模量！〇GPa，泊松比0.3。钢板为装甲钢板，

1 380 MPa，抗拉强度 1 550 MPa。泡沫铝材料采％ MAT_CRUSHABLE_FOAM模 型，它够模拟泡 的失效行为，

达到拉伸和于分析

为。泡

接接触。算例中 的某型号导弹

300 m/s， 到复合结构作为防护结构上：尚可有部分覆土厚度，因此弹体分 始 ！0m/s、233 m/s、266 m/s、300 m/s冲击复合结构革巴 泡沫金属 厂制作的开孔泡沫

，

部橡胶 ， 1.747 4 g/m3,

弹

1.3 MPa，拉止

值

50 MPa， 学

图2所示的泡

-

系描述。

图2泡沬铝材料应力应变曲线

Fig. 2 The cure between stress and strain of aluminum foam

PE 纤维采用 ％ MAT—ENHANCED—COMPOSI-

TEiDAMAGE 本构模型，此 型是由Chang ZChang 的复

失效模型，

0.97

g/cm

3,弹性模量10 MPa，泊松比0.2,其他材料

参数见表2。其中％.为剪切强度，为轴向压缩强

，为轴向拉 ，％[为横向压缩 ，％[为

向拉 。为化计算，可认为材料各向同性，

并不考虑复

效果。

表2 PE纤维材料参数表

Tab. 2 PEfiber material parameter

参数Gab

/GPa/GPa/GPa/GPa/GPa/GPa维

40

350

420

15

3

3

2.3边界条件及初始条件

本算例中 为靶板底面四边46. 8 cm范

围

支体系，在对

处分别设置对称边

板中心。3

模拟结果与分析3. 1

复合结构破坏特征图3给出了 拟得到的 复合结构 ：

式。 先

压缩

，过程中与泡沫协同

，最终拉升断裂。

泡

式也分为压缩区和无压缩区，但压缩主要发生于弹体 作用的中心 ，可察到局部的 大

，冲较大的 下，

完全

实化，名的 也有部分泡 到压缩，但压缩 显减小，与后 接处基本保

状，

受

.较

及被约束

，泡

几 有压缩。维层和后

弹体较接

，

压缩量已

经很大时才 阶段，最终弹 拉伸断

。 后 和 维 的 围 显大于

图3复合结构受冲击荷载作用下破坏过程 Fig. 3 Destructive of composite structure underimpact load

116南方能源建设

第4卷

板的 3.2

围。

， 高越明显。

有效提高复合结构抗

，

-

层厚度 结构抗冲击性能影响

对比S2F5、S2F6和S2F7结构受初始速度200

可知泡

对复

效率提

#3弹

结构抗 的 $ 对 图4所示，观察可发现，S2F5、S2F6和S2F7结构吸收总 能量值分别为 78. 79、90.66、86.38 ( xl〇5J)，其 中2 cm厚的

J

基本能够 10. 5 x #5

的能量；三种结构泡 的 分别为59. 97、74. 12、70. 73 ( x#5 J)，S2F6 泡沫铝较

S2F5 J

20%

23. 59%，S2F7 泡沫

铝较 S2F5j

40%

17.92%，表明

S2F7

泡 未全部发挥效能，观察弹 彻过程能够 ，S2F7泡 有全部大 压缩时弹

已降为0， 泡

、纤维

后置

未发挥全部效能。

S2F5

S2F6

S2F7

图4不泡沬芯层厚度下复合结构吸能对比

Fig. 4 Energy comparison of structures with different

thicknesses aluminum foams

3. 3

前置钢板厚度对复合结构抗冲击性能影响

对比S2F5、S4F5和S6F5结构受初始速度 200 m/s弹 可对复合结构抗 的 ， 对 图5所示，观察可发现，S2F5、S4F5和S6F5结构 吸能总量分别为 78.79、90.74、92.23(/10”），

S4F5

和S6F5较S2F5丨 均有所提高。三种结构

差很大，分为1.53、

15.65、28.08 ( xl05 J#，S4F5 结构前置钢板较

S2F5

厚度质

111% (即 100 cm厚泡

质量） 48.6%，S6F5结构

较 S2F5 质

222% (即 200cm

泡 质 )

166.7% ，

由于三种结构均全部 全部发挥效能，因此

Fig. 5 Energy of structures in each layers with different

thicknesses front plates

3. 4

同质量复合结构不同材料比重对复合结构抗 冲击性能同质

泡

重不同的

五种复合结构 对

图6所示。观察图6(a)

可 ，

的 ，

显，

多少与弹

始

基本 ，

此将不同初始 下 平均，更

具比较意义，钢板吸能平均值分别为7. 55、15.70、 27.76、49. 98、75. 80 ( x 105

J

)，S4F6、S6F5、

S8F4、S10F3

结构钢板吸能较S2F7分别提高了

107. 94%、267. 68%、561. 99%、1 004. 0%，表明 较厚的 对结构的 有利。观察图6(b)可知， 弹

始

的

，同一泡

也

，可解释为由于泡 的

率效， 泡 率的 大，

增大，因此够

更多

。除20 m

/s

初始速

对

种结构以及233 m

/s

初始速度对应S2F7、S8F4、S10F3

结构未被穿透，其他结构工况下复合

结构均被 ，认为泡 全部发挥效能，具有可 ： 泡

的减少，泡也有明显减少，但当

达到一 ，较

的泡

也

较多的

，对 300 m

/s

初

始 对 种结构泡 分别为102.7、

81.87、82.78、84.68、66.41 ( xl05 J)，S4F6、

S2F7、S8F4

泡沫铝吸能基本差不多，为S2F7结构

泡沫铝吸能的80%左右，S10F3较S2F7

减少

3. 3%。图6(c)所示为等质量五种结构吸能总量，

第1期王潇羽，等：钢-泡沫铝-纤维复合结构抗冲击性能数值分析117

39.030、37.970,表明同质量的复合结构中，增 大

重会提高复合结构的 泡

质量达到一

，但当 后，再

同一质量复合结构中钢

：

重效果将不再明显，

板与泡 存在一个最优比，在本中讨论的10 t级的复合结构中， 泡 的质量优 泡

0(7 3 1附近。这种

较

同质 的

较多，但当

可以解释为：增

效刚

显，因此S2F7结构

(b)同质量结构泡沫铝吸能

\"b # Aluminum foam energy absorption of three structures

with same quality

(c) Energy absorption of three structures with same quality

图J同质量复合结构吸能对比 Fig. 6 Energy absorption comparison of three

structures with same quality观察可知，除200 m/s初始速度对应五种结构以及 233 m/s初始速度对应S2F7、S8F4、S10F5结构未 被

，

工下复合结构均被

，具有可比

:对300 m/s初始 对

种结构，才

能最少的 S4F6 结构，S6F5、S2F7、S8F4、S10F3

结构

较其分别提高7(20、11.560、

达到一级后，能有效带动泡沫铝 ， 提高 更明

显，因此S8F4结构的抗

好，而当 ：

重过大时，泡 太少，t

少，因此S10F3吸能效果不如S8F4。4

钢-泡沬铝-纤维复合结构优化设计如表3所示，能够抵抗300 m

/s

弹体冲击的混

凝土井盖起码需要4. 1 m厚，9. 2 m X9. 2 m X4. 1 m

的

土结构重达850 t，拟定复合结构重量为

150 t，即为混凝土结构的1/5. 67。为寻求150 t重 级的能够抵抗300 m

/s

初始 弹 的复

结构，本节中设置S2F8、S4F7、S6F6、S8F5、

S10F4

五种结构方案，各结构尺寸数据见表4。

表3半穿甲侵彻能力

Tab. 3 Bombs penetration ability

弹速/(m • s-)

100200

300

400

500

1钴土深度/m

14.9

36.4

57. 979.4100.9筋 3土m

U. 9

2. . 1

6. 3

8. 7

表4各结构尺寸数据表

Tab. 4 The data tble of structure size

号

前面钢板/cm泡 3m PE :维/cm后 3m

S2F82.0088.0!.00.5S4F74.2278.0!.00.5S6F66.4468.0!.00.5S8F58.6658.0!.00.5S10F4

10.8848.0!.00.5

五种结构能量吸收对比如图7所示。观察可发 现，五种结构总吸能分别为10.3、139.44、 147. 62、173.78、161.77 ( X 105 J)，表明 S8F5 结 构 够 多的 。 察各结构 ，和泡

的质

有一个

的

，当

；

118南方能源建设$第4卷

大小时，复结构均达不到最优抗 这个最优质 该存在于S8F5和S10F4 ,一 分析， 最优比在3 1〜〇. 83 3 1之间。

80构吸能分别提咼7. 020、11.560、39.030、 37.97%，

，

当

大

重会提高复合结构的冲泡

质 达到一

，

泡沫错质量

后，再 重效果将不再明显， 泡

存在一个质 优比，在10 t级的泡沫复合结构中， 0.97 3 1 附近。

泡沫铝的质

优

o

~~~~(

SI ) /120-90-0­

_

n

En

H后置钢板H

3)150 t级的钢-泡沫铝-纤维复合结构中， 前置钢板与泡沫错质量最优比在0.5 3 1〜0.83 3 1

6

纤维层

泡沫铝h前置钢f3 板

S2F8 S4F7

S6F6 S8F5 S10F4

图7五种结构能量吸收对比

Fig. 7 Energy absorption comparison of five kinds of structures结构的制作工艺同样是需要考虑的 一:为 到 的 ， >60 mm时需在专门的特质 上

，因此可将前置

义在95 mm。泡

生产后

的方生成，因此理论上任 可

，因此同 将泡 义为 )40 mm， 此

生的

结构S9. 5F. 0依 够保证重量在10 t，能够保证抵抗300 m/s〗 弹 ，且有一定的安

全储备。 到 的造价，特殊 的造价大约

为3 000元/t，而泡 将近7 000元/t，因此

少用泡 当然是比较好的 。由于在150 t级别的复合结构中， 泡 质 达到0.75: 1〜0.83: 1时结构的冲击性能最强，因此可

以选择钢板和泡沫错质量比0.83 3 1，此时，刚在

多，造价小。当由于S9.5F.0还有一

安全储备， 拟 330 m/s

始 的弹体，可认为具有一*定安全储备。5结论

1) 每单增加10 cm泡沫铝时，复合结构吸能增 加14. 18 X105 J，而单增加相同质量钢板材料时，

18.94 X105 J，一质 围内，单增 对复合结构抗 的提升要优于 相同质 泡 。

2) 120 t级的同质量的五种复合结构中，随着

泡 质 的 ， 质 （前

泡沫错质量的 ）最小的结构， 结，

工要求和造价，

9.5 cm、泡

cm 好，可 抗300 m/s初

始弹体，具有一定安全储备， 弹 始速为330 m/s，其重 有钢筋

土结构的1/

5.67,体积只有钢筋混凝土结构的17%，且冲击性

较钢筋

土更优越，很好的解决了钢筋

土

防护结构重量大、体积大的问题，具有较大的推广 意义。

参考文献：

[1 ] 廖祖伟.钢板-支撑钢筋-聚氨醋复合材料结构的性能及其

在地下防护工程中的应用研究[D].四川：西南交通大 Z，2007.

LIAO Z W. Study on performance of steel //supported reinfor­

cing bar ,/polyuretliane composite structures and research on the application of underground protective work [ D ]. Sichuan Prov­ince： Southwest Jiaotong University，2007.

[2] 杨飞，王志华，赵隆茂.泡沫铝夹芯板抗侵彻性能的数值研

究[J].科学技术与工程，2011，11(15): 3378-3382.YANG F，WANG Z H，ZHAO L M. Numercal studies on a

luminum the penetration resistance of foam sandwich board [ J ]. Science Technology and Engineerng， 2011， 11 (15): 3378-3382.

[3] VILLANUEVA G R，CANTWELL W J. The high velocity im­

pact resj)onse of composite and FML-reinforced sandwich struc­

tures [J]. Composites Science and Technology，2004，(1):

35-.

[4] VAIDYA U K，NELSON S，SINN B，et a1. Processing and

high strain impact

resj)onse of multifunctional sandwich compos­ites [ J]. Composite Structures，2001，52(3): 429-440.

[5] 张明华，赵恒义，谌河水.泡沫铝夹芯板动态抗侵彻性能的

实验研究[J].力学季刊，2008, 29(2): 241-247.ZHANG M H，ZHAO H Y，ZHAN H S. Expermental re­

search on anti-;penetration properties of sandwich plate witli alu­minum foam core [ J ]. Chinese Quarterly of Mechanics，2008， 29(2): 241-247.

(下转第 12 瓦 Continued on Page 142)142南方能源建设

第4卷

察、文件审查、外部评估结论等评价手段，重点关 注纠正行动实施后是否有重复缺陷出现或缺陷的趋 势变化是否有改变、行动的实施是否引发新的或其 它的问题等。

2. 5. 2对于重要外部经验反馈的纠正行动计划开 发的有效性评价

由于重水堆技术存在较多的共性问题，因此来 自重水堆业主联合会（COG)的运行经验反馈信息 对于中核运行三厂来说有着非常重要的价值。比 如，2008年5月Pickering A核电厂1号机组装卸 料机曾发生过L杆蜗轮与BELL齿轮连接的6个连 接螺栓断裂的故障，导致机组停堆59天。由于对 该外部经验反馈的分析评价不到位，只是简单采取 了培训的行动，从而导致2011年1号机组因装卸 料机故障而停堆检修。中核运行三厂还曾因对 COG有关同样的仪表管线的外部经验反馈的纠正 行动计划开发有效不足，没有具体落实如何实施 预防性维修工作，从而导致在2013年1月19日 和3月2日，中核运行三厂1号机组因为破损燃 料定位系统的仪表管线泄漏进行两次计划小修工 作。还有其它情况，比如端屏蔽冷却系统堆腔覆 盖气体氢气浓度异常升高等问题，这些都是在对 已经获取了 COG其它核电厂类似的经验反馈的情 况下，由于未能有效开发纠正行动计划而给电厂 造成了安全和经济上的损失的案例。IAEA的分析 报告也曾指出一个普遍存在的现象，即在评价外 部经验反馈的适用性时存在一种寻找各种支持其 不适用于本电厂的依据的倾向。中核运行三厂对 于重要COG经验反馈采取实际的纠正行动的比例 一直低于加拿大本土的CANDU核电厂和罗马尼

亚Cernavoda核电厂，后续启动对重要外部经验

G

反馈类（比如CO经验反馈小组定义的重要事

件）的纠正行动计划有效性评价工作，并持续优化 对核电厂还是很有实际意义。3

结论

通过2015年以来开展的中核运行三厂纠正行 动计划有效性评价工作，总体上的开发质量还是较 好的，大部分都能满足要求。开展此项工作的意义 不仅仅是监督经验反馈的实效、对一些质量不符合 要求的纠正行动计划的重新开发以解决问题，更重 要的是促进核电厂员工对于核电厂安全文化和管理 理念及工作的认同，并形成开发高质量纠正行动计 划的共识。对于有效性评价工作本身，由于实践经 验不足，也有相当的改进空间。本文论述的改进方 向建议也可以作为后续开展有效性评价优化工作的 基础。

参考文献：

[1 ] International Atomic Energy Agency. Effective corrective actionsto enhance operational safety of nuclear installations: IAEA- TECDOC-1458 [S/OL]. Vienna: International Atomic Energy

2005. http://www-pub.iaea.org/MTCD/Publica-

tions/PDF/te_1458_web. pdf.[2] International Atomic Energy Agency. Best practices in the organ­

ization ， management and conduct of an effective investigation of events at nuclea power plants ： IAEA-TECDOC-1600 [ S/OL]. Vienna，Austria: International Atomic Energy Agency，2008. http: //www-pub. iaea. org/MTCD/Publications/PDF/te」600 _web. pdf.

(责任编辑郑文裳）

Agency,

(上接第 18 贾 Continued from Page 118)

[6] HOO FATTM S，PARK S S. Perforation of honeycomb sand­

wich plates by projectiles [ J] • Composites: Part A，2000， 31(8) : 8-9.

[7] HANSEEN AG，GIRARD Y，OLOVSSON L，et al. A nu­

merical model for bird strilce of aluminium foam-based sandwicli panels [J]. International Journal of Impact Engineering，2006， 3(7): 1127-1144.[8] MEOM，VIGNJEVICR，MARENGOG. The respionse of ho­

neycomb sandwich panels under low-velocity impact loading [J ]. International Journal of Mechanical Sciences，2005， 47

(9): 1301-1325.

[9] GURUPRASAD S，MHKHERJEE A. Layered sacrificial clad­

dings under blast l(责任编辑郑文裳）