納米 SIO2氣凝膠氈與高強(qiáng)聚乙烯復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)隔熱性能研究

鄭 盼，朱 錫，李永清，朱子旭

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

納米 SIO2氣凝膠氈與高強(qiáng)聚乙烯復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)隔熱性能研究

鄭 盼，朱 錫，李永清，朱子旭

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

為探討新型復(fù)合裝甲在艦船發(fā)生火災(zāi)時(shí)高溫對(duì)氣凝膠氈保護(hù)的高強(qiáng)聚乙烯的影響規(guī)律，以及在 A60標(biāo)準(zhǔn)條件下高強(qiáng)聚乙烯免受高溫影響所需氣凝膠氈的厚度，設(shè)計(jì)了不同厚度的氣凝膠氈與高強(qiáng)聚乙烯夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)，借助有限元軟件 Ansys14.0 對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果較吻合；氣凝膠氈面火層溫度梯度較大，向背火層方向依次減小，SiO2氣凝膠氈具有很好的隔溫效果；該防護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到 A60 熱防護(hù)要所需 SiO2氣凝膠氈的厚度約為 21.8 mm。

熱防護(hù)；氣凝膠氈；火災(zāi)；數(shù)值仿真

0 引 言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，半穿甲導(dǎo)彈通過(guò)設(shè)置延時(shí)引信使戰(zhàn)斗部穿透船體外板后在艙室內(nèi)部起爆，爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高速破片對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)和人員構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，聚乙烯纖維復(fù)合材料作為新型復(fù)合材料，其具有重量輕、抗彈性能優(yōu)異等特點(diǎn)[1–2]，朱錫等[3–6]對(duì)高強(qiáng)聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合抗爆艙壁進(jìn)行了近距空爆下變形破壞模式試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：高強(qiáng)聚乙烯具有很好的抗穿甲性能和吸能性能，適當(dāng)增加復(fù)合抗爆艙壁夾芯層厚度和質(zhì)量有利于其整體抗彈性能的提高。

然而，高強(qiáng)聚乙烯受溫度影響明顯，UHMWPE 纖維晶體熔點(diǎn)（Tm）約為 147 ℃[7]，當(dāng)環(huán)境層溫度達(dá)到147 ℃ 后 UHMWPE 纖維晶體會(huì)逐漸軟化，持續(xù)高溫會(huì)使其脫層皺縮燒蝕，從而降低其抗彈性能。SiO2氣凝膠氈具有良好的隔溫性能[8–10]，譚大力等[11]對(duì) SiC 陶瓷和 SiO2氣凝膠氈組合結(jié)構(gòu)隔熱性能研究表明：SiC 陶瓷和 SiO2氣凝膠氈組合結(jié)構(gòu)具有很好的隔熱性能，綜合利用該組合結(jié)構(gòu)能有效保護(hù)金屬背襯結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代艦船向著輕量化方向發(fā)展，用低質(zhì)量高強(qiáng)度的聚乙烯板代替厚重的船用裝甲，在達(dá)到相同防護(hù)效果的同時(shí)，對(duì)減小艙壁結(jié)構(gòu)整體面密度具有重要意義。

基于上述分析，為探討新型復(fù)合裝甲在艦船發(fā)生火災(zāi)時(shí)高溫對(duì)氣凝膠氈保護(hù)的高強(qiáng)聚乙烯的影響規(guī)律，以及在 A60[12]標(biāo)準(zhǔn)條件下高強(qiáng)聚乙烯免受高溫影響所需氣凝膠氈的厚度，設(shè)計(jì)了不同厚度的氣凝膠氈與高強(qiáng)聚乙烯夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)。本文以 10 mm、20 mm 和 30 mm的 SiO2氣凝膠氈為隔溫層，高強(qiáng)聚乙烯板為抗彈層，船用鋼為前/后面板，參照 A60 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)單元模型進(jìn)行仿真分析研究，并分析 SiO2氣凝膠氈厚度變化對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)溫升變化的影響規(guī)律及用插值方法確定不使高強(qiáng)聚乙烯受高溫影響所需隔溫層的最佳厚度。

1 理論分析

熱量傳遞有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射 3 種形式。固體材料內(nèi)部主要熱量傳遞形式是熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)可用傅里葉方程表示；式中：Q 為時(shí)間 t 內(nèi)的傳熱量；K 為熱傳導(dǎo)系數(shù)；T1，T2為發(fā)生熱傳導(dǎo)的 2 個(gè)區(qū)域溫度；A 為傳熱面積；d 為傳熱距離。

為簡(jiǎn)化模型單元以及方便計(jì)算，本文采用固體材料的熱傳導(dǎo)計(jì)算方法?；鹪礈囟仁请S時(shí)間變化的量，熱量的傳遞是對(duì)時(shí)間的積分，于是建立瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程：

式中：t 為時(shí)間；λij為材料導(dǎo)熱系數(shù)；T 為溫度；x 為板厚方向尺度；ρ 為材料密度；c 為比熱容。

2 模型建立

2.1 結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)代艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)的選材及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了 10 mm，20 mm 和 30 mm 的 SiO2氣凝膠氈隔溫層夾芯結(jié)構(gòu)模型，如圖 1 所示。

該結(jié)構(gòu)單元共有 5 層，中間層為具有抗彈作用的高強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料，根據(jù)實(shí)際艙壁防護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸，取厚度為 60 mm；高強(qiáng)聚乙烯兩側(cè)為具有隔溫作用的納米 SiO2氣凝膠氈，因?qū)嶋H情況下火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)具有不確定性，為更好地保護(hù)高強(qiáng)聚乙烯免受高溫影響，采取在高強(qiáng)聚乙烯兩側(cè)布置等厚度納米 SiO2氣凝膠氈的方法，模型中納米 SiO2氣凝膠氈隔溫層的厚度分別為 10 mm，20 mm 和 30 mm，計(jì)算不同厚度的氣凝膠氈作隔溫層時(shí)的溫度分布，有利于分析不同厚度的氣凝膠氈在相同條件下的導(dǎo)熱規(guī)律以及內(nèi)部溫度分布規(guī)律；結(jié)構(gòu)單元最外層分別為 5 mm 和 10 mm 的船用鋼，船用鋼主要起支撐、密封、裝飾等作用。

為準(zhǔn)確測(cè)定該結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部的溫度變化，布置了如圖 1 中的 4 個(gè)間隙層溫度測(cè)點(diǎn)，但在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于火源溫度是單向發(fā)生且單向傳導(dǎo)，所以只需要測(cè)定靠近火源那一側(cè)的溫度即可。

2.2 邊界條件與初始條件

在對(duì)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)建模時(shí)，對(duì)模型的面的尺寸可以進(jìn)行忽略，從熱模型簡(jiǎn)化到實(shí)體模型并做如下假設(shè)：

1）結(jié)構(gòu)的初始溫度為室溫（25 ℃）弱化周?chē)諝饬鲃?dòng)影響；

2）忽略結(jié)構(gòu)與空氣發(fā)生對(duì)流換熱等現(xiàn)象；

3）在厚度方向上，同等厚度平面的溫度等值；4）前鋼板靠近火源側(cè)表面溫度近似為火源溫度。

火源溫度設(shè)置為 A60 標(biāo)準(zhǔn)條件的值，其函數(shù)為：345log（8t + 1）+ 25，其中 t 為時(shí)間，單位為 min，溫度曲線如圖 2 所示。

2.3 材料熱物理參數(shù)

高強(qiáng)聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)高強(qiáng)聚乙烯層合板，英文名稱(chēng)縮寫(xiě)為 UFRP）和船用鋼板在進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)可忽略其力學(xué)性能，其熱物理性能見(jiàn)表 1。

納米 SiO2氣凝膠氈的納米孔隙會(huì)因高溫而發(fā)生破壞，從而增大其導(dǎo)熱系數(shù)，降低隔熱性能，其熱物理性能見(jiàn)表 2。

表 1 高強(qiáng)聚乙烯和船用鋼熱物理性能Tab. 1 Physical properties of high strength polyethylene and armor plate

表 2 氣凝膠氈的熱物理性能Tab. 2 Thermal physical properties of silicate Aero-gel

2.4 幾何模型

在實(shí)際艦船艙壁中，面積與厚度之比較大時(shí)，可忽略艙壁內(nèi)部溫度橫向傳播散熱，于是模型可視為一維單向熱傳遞，直接用 Ansys14.0 建立平板面模型，如圖 3 所示。

因納米 SiO2氣凝膠氈的導(dǎo)熱系數(shù)受環(huán)境溫度不同而不同，為計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，將納米 SiO2氣凝膠氈厚度按 10 mm 等分，根據(jù)計(jì)算過(guò)程中氣凝膠氈的實(shí)際平均溫度設(shè)置相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)。

另外，選擇距離熱源不同距離的節(jié)點(diǎn) A，B，即靠近火源一側(cè)的隔溫層的兩側(cè)溫度，A 節(jié)點(diǎn)溫度用于與火源溫度對(duì)比，判斷仿真的準(zhǔn)確性，B 節(jié)點(diǎn)用于與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷仿真的可靠性。

3 結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

溫度場(chǎng)模擬分析時(shí)，因?yàn)闊彷d荷為時(shí)間-溫度函數(shù)，各節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度也是對(duì)時(shí)間函數(shù)的積分，于是可計(jì)算出不同時(shí)間段內(nèi)艙壁內(nèi)部的溫度分布，如圖 4～圖 6 所示分別為模型 1、模型 2 和模型 3 在 5 min，60 min 時(shí)的計(jì)算溫度分布。

將模型 1、模型 2 和模型 3 在不同時(shí)間段內(nèi)沿厚度方向上的溫度提取出來(lái)并繪制曲線，如圖 7 所示。

從圖 4～圖 7 中可知，納米 SiO2氣凝膠氈面火層附近的溫度梯度較高，并且隨著時(shí)間的持續(xù)，納米SiO2氣凝膠氈表面溫度上升，其溫度梯度也將上升。在納米 SiO2氣凝膠氈背火面的溫度梯度卻很小，即不隨時(shí)間的變化而發(fā)生大的變化。這是由于納米 SiO2氣凝膠纖細(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域激發(fā)的傳播，還由于孔洞尺度在幾十納米，比常壓下氣體分子的平均自由程要小，使得在微孔洞內(nèi)的氣體分子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)受到抑制而具有極好的隔熱效果。

從圖 7 中的 3 幅不同時(shí)間內(nèi)沿厚度方向的溫度分布曲線圖可以看到，前 1～5 mm 為船用鋼板，由于鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)較大，所以鋼板前后兩面的溫差較小且接近火源溫度；每條溫度曲線在 5 mm 厚度開(kāi)始都有明顯的轉(zhuǎn)折，溫度曲線急劇下滑，說(shuō)明從 5 mm 開(kāi)始的氣凝膠氈防火材料具有很好的隔溫性能；氣凝膠氈后為具有抗彈作用但不耐高溫的高強(qiáng)聚乙烯，從 3 幅圖中可看到溫度曲線在此再一次的發(fā)生了轉(zhuǎn)折，那是因?yàn)楦邚?qiáng)聚乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)較氣凝膠氈大得多的緣故，高強(qiáng)聚乙烯前后面的溫差不大，但主要計(jì)算高強(qiáng)聚乙烯板迎火側(cè)表面溫度是否達(dá)到 147 ℃，以此判斷高強(qiáng)聚乙烯是否受損及該艙壁結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足在 A60 條件下的熱防護(hù)要求。

圖 8 為 Ansys14.0 所計(jì)算出的不同厚度氣凝膠氈防范 A60 火源后的剩余溫度，分別為 331 ℃，162 ℃、77 ℃，將三點(diǎn)連接起來(lái)為一條非線性的曲線，于是可以利用三點(diǎn)插值法初步計(jì)算防范溫度低于 147 ℃ 所需氣凝膠氈的厚度約為 21.8 mm。

3.2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

隔溫層氣凝膠氈的作用在于保護(hù)高強(qiáng)聚乙烯買(mǎi)免受高溫的影響，不同厚度的氣凝膠氈隔溫效果也大有不同。圖 9 給出了以 20 mm 和 30 mm 氣凝膠氈作隔溫層時(shí)，在 A60 標(biāo)準(zhǔn)條件下 60 min 內(nèi)高強(qiáng)聚乙烯表面的實(shí)驗(yàn)溫度變化值[13]與仿真溫度變化值的比較。從圖中可以看出 2 組實(shí)驗(yàn)溫度均低于相應(yīng)的仿真溫度，說(shuō)明在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)散熱比較大，同時(shí)也說(shuō)明了本仿真的可靠性；20 mm 氣凝膠氈作隔溫層時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合性較好，但 30 mm 氣凝膠氈作隔溫層時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算結(jié)果低，說(shuō)明隔溫層越薄，影響溫度傳遞的因素越少，實(shí)驗(yàn)值越接近理論值；2組仿真值都是比較平穩(wěn)增加，且近視線性變化，而實(shí)驗(yàn)值波動(dòng)比較大，且剛開(kāi)始時(shí)段溫度上升緩慢，但最終值還是會(huì)趨近計(jì)算值，說(shuō)明實(shí)際情況下溫度的傳播需要反應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）研究表明：納米 SiO2氣凝膠氈材料沿厚度方向的溫度梯度變化，在其面火層極為陡峭，但在其背火層變得平緩，說(shuō)明納米 SiO2氣凝膠氈具有極好的隔熱效果。

2）利用 SiO2氣凝膠氈良好的隔熱性能和高強(qiáng)聚乙烯良好的抗彈性能，設(shè)計(jì)了納米 SiO2氣凝膠氈/高強(qiáng)聚乙烯/納米 SiO2氣凝膠氈夾芯組合隔熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。

3）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析了熱防護(hù)結(jié)構(gòu)在 A60 標(biāo)準(zhǔn)火源條件下的溫度分布及變化規(guī)律特性，并與試驗(yàn)實(shí)測(cè)情況進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合；通過(guò)三點(diǎn)插值計(jì)算優(yōu)化，得出高強(qiáng)聚乙烯免受高溫影響的納米 SiO2氣凝膠氈隔溫層厚度約為21.8 mm。

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The simulation analysis of composite annor structure heat insulation performance of different thickness of silicate Aero-gel and high strength polyethylene

ZHENG Pan, ZHU Xi, LI Yong-qing, ZHU Zi-xu
(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to explore the influence of new type composite armor in high temperature fire to protect high strength polyethylene from silicate Aero-gel. And the requirement of silicate Aero-gel for protecting high strength polyethylene from high temperature in A60 standard condition. Designed the sandwich armor structure using different thickness of silicate Aero-gel and high strength polyethylene, which used finite element software Ansys14.0 to analysis the temperature field. and compared the simulation results with experimental results. The results show that :the experimental results and simulation results are in good agreement; the reduce of temperature gradient from the surface toward fire to the surface backward fire indicate the good effect of silicate Aero-gel in temperature compartment; the armor structure to achieve the A60 standard needs a thickness of silicate Aero-gel as 21.8mm.

thermal protection；silicate Aero-gel；fire；numerical simulation

U668.1

A

1672–7619(2017)03–0041–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.008

2016–05–06；

2016–07–13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51179200）

鄭盼(1990–)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇貌牧吓c應(yīng)用工程。