內(nèi)埋炸藥下超高韌性水泥基復(fù)合材料的抗爆性能*

吳 平，徐世烺，李慶華，周 飛，陳柏錕，蔣 霄，AL MANSOUR Ahmed

（浙江大學(xué)高性能建筑結(jié)構(gòu)與材料研究所，浙江 杭州 310058）

近年來，隨著恐怖主義事件和局部沖突的頻繁發(fā)生，出現(xiàn)了各種高精度、超高速以及高智能武器，要求防護(hù)結(jié)構(gòu)具有更高的抗侵徹和抗爆炸能力[1]，特別是軍事防御體、機(jī)場(chǎng)跑道、超大型橋梁、大壩等特殊結(jié)構(gòu)。有一類鉆地武器，它并不是在接觸到靶體后就立刻爆炸，而是先侵入防御體一定深度后再發(fā)生爆炸[2-4]，這種爆炸現(xiàn)象與接觸爆炸不同，接觸爆炸的大部分能量都傳遞到了空氣中，而這種爆炸的大部分爆炸能量都作用在了打擊目標(biāo)上，能造成更大的損傷。因此，有必要研究這類炸藥埋深爆炸現(xiàn)象。王成等[5]通過數(shù)值模擬研究了不同炸藥埋深下混凝土靶體爆破漏斗坑半徑的變化規(guī)律，結(jié)果表明，隨著炸藥埋深的增加，爆破漏斗坑的半徑會(huì)先增大后減小。Lai 等[6]對(duì)超高性能混凝土進(jìn)行了不同炸藥量的埋深爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入玄武巖纖維和鋼纖維可以有效提高混凝土的抗爆炸性能。但是鋼纖維混凝土本身延性較差，在爆炸荷載作用下，纖維以拔出現(xiàn)象為主，其破壞模式以單一裂縫破壞為主，本質(zhì)上沒有改變混凝土破壞呈脆性破壞這一特點(diǎn)[7]。

y=-143 575.138-227.053x1+1 389.963x2-238.091x3+1 123.636x4+893.114x5-1 047.609x6+1 730.197x7+567.478x8

超高韌性水泥基復(fù)合材料(ultra-high toughnesscementitiouscomposites,UHTCC[8]，也被稱為ECC[9-10]、SHCC[11]等)具有多縫開裂、高拉伸韌性、高耐久性以及良好的能量吸收能力[12-14]，在防護(hù)工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)UHTCC動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究也較多。劉問[15]通過落錘實(shí)驗(yàn)對(duì)普通混凝土和UHTCC進(jìn)行了抗沖擊性能研究，發(fā)現(xiàn)UHTCC沖擊耗能能力是普通混凝土的47.8倍，初裂后吸收能量的能力是普通混凝土的1089.9倍。UHTCC的層裂實(shí)驗(yàn)顯示[16]：在同等應(yīng)變率下，UHTCC與靜態(tài)抗拉強(qiáng)度相近的混凝土相比，層裂強(qiáng)度高出10 MPa 左右，且破壞過程呈現(xiàn)多縫開裂現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的韌性。趙昕[7]對(duì)超高韌性水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)UHTCC材料的耗能優(yōu)于相同實(shí)驗(yàn)條件下的鋼纖維混凝土。300～750 m/s的高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[17]：密集的裂縫使得UHTCC與普通混凝土相比在減少震塌、剝落和提高能量吸收等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

此外，數(shù)值模擬也是研究混凝土類材料在動(dòng)態(tài)荷載作用下結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)和破壞模式的有效手段。Li等[18]根據(jù)UHTCC的拉伸和壓縮力學(xué)特性調(diào)整K&C模型中的損傷參數(shù)和率效應(yīng)參數(shù)，建立了可以描述UHTCC材料拉伸硬化特性的動(dòng)態(tài)力學(xué)模型，模擬了彈體高速?zèng)_擊下UHTCC靶板的力學(xué)響應(yīng)，并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示：調(diào)整后的K&C模型可以較好地反映UHTCC板在高速?zèng)_擊荷載下的破壞模式。陳超[19]采用HJC模型對(duì)PVA-UHTCC材料進(jìn)行了霍普金森桿動(dòng)態(tài)壓縮和層裂實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)PVA-UHTCC試件的沖擊壓縮破壞形態(tài)與應(yīng)變率相關(guān)，同時(shí)PVA-UHTCC的層裂強(qiáng)度與應(yīng)變率和壓縮損傷具有耦合關(guān)系。徐世烺等[20]采用LS-DYNA 對(duì)超高韌性水泥基復(fù)合材料功能梯度板的接觸爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)UHTCC功能梯度板可以有效減少爆炸荷載下的開坑、震塌以及靶體損傷，同時(shí)吸收更多的爆炸沖擊波。然而，目前關(guān)于UHTCC在內(nèi)埋炸藥爆炸荷載作用下的研究仍然較少，而這類爆炸對(duì)材料損毀破壞更嚴(yán)重，因此需要進(jìn)一步的研究。

本文中首先通過對(duì)比高強(qiáng)混凝土（HSC），研究相同強(qiáng)度的UHTCC在不同炸藥埋深情況下的抗爆炸性能；然后，采用改進(jìn)的K&C模型對(duì)炸藥埋深為40 mm 的UHTCC靶體進(jìn)行抗爆數(shù)值模擬，并通過對(duì)比靶體迎爆面的開坑直徑以及爆腔深度驗(yàn)證模型的有效性；最后，數(shù)值分析不同抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和拉伸韌性的UHTCC在內(nèi)埋炸藥下靶體的破壞形態(tài)和損傷情況，以期為UHTCC材料在防護(hù)工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 試件制備

實(shí)驗(yàn)材料中UHTCC主要包括：預(yù)先配置好的膠凝材料、粒徑1.6～2.2 mm 的精細(xì)砂、聚羧酸高效減水劑（SP）、長11 mm 的PVA（聚乙烯醇纖維）和普通自來水。HSC主要包括：52.5普通硅酸鹽水泥、最大粒徑為20 mm 的石子、粒徑6.2～8.6 mm 的中砂以及普通自來水。其中配制UHTCC所用的PVA 纖維性能指標(biāo)如表1所示。用以上原料按表2配合比配制纖維摻量為2%的UHTCC和高強(qiáng)混凝土（HSC）。UHTCC靶體的澆筑采用強(qiáng)制式臥軸攪拌機(jī)攪拌，先將干粉與減水劑干拌2 min，然后加入水?dāng)嚢? min，再將PVA 纖維均勻加入繼續(xù)攪拌5 min，并澆筑到預(yù)先制作好的模具當(dāng)中。同時(shí)澆筑基本力學(xué)性能測(cè)試試件，常溫養(yǎng)護(hù)28 d 后測(cè)試。

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，靶體內(nèi)部的破壞形態(tài)無法直接觀察，為了進(jìn)一步了解靶體內(nèi)部的破壞情況，以下采用ANSYS/LS-DYNA 模擬UHTCC靶體的爆炸過程。按照靶體的實(shí)際情況建立如圖8(a)所示的有限元模型，土、炸藥和空氣采用ALE 多物質(zhì)單元。UHTCC靶體采用拉格朗日單元。讓空氣和土包裹住整個(gè)UHTCC靶體，并在空氣和土外表面施加無反射邊界條件，采用流固耦合算法來考慮炸藥、土和空氣與靶體之間的相互作用。靶體底部設(shè)置豎向約束，并采用m-kg-s單位制。同時(shí)通過網(wǎng)格敏感性分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靶體單元尺寸小于4 mm 時(shí)，計(jì)算的結(jié)果都非常穩(wěn)定，但出于計(jì)算效率和精度的考慮，將靶體單元尺寸定為2 mm，炸藥、空氣和土的單元尺寸定為4 mm。最后考慮到物理模型的對(duì)稱性和計(jì)算效率，選用四分之一模型進(jìn)行計(jì)算，其中對(duì)稱面上設(shè)置節(jié)點(diǎn)約束，具體如圖8(b)所示。

本研究基于B/S模式設(shè)計(jì)，采用手機(jī)作為終端采集設(shè)備。由于手機(jī)端瀏覽器相比PC端瀏覽器有很大不同，而且手機(jī)的內(nèi)存、CPU、操作系統(tǒng)等硬件因素也對(duì)該設(shè)計(jì)有很大影響，因此兼容性需要考慮。

表1 PVA 纖維的性能指標(biāo)Table 1 Performanceindex of PVA fiber

表2 UHTCC和HSC混凝土配合比Table 2 Mix proportions of UHTCC and HSC

1.2 基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

依據(jù)ASTM-C469規(guī)范[21]，采用圖1(a)所示裝置測(cè)得UHTCC和HSC的橫向及縱向壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖1(b)所示（應(yīng)變小于0的部分為橫向應(yīng)變，應(yīng)變大于0的部分為縱向應(yīng)變），其中壓縮測(cè)試的試件尺寸均為直徑100 mm、高200 mm 的圓柱體，加載應(yīng)變率為1×10?5s?1。最終測(cè)得UHTCC的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比如表3所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比測(cè)試Fig.1 Measurements of compressive strength,elastic modulus and Poisson's ratio

表3 基本力學(xué)參數(shù)Table 3 Basic mechanical parameters

同時(shí)也對(duì)UHTCC和HSC在25t Instron 試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行了如圖2(a)和圖3(a)所示的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，其中HSC混凝土試件采用兩端埋有預(yù)埋件、尺寸為100 mm×100 mm×500 mm 的棱柱體形狀，UHTCC的拉伸則采用文獻(xiàn)[22]中推薦的狗骨頭形狀試件，具體如圖2(a)，以便整個(gè)受拉過程保持軸心受拉，均以0.1 mm/min 的速率加載。圖2(b)和圖3(b)分別給出了UHTCC和HSC的直接拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出UHTCC的拉伸延性是HSC的300倍，兩種材料的抗拉強(qiáng)度如表3所示。

圖2 UHTCC 直接拉伸測(cè)試Fig. 2 Uniaxial tensile test of UHTCC

圖3 HSC直接拉伸測(cè)試Fig.3 Uniaxial tensile test of HSC

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)是為了觀察兩種材料在不同炸藥埋深下靶體的破壞形態(tài)及抗爆性能，并計(jì)算出相應(yīng)材料的抗爆性能參數(shù)。一共澆筑了兩組（每組4塊）靶體，即炸藥埋深（炸藥中心點(diǎn)到靶體迎爆面的距離）為0、40、80、120 mm 的UHTCC靶體和HSC靶體。根據(jù)兩種材料的基本力學(xué)性能和炸藥用量，選擇了最終的實(shí)驗(yàn)靶體（見圖4），并根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的要求和數(shù)值結(jié)果獲得了靶體的最終尺寸。靶體采用直徑400 mm、高240 mm的圓柱體并外加鋼箍。靶體中心預(yù)留直徑33 mm、不同深度的圓柱形孔。實(shí)驗(yàn)采用50 g 乳化炸藥，藥柱直徑為31 mm。放入直徑32 mm 的PVC薄管中，未對(duì)其實(shí)施任何封堵措施，使用電雷管從炸藥柱的頂點(diǎn)引爆，并將靶體放置在預(yù)先做好的沙土平臺(tái)上。

圖4 抗爆炸實(shí)驗(yàn)靶體Fig.4 A target for anti-blast experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從介質(zhì)材料的抗爆性能參數(shù)Ka和Kb的定義來看，抗爆性能參數(shù)越小，材料的抗爆炸性能就越好。UHTCC的Ka要明顯低于HSC混凝土，這就說明單從Ka的大小來看UHTCC的抗爆性能要明顯優(yōu)于HSC。但是對(duì)于抗爆性能參數(shù)Kb，HSC 要小于UHTCC。這就表明UHTCC在抗迎爆面開坑深度方面要弱于HSC。導(dǎo)致這樣的結(jié)果主要是抗爆性能參數(shù)Kb和靶體開坑深相關(guān)。但接觸爆炸是在一種高應(yīng)變率作用下的沖擊壓縮過程，靶體的材料越硬，靶體的迎爆面開坑深度就越淺，這一結(jié)果也與UHTCC彈性模量低于HSC相對(duì)應(yīng)。

圖5 UHTCC靶體爆炸破壞形態(tài)示意圖Fig.5 Schematic diagram of explosion damage of the UHTCC target

表4～5分別記錄了UHTCC和HSC靶體在炸藥埋深為0、40、80、120 mm 下的破壞參數(shù)，這些參數(shù)客觀表征了靶體的破壞情況。從表5中可知，HSC靶體在有炸藥埋置的條件下都發(fā)生了嚴(yán)重的破壞。這是由于混凝土的脆性導(dǎo)致的，在爆炸發(fā)生后混凝土靶體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，這種沖擊波會(huì)使靶體受到巨大的壓縮、剪切和拉伸應(yīng)力，從而使靶體破碎成細(xì)小的骨料。C-1靶體之所以沒有發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞，是因?yàn)樵摪畜w產(chǎn)生的是接觸爆炸，大部分爆炸產(chǎn)生的沖擊波能量直接傳遞到了空氣中，因此靶體上僅形成一個(gè)較小的彈坑。

表4 UHTCC靶體在不同炸藥埋深下的爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Explosion experiment resultsof UHTCC targets under different depths of explosives

表5 HSC混凝土靶體在不同炸藥埋深下的爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Explosion test results of HSC concrete targets under different depths of explosives

對(duì)比表4和表5，從表面破壞形態(tài)來看，HSC靶體的破壞程度比UHTCC靶體更嚴(yán)重。這是由于UHTCC這種材料不僅極為密實(shí)，而且它的基體與PVA 纖維協(xié)調(diào)得非常好，使得這種材料具有很高的韌性。一方面，這會(huì)使UHTCC靶體在爆炸荷載作用下不會(huì)形成明顯的主裂縫，即使產(chǎn)生微裂縫后PVA 纖維的阻裂作用也會(huì)抑制這些微裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展；另一方面，這種高韌性也會(huì)使材料具有很好的能量吸收效果，這一效果體現(xiàn)在U-2和U-3靶體的破壞形態(tài)上，U-2靶體的炸藥埋置較淺，一部分能量作用在靶體迎爆面，另一部分則傳遞到空氣中，而U-3炸藥埋置較深，大部分能量作用在靶體上，但UHTCC優(yōu)異的耗能效果使得U-3的迎爆面損傷率反而小于U-2。

2.2 抗爆性能參數(shù)

圖12(a)～(b)分別為軸向和徑向靶體單元的壓力-時(shí)間曲線，圖中六點(diǎn)分別取為軸向和徑向距離炸藥中心點(diǎn)5、10、15 cm 的靶體單元。從圖12(a)中可以看出，爆炸沖擊波沿軸向的峰值壓力衰減非常迅速，沖擊波到達(dá)這三點(diǎn)的壓力分別為207.7、24.9、18.6 MPa，與第一點(diǎn)相比，第二點(diǎn)和第三點(diǎn)壓力分別減少了88.0%、91.0%，而沖擊波到達(dá)徑向三點(diǎn)的壓力分別為：61.5、25.8、15.0 MPa，與軸向第一點(diǎn)壓力相比，第二點(diǎn)與第三點(diǎn)的壓力分別減少了58.0%、75.6%。對(duì)比沖擊波沿軸向與徑向的衰減速率可以發(fā)現(xiàn)：軸向衰減速率大于徑向衰減速率。這主要是由于爆炸沖擊波的衰減速率和裝藥形狀有關(guān)，即裝藥尺寸越大的方向應(yīng)力峰值的衰減也越快[33]，而炸藥模型沿軸向尺寸大于沿徑向的尺寸，這也解釋了沖擊波沿軸向衰減速率大于沿徑向衰減速率的現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型的有效性。

遼寧銷售開展“一路風(fēng)景、昆侖相伴”高端柴機(jī)油主題促銷活動(dòng)。針對(duì)卡車客戶群推廣CH、CI級(jí)別高毛利產(chǎn)品，結(jié)合尾氣凈化液、冷卻液等快銷品制定1+1買贈(zèng)促銷組合，打造卡車客戶群“兄弟套餐”，在全國范圍內(nèi)引領(lǐng)高柴店銷步伐。

式中：W為有效炸藥量，e為裝藥高度，D為漏斗坑直徑，H為漏斗坑深度，Ka、Kb為介質(zhì)的抗爆性能參數(shù)。

目前，已有研究[42]結(jié)果提示，S1P可通過與不同受體結(jié)合偶聯(lián)炎癥和凝血反應(yīng)。因此，平衡S1P在炎癥和凝血反應(yīng)中的作用可能成為治療膿毒癥的新途徑。

社會(huì)文化多元化拓展了學(xué)校德育工作的空間，拓寬了學(xué)生的視野，豐富了學(xué)生的認(rèn)識(shí)，給學(xué)校德育工作帶來新的機(jī)遇。同時(shí)，社會(huì)文化多元化對(duì)學(xué)校德育的目標(biāo)、內(nèi)容提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)學(xué)校德育的方法和手段提出了挑戰(zhàn)；德育主體的變化使學(xué)校德育面臨著復(fù)雜的變化。由于學(xué)生心理發(fā)展還不成熟，對(duì)價(jià)值觀的判斷能力、選擇能力還不是很強(qiáng)，容易產(chǎn)生認(rèn)識(shí)的錯(cuò)誤，給學(xué)校德育工作提出了新的挑戰(zhàn)和要求。

當(dāng)炸藥埋深為0時(shí)，兩類靶體都沒有發(fā)生很嚴(yán)重的破壞，表面也沒有明顯的裂紋，只是形成了一個(gè)較淺的漏斗坑。但是只要炸藥埋入靶體一定深度，不管炸藥埋深如何，HSC靶體的破壞形態(tài)都非常嚴(yán)重，并且鋼箍也都發(fā)生了不同程度的開裂，靶體都破裂成不同大小的碎片，碎片的數(shù)量明顯多于UHTCC。這是由于HSC混凝土靶體中沒有添加任何纖維，其本身脆性比較大，再加上混凝土材料的不均勻性，導(dǎo)致混凝土靶體在爆炸荷載作用下破壞非常嚴(yán)重。相反UHTCC靶體很少有碎片崩落和飛出，靶體的整體性非常好，裂縫也非常少，并且UHTCC靶體的背爆面以及側(cè)面沒有出現(xiàn)任何可見的裂紋。當(dāng)炸藥埋深為120 mm 時(shí)，兩種材料都受到了嚴(yán)重的破壞，并且兩個(gè)靶體的鋼箍都完全被炸開。U-4靶體形成了徑向和環(huán)向的貫穿裂縫，PVA 纖維被拉斷，距離炸藥較近的纖維被燒焦。靶體沿裂縫破壞成較大的UHTCC塊體。C-4混凝土靶體幾乎全部破壞成較小的混凝土塊體和骨料，殘留下一個(gè)較小的殘塊。這是由于炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)勁的爆炸沖擊波。當(dāng)炸藥放置較深時(shí)，這種沖擊波所攜帶的大量能量不能快速地傳遞到空氣中，阻礙了爆轟波的傳遞，導(dǎo)致混凝土內(nèi)壁的壓力和空氣密度都急速升高，接著就形成了各種反射沖擊波甚至透射波。這些波和流動(dòng)空氣組成的流場(chǎng)和混凝土結(jié)構(gòu)互相耦合并產(chǎn)生作用[6,26]，會(huì)對(duì)靶體產(chǎn)生很強(qiáng)的壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力及拉應(yīng)力，從而造成靶體的大應(yīng)變、大斷裂破壞。因此，在防護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)該注重提升材料的韌性和耗能效果。

抗爆實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)靶體的破壞形態(tài)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為兩類。一類是靶體表面出現(xiàn)了比較規(guī)則的漏斗坑，為了更加準(zhǔn)確地衡量靶體的抗爆性能，后面將以漏斗坑的尺寸大小作為衡量指標(biāo)，漏斗形態(tài)如圖5所示。另一類則是靶體發(fā)生整體破壞，這里用殘留靶體占整個(gè)靶體的百分比來衡量炸藥對(duì)靶體的損毀程度。具體爆炸測(cè)試數(shù)據(jù)見表4～5，其中h為炸藥中心與靶體迎爆面之間的距離，H為迎爆面漏斗坑的深度，D為迎爆面漏斗坑的直徑，N為了迎爆面裂縫條數(shù)，Wmax為迎爆面最大裂紋寬度，S為迎爆面損傷率(采用Photoshop中的像素法求得)，V為殘留靶體占整個(gè)靶體的百分比(利用排水法求得)。

2.3 靶體的破壞形態(tài)

抗爆炸實(shí)驗(yàn)中，因炸藥埋置在靶體中和炸藥高速爆炸引起的剪切、拉伸和擠壓作用，靶體的迎爆面會(huì)形成一個(gè)較為規(guī)則的漏斗坑或者被炸成一個(gè)不規(guī)則的殘靶。此外，兩種材料在不同的炸藥埋深下，靶體的破壞形態(tài)也不同。炸藥埋深為0、40、80、120 mm 的UHTCC、HSC靶體的破壞形態(tài)如圖6～7所示。

圖6 UHTCC靶體在不同炸藥埋深下的破壞情況Fig.6 Damage of UHTCC targets under different explosive depths

采用U-1和C-1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算兩種介質(zhì)材料的參數(shù)Ka和Kb，但需要將乳化炸藥換算成TNT當(dāng)量，換算比例為1.3∶1[25]。便可得到Ka(UHTCC)=0.283,Ka(HSC)=0.382,Kb(UHTCC)=0.146,Kb(HSC)=0.136。

圖7 HSC靶體在不同炸藥埋深下的破壞情況Fig.7 Damage of HSCtargets under different explosive depths

3 數(shù)值模擬

3.1 建立有限元模型

云南省確定126家企業(yè)為“十三五”期間全國民族特需商品定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè) 根據(jù)國家相關(guān)要求，經(jīng)省民族宗教委、省財(cái)政廳、中國人民銀行昆明市中心支行審核批準(zhǔn)，確定昆明斑銅廠有限公司等126家企業(yè)為云南省“十三五”期間全國民族特需商品定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)。126個(gè)企業(yè)遍及16個(gè)州市，幾乎涵蓋了服裝鞋帽等少數(shù)民族群眾生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。

圖8 抗爆實(shí)驗(yàn)有限元模型Fig.8 The finite element model of anti-blast experiment

3.2 材料模型及參數(shù)

3.2.1材料模型侵蝕準(zhǔn)則

零件清潔劑與潤滑劑：漢高擁有多種加工產(chǎn)品及零件清潔器，有助于在整個(gè)過程中保證汽車部件更加清潔，以滿足緊密度容限要求并減少零件上的殘留物，在使用敏感電力驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)尤其適用。

在用LS-DYNA 得到計(jì)算結(jié)果后，利用LS-PrePost 對(duì)d3plot 文件進(jìn)行后處理，可以得到炸藥埋深為40 mm 時(shí)UHTCC靶體的損傷云圖，如圖11所示。從損傷云圖中可以清晰地看到靶體在爆炸作用下的損傷情況，損傷主要集中在迎爆面的漏斗坑附近，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。

2.1 兩組患者臨床療效觀察 經(jīng)過治療后，干預(yù)組呼吸功能改善總有效率和吞咽功能障礙改善總有效率高于對(duì)照組，兩組患者療效比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表2，表3。

圖9 改進(jìn)的K&C模型參數(shù)和自動(dòng)生成的K&C 模型參數(shù)預(yù)測(cè)的UHTCC拉伸和壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.9 The tensile and compressive stress-strain curves of UHTCC predicted by parameters of modified K&C model and auto-generated parameters of K&Cmodel

表6 56 MPa 超高韌性水泥基復(fù)合材料的K&C模型參數(shù)Table6 K&Cmodel parameters of 56 MPa ultra-high toughness cementitiouscomposites

3.2.2侵蝕準(zhǔn)則

在進(jìn)行UHTCC的爆炸數(shù)值模擬時(shí)，有必要引入單元?jiǎng)h除算法來預(yù)測(cè)靶體的爆坑大小和裂縫，即，當(dāng)單元的特定狀態(tài)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，將刪除該單元。LS-DYNA 軟件提供了各種單元?jiǎng)h除準(zhǔn)則，包括壓力、應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間。由于UHTCC的應(yīng)變率效應(yīng)，爆炸載荷下的極限應(yīng)力、壓力和應(yīng)力都是非常不穩(wěn)定的。此外，UHTCC結(jié)構(gòu)可能會(huì)因拉伸或剪切損傷而破裂。因此，許多學(xué)者在數(shù)值模擬中都以最大主應(yīng)變?yōu)閱卧治g準(zhǔn)則[30-31]。對(duì)于侵蝕準(zhǔn)則的閾值，將以U-2實(shí)例的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最一致時(shí)的值作為本次模擬的侵蝕應(yīng)變閾值。圖10比較了使用不同侵蝕應(yīng)變下靶體的裂紋和損傷云圖。可以看出，侵蝕應(yīng)變閾值對(duì)靶體的迎爆面開坑大小和形狀有一定的影響。當(dāng)侵蝕應(yīng)變的值設(shè)置為0.04時(shí)，迎爆面的開坑直徑與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近。同時(shí)，從UHTCC的直接拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出UHTCC拉伸斷裂應(yīng)變也在0.04左右，這與上述所選的單元侵蝕準(zhǔn)則的閾值一致，Hong[32]也選用了混凝土的拉伸斷裂應(yīng)變作為侵蝕應(yīng)變的閾值。因此，最終將侵蝕應(yīng)變的閾值確定為0.04。

文中在郝文澤等人的研究基礎(chǔ)上，采用微波調(diào)制激光測(cè)速體制，設(shè)計(jì)了一套基于FPGA的軟件接收機(jī)，接收微波調(diào)制激光信號(hào)。解調(diào)的微波信號(hào)通過下變頻及數(shù)字采樣后，在FPGA構(gòu)建的軟件接收機(jī)中，使用基于FFT的閉環(huán)跟蹤方法以及控制主機(jī)中的數(shù)據(jù)后處理，得到激光信號(hào)的多普勒頻率，實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)范圍、快速響應(yīng)的高精度速度測(cè)量，配合高精度信號(hào)模擬器驗(yàn)證了測(cè)速系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。

圖10 不同侵蝕應(yīng)變閾值下U-2的模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of target U-2 under different erosion strain thresholds

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在模擬爆炸、沖擊和侵徹方面，LS-DYNA 提供了豐富的材料模型可供用戶直接選擇，而目前已有的材料模型大多只適用于普通混凝土。UHTCC具有明顯不同于普通混凝土的拉伸性能，存在著顯著的拉伸應(yīng)變硬化特征，同時(shí)應(yīng)變率效應(yīng)也與普通混凝土不同，這使得傳統(tǒng)的普通混凝土材料模型無法準(zhǔn)確描述UHTCC力學(xué)性能。Xu 等[27]基于現(xiàn)有纖維增強(qiáng)高韌性水泥基材料的基本力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)了K&C模型損傷參數(shù)、動(dòng)力增強(qiáng)因子模型以及狀態(tài)方程參數(shù)，使改進(jìn)的K&C 模型可以更好地反映UHTCC的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征，并采用改進(jìn)的K&C模型模擬了UHTCC板在沖擊和爆炸荷載作用下的破壞形態(tài)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。因此選取改進(jìn)的K&C材料模型來對(duì)有炸藥埋深的UHTCC靶體進(jìn)行數(shù)值模擬。UHTCC的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、泊松比、彈性模量、密度參數(shù)采用基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而本構(gòu)模型參數(shù)、應(yīng)變率效應(yīng)參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)按照Xu 等[27]提出的方法確定，具體如表6所示，表6中未列出的參數(shù)采用原始K&C模型自動(dòng)生成的值。圖9是采用改進(jìn)的K&C模型通過單個(gè)單元拉伸和壓縮模擬得到的UHTCC拉伸和壓縮應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€（其中應(yīng)力大于0的部分為拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)力小于0的部分為壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線），可以看出，改進(jìn)的K&C模型相較于自動(dòng)生成參數(shù)的K&C模型可以更好地描述UHTCC的拉伸韌性和壓縮特性?？諝饽Ｐ秃喕癁榉丘ば岳硐霘怏w(*MAT_NULL)并搭配線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程(*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL)，具體參數(shù)參見文獻(xiàn)[28]。炸藥爆炸過程采用LS-DYNA 中自帶炸藥模型（*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN）關(guān)鍵字和狀態(tài)方程（*EOS_JWL）關(guān)鍵字進(jìn)行模擬，具體參數(shù)參見文獻(xiàn)[25]。土體采用（*MAT_Soil_AND_FOAM）土與可壓縮泡沫模型，具體參數(shù)參見文獻(xiàn)[29]。

圖11 UHTCC 靶體破壞模式Fig.11 Damage modes of a UHTCCtarget

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性，選取爆炸發(fā)生后5 ms時(shí)的結(jié)果作為模擬的最終結(jié)果，并通過LSPrePost 軟件中的測(cè)量工具測(cè)量模擬結(jié)果，得到UHTCC靶體的平均開坑直徑為（205.75±3）mm，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，彈坑深度為（89.2±5）mm，比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略大，這是因?yàn)镵&C模型將UHTCC作為均一材料來考慮，沒有考慮PVA 纖維對(duì)基體的阻裂作用的影響，因此導(dǎo)致模擬結(jié)果略大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但總體上的誤差穩(wěn)定地保持在10%以內(nèi)，因此，采用流固耦合的方法來研究一定炸藥埋深下的爆炸工況是可行的，同時(shí)也說明模擬過程中所使用的各種材料參數(shù)與各種設(shè)置可信。

爆炸漏斗坑是炸藥發(fā)生接觸爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓的爆轟波直接作用于靶體造成的，其壓力高達(dá)幾十吉帕，溫度高達(dá)3 350℃，速度約2～7 km/s[23]。炸藥爆炸后，靶體受到強(qiáng)烈的沖擊壓縮，形成一個(gè)漏斗形的空腔。而漏斗坑的大小不僅取決于所用的炸藥類型、炸藥用量、裝藥形式、裝藥位置和起爆點(diǎn)的位置，還取決于靶體材料自身的特性。接觸爆炸時(shí)混凝土類材料的漏斗坑直徑可由下式計(jì)算[24]：

圖12 UHTCC靶體壓力時(shí)程曲線Fig. 12 Pressure-timecurves of the UHTCCtarget

3.4 參數(shù)分析

鑒于上述模型的可靠性，采用3.2～3.3節(jié)中UHTCC的K&C 模型參數(shù)和有限元模型，并以3.3節(jié)中的模擬結(jié)果作為對(duì)照組。采用數(shù)值模擬的方法探究炸藥埋深為40 mm 時(shí)靶體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、拉伸韌性對(duì)抗爆性能的影響。

3.4.1抗壓強(qiáng)度

圖13中給出了抗壓強(qiáng)度為40、60、80、100、120 MPa 時(shí)靶體破壞形態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果。所有抗壓強(qiáng)度下靶體都未發(fā)生整體性斷裂和震塌現(xiàn)象，僅背爆面出現(xiàn)了一定單元?jiǎng)兟涞默F(xiàn)象。此外，隨著靶體材料抗壓強(qiáng)度的提高，靶體迎爆面漏斗坑的尺寸和損傷范圍都未發(fā)生明顯改變。因此單純提高UHTCC靶體的抗壓強(qiáng)度對(duì)其在埋置炸藥深度條件下的抗爆性能影響不大。

選取2017年3月～2018年5月離休老干部病房收治的老年患者84例作為研究對(duì)象，將其按照護(hù)理模式分為兩組，各42例。其中，對(duì)照組男30例，女12例，年齡61～89歲，平均（73.19±3.72）歲；研究組男29例，女13例，年齡61～90歲，平均（74.05±3.11）歲。兩組一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。研究經(jīng)倫理委員同意。

圖13 抗壓強(qiáng)度對(duì)UHTCC靶體破壞形態(tài)的影響Fig.13 Theeffect of compressive strength on the damage pattern of UHTCCtargets

3.4.2抗拉強(qiáng)度

UHTCC抗拉強(qiáng)度對(duì)靶體抗爆性能的影響如圖14所示。從圖14中可以看出，隨著UHTCC靶體抗拉強(qiáng)度的提高，靶體迎爆面漏斗坑的尺寸逐漸變小并且背爆面的的損傷程度也有所減輕。這主要是因?yàn)楫?dāng)炸藥埋置在靶體內(nèi)部爆炸時(shí)，炸藥周圍的材料會(huì)受到巨大的拉伸和剪切破壞作用，同時(shí)爆炸產(chǎn)生的爆轟波傳遞到靶體背面時(shí)發(fā)生反射，爆轟波立刻變成拉伸波，造成靶體背爆面震塌和崩落。而提高UHTCC靶體的抗拉強(qiáng)度可以有效地減少這種拉伸作用對(duì)靶體的影響。因此單純提高UHTCC的抗拉強(qiáng)度，可以提高UHTCC靶體的抗爆炸性能。

圖14 抗拉強(qiáng)度對(duì)UHTCC靶體破壞形態(tài)的影響Fig.14 Theeffect of tensilestrength on thedamage pattern of UHTCCtargets

3.4.3拉伸韌性

UHTCC的K&C模型中拉伸韌性主要是通過拉伸參數(shù)b2來控制，如圖15所示，當(dāng)b2=?11.3時(shí)，該模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與UHTCC拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線更接近。圖16中展示了不同拉伸韌性下，UHTCC靶體破壞形態(tài)的模擬結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)b2=1.35時(shí)，靶體發(fā)生了嚴(yán)重的整體性破壞，而隨著UHTCC韌性的提高，靶體的破壞形式也從整體破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫植科茐摹＿@是由于提高材料的拉伸韌性可以增強(qiáng)材料的吸能效果，從而防止靶體發(fā)生脆性破壞。因此提高UHTCC的韌性可以增強(qiáng)靶體的抗爆性能。

圖15 損傷參數(shù)b2 對(duì)單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響Fig.15 The effect of damageparameter b2 on uniaxial tensile stress-strain relationship

圖16 拉伸韌性對(duì)UHTCC靶體破壞形態(tài)的影響Fig.16 The effect of tensile toughness on the damagepattern of UHTCC targets

4 結(jié) 論

采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法對(duì)相同抗壓強(qiáng)度的UHTCC和HSC靶體在不同炸藥埋深下的抗爆性能進(jìn)行了探究，并利用數(shù)值模擬對(duì)不同抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和拉伸韌性的UHTCC靶體在炸藥埋深為40 mm 時(shí)的破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

（1）在相同炸藥量和炸藥埋深下，UHTCC靶體的抗爆炸性能優(yōu)于普通高強(qiáng)混凝土，具體體現(xiàn)在：迎爆面損傷面積小，爆炸后保持良好整體性(剩余靶體占整個(gè)靶體比例更小)。

（2）內(nèi)埋抗爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：同種材料在相同炸藥量下，炸藥埋置越深靶體的破壞程度越嚴(yán)重(靶體的破壞形式)。

（3）接觸爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，UHTCC以及HSC的抗爆性能參數(shù)分別為Ka(UHTCC)=0.283、Ka(HSC)=0.382、Kb(UHTCC)=0.146、Kb(HSC)=0.136。

（4）利用LS-DYNA 對(duì)不同埋置深度下UHTCC靶體的抗爆炸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。模擬結(jié)果表明：爆炸沖擊波沿靶體徑向的衰減速度大于沿軸向的衰減速度。

（5）通過參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，提高UHTCC的抗壓強(qiáng)度對(duì)一定埋置深度下的抗爆漏斗坑沒有明顯的變化，增強(qiáng)UHTCC的韌性可以防止靶體發(fā)生整體性的脆性破壞，提升UHTCC的抗拉強(qiáng)度可以減小靶體迎爆面的開坑直徑。