周云波，郭啟濤，佘磊，王顯會(huì)，魏然

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇，南京 210094)

?

基于LBE方法的駕駛室防護(hù)仿真

周云波，郭啟濤，佘磊，王顯會(huì)，魏然

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇，南京 210094)

利用LS-DYNA動(dòng)力有限元軟件，分別用ALE(arbitary Lagrangian Eulerian)方法和LBE(load blast enhanced)方法模擬5種不同裝藥量下四邊約束靶板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證LBE方法的正確性及優(yōu)越性.基于LBE方法對(duì)某型車輛駕駛室在3種不同裝藥量產(chǎn)生的爆炸沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真模擬，得到駕駛室應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移云圖，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明采用LBE方法對(duì)駕駛室進(jìn)行仿真所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可應(yīng)用于爆炸沖擊波對(duì)車輛駕駛室的損傷仿真研究.

爆炸沖擊波；駕駛室；LBE方法；仿真；試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)在爆炸等沖擊載荷作用下的塑性動(dòng)力響應(yīng)是工程領(lǐng)域中十分關(guān)注的課題[1].目前最常用的研究方法是模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，由于試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，持續(xù)時(shí)間短等缺點(diǎn)，常采用數(shù)值模擬方法[2].何建等[3]針對(duì)尺寸較小的矩形鋼板結(jié)構(gòu)運(yùn)用ALE方法建立了空氣、炸藥、矩形鋼板有限元模型，采用流固耦合算法，對(duì)矩形鋼板在爆炸載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬.倪晉峰[4]利用CONWEP方法對(duì)單層球面網(wǎng)殼進(jìn)行了外爆響應(yīng)分析.由于在仿真分析過程中地雷與駕駛室之間距離較長，若采用ALE方法則將建立很大的空氣網(wǎng)格域，這將需要消耗大量的計(jì)算時(shí)間，計(jì)算效率極低，而CONWEP方法不能考察爆炸載荷對(duì)復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析.因此，文中利用建立在ALE法和CONWEP方法基礎(chǔ)上的一種新型方法LBE方法，將其與ALE方法及試驗(yàn)在爆炸環(huán)境下靶板響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了LBE方法的正確性和優(yōu)越性，同時(shí)基于該法開展了車輛駕駛室響應(yīng)仿真模擬并通過試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 爆炸沖擊波作用下靶板損傷仿真

LBE方法結(jié)合了CONWEP方法和ALE方法的優(yōu)點(diǎn)，是將爆炸沖擊載荷直接施加至目標(biāo)結(jié)構(gòu)物的一種方法.該方法只需建立靶板模型和定義包圍靶板的部分空氣域、爆炸物、外層域(沖擊波載荷直接作用的最外層空氣域)以及外層域的最外圍面(沖擊波載荷直接作用的面)相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)[5-7]，爆炸沖擊波載荷采用LS-DYNA中對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字*LOAD_BLAST_ENHANCED獲得.沖擊波入射壓力Pinc和反射壓力Pref滿足Friedlander方程

(1)

式中：α、β為衰減系數(shù)；Ps為超壓峰值，通過Ps=P1-P0得到；P1為壓力最大值；P0為初始?jí)毫?Pr通過2P1≤Pr≤13P1得到，用相對(duì)距離r描述炸藥沖擊波參數(shù)

(2)

式中:R為測點(diǎn)到炸藥爆炸中心之間的距離；mω為爆炸物等效TNT當(dāng)量.

除了外層域空氣網(wǎng)格外，其他空氣域采用無反射邊界.對(duì)稱面施加法向約束.靶板殼單元網(wǎng)格與空氣網(wǎng)格以交叉、重疊的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與流體網(wǎng)格的耦合.

1.1 有限元模型建立

為驗(yàn)證LBE方法的可行性，文獻(xiàn)[1]在不同藥量下，對(duì)不同厚度靶板進(jìn)行了爆炸沖擊波作用下靶板響應(yīng)進(jìn)行有限元仿真，采用幾種長徑比為1∶1的TNT裸裝圓柱形藥柱，中心引爆的方式，靶板選擇邊長為500 mm的正方形Q235鋼板，厚度分別為1 mm和2 mm，采用4邊約束的方式固定在距炸藥不同距離的位置.文中單位制采用g-mm-ms.

1.1.1 材料模型和狀態(tài)方程

炸藥采用LS-DYNA中高速燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述壓力、體積和內(nèi)能之間的關(guān)系[8-9]為

(3)

式中：P2為壓力；V為相對(duì)體積；E為初始內(nèi)能密度；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù).對(duì)于TNT炸藥，在g-mm-ms單位制中，A=5.409×105MPa，B=9.4×103MPa，R1=4.5，R2=1.1，ω=0.35.

空氣單元采用空材料模型配合線性式狀態(tài)方程為

P3=C0+C1m+C2m2+C3m3+

(4)

式中：P3為壓力；μ為相對(duì)體積；E2為單位體積內(nèi)能；C0=-0.1 MPa；C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4.

靶板采用彈塑性材料模型，參數(shù)為密度ρ=7.8 mg/mm3；彈性模量E=21.0 GPa；屈服應(yīng)力σs=235 MPa；泊松比μ=0.30.

1.1.2 有限元模型

采用ALE方法和LBE方法分別建立其1/8模型，如圖1所示.

如圖1(a)所示，炸藥與空氣網(wǎng)格均為實(shí)體并采用共節(jié)點(diǎn)的方式，空氣網(wǎng)格和炸藥采用Solid ALE單點(diǎn)積分單元，非對(duì)稱面采用無反射邊界以模擬無限空氣空間，對(duì)稱面施加法向約束.靶板殼單元網(wǎng)格與空氣網(wǎng)格以交叉、重疊的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與流體網(wǎng)格的耦合[10].空氣域長和寬皆為350 mm，空氣網(wǎng)格大小為10 mm，空氣單元的總數(shù)為72 510.靶板尺寸為500 mm×500 mm×2 mm，采用BT殼單元建模，靶板網(wǎng)格大小為5 mm，單元總數(shù)為2 500.炸藥爆心距靶板的垂直距離為470 mm，裝藥量為700 g.

如圖1(b)所示，利用LBE方法建立的模型，空氣域長和寬皆為350 mm，外層域距靶板100 mm，空氣網(wǎng)格大小為10 mm，空氣單元的總數(shù)為24 500，靶板尺寸與ALE方法模型相同.炸藥位置僅起到坐標(biāo)參考的作用，炸藥爆心距靶板的垂直距離為470 mm，裝藥量為700 g.LBE方法整體網(wǎng)格數(shù)量僅為ALE方法整體模型網(wǎng)格數(shù)量的36%，網(wǎng)格數(shù)量規(guī)模大大下降.

1.2 仿真結(jié)果分析

分別用ALE法和LBE法進(jìn)行了不同炸距、板厚以及藥量的仿真研究，結(jié)果如表1所示.

表1 不同炸距，板厚以及藥量的靶板響應(yīng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表1可以看出，LBE方法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)及ALE方法結(jié)果有著良好的一致性，誤差在允許范圍之內(nèi).以序號(hào)4中的結(jié)果為例，利用ALE方法進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)間為492 min，而利用LBE方法計(jì)算時(shí)間僅為8 min，可以看出，在保證計(jì)算精度的前提下，LBE法相比于ALE方法，計(jì)算時(shí)間大幅減少，計(jì)算效率有了極大提高.

2 爆炸沖擊載荷作用下駕駛室損傷仿真

2.1 有限元模型

駕駛室主要由板殼件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故運(yùn)用LBE方法進(jìn)行建模，如圖2所示.

為了減小模型單元數(shù)量，空氣網(wǎng)格僅包圍所關(guān)注的駕駛室底板部分，并在外表面處添加無邊界反射條件以模擬無限區(qū)域空間.流體(空氣)和固體(駕駛室結(jié)構(gòu))的網(wǎng)格分別單獨(dú)建立，以交叉、重疊的方式實(shí)現(xiàn)流固耦合作用[11-13].TNT當(dāng)量分別為300，550和1 000 g，不同當(dāng)量的地雷均放置在距駕駛室底板1.17 m正下方的剛性地面上，有限元整體網(wǎng)格數(shù)量為437 703.

以TNT當(dāng)量300 g為例，表2為駕駛室底板材料參數(shù)，空氣材料模型狀態(tài)方程與式(5)相同.炸藥采用LS-DYNA中高速燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述壓力、體積和內(nèi)能之間的關(guān)系[9]為

(5)

式中：P2為壓力；V為相對(duì)體積；E為初始內(nèi)能密度；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù).A=3.737 7×105MPa，B=3.73×103MPa，R1=4.15，R2=0.9，ω=0.35.

表2 駕駛室底板材料參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果分析

利用LBE方法進(jìn)行有限元仿真，得到駕駛室Von Mises應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移云圖如圖3所示.

由圖3的駕駛室應(yīng)力云圖可知，在300，550和1 000 gTNT當(dāng)量的地雷爆炸沖擊波作用下，駕駛室所有單元中的最大應(yīng)力達(dá)到1 495 MPa，均低于駕駛室鈑金件材料的強(qiáng)度極限，未出現(xiàn)失效，且最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在中底板的中部和邊緣處.由圖3的駕駛室鈑金件殼單元的節(jié)點(diǎn)位移云圖可知駕駛室中底板的變形最大，變形量最大為62 mm.

圖4為駕駛室底部正中心超壓圖，可以看出TNT當(dāng)量分別為300，550和1 000 g時(shí)，駕駛室底部超壓是不斷增大的，且駕駛室底部壓力波形基本符合文獻(xiàn)[14]中沖擊波超壓值變化歷程曲線，并在峰值到達(dá)之后迅速衰減至負(fù)壓區(qū).

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

本次試驗(yàn)所用設(shè)備包括炸藥若干(當(dāng)量分別為300 g，550 g和1 000 g)，壓力傳感器，某多通道高速數(shù)據(jù)采集儀等.試驗(yàn)場地條件符合GJB349.28—90的要求，地面條件為硬質(zhì)土壤，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)力為微風(fēng)以下，無雨雪；場地平坦、堅(jiān)硬，試驗(yàn)溫度在10～35 ℃之間.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中利用傳感器獲得地雷爆炸過程中沖擊波超壓，通過多通道高速數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測超壓信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖5為處理后試驗(yàn)駕駛室底部正中心超壓圖.

由圖5看出，在TNT當(dāng)量分別為300，550和1 000 g情況下，駕駛室底部超壓峰值隨著當(dāng)量的增加而增加的，且波形與圖4駕駛室底部超壓仿真結(jié)果波形是一致的.

每次試驗(yàn)完成后，對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)進(jìn)行記錄，同時(shí)對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)中的零部件進(jìn)行尺寸測量，從而可以計(jì)算得出最大變形量.對(duì)比駕駛室底部超壓及最大變形量仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示.

表3 駕駛室底部超壓及最大變形量結(jié)果

Tab.3 Overpressure and the maximum deformation results at the bottom of cabin

TNT當(dāng)量/g底部超壓值/MPa最大變形量/mm仿真試驗(yàn)誤差/%仿真試驗(yàn)誤差/%3000.390.414.939368.35500.630.687.450468.710002.272.363.862578.8

由表3中駕駛室底部超壓及最大變形量試驗(yàn)值和仿真值對(duì)比可知，底部超壓值和最大變形量的仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果誤差在允許的范圍內(nèi).

4 結(jié) 論

采用LBE方法建立板殼結(jié)構(gòu)在地雷爆炸環(huán)境下的有限元模型，與ALE方法相比較，建模簡單，整體模型網(wǎng)格數(shù)量較少，大幅減少計(jì)算時(shí)間，提高效率，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)及ALE方法結(jié)果有著良好的一致性，準(zhǔn)確可靠.

采用LBE方法對(duì)地雷爆炸環(huán)境下某車輛駕駛室動(dòng)態(tài)響應(yīng)有限元仿真結(jié)果與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較表明，二者有著較好的一致性.因此，LBE方法可用于駕駛室在爆炸沖擊波作用下的仿真分析，為車體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化提供參考.

[1] 王芳，馮順山，俞為民.爆炸沖擊波作用下靶板的塑形大變形響應(yīng)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13(3)：58-61.

Wang Fang，F(xiàn)eng Shunshan，Yu Weimin.Study on large plastic deformation response of target plate under explosive blast wave[J].China Safety Science Journal，2003，13(3)：58-61.(in Chinese)

[2] 李利莎，謝清糧，鄭全平，等.基于Lagrange、ALE和SPH算法的接觸爆炸模擬計(jì)算[J].爆破，2011，28(1)：18-22.

Li Lisha，Xie Qingliang，Zheng Quanping，et al.Numerical simulation of contact explosion based on Lagrange、ALE and SPH[J].Blasting，2011，28(1)：18-22.(in Chinese)

[3] 何建，肖玉鳳，陳振勇，等.空爆載荷作用下固支矩形鋼板的塑性極限變形[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39(2)：310-313.

He Jian，Xiao Yufeng，Chen Zhenyong，et al.Plastic limited deformation analysis of the clamped rectangular steel plate subjected to air non-contact explosions[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39(2)：310-313.(in Chinese)

[4] 倪晉峰.單層球面網(wǎng)殼基于COMWEP外爆響應(yīng)分析及試驗(yàn)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012:16-18.

Ni Jinfeng.Response analysis of single-layer reticulated domes subjected to external blast loading using CONWEP and experimental design[D].Harbin: Harbin Institute of Technology，2012:16-18.(in Chinese)

[5] Slavik T.A coupling of empirical explosive blast loads to ALE air domains in LS-DYNA[C]∥Proceedings of the 7th European LS-DYNA Users Conference.Salzburg，Austria: DYNA more GmbH，2009:33-43.

[6] Len Schwer.A brief introduction to coupling load blast enhanced with multi-material ALE: the best of both worlds for air blast simulation[J].German LS-DYNA Forum，2010，2(3)：205-211.

[7] Tan Swee Hong，Tay Shih Kwang，Poon Jing Koon.Fluid-structure interaction involving close-in detonation effects on column using LBE MM-ALE Method[C]∥Proceedings of the 9th European LS-DYNA Conference.Ministry of Home Affairs.Singapore: Arup，2013:1-11.

[8] Grujicic M，Arakere G，Nallagatla H，et al.Computational investigation of blast survivability and off-road performance of an up-armoured high-mobility multi-purpose wheeled vehicle[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D: Journal of Automobile Engineering，2009，223(3)：301-325.

[9] Randers G，Bannister K.Air blast loading model for DYNA2D and DYNA3D，ADA322344[R].Maryland: US Army Research Laboratory，1997.

[10] Barnat W.Experimental and numerical study of influence of incidence angle of shock wave created by explosive charge on the steel plate[J].Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, 2014，62(1)：23-33.

[11] Grujicic M，Pandurangan B，Haque I，et al.Computational analysis of mine blast on a commercial vehicle structure[J].Multidiscipline Modeling Material Structures，2007，3(3)：431-460.

[12] Nastasescu V，Barsam G H.Comparative numerical analysis of an armor plate under explosion[C]∥Proceedings of 5th International Conference on Computational Mechanics and Virtual Engineering.Brasov，Romania: [s.n.], 2013:318-323.

[13] Tai C H，Teng J T，Lo S W，et al.A numerical study in the interaction of blast wave with a wheeled armored vehicle[J].International Journal of Vehicle Design，2007，45(1-2)：242-265.

[14] Wu Chengqing，Hao Hong.Modeling of simultaneous ground shock and air blast pressure on nearby structures from surface explosions[J].International Journal of Impact Engineering，2005，31(6)：699-710.

(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Simulation of Vehicle Cabin Protection Based on Load Blast Enhanced Method

ZHOU Yun-bo，GUO Qi-tao，SHE Lei，WANG Xian-hui，WEI Ran

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210094，China)

The dynamic response of the vehicle cabin subjected to mine blast was studied.A LS-DYNA software was used to simulate the response of four sides constrained target under five different TNT mass with ALE method and LBE method.Comparing the simulation results with experiment results, the correctness and superiority of the simulation method were verified.Meanwhile，the dynamic response was simulated based on the LBE method for vehicle cabin under three different TNT mass to get the results of stress and displacement.Compared with the experiment results, it is showed that the simulation results by LBE method are in good agreement with the experimental results，this method can be applied to simulation analyses for the blast damage to the vehicle cabin.

mine blast； vehicle cabin； load blast enhanced (LBE) method； simulation； experiment

2014-06-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405232)

周云波(1980—)，男，博士，副教授，E-mail:yunbo31983@163.com.

郭啟濤(1991—)，男，碩士生，E-mail:guoqitao1991@163.com.

TJ 810.2

A

1001-0645(2016)03-0237-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.03.004