聚脲涂层防爆罐抗爆性能探析

聚脲涂层防爆罐抗爆性能探析

张磊 赵茹慧

青岛爱尔家佳新材料股份有限公司 山东省青岛市 266000

摘要：运用ANSYS/LS—DYNA有限元软件对无涂层防爆罐在爆炸作用下的动力响应进行了数值模拟，研究了罐内压力和罐体位移随时间变化的规律，对无涂层防爆罐，进行了小当量三硝基甲苯爆炸数值模拟。结果表明，相对于无涂层防爆罐，涂覆Q413防爆罐与未涂覆防爆罐其最大等效应力分别减少约92%,90.3%,89.8%;涂层通过吸收和耗散能量提高结构的抗爆能力。

关键词：数值模拟；抗爆性能；聚脲涂层

防爆罐作为一种维护公共安全，保障人民生命财产安全的重要设备，具有广泛的应用前景。目前，防爆罐主要是利用金属材料制成，但金属材料存在强度低，易被腐蚀破坏以及成本高等问题。无法增强防爆能力，因此对于防爆罐的设计成为保证安全最大化的重点 。近年来，随着聚脲材料在抗爆性能上的优异表现，使它成为了最热门的新型复合材料之一，而聚脲材料也因其独特的物理特性得到广泛应用，并取得了很好的效果。然而，由于聚脲材料自身的脆性特征，导致在承受较大应力时容易发生断裂或脆性失效。为了克服聚脲材料本身的不足，我们可以针对背爆面来涂覆钢管，有效减弱背爆面上的拉应变分布，从而提高其承载能力，进而达到提高抗爆性能的目的。应该对背覆面进行涂覆，即采用不同类型的喷涂方式将聚脲粉末均匀涂抹到钢板表面以获得一层厚度可调，硬度可控的复合防护层。甘云丹对聚脲涂覆钢板爆炸实验进行仿真分析。首先根据实验条件搭建爆炸装置，然后使用ABAQUS软件建立模型并划分网格，最后导ANSYS/LS-DYNA中计算出各工况下爆炸压力，速度场及其随时间变化过程，得出聚脲涂覆爆炸后产生的冲击波峰值大小及衰减规律，同时研究了背覆涂料种类和厚度对钢基体抗弹性能及耐蚀性的影响，最终确定最优方案。

以上研究表明：（1）当背爆面涂有聚脲材料时，其受冲击载荷作用时所受的最大正激波与反射波叠加形成负激波，且两者均大于正压值；（2）当涂层为纯铝或纯铁时，背覆面涂敷聚脲材料可增大钢板受到的冲量，降低冲击力持续时间；聚脲涂覆钢板在爆炸防护中能发挥良好的抗爆作用，背爆层会出现一定程度的剥落现象；本文利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对聚脲涂覆工艺参数对钢板抗冲击性能的影响做进一步探讨，以期找到最佳的聚脲涂覆工艺条件，为实际工程应用提供参考依据。

1数值模拟与爆炸试验方法

1.1复合结构模型建立以及网格划分

通过ANSYS软件建立足尺防爆罐模型，模型分为3个部分:a,不锈钢外壳;b,不锈钢网布;c,钢板；其中不锈钢网布由4根钢丝编织而成。罐体采用Q235钢建立实体单元模型，钢筋则用镀锌钢管焊接连接，并用Hypermesh对模型施加边界约束，从而完成整体建模工作。涂层和钢板采用拉格朗日算法，分别考虑界面滑移效应及热应力松弛效应，得到不同时刻的节点位移结果。

1.2模型及参数

数值模拟通过ANSYS软件建模，选取合理的边界条件和初始条件，设置相关参数表。将上述数据代入到FLUENT程序中进行模拟计算，获得了聚脲涂覆钢板内部应力场分布情况。不同模型会得到差别较大的数值模拟结果，但其规律是基本一致的，即随着时间的增长，各测点处应变值先逐渐减小再逐渐增加直至趋于稳定。

1.2.1Q413m和MS-1模型和参数

从弹性体的动态力学性能看，两种模型简化后计算所得结果接近，而对于含裂纹钢板而言,MS-1模型计算结果要比其他两个模型大一些。因此可以看出,FLUENT所选用的本构关系更加符合实际工况。在爆炸情况下需要考虑材料的应变率规律，以避免发生脆性破坏或塑性变形等不良后果。采用Mooney-Rivilin模型来分析聚脲涂覆钢板受冲击载荷时的响应特性，结果表明：由于受到外部荷载（包括冲击波）的作用，板体产生明显变形，且板内表面存在着很大的压应力区，导致其抗拉能力减弱。

1.2.2钢板模型以及参数

罐体钢板采用Q235钢，利用有限元分析软件LS—DYNA对其做非线性动力响应分析。首先确定合适的初始缺陷位置并加载，然后改变炸药种类及药量大小，观察是否出现塑性屈服现象。研究发现，当装药体积分数较低时，炸药爆炸过程中未出现弹塑性破裂现象。当装药质量分数增大至一定程度以后，炸药爆轰产物与基体间形成严重的剪切破坏现象，此时应及时更换新炸药。选择模型分析应变关系，应力应变关系为两段，第一段直线斜率等于材料弹性模量，第二段为切线模量。

1.3数值模拟方案

建立无涂层钢板和有涂层钢板的二维平面模型，分别施加相同压力和速度脉冲波形，对比有无涂层钢板在整个撞击过程中的加速度曲线。结果显示，无论何种方式，均能有效降低冲击力峰值，其中有涂覆层钢板吸收能量效果更好。同时，通过比较三种结构形式之间的位移变化可知，有涂层钢板的吸能值最大，其次为涂有加涂料的钢板；但是，涂涂料的厚度越厚，则吸收能量也越大。

1.4爆炸实验方案

用75gTNT进行爆炸实验，将试验所得数据输入到ANSYS/LS—DYNA3D程序当中，得到了两种不同类型钢板的动态力学行为结果。计算表明，随着靶距增加，钢板的抗冲击性能逐渐增强。此外，还得出了一些有益结论，如钢板的失效模式主要是拉伸断裂。

防爆罐罐体采用镀锌钢板后，钢板内部会生成一层致密均匀的锌保护层。利用PVC圆管代替钢管作为防护措施可以提高抗爆能力，但不能完全取代钢板。对于双层钢板来说，若外层钢板表面光滑平整且没有明显裂纹时，内层钢板不易发生开裂而导致罐内气体泄漏；如果外层钢板存在局部裂纹或孔洞等情况，那么内层钢板就容易被撕裂成两半或者部分脱落，从而引起漏气。

1.5性能测试

数值模拟实验中，两层涂层以及钢板的应力曲线、位移曲线、变形量及塑性区面积都比普通钢板要小很多，因此，对其冲击强度的预测精度更高。另外，由于多层复合钢板具有良好的韧性，所以在受到较大载荷作用时易产生塑性变形甚至脆性破环。然而，单层钢板并不会因为层数较多而使其整体力学性能下降，反而会起到一定程度上的加强作用。在LS-DYNA软件窗口下，模拟了不同工况条件下三层钢板的撞击过程和破坏形态，分析发现：当入射速度增大至某一临界值时，各层钢板均会出现破碎现象；

2.结果与讨论

2.1防爆罐损伤仿真

对防爆罐应力时程曲线分析，比较无涂层防爆罐，有涂层防爆罐及普通钢板的爆炸压力峰值和爆压比。结果表明：在相同条件下，无涂层防爆罐爆炸压力最大，其次是普通钢板，而有涂层防爆罐最小；3种不同材料防爆罐都存在一个临界厚度值（即防爆罐破坏后剩余壁厚），小于此临界值，则防爆罐失效；4种不同结构形式防爆罐都存在一极限高度值以满足安全要求。

可以看出涂覆Q413m罐体和涂覆MS-1罐体相对于无涂层罐体应力峰值分别降低了12.24%和20.44%，说明涂覆Q413mm2/s环氧复合层对提高罐体强度具有明显作用。综上所述，有涂层防爆罐的应力均得到不同程度削弱，但由于涂层本身的防护性能，其整体抗爆能力并没有受到太大影响；同时通过对比发现,MS-1罐体较好地达到了保护内部构件不被损坏的目的。

2.2爆炸实验结果对比

涂覆防爆MS-1防爆罐灌中最大径向位移较无涂层防爆降低了24.48%，涂覆MS-1的防护效果更好，此外，试验结果与模拟结果基本吻合，误差控制在15%以内，从而验证了有限元模型的准确性，为进一步研究提供基础数据。

2.3涂层抗爆原理

通过以上无涂层防爆罐，涂覆Q413m以及涂覆MS-1防爆罐在内能和动能两方面研究可以知道，罐体面板采用环氧胶粘接方式能够有效减少爆炸冲击波能量损失，减小冲击载荷产生的变形量，增强罐体的承载能力；

对于涂层耗能机制，与材料分子结构有关，如环氧胶固化过程中发生化学反应释放出大量热量，使得环氧树脂基体温度升高，使界面处出现裂纹等缺陷，进而导致涂层断裂或剥落；另外，涂层还起到一定的缓冲吸能作用。当冲击被抵消后，分子链段间也停止移动，MS-1在爆炸荷载作用下有良好防护作用，能更好提高罐体抗爆能力。

3.总结

防爆罐损伤方面，无涂层罐表面破损严重，局部区域开裂现象较为普遍；而涂覆防爆罐未受腐蚀，表面平整光滑，且无裂纹形成；两种材质防爆罐相比，后者抗冲击能力更强，是一种比较理想的防护措施。涂覆MS-1以及涂覆Q413起到了一定防护作用，可防止因撞击造成破坏；

参考文献

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2. 李鹏, 吕平, 黄微波,等. 防爆罐用防爆材料及其性能的研究进展[J]. 上海涂料, 2020, 58(5).

3. 孙鹏飞, 黄舰, 吕平,等. 聚脲涂覆建筑结构抗爆性能研究进展[J]. 材料导报, 2020, 34(S02).