Page 95 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 刘志东，等： 高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解效应 第 2 期

式中：p 为爆轰压力，V 为爆轰产物的相对体积，A、B、R 、R 和 2 ω 为材料常数，E 为炸药体积内能。具体
1
参数见表 3。

表 3 炸药材料模型主要参数

Table 3 Parameters of the explosive
ρ/（g·cm ） E/(GJ·m ) A/GPa B/GPa R 1 R 2 ω
−3
−3

1.05 6.0 209.7 3.5 5.76 1.29 0.39
2.2.4 高聚物
采用 Crushable foam 模型 [16] 对高聚物材料进行建模。该模型需要输入密度、弹性模量、剪切模量、
最大拉伸应力以及应力-应变曲线等材料参数。为了提高计算效率，采用了瞬时几何应变侵蚀准则，当单
元的动态响应达到给定的准则时，将自动从模型中删除畸变单元。本文中对不同的几何应变进行了试
算，发现使用 0.3 的几何应变作为侵蚀标准，可以在保证计算不中断的同时获得可靠的结果。具体材料
参数见表 4。

表 4 高聚物材料模型主要参数
Table 4 Parameters of the polymer material model
−3
密度/（g·cm ） 屈服强度/MPa 最大拉伸应力/MPa 剪切模量/MPa 杨氏模量/MPa 侵蚀应变
0.2 2.04 1.77 18.7 35.8 0.3

3 试验与数值结果

3.1 试验结果
图 7 为 炸 药 量 为 50 g 的 接 触 爆 炸 下 ， PU-
RCS 的迎爆面和背爆面的毁伤结果。对于 PU-
10 cm
RCS 试件，将高聚物牺牲包层移走并清理碎屑
后，发现其表现出了较轻的损伤程度，迎爆面中
心区域没有明显的爆坑，只有深度极浅的混凝土
13 cm
压碎区域，其直径约为 10 cm；背爆面中部出现
了直径约 13 cm 的剥落区，但是混凝土剥落深度
极浅。另一个明显的特征是背爆面分布着大约
(a) Top surface (b) Bottom surface
13 条向四周发散的细长裂纹。
图 7 PU-RCS 的毁伤特征分布
图 8 所 示 为 对 照 组 的 试 验 结 果 。 与 P U -
Fig. 7 Damage features of PU-RCS
RCS 的毁伤结果不同，RCS 试件迎爆面中部有
一个直径约为 15 cm 的圆形爆坑，最大深度约为 1 cm；底面剥落区直径约为 25 cm，最大深度约为 4 cm。
剥落区的外围分布着沿径向的发散状裂纹。从毁伤结果来看，接触爆炸下 RCS 试件发生了比较严重的
局部毁伤。
表 5 详细地总结了上述试验后相应试件的毁伤情况。通过两者的毁伤结果对比表明，在相同的炸
药量下，相较于 RCS 试件，PU-RCS 的局部毁伤程度大大降低，这是由于高聚物牺牲包层有效地发挥了
其缓解爆炸荷载的能力。
为更加直观形象地描述接触爆炸下高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板毁伤模式的影响，图 9 给出了
炸药量为 50 g 时 PU-RCS 的毁伤模式示意图。炸药起爆后，首先是高聚物牺牲包层经历了压碎、破裂等
大范围毁伤变形，这消耗了相当大的一部分爆炸能量，当剩余的能量作用于钢筋混凝土板时，其破坏作
用已相当小，因此钢筋混凝土板的迎爆面只产生了毁伤深度极浅的压碎区，背爆面混凝土的剥落范围和

023301-6