【摘 要】
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聚脲弹性体是防护性能优良的高弹性材料,将其与铝材、钢材等多种金属材料及混凝土等非金属材料复合制成的复合结构,对基材抵抗爆炸、碰撞冲击的性能有较大提升作用。但将聚脲应用于交通安全防护领域的研究较少,将其与管状金属结构复合应用制成吸能缓冲装置抵抗冲击的研究更少。本文利用实验研究与有限元软件模拟相结合的方式,首先研究Qtech T190型聚脲（以下简称QT190）、Qtech T413型聚脲（以下简称Q
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聚脲弹性体是防护性能优良的高弹性材料,将其与铝材、钢材等多种金属材料及混凝土等非金属材料复合制成的复合结构,对基材抵抗爆炸、碰撞冲击的性能有较大提升作用。但将聚脲应用于交通安全防护领域的研究较少,将其与管状金属结构复合应用制成吸能缓冲装置抵抗冲击的研究更少。本文利用实验研究与有限元软件模拟相结合的方式,首先研究Qtech T190型聚脲（以下简称QT190）、Qtech T413型聚脲（以下简称QT413）以及Qtech T501型聚脲（以下简称QT501）的物理力学性能及热性能;在此基础上按实验设计将聚脲喷涂至空心薄壁铝制管状结构（以下简称纯铝管结构）外表面,制成涂覆型聚脲-铝管复合结构（以下简称涂覆型结构）,并对管体内部进行聚脲浇注填充,制成浇注型聚脲-铝管复合结构（以下简称浇注型结构）,对该复合结构进行落球冲击实验,探究其抗冲击性能;并运用ABAQUS有限元模拟软件进行模拟分析,研究在不同复合方式下的聚脲-铝管复合结构在受到冲击荷载作用下的动态响应结果。探究聚脲涂层及浇注物对管体抗冲击性能影响,得出吸能缓冲效果最佳的聚脲复合涂层的配比,以及在同时对管体进行聚脲浇注与涂覆情况下的最佳复合方式。经上述研究得出如下结论:首先,物理力学性能实验研究表明,QT190、QT413及QT501三种聚脲密度分别为1.1468g/cm3、0.9016 g/cm3、0.9496 g/cm3,实际应用中不会影响复合结构的重量;QT190与QT413固化时间短,施工工艺简单,且两者与铝材之间的附着力较强,适合作为铝管基材外部涂覆材料使用;而QT501固化时间较长,粘弹性能较好,适合浇注于结构内部。热性能研究结果表明,QT190、QT413及QT501的热稳定性能均较好,初始降解温度分别为261℃、251℃、253℃,且在400℃附近都存在一个热降解峰,峰值分别为1.2%/℃、0.93%/℃、1.13%/℃;三种聚脲都具有两个明显的热分解阶段,每个阶段的温度区域也大致相同,在250℃以下的工作环境均能保持自身良好的材料性能,满足服役条件要求。其次,对涂覆型结构的抗冲击性能研究表明,各涂覆型结构的最大形变值在25.32mm～32.33mm范围内,应变峰值在-9038.2～-10509.45范围内;而纯铝管结构的形变值为78.12mm,且应变值远超量程。在涂层总厚度均为1mm的条件下,1mm QT190涂层的抗冲击效果优于1mm QT413涂层;而交替涂覆的复合涂层的抗冲击效果优于单一涂层,且外部先后交替涂覆0.5mm QT413与0.5mm QT190复合涂层的涂覆型复合结构的形变值与应变峰值最小,在涂覆型结构中抗冲击防护效果最佳。对浇注型结构的抗冲击性能研究表明,各浇注型结构的最大形变值在5.82mm～17.54mm范围内,应变峰值在-3592.74～-7410.15范围内。各复合结构中,内部浇注密实QT501、外部先后交替涂覆0.5mm QT413与0.5mm QT190复合涂层的浇注型结构的的形变值与应变峰值最小,分别为5.82mm、-3592.74,抗冲击性能最强。等结构质量情况下,聚脲复合防护涂层的吸能效率较高;等结构体积情况下,涂覆型复合结构的抗冲击性能较纯铝管结构有大幅提升,但效果弱于浇注型复合结构,QT501聚脲浇注物的吸能缓冲效果比聚脲涂层更加显著。最后,经ABAQUS有限元软件模拟结果表明,运算过程中所采用的模型及算法均可较准确的对落球实验中的聚脲-铝管复合结构的破坏形式和变形进行有效模拟。在涂覆型结构中,外部先后交替涂覆0.5mm QT413与0.5mm QT190复合涂层的涂覆型结构的抗冲击效果最佳,形变最小,值为27.86mm;在浇注型结构中,内部浇注密实QT501、外部先后交替涂覆0.5mm QT413与0.5mm QT190复合涂层的浇注型结构的形变最小,值为6.341mm,为抗冲击效果最好的浇注型复合结构;而纯铝管结构的形变值最大,达到70.52mm,抗冲击效果最差。模拟所得数据与落球冲击实验结果吻合度较高,误差控制在1.09%～10.03%区间,且位移云图所示的变化规律与落球冲击实验较为一致。综上所述,QT190、QT413以及QT501型聚脲材料具有良好的力学性能,将其按照合理方式与管体基材结构进行复合应用时,所发挥出的抗冲击性能显著,具有实际工程意义,应用前景良好,为聚脲材料在抗冲击吸能缓冲领域的应用提供一定的实验依据。
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