Evaluation of Static and Dynamic Properties of Energy Absorbers for Explosion Resistant Elements

Evaluación de las propiedades estáticas y dinámicas de los absorbedores de energía para elementos resistentes a la explosión

Este artículo describe la investigación experimental sobre la respuesta de nuevos materiales avanzados a la carga de alta y baja velocidad. El objetivo principal de los experimentos es mejorar el comportamiento de las estructuras sándwich bajo carga dinámica, en particular explosión. Se diseñaron dos tipos de materiales porosos de partículas en bruto basadas en vidrio expandido y cerámica en combinación con aglutinante polimérico para diseñar un nuevo tipo de absorbente de energía de onda expansiva. Se evaluó el efecto de la cantidad de aglutinante y el tipo de relleno sobre las propiedades estáticas y dinámicas de los materiales diseñados. La densidad aparente, la resistencia a la compresión y a la flexión bajo carga cuasiestática se determinaron en muestras de prismas. También se evaluaron las características de resistencia al impacto de Izod. Se realizaron simulaciones numéricas para determinar la respuesta dinámica del material en la estructura sándwich, utilizando solucionador implícito / explícito LS-Dyna. Como último paso, el material desarrollado se utilizó como intercalado de la papelera resistente a las explosiones, y su funcionalidad se verificó mediante pruebas de explosiones de campo reales.

1. Introducción

Los ataques con bombas son, por desgracia, parte de la vida actual y cada año se pierden muchas vidas debido a las catastróficas consecuencias de las explosiones. Especialmente los lugares con alta concentración de personas están amenazados, como las estaciones de metro, autobús o ferrocarril, los aeropuertos o los centros comerciales. Los materiales de absorción de energía de impacto representan un elemento de seguridad importante para mitigar las consecuencias de tal carga de impacto.

La función del absorbedor de energía de impacto es absorber la energía cinética y convertirla en un tipo diferente de energía, preferiblemente de forma irreversible. Esto puede realizarse mediante la deformación plástica, la fricción o el aplastamiento de materiales frágiles. Los materiales basados en partículas porosas y resinas son materiales con un alto potencial de absorción de energía de impacto, ya que su contenido de vacío es alto. La atenuación de la explosión se consigue rompiendo la unión entre las partículas. También las propias partículas pueden ser trituradas o transformadas de otra manera, cambiando así su estado, densificándose y absorbiendo energía. Se espera que esos procesos de disipación de energía sean considerablemente más importantes que otros efectos de las ondas, como la pérdida de energía acústica o la pérdida de energía en el relleno del absorbedor y la interfaz de la caja del absorbedor. La estructura del vacío crea un entorno óptimo para la descomposición de la onda expansiva, lo que aumenta las características de amortiguación del material.

Se realizaron varios estudios para comprender el comportamiento de los materiales porosos de la matriz polimérica a alta velocidad de carga, por ejemplo [1, 2]. Hasta donde saben los autores, todos los estudios disponibles han caracterizado partículas de relleno más pequeñas (típicamente de tamaño micrométrico) con diferentes propiedades.