兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 240798-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0798
收稿日期:
2024-09-03
上线日期:
2025-08-12
通讯作者:
基金资助:
MA Dong1, WANG Cheng1,*(), SHAO Nan1, WEI Jianshu2
Received:
2024-09-03
Online:
2025-08-12
摘要:
为研究聚脲涂层对抗爆结构防护性能影响,提出了一种聚脲增强多层复合抗爆结构,分析了抗爆结构在冲击波与破片联合载荷作用下的防护特性。计算并获取了炸药的超压拟合公式,采用激光三维扫描仪测量了抗爆结构在联合载荷作用下的离面位移,超压与位移的实验结果与模拟结果吻合较好。研究结果表明,聚脲涂层所在的位置极大地影响抗爆结构的防护效果。涂层位于夹芯钢板迎爆面时的防护效果比涂层位于面板以及夹芯钢板的背爆面更好,可以有效减少破片的穿透率与着靶数,削弱联合载荷最终作用于背板的能量,降低背板中心的振动幅度与振动加速度。这项研究可以为多层抗爆结构的设计提供参考。
马东, 王成, 邵楠, 韦建树. 冲击波与破片联合加载下聚脲增强多层抗爆结构的防护特性[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240798-.
MA Dong, WANG Cheng, SHAO Nan, WEI Jianshu. Strengthening Effect of Polyurea on Multi-layer Blast-resistant Structure Subjected to Combined Action of Shock Wave and Fragments[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(7): 240798-.
样品编号 | 结构(从迎爆面到背爆面) |
---|---|
S-4 | 0.5mm钢板/30mm泡沫铝/0.5mm钢板/50mm岩棉/1mm钢板 |
S-5 | 0.5mm钢板/3mm聚脲/30mm泡沫铝/0.5mm钢板/50mm岩棉/1mm钢板 |
S-6 | 0.5mm钢板/30mm泡沫铝/3mm聚脲/0.5mm钢板/50mm岩棉/1mm钢板 |
S-7 | 0.5mm钢板/30mm泡沫铝/0.5mm钢板/3mm聚脲/50mm岩棉/1mm钢板 |
表1 抗爆结构组成及参数
Table 1 Composition and parameters of of blast-resistant structure
样品编号 | 结构(从迎爆面到背爆面) |
---|---|
S-4 | 0.5mm钢板/30mm泡沫铝/0.5mm钢板/50mm岩棉/1mm钢板 |
S-5 | 0.5mm钢板/3mm聚脲/30mm泡沫铝/0.5mm钢板/50mm岩棉/1mm钢板 |
S-6 | 0.5mm钢板/30mm泡沫铝/3mm聚脲/0.5mm钢板/50mm岩棉/1mm钢板 |
S-7 | 0.5mm钢板/30mm泡沫铝/0.5mm钢板/3mm聚脲/50mm岩棉/1mm钢板 |
ρs/(g·cm-3) | E/GPa | ν | A/MPa | B/MPa | N | C/(m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|---|
7.85 | 200 | 0.3 | 350.76 | 582.1 | 0.3823 | 255 |
表2 Q235钢的模型参数
Table 2 Model parameters of steel plate
ρs/(g·cm-3) | E/GPa | ν | A/MPa | B/MPa | N | C/(m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|---|
7.85 | 200 | 0.3 | 350.76 | 582.1 | 0.3823 | 255 |
ρs/(g·cm-3) | E/GPa | ν |
---|---|---|
7.85 | 200 | 0.3 |
表3 破片的模型参数
Table 3 Model parameters of fragments
ρs/(g·cm-3) | E/GPa | ν |
---|---|---|
7.85 | 200 | 0.3 |
ρ/ (g·cm-3) | C0 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | E1/ (J·m-3) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.00128 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.4 | 0.4 | 0.0 | 2.5×105 |
表4 空气的模型参数
Table 4 Model parameters of air
ρ/ (g·cm-3) | C0 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | E1/ (J·m-3) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.00128 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.4 | 0.4 | 0.0 | 2.5×105 |
ρe/ (g·cm-3) | DC-J/ (m·s-1) | pC-J/ GPa | A1 / GPa | B1 / GPa | R1 | R2 | ω | E2 / GPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.667 | 8220 | 28 | 1140 | 23.9 | 5.7 | 1.65 | 0.6 | 10.1 |
表5 炸药的模型参数
Table 5 Model parameters of explosive
ρe/ (g·cm-3) | DC-J/ (m·s-1) | pC-J/ GPa | A1 / GPa | B1 / GPa | R1 | R2 | ω | E2 / GPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.667 | 8220 | 28 | 1140 | 23.9 | 5.7 | 1.65 | 0.6 | 10.1 |
距离/ cm | 自由场压力测试值/kPa | 平均值/ kPa | 模拟 压力/ kPa | 相对 误差/ % | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
S-4 | S-5 | S-6 | S-7 | ||||
75 | 377.6 | 369.4 | 383.6 | 384.9 | 378.9 | 362.2 | 4.4 |
100 | 198.0 | 186.4 | 182.2 | 186.7 | 188.3 | 177.8 | 5.6 |
120 | 109.6 | 114.3 | 119.9 | 115.2 | 114.8 | 119.4 | 4.0 |
140 | 86.7 | 84.0 | 96.0 | 86.1 | 88.2 | 85.9 | 2.6 |
160 | 55.7 | 55.7 | 58.0 | 58.3 | 56.9 | 62.4 | 9.7 |
表6 实验所测压力与模拟值对比
Table 6 Comparison of measured pressure in experiment with simulated value
距离/ cm | 自由场压力测试值/kPa | 平均值/ kPa | 模拟 压力/ kPa | 相对 误差/ % | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
S-4 | S-5 | S-6 | S-7 | ||||
75 | 377.6 | 369.4 | 383.6 | 384.9 | 378.9 | 362.2 | 4.4 |
100 | 198.0 | 186.4 | 182.2 | 186.7 | 188.3 | 177.8 | 5.6 |
120 | 109.6 | 114.3 | 119.9 | 115.2 | 114.8 | 119.4 | 4.0 |
140 | 86.7 | 84.0 | 96.0 | 86.1 | 88.2 | 85.9 | 2.6 |
160 | 55.7 | 55.7 | 58.0 | 58.3 | 56.9 | 62.4 | 9.7 |
样品 | 夹芯钢 板着靶 | 夹芯钢 板穿透 | 夹芯钢 板穿透率/% | 背板 着靶 | 背板 穿透 | 背板 穿透率/% |
---|---|---|---|---|---|---|
S-4 | 9 | 5 | 55.6 | 4 | 1 | 25.0 |
S-5 | 7 | 2 | 28.6 | 2 | 0 | 0 |
S-6 | 8 | 1 | 12.5 | 1 | 0 | 0 |
S-7 | 8 | 3 | 37.5 | 2 | 0 | 0 |
表7 抗爆结构的破片着靶与穿透数量统计
Table 7 Quantity statistics of fragments impacting on and penetrating into the blast-resistant structure
样品 | 夹芯钢 板着靶 | 夹芯钢 板穿透 | 夹芯钢 板穿透率/% | 背板 着靶 | 背板 穿透 | 背板 穿透率/% |
---|---|---|---|---|---|---|
S-4 | 9 | 5 | 55.6 | 4 | 1 | 25.0 |
S-5 | 7 | 2 | 28.6 | 2 | 0 | 0 |
S-6 | 8 | 1 | 12.5 | 1 | 0 | 0 |
S-7 | 8 | 3 | 37.5 | 2 | 0 | 0 |
样品 | 夹芯钢板 位移实验 峰值/mm | 夹芯钢板 位移模拟 峰值/mm | 相对 误差/ % | 背板位移 实验峰值/ mm | 背板位移 模拟峰值/ mm | 相对 误差/ % |
---|---|---|---|---|---|---|
S-4 | 16.4 | 15.5 | 5.5 | 14.1 | 11.5 | 18.4 |
S-5 | 6.5 | 6.6 | 1.5 | 5.6 | 6.1 | 8.9 |
S-6 | 10.8 | 11.9 | 10.2 | 1.4 | 1.2 | 14.3 |
S-7 | 14.2 | 13.0 | 8.5 | 8.3 | 8.1 | 2.4 |
表8 峰值位移的实验值与模拟值对比
Table 8 Comparison of experimental and simulated peak displacement values
样品 | 夹芯钢板 位移实验 峰值/mm | 夹芯钢板 位移模拟 峰值/mm | 相对 误差/ % | 背板位移 实验峰值/ mm | 背板位移 模拟峰值/ mm | 相对 误差/ % |
---|---|---|---|---|---|---|
S-4 | 16.4 | 15.5 | 5.5 | 14.1 | 11.5 | 18.4 |
S-5 | 6.5 | 6.6 | 1.5 | 5.6 | 6.1 | 8.9 |
S-6 | 10.8 | 11.9 | 10.2 | 1.4 | 1.2 | 14.3 |
S-7 | 14.2 | 13.0 | 8.5 | 8.3 | 8.1 | 2.4 |
样品 | 夹芯钢板 总能量/J | 夹芯钢板 内能/J | 背板总 能量/J | 背板内 能/J |
---|---|---|---|---|
S-4 | 418.5 | 417.2 | 98.7 | 97.5 |
S-5 | 25.7 | 25.5 | 10.4 | 10.3 |
S-6 | 197.5 | 196.7 | 0.8 | 0.2 |
S-7 | 271.1 | 270.9 | 45.6 | 44.5 |
表9 夹芯钢板与背板能量变化
Table 9 The change in energy of sandwich plate and back plate
样品 | 夹芯钢板 总能量/J | 夹芯钢板 内能/J | 背板总 能量/J | 背板内 能/J |
---|---|---|---|---|
S-4 | 418.5 | 417.2 | 98.7 | 97.5 |
S-5 | 25.7 | 25.5 | 10.4 | 10.3 |
S-6 | 197.5 | 196.7 | 0.8 | 0.2 |
S-7 | 271.1 | 270.9 | 45.6 | 44.5 |
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