
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250468-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0468
朱炜1, 姚文进1,*(
), 黄广炎2, 李文彬1, 王晓鸣1
收稿日期:2025-06-07
上线日期:2025-11-05
通讯作者:
基金资助:
ZHU Wei1, YAO Wenjin1,*(
), HUANG Guangyan2, LI Wenbin1, WANG Xiaoming1
Received:2025-06-07
Online:2025-11-05
摘要:
为探究纳米多孔材料液体系统(Nanoporous Material Liquid Systems,NMLS)在提升纤维围栏抗爆性能中的应用价值,针对纳米多孔二氧化硅水悬浮液的削爆效应开展了实验与数值模拟研究。通过内爆炸实验对比了空腔-围栏、水填充腔体-围栏以及NMLS填充腔体-围栏三种环形复合结构的抗爆性能,结果显示三者纤维断裂情况差异较小,水和NMLS均未表现出明显的削爆效果。建立了与实验工况对应的数值模型,采用经动态冲击实验校验的压实状态方程描述NMLS的力学行为,模拟结果表明:水和NMLS反而显著增强了围栏内壁上的爆炸载荷,压力峰值分别达到了无液体层时的1.7倍和1.9倍;NMLS引起更加严重的载荷增强是因为冲击波传入NMLS时在追赶加载作用下经历了更高幅度的初始压力增长。进一步开展了更宽参数范围的数值分析,发现:水层始终表现出爆炸增强效应,而NMLS对爆炸载荷的影响随着爆距增大、装药量减小或液体层增厚,由增强效应逐渐转化为削弱效应,这源于NMLS的吸能能力与爆炸载荷实现了匹配,导致冲击波穿过NMLS层后压力发生更大幅度的衰减。
朱炜, 姚文进, 黄广炎, 李文彬, 王晓鸣. 纳米多孔材料液体系统对近场爆炸载荷削弱效应[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250468-.
ZHU Wei, YAO Wenjin, HUANG Guangyan, LI Wenbin, WANG Xiaoming. Mitigation Effects of Nanoporous Material Liquid System on losed-field Blast Loading[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250468-.
| 试样 | 入射波 峰值/MPa | 入射波冲量/ (kPa·s) | 透射波 峰值/MPa | 透射波冲量/ (kPa·s) |
|---|---|---|---|---|
| 去离子水 | 395 | 27.0 | 118 | 11.9 |
| NMLS | 391 | 27.2 | 49.7 | 7.7 |
表1 入射波与透射波的压力峰值和比冲量
Table 1 Peak pressure and impulse of incident and transmitted waves
| 试样 | 入射波 峰值/MPa | 入射波冲量/ (kPa·s) | 透射波 峰值/MPa | 透射波冲量/ (kPa·s) |
|---|---|---|---|---|
| 去离子水 | 395 | 27.0 | 118 | 11.9 |
| NMLS | 391 | 27.2 | 49.7 | 7.7 |
| 试样 | 入射波 能量/J | 反射波 能量/J | 透射波 能量/J | 试样及装置 耗能/J |
|---|---|---|---|---|
| 无试样 | 35.81 | 0.65 | 33.63 | 1.53 |
| 去离子水 | 34.08 | 28.76 | 3.33 | 1.99 |
| NMLS | 34.58 | 29.04 | 1.10 | 4.44 |
表2 不同试样对应的应力波能量
Table 2 Energy of the stress waves for different samples
| 试样 | 入射波 能量/J | 反射波 能量/J | 透射波 能量/J | 试样及装置 耗能/J |
|---|---|---|---|---|
| 无试样 | 35.81 | 0.65 | 33.63 | 1.53 |
| 去离子水 | 34.08 | 28.76 | 3.33 | 1.99 |
| NMLS | 34.58 | 29.04 | 1.10 | 4.44 |
| 结构 名称 | 腔体内填充的 物质 | 液体填充腔体 总质量/g | 纤维 层数 | 纤维围栏 质量/g |
|---|---|---|---|---|
| AF50 | 空气 | 88 | 50 | 254 |
| WF50 | 去离子水 | 314 | 50 | 250 |
| NF50 | NMLS | 290 | 50 | 257 |
| AF65 | 空气 | 87 | 65 | 340 |
| WF65 | 去离子水 | 305 | 65 | 350 |
| NF65 | NMLS | 285 | 65 | 350 |
| AF75 | 空气 | 88 | 75 | 401 |
| WF75 | 去离子水 | 312 | 75 | 400 |
| NF75 | NMLS | 292 | 75 | 395 |
| AF100 | 空气 | 88 | 100 | 571 |
| WF100 | 去离子水 | 315 | 100 | 565 |
| NF100 | NMLS | 294 | 100 | 566 |
表3 爆炸实验被测结构信息
Table 3 Specimen arrangement in the explosion experiments
| 结构 名称 | 腔体内填充的 物质 | 液体填充腔体 总质量/g | 纤维 层数 | 纤维围栏 质量/g |
|---|---|---|---|---|
| AF50 | 空气 | 88 | 50 | 254 |
| WF50 | 去离子水 | 314 | 50 | 250 |
| NF50 | NMLS | 290 | 50 | 257 |
| AF65 | 空气 | 87 | 65 | 340 |
| WF65 | 去离子水 | 305 | 65 | 350 |
| NF65 | NMLS | 285 | 65 | 350 |
| AF75 | 空气 | 88 | 75 | 401 |
| WF75 | 去离子水 | 312 | 75 | 400 |
| NF75 | NMLS | 292 | 75 | 395 |
| AF100 | 空气 | 88 | 100 | 571 |
| WF100 | 去离子水 | 315 | 100 | 565 |
| NF100 | NMLS | 294 | 100 | 566 |
| 总纤维层数 | 爆炸后完整纤维层数 | ||
|---|---|---|---|
| AF | WF | NF | |
| 50 | 0 | 0 | 0 |
| 65 | 0 | 0 | 0 |
| 75 | 0 | 0 | 0 |
| 100 | 11 | 11 | 27 |
表4 不同结构爆炸后完整纤维层数
Table 4 Intact layer number of fiber shells after explosion
| 总纤维层数 | 爆炸后完整纤维层数 | ||
|---|---|---|---|
| AF | WF | NF | |
| 50 | 0 | 0 | 0 |
| 65 | 0 | 0 | 0 |
| 75 | 0 | 0 | 0 |
| 100 | 11 | 11 | 27 |
| 参数 | P-α状态方程 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 初始密 度ρ0/ (g·cm-3) | 初始声 速c0/ (m·s-1) | 初始渗 入压力 P0/MPa | 完全渗 入压力 Ps/MPa | 压实 指数n | |
| 取值 | 1 | 1480 | 20 | 150 | 2 |
| 参数 | Mie-Grüneisen状态方程[ | ||||
| 参考密 度ρs0/ (g·cm-3) | 参考声 速cs/ (m·s-1) | Grüneisen 系数Γ0 | 拟合 系数 S1 | 比热Cm/ (J·kg-1·K-1) | |
| 取值 | 1.159 | 1483 | 0.28 | 1.75 | 4180 |
表5 NMLS材料参数
Table 5 Material properties for NMLS
| 参数 | P-α状态方程 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 初始密 度ρ0/ (g·cm-3) | 初始声 速c0/ (m·s-1) | 初始渗 入压力 P0/MPa | 完全渗 入压力 Ps/MPa | 压实 指数n | |
| 取值 | 1 | 1480 | 20 | 150 | 2 |
| 参数 | Mie-Grüneisen状态方程[ | ||||
| 参考密 度ρs0/ (g·cm-3) | 参考声 速cs/ (m·s-1) | Grüneisen 系数Γ0 | 拟合 系数 S1 | 比热Cm/ (J·kg-1·K-1) | |
| 取值 | 1.159 | 1483 | 0.28 | 1.75 | 4180 |
| 参数 | 密度ρ/ (g·cm-3) | 比热比 γ | 参考温度 T0/K | 比热Cm/ (J·kg-1·K-1) | 比内能E0/ (J·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 取值 | 0.001225 | 1.4 | 288.2 | 717.6 | 206800 |
表6 空气材料参数[24]
Table 6 Material properties for air[24]
| 参数 | 密度ρ/ (g·cm-3) | 比热比 γ | 参考温度 T0/K | 比热Cm/ (J·kg-1·K-1) | 比内能E0/ (J·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 取值 | 0.001225 | 1.4 | 288.2 | 717.6 | 206800 |
| 参数 | 密度ρ/ (g·cm-3) | 爆速D/ (m·s-1) | A/ GPa | B/ GPa | ω | R1 | R2 | 爆轰能量 密度e/ (kJ·m-3) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 取值 | 1.695 | 8425 | 852.4 | 18.02 | 0.38 | 4.6 | 1.35 | 8939430 |
表7 8701炸药材料参数[25]
Table 7 Material properties for 8701 explosive[25]
| 参数 | 密度ρ/ (g·cm-3) | 爆速D/ (m·s-1) | A/ GPa | B/ GPa | ω | R1 | R2 | 爆轰能量 密度e/ (kJ·m-3) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 取值 | 1.695 | 8425 | 852.4 | 18.02 | 0.38 | 4.6 | 1.35 | 8939430 |
| 参数 | 密度ρ/ (g·cm-3) | Grüneisen 系数Γ0 | 声速c/ (m·s-1) | 拟合 系数 S1 | 比热Cm/ (J·kg-1·K-1) | 剪切 模量 G/GPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 取值 | 0.98 | 1.64 | 3570 | 1.3 | 1850 | 2 |
表8 纤维复合材料材料参数[26]
Table 8 Material properties for fiber composite[26]
| 参数 | 密度ρ/ (g·cm-3) | Grüneisen 系数Γ0 | 声速c/ (m·s-1) | 拟合 系数 S1 | 比热Cm/ (J·kg-1·K-1) | 剪切 模量 G/GPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 取值 | 0.98 | 1.64 | 3570 | 1.3 | 1850 | 2 |
| 工况 代号 | 装药高度 he/mm | 装药质量 me/g | 纤维层内 半径Rf/mm | 液体层厚度 Tl/mm |
|---|---|---|---|---|
| E1R1T1 | 20 | 16.64 | 45 | 10 |
| E1R2T1 | 20 | 16.64 | 80 | 10 |
| E1R3T1 | 20 | 16.64 | 115 | 10 |
| E1R4T1 | 20 | 16.64 | 130 | 10 |
| E1R5T1 | 20 | 16.64 | 150 | 10 |
| E2R2T1 | 30 | 24.96 | 80 | 10 |
| E3R2T1 | 15 | 12.48 | 80 | 10 |
| E4R2T1 | 10 | 8.32 | 80 | 10 |
| E5R2T1 | 5 | 4.16 | 80 | 10 |
| E1R2T2 | 20 | 16.64 | 80 | 5 |
| E1R2T3 | 20 | 16.64 | 80 | 20 |
| E1R2T4 | 20 | 16.64 | 80 | 30 |
表9 数值模拟方案
Table 9 Numerical simulation scheme
| 工况 代号 | 装药高度 he/mm | 装药质量 me/g | 纤维层内 半径Rf/mm | 液体层厚度 Tl/mm |
|---|---|---|---|---|
| E1R1T1 | 20 | 16.64 | 45 | 10 |
| E1R2T1 | 20 | 16.64 | 80 | 10 |
| E1R3T1 | 20 | 16.64 | 115 | 10 |
| E1R4T1 | 20 | 16.64 | 130 | 10 |
| E1R5T1 | 20 | 16.64 | 150 | 10 |
| E2R2T1 | 30 | 24.96 | 80 | 10 |
| E3R2T1 | 15 | 12.48 | 80 | 10 |
| E4R2T1 | 10 | 8.32 | 80 | 10 |
| E5R2T1 | 5 | 4.16 | 80 | 10 |
| E1R2T2 | 20 | 16.64 | 80 | 5 |
| E1R2T3 | 20 | 16.64 | 80 | 20 |
| E1R2T4 | 20 | 16.64 | 80 | 30 |
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