• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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爆炸冲击波和破片群复合作用下泡沫铝/纤维夹芯结构的毁伤特性

周楠 唐奎 孙佳慧 王金相 刘大斌 方雨

周楠, 唐奎, 孙佳慧, 王金相, 刘大斌, 方雨. 爆炸冲击波和破片群复合作用下泡沫铝/纤维夹芯结构的毁伤特性[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0128
引用本文: 周楠, 唐奎, 孙佳慧, 王金相, 刘大斌, 方雨. 爆炸冲击波和破片群复合作用下泡沫铝/纤维夹芯结构的毁伤特性[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0128
ZHOU Nan, TANG Kui, SUN Jiahui, WANG Jinxiang, LIU Dabin, FANG Yu. Damage characteristics of foamed aluminum/fiber sandwich structure under the combined loading of near-field blast shock wave and fragments[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0128
Citation: ZHOU Nan, TANG Kui, SUN Jiahui, WANG Jinxiang, LIU Dabin, FANG Yu. Damage characteristics of foamed aluminum/fiber sandwich structure under the combined loading of near-field blast shock wave and fragments[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0128

爆炸冲击波和破片群复合作用下泡沫铝/纤维夹芯结构的毁伤特性

doi: 10.11883/bzycj-2024-0128
基金项目: 国家自然科学基金(11602113、12102202);中央高校基本科研业务费专项资金(LGZD202301);江苏省“333高层次人才培养工程”;江苏省“十四五”重点学科(公安技术)资助。
详细信息
    作者简介:

    周 楠(1986- ),男,博士,副教授,nudge@163.com

  • 中图分类号: O385

Damage characteristics of foamed aluminum/fiber sandwich structure under the combined loading of near-field blast shock wave and fragments

  • 摘要: 在简易自制爆炸装置的近场爆炸中,防护结构常受到爆炸冲击波和破片的复合作用,为了提高结构的防护性能,设计并制备了含“泡沫铝/纤维”夹芯复合结构材料,通过开展“爆炸+侵彻”实验,研究复合结构在爆炸冲击波和高速破片复合作用下的失效模式,重点讨论爆炸冲击波和破片两种载荷时序性对毁伤特性的影响,并分析不同材料的吸能机理。研究结果表明:爆距的变化直接影响爆炸冲击波和破片作用的时序性,在本文讨论的工况中,当爆距大于600 mm时,破片先于冲击波作用。在冲击波和破片的复合作用下,铝面板除了破片的贯穿破坏外,还伴有局部凹陷变形;泡沫铝自身胞孔结构在冲击载荷作用下发生压溃变形和胞壁屈服碎裂;弹孔处纤维则在破片的侵彻下发生拉伸变形和断裂,并伴有高温失效;铝背板主要以瓣裂撕裂破坏为主。在两种时序性作用下,弹孔的存在削弱了冲击波对铝面板的作用,后序夹芯结构材料和铝背板的变形破坏程度较前序材料更为严重。本研究的开展对轻质复合结构材料在有限空间近爆防护领域中的应用和功能设计提供了技术依据。
  • 图  1  实验现场装置

    Figure  1.  Experimental equipment setting

    图  2  典型实验测试信号

    Figure  2.  Typical experimental data

    图  3  有限元计算模型

    Figure  3.  Finite element model

    图  4  冲击波和破片典型飞散状态

    Figure  4.  Typical flying state of shock wave and fragments

    图  5  冲击波和破片时序性结果比较

    Figure  5.  Comparison of the time sequence of shock wave and fragment

    图  6  冲击波和破片在不同爆距复合作用下铝面板失效模式

    Figure  6.  Failure modes of front aluminum plate under the combined action of shock wave and fragment at different explosion distances

    图  7  不同爆距下泡沫铝典型失效模式

    Figure  7.  Typical failure modes of foamed aluminum at different detonation distances

    图  8  不同爆距下UHMWPE纤维典型失效模式

    Figure  8.  Typical failure modes of UHMWPE fiber at different detonation distances

    图  9  泡沫铝和纤维微观失效模式

    Figure  9.  Microscopic failure modes of foamed aluminum and fiber

    图  10  不同材料上弹孔数量及其最大尺寸

    Figure  10.  Number and maximum size of bullet holes on different materials

    表  1  不同复合板夹芯组合方式和爆距设置

    Table  1.   Different combinations of target core and detonation distance setting

    靶板编号 夹芯材料 面密度/(g∙cm−2) 爆距R/mm
    上层(厚1 cm) 中层(厚1 cm) 下层(12层)
    1 泡沫铝 泡沫铝 SM-17纤维 1.4 200
    2 泡沫铝 泡沫铝 SM-17纤维 1.4 400
    3 泡沫铝 泡沫铝 SM-17纤维 1.4 600
    4 泡沫铝 泡沫铝 SM-17纤维 1.4 800
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    表  2  时序性计算参数

    Table  2.   Parameters of timing calculation

    $ \sqrt {2E} /({\mathrm{m}}\cdot{\mathrm{s}}^{-1})$ [22] C /g M /g $ \alpha $ mbe /g
    2438 123 26.91 0.82 91.99
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    表  3  冲击波和破片时序性理论计算结果

    Table  3.   Theoretical results of the time sequence of shock wave and fragment

    爆距
    R/mm
    重叠位置比例爆距[23]
    Rs/(m∙kg−1/3)
    破片初速
    v0/(m∙s−1)
    破片到达靶板时间
    tf /ms(式(2))
    破片到达靶板时间
    tf /ms(式(5))
    冲击波到达靶板时间
    ts /ms
    时序性
    200 0.15 1643.96 0.123 0.122 0.049 冲击波先到达
    400 0.246 0.243 0.165 冲击波先到达
    600 0.370 0.365 0.337 冲击波先到达
    800 0.497 0.486 0.559 破片先到达
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    表  4  冲击波和破片时序性实验结果

    Table  4.   Experimental results of the time sequence of shock wave and fragment

    爆距
    R/mm
    破片到达靶板
    时间tf/ms
    冲击波到达靶板
    时间ts/ms
    时序性
    200 0.117 0.105 冲击波先到达
    400 0.218 0.196 冲击波先到达
    600 0.289 0.305 破片先到达
    800 0.381
     注:“-”表示未测试到信号。
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    表  5  TNT炸药JWL计算参数

    Table  5.   JWL parameters of TNT

    密度ρ/
    kg∙m−3
    爆速vD/
    (m∙s−1
    爆压pCJ/
    GPa
    A/GPa B/GPa R1 R2 ω
    1566 6800 21 374 3.75 4.15 0.9 0.35
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    表  6  冲击波和破片时序性数值仿真结果

    Table  6.   Numerical results of the time sequence of shock wave and fragment

    爆距R
    /mm
    破片到达靶板
    时间tf /ms
    冲击波到达靶板
    时间ts /ms
    时序性
    200 0.104 0.04 冲击波先到达
    400 0.202 0.199 冲击波先到达
    600 0.298 0.304 破片先到达
    800 0.4 0.412 破片先到达
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    表  7  不同爆距下复合结构典型失效模式

    Table  7.   Typical failure modes of composite structure at different detonation distances

    爆距R/mm 铝面板 上层泡沫铝板 下层泡沫铝板 纤维层 铝背板
    200
    400
    600
    800
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-08
  • 修回日期:  2024-09-03
  • 网络出版日期:  2024-09-06

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