李 鵬，呂 平，黃微波，馬明亮，張 銳，金浩法

（青島理工大學(xué)，山東青島 266033）

0 引言

防爆罐是一種可防備和減小爆炸物爆炸時對附近人員及物品造成傷害和破壞的特殊壓力容器，防爆罐的研究，尤其是其防爆材料與性能的研究，對于減少公共場所炸彈襲擊產(chǎn)生的危害具有重要的意義。目前防爆罐的防爆層一般采用特制鋼板或復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)制成，但鋼板存在結(jié)構(gòu)笨重，而常規(guī)復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)存在抗爆能力相對較弱的問題。有必要對防爆罐進(jìn)行輕質(zhì)、可重復(fù)使用、提高抗爆性的研究?，F(xiàn)代多功能材料具有緩沖吸能的特性，未來新型復(fù)合材料防爆罐可有效削弱爆炸物爆炸時產(chǎn)生的沖擊波并減少二次破片等的傷害。下面主要從防爆材料的防爆性能及數(shù)值模擬等方面，綜述防爆罐用防爆材料及其性能的研究進(jìn)展。

1 防爆罐用防爆材料及其性能

防爆罐通常為上端開口型的圓柱體，其防爆功能主要體現(xiàn)在對爆炸沖擊波的約束、吸收與釋放方面。防爆罐的抗爆能力由其能抵御的標(biāo)準(zhǔn)TNT當(dāng)量來衡量，當(dāng)罐內(nèi)一定當(dāng)量的TNT炸藥引爆后，罐體不能出現(xiàn)傾倒、燃燒和粉塵等現(xiàn)象，可以存在變形，但罐體外面板不得出現(xiàn)開裂、破洞等現(xiàn)象。我國防爆罐的研發(fā)已從早期的單一金屬結(jié)構(gòu)逐步發(fā)展為多種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料能夠明顯提高防爆罐的防護(hù)性能、降低罐體質(zhì)量。以下主要對防爆罐的常用材料、多孔材料及聚脲彈性體材料的防爆性能進(jìn)行介紹。

1.1 常用材料及其性能

現(xiàn)有防爆罐防爆夾層主要由抗爆和阻燃材料組成，常用的抗爆材料有耐火防爆膠、纖維復(fù)合板、防爆聚肽酸酯板等。Qi Dong等［1］通過測試玻璃纖維抗爆圓筒在爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)層鋼板發(fā)生屈曲導(dǎo)致外玻纖殼體脫層和纖維斷裂，從而限制了玻纖抗爆容器的抗爆炸承載能力。其在相同的爆炸荷載作用下對碳纖維抗爆圓筒進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)其承載能力要優(yōu)于玻璃纖維抗爆圓筒［2］。王立軍等［3］通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮聚氨酯發(fā)泡塑料和落錘沖擊試驗(yàn)，分析了聚氨酯在中低應(yīng)變率下的力學(xué)性能和能量吸收性能，發(fā)現(xiàn)隨著初始應(yīng)變率的增加，材料的應(yīng)力和能量吸收明顯增大，應(yīng)變?yōu)?.4時的動態(tài)應(yīng)力比靜態(tài)應(yīng)力最大增加了114.49%，所吸收的能量最大增加了65.74%。劉佳等［4］通過對平面爆炸波在其中傳播時的衰減特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為分配層材料時能大大吸收爆炸產(chǎn)生的沖擊波，且聚氨酯泡沫厚度為5 cm時，能量吸收效率最優(yōu)。

1.2 多孔材料及其性能

多孔材料常為輕質(zhì)、疏松材料，其強(qiáng)度高、抗疲勞性能好，且具有優(yōu)異的抗沖擊吸能特性及減震降噪性能。常用的多孔材料有泡沫金屬、蜂窩復(fù)合材料等。如圖1所示，多孔材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為彈性段、屈服段和致密段，應(yīng)力平臺較長［5］，金屬和許多聚合物等彈塑性多孔結(jié)構(gòu)體的孔壁彎曲達(dá)到完全的塑性矩時，會發(fā)生塑性坍塌，且在塑性坍塌應(yīng)力處出現(xiàn)平臺，此時產(chǎn)生的應(yīng)力為平臺應(yīng)力，在此階段能夠吸收大量能量。

圖1 多孔材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Figure 1 Porous material quasi-static compression stress-strain curve diagram

近年來泡沫金屬材料因其輕質(zhì)、高能量吸收特性而被越來越多地用于吸收爆炸和沖擊能量。人們發(fā)現(xiàn)，在填充泡沫金屬后，防爆罐的吸能能力明顯提高。劉新讓等［6］通過TNT爆炸試驗(yàn)表明，新型填充泡沫鋁結(jié)構(gòu)的防爆罐（圖2）與傳統(tǒng)的多層復(fù)合防爆罐相比，罐體徑向變形更小，且沖擊波在泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)中的傳播有較明顯的衰減，因此其對爆炸沖擊的能量吸收性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)防爆罐。泡沫鋁結(jié)構(gòu)沖擊波阻抗較低，能夠明顯削減應(yīng)力波的強(qiáng)度。在此過程中，爆炸沖擊能量減小，復(fù)合抗爆結(jié)構(gòu)的抗力較單層結(jié)構(gòu)有顯著提升，“硬-軟-硬”的復(fù)合抗爆結(jié)構(gòu)形式較為合理［7］。罐體外面板起到了約束整個結(jié)構(gòu)的作用，外面板厚度較小時，泡沫鋁夾心不能最大化地壓縮吸能，導(dǎo)致罐體外面板徑向變形過大，外面板過厚，則會使罐體整體質(zhì)量增大。內(nèi)面板需薄于外面板，在外面板的約束下內(nèi)面板充分壓縮泡沫鋁，才能發(fā)揮其能量吸收效果［6］。防爆罐通過內(nèi)面板和夾芯結(jié)構(gòu)的變形及破壞吸收爆炸產(chǎn)生的動能和內(nèi)能，通過外層鋼板約束沖擊能量，最后上端開口釋放剩余爆炸能量減小破壞。

圖2 新型防爆罐試驗(yàn)示意圖Figure 2 New explosion-proof tank test schematic

Y.H. Wang等［8］在準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)向壓縮載荷下對含有泡沫鋁的兩根不同直徑的同心鋁管，采用響應(yīng)面法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層直徑最小、泡沫厚度最大的夾層管更適合用作吸能元件。C.Qi等［9］研究了泡沫鋁芯夾層板（AFSP）的抗爆破性能，發(fā)現(xiàn)低剛度的前表面具有較大的泡沫芯壓縮和吸能能力，而高剛度的后表面適合于減小AFSP的撓度。

蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的吸能特性，不同結(jié)構(gòu)的蜂窩在爆炸荷載下的變形特性和吸能原理不同［10］。蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，蜂窩橫向放置和縱向放置結(jié)構(gòu)的吸能大小有所不同。朱易等［11］運(yùn)用數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，夾層為縱向放置的蜂窩復(fù)合靶板整體變形較小，而橫向放置的變形最大，其吸能能力也最強(qiáng)。戴平仁等［12］發(fā)現(xiàn)，不同涂覆方式的聚脲蜂窩靶板均能抑制靶板產(chǎn)生二次破片，在爆炸載荷作用下，蜂窩內(nèi)腔填充聚脲時，靶板的背面板變形良好且結(jié)構(gòu)完整，抗爆能力最佳。顧文彬等［13］建立了多種梯度密度排列的多層泡沫鋁爆炸加載模型，結(jié)果顯示，底板主要以橫向變形為主，其中密度遞減結(jié)構(gòu)的橫向撓度最小且其吸能量最大。

圖3 蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)Figure 3 Honeycomb composite structure

多孔材料具有吸收和緩沖沖擊能量的特點(diǎn)，單層多孔材料強(qiáng)度較低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的抗爆要求，未來新型防爆結(jié)構(gòu)將以多層復(fù)合抗爆材料為主要趨勢。

1.3 聚脲彈性體材料及其性能

我國黃微波等［14］在1995年率先對噴涂聚脲彈性體技術(shù)進(jìn)行了研究與開發(fā)，并將研發(fā)產(chǎn)品成功應(yīng)用于眾多商業(yè)領(lǐng)域。聚脲為一種改性聚合物，具有易使用、固化快、附著力強(qiáng)和力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，被廣泛關(guān)注與應(yīng)用［15-16］。聚脲涂層一般是由聚脲彈性體組成的超彈性材料，將其涂覆于基材，如鋼材和混凝土等表面可以明顯提高結(jié)構(gòu)的抗爆防護(hù)性能。

McShane等［17］研究發(fā)現(xiàn)，將聚脲彈性體涂覆于軍車的底部，可明顯減弱地面爆炸物產(chǎn)生的沖擊破壞，確保車內(nèi)人員的安全。Junguo Wang等［18］發(fā)現(xiàn)，聚脲涂層能夠有效提高墻體在沖擊荷載作用下的抗爆性能和抗折性能，保護(hù)墻壁結(jié)構(gòu)的完整性，防止建筑物內(nèi)人員受到爆炸破片的傷害。Damith Mohotti等［19］通過試驗(yàn)和有限元模擬研究了高速彈丸在鋁-聚脲復(fù)合層板體系中的侵徹問題，建立了不同復(fù)合材料系統(tǒng)的彈道極限曲線，發(fā)現(xiàn)聚脲可明顯降低彈丸剩余速度，為今后裝甲工業(yè)等應(yīng)用提供參考。

F.Tchantchou等［20］在鋁制平臺上放置成年鼠，在平臺底部相同的爆炸荷載下，試驗(yàn)中67%的成年鼠立即死亡；而在鋁制平臺上涂覆聚脲彈性體材料后，試驗(yàn)中的成年鼠全部存活，通過該試驗(yàn)結(jié)果可推測，聚脲彈性體的應(yīng)用有助于未來防爆車輛的發(fā)展。翟文［21］等通過研究多種工況下聚脲噴涂鋼板結(jié)構(gòu)靶板的抗爆性能發(fā)現(xiàn)，聚脲填充鋼板夾層不僅可抑制裂紋和破片產(chǎn)生，防護(hù)能力較好，而且在靶板發(fā)生剪切破壞時能夠有效地抑制靶板的擴(kuò)孔，提高了整體的抗爆能力。Erin Gauch等［22］通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬聚脲涂層復(fù)合圓筒的近場水下爆炸響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，聚脲涂層復(fù)合材料能有效減少圓筒的損傷，且隨著涂層厚度的增加，材料的內(nèi)能和總應(yīng)變都有增加的趨勢。

戴平仁等［23］發(fā)現(xiàn)，聚脲三明治夾層結(jié)構(gòu)對靶板抵抗變形、吸能能力，以及對爆炸沖擊波的衰減能力均有提高，并且隨著聚脲夾層厚度的增加，其對沖擊波的衰減能力增加明顯。當(dāng)聚脲彈性體夾層厚度增加至30 mm時，因爆炸載荷產(chǎn)生的位移與背部壓力分別降低29.9%與97.2%。Tekalur S A等［24］發(fā)現(xiàn)，三明治夾層結(jié)構(gòu)中的夾層含有軟材料時，抗爆性能達(dá)到最佳。王小偉等［25］應(yīng)用有限元軟件模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)總厚度不變，鋼板與聚脲彈性體夾層厚度比為1.4∶1.2∶1.4時，結(jié)構(gòu)變形的整體性和能量吸收效果最好；在質(zhì)量固定的條件下，當(dāng)鋼板與聚脲彈性體夾層厚度比為0.903∶3.5∶0.903時，結(jié)構(gòu)的綜合抗爆性能最優(yōu)。

Amini等［26］研究發(fā)現(xiàn)，鋼板表面噴涂聚脲涂層可提高能量吸收性能；黃陽洋等［27］進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，復(fù)合結(jié)構(gòu)背面涂覆聚脲彈性體時，結(jié)構(gòu)的抗爆效率提高。A. Samiee等［28］通過數(shù)值模擬對鋼與聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載下涂層厚度、涂覆方式以及爆炸傳播方式的影響進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆炸變形能力最優(yōu)，且聚脲涂層越厚越明顯。Gauch.E等［29］研究了近場水下炸藥載荷下復(fù)合圓筒的動態(tài)響應(yīng)，不僅通過試驗(yàn)比較了瞬態(tài)變形和爆炸后破損，還通過數(shù)值模擬，確定了能量變化和材料應(yīng)變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚脲涂層的應(yīng)用可以有效減少圓筒的損傷。Shi.S等［30］研究發(fā)現(xiàn)，聚脲涂層在接觸爆炸試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生爆炸穿孔，在覆蓋爆炸碎片和減少結(jié)構(gòu)局部損傷方面存在隱患。為了增強(qiáng)涂層的力學(xué)性能，加入了編織玻璃纖維網(wǎng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維能使聚脲涂層的失效模式從剪切沖孔失效轉(zhuǎn)變?yōu)槔焓?，有效提高了聚脲涂層的載荷傳遞、完整性和抗斷裂能力。

通過研究聚脲涂層的失效模式、爆炸碎片分布和損傷程度，結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的防爆材料，聚脲涂層具有優(yōu)異的附著力和延展性，能有效包裹爆炸碎片、防止二次破片對周圍人員及財(cái)產(chǎn)的傷害，將會成為現(xiàn)有防護(hù)防爆結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)的替代之選。

2 數(shù)值模擬研究

ANSYS/LS-DYNA程序可以較為準(zhǔn)確地模擬壓力容器結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波作用下的彈塑性行為，為了解材料和結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系提供詳細(xì)信息。通過該程序能夠模擬容器動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)的基本特征，由于受到爆炸沖擊波和結(jié)構(gòu)的相互作用的影響，使得實(shí)際波形和模擬波形存在一定誤差，這有待于今后對材料本構(gòu)及自身參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行研究和完善。

隨著數(shù)值模擬方法的不斷成熟和模擬參數(shù)的逐步修正，模擬結(jié)果的可靠性也在提高。眾多學(xué)者應(yīng)用有限元程序研究爆炸容器的動力學(xué)響應(yīng)，如柏勁松等［31］采用Euler型的Lagrange方法處理橢球封頭和類球形爆炸容器結(jié)構(gòu)材料間的接觸界面，通過虛擬流體方法（Ghost Fluid Method，GFM）避免了純拉格朗日算法中存在的滑移接觸問題。顧文彬等［32］定量分析了防爆罐內(nèi)各結(jié)構(gòu)間在爆炸荷載下的爆炸產(chǎn)物、氣體的能量轉(zhuǎn)化與吸收，結(jié)果表明，泡沫鋁夾層可以較好地以卸載動能和透射應(yīng)力波等方式吸收、緩沖內(nèi)層鋼板所獲得的爆炸沖擊能量。

宋彬等［33］對無夾層、橡膠夾層和聚脲夾層3種防爆罐在內(nèi)爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了分析，結(jié)果見表1。表1試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于橡膠防爆罐和無夾層防爆罐，聚脲彈性體防爆罐的吸能效果較好且爆炸后外面板形變量最小，防爆性能優(yōu)異。

表1 3種防爆罐能量分析Table 1 Energy analysis of three explosion-proof tanks

鐘冬望等［34］采用數(shù)值模擬橢圓封頭的圓柱形爆炸容器在不同TNT當(dāng)量炸藥爆炸時的動態(tài)響應(yīng)，得出了不同采集點(diǎn)的最大主應(yīng)變時程曲線、周向應(yīng)變時程曲線和加速度時程曲線。Li Ma等［35］通過流體結(jié)構(gòu)相互作用（Fluid Structure Interaction，F(xiàn)SI）模擬和裂紋分析球形容器爆炸破壞的尺度效應(yīng)，揭示了容器斷裂和破碎的原因以及破壞電荷的尺度規(guī)律，這有助于防止容器進(jìn)一步發(fā)生災(zāi)難性脆性和準(zhǔn)脆性破壞。Li Linna等［36］對不同爆炸載荷下的橢圓端蓋圓柱防爆容器進(jìn)行了水下爆炸試驗(yàn)，確定了充水爆炸安全殼的承載能力和破壞模式，并在此基礎(chǔ)上提出了充水爆炸安全殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。孫琦等［37］將理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證，不僅考慮到了球形容器內(nèi)爆炸載荷首個沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力的基礎(chǔ)問題，還與結(jié)構(gòu)自身參數(shù)分析相結(jié)合，模擬結(jié)果顯示與力學(xué)分析較為吻合，可靠性較高。

除了對防爆材料進(jìn)行爆炸試驗(yàn)和防爆理論研究外，還需進(jìn)一步通過數(shù)值模擬試驗(yàn)來探索防爆機(jī)理，為其他建筑防爆和軍事防御工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3 結(jié)語

從抗爆材料的吸能抗爆性能及數(shù)值模擬入手，綜述了防爆罐用防護(hù)材料及其性能的研究進(jìn)展，以及未來新型防爆罐材料的發(fā)展方向。

（1） 復(fù)合防爆材料吸收爆炸產(chǎn)生的沖擊波和吸附破片的能力較強(qiáng)，材料輕質(zhì)方便搬運(yùn)與運(yùn)輸，質(zhì)量相比特制鋼板較輕，抗爆性能優(yōu)異且可重復(fù)使用，提高了防爆罐的綜合性能。

（2） 聚脲彈性體不僅能通過其優(yōu)異的拉伸性能大大吸收爆炸能量，作為外面板還能防止二次破片的傷害。為了更好地提高相應(yīng)的填充結(jié)構(gòu)和聚脲彈性體材料的吸能抗爆性能，需要合理地設(shè)計(jì)材料的密度、粘彈性、內(nèi)外面板的厚度、夾層材料比例等。

（3） 數(shù)值模擬需進(jìn)一步展開實(shí)際應(yīng)用中的多種抗爆復(fù)合材料及多次爆炸荷載下可重復(fù)使用性能的研究，并應(yīng)用于動態(tài)響應(yīng)計(jì)算。

隨著防爆罐在公共場所的普及，防爆罐應(yīng)充分利用材料之間的力學(xué)性能，新型多孔吸能材料和聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)是未來防爆罐研究的主要方向。