泡沫鋁夾心排爆罐抗爆性能試驗(yàn)研究

任新見(jiàn)，李廣新，張勝民

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽(yáng) 471023)

泡沫鋁夾心排爆罐抗爆性能試驗(yàn)研究

任新見(jiàn)1，2，李廣新2，張勝民2

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽(yáng) 471023)

排爆罐作為常用的公共安全防護(hù)裝備，其結(jié)構(gòu)的抗爆性能、機(jī)動(dòng)性等指標(biāo)對(duì)安全保障起到?jīng)Q定性作用。目前國(guó)內(nèi)常用排爆罐結(jié)構(gòu)笨重，質(zhì)量較大，抗爆性能較差。為研制一種新型便攜式輕質(zhì)高抗力排爆罐，制作泡沫鋁夾心排爆罐模型，與國(guó)內(nèi)既有排爆罐模型開(kāi)展相同裝藥量條件下的抗爆性能對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的衰減特性進(jìn)行了分析，探討了影響排爆罐抗爆性能的核心因素。比較表明，泡沫鋁夾心排爆罐抗爆性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)排爆罐。

排爆罐;泡沫鋁;夾心結(jié)構(gòu);抗爆性能

在常見(jiàn)的恐怖襲擊方式中，爆炸恐怖活動(dòng)最為猖獗，一直是國(guó)際恐怖分子最常用的襲擊手段。隨著恐怖活動(dòng)的日益加劇，對(duì)反爆炸恐怖襲擊工程防護(hù)設(shè)計(jì)理論及技術(shù)措施的深入研究是我國(guó)目前一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的重要課題。

排爆罐是確保公共安全的基礎(chǔ)條件，是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的主要排爆裝備。排爆罐形狀一般為圓筒形或球形，通常置于平板拖車上，由汽車進(jìn)行機(jī)動(dòng)牽引。當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑爆炸物后，將其放入排爆罐中及時(shí)轉(zhuǎn)移到安全地進(jìn)行銷毀處理。我國(guó)排爆罐的研發(fā)與生產(chǎn)均處于起步階段，主要采用厚壁金屬容器等形式。研發(fā)可供公安、武警、消防等公共安全部門大規(guī)模推廣使用的具有良好機(jī)動(dòng)性能、較高性價(jià)比的排爆罐是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。

多孔材料具有減震和吸收沖擊能量的優(yōu)點(diǎn)，已引起工程防護(hù)領(lǐng)域的普遍重視，國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展了針對(duì)泡沫鋁、聚氨酯泡沫等多孔材料的研究。研究表明，泡沫材料對(duì)爆炸荷載具有較強(qiáng)的抗沖擊減壓效能，爆炸沖擊波在泡沫鋁中傳播時(shí)顯示明顯的衰減特性［1～3］。理想吸能材料須具有較長(zhǎng)應(yīng)力平臺(tái)，這樣應(yīng)力應(yīng)變曲線圍成的面積較大，吸收的能量較多［4～5］。泡沫鋁密度低而且屈服強(qiáng)度較高，具有高而長(zhǎng)的應(yīng)力平臺(tái)，在應(yīng)力平臺(tái)階段能吸收大量能量。為研制輕質(zhì)高抗力排爆罐，制作泡沫鋁夾心排爆罐模型進(jìn)行化爆試驗(yàn)，通過(guò)在給定藥量的爆炸荷載下結(jié)構(gòu)內(nèi)外面板及泡沫夾心的變形壓縮情況、不同層面間的應(yīng)力波幅值來(lái)了解結(jié)構(gòu)的總體性能，對(duì)泡沫鋁材料的抗爆吸能特性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試件簡(jiǎn)介

采用熔體發(fā)泡法制備的閉孔泡沫鋁作為吸能材料。泡沫夾心與新型排爆罐模型示意如圖1。

圖1 泡沫夾心與新型排爆罐模型Fig.1 Foam sandwich and explosion-proof pot model with new style

新型排爆罐模型Ⅰ、Ⅱ用線切割方式加工泡沫鋁錠制成，縮尺比分別為1∶4和1∶3，幾何尺寸如表1。

表1 機(jī)械加工的泡沫鋁夾心尺寸Tab.1 Machining dimension of aluminium foam sandwich

模型Ⅲ由鋁熔體在鋼筒夾層中直接發(fā)泡成型，縮尺比1:1.6，內(nèi)外面板厚度均為1.8 mm，總高度 H=430 mm，外徑D=500 mm，內(nèi)徑d=400 mm，夾心厚度Tc=50 mm，泡沫夾心密度0.486 g/cm3。底部由厚度約10 cm的泡沫鋁組成。由于夾心是在鋼板層間直接發(fā)泡，夾心厚度在徑向上分布不均勻(如圖2)，面板與夾心之間甚至有縫隙，筒體整體上比較粗糙。

模型Ⅰ～Ⅲ內(nèi)外面板均采用A3鋼板卷制焊接而成。加工制作與模型Ⅰ～Ⅲ縮尺比對(duì)應(yīng)的多層復(fù)合傳統(tǒng)排爆罐各1個(gè)以進(jìn)行爆炸比較。多層復(fù)合排爆罐夾層結(jié)構(gòu)和材質(zhì)如圖3所示。對(duì)比試驗(yàn)中，除鋼板材質(zhì)與新型排爆罐面板均為普通A3鋼板，其他部分均與實(shí)物采用相同材料。標(biāo)準(zhǔn)原型傳統(tǒng)排爆罐重250 kg，相對(duì)應(yīng)的新型泡沫鋁夾心排爆罐重約100kg。傳統(tǒng)排爆罐中2層防彈鋼板主要為防破片侵徹，而新型排爆罐使用泡沫鋁夾心的功效為提高結(jié)構(gòu)抗內(nèi)爆沖擊波荷載的能力，因此未進(jìn)行帶殼彈試驗(yàn)。

2 性能試驗(yàn)

不同比例的結(jié)構(gòu)模型在對(duì)應(yīng)藥量下產(chǎn)生的效果明顯地驗(yàn)證了兩類排爆罐抗爆性能的優(yōu)劣。采用PVDF壓電薄膜測(cè)量爆炸作用下介質(zhì)間壓力［6～7］。

在爆炸測(cè)試中采用TST3046動(dòng)態(tài)采集儀進(jìn)行信號(hào)處理，采樣率2 000 kHz，采樣長(zhǎng)度1 000 K，采樣延時(shí)－64 K。試驗(yàn)示意如圖4。在周向間隔120°布置3組PVDF壓電傳感器，通過(guò)PVDF傳感器了解內(nèi)面板受到的沖擊波大小和作用時(shí)間以及夾芯與面板間的應(yīng)力波衰減情況。圖5為試驗(yàn)測(cè)量線路。

模型I

圖6為傳統(tǒng)復(fù)合排爆罐與新型排爆罐模型I在爆炸后的狀態(tài)，前者在23.4 gTNT藥球爆炸作用下，緩沖毛氈和PVC波紋板均被炸碎并沖出罐外，內(nèi)壁完全破裂成三塊(如圖7)，其中一條裂紋沿焊縫破裂，外面板呈輕微三角形變形;后者在相同藥量作用下，僅內(nèi)壁發(fā)生輕微變形。為進(jìn)一步驗(yàn)證新型排爆罐的抗爆能力，用同樣藥量進(jìn)行第二次爆炸測(cè)試。試驗(yàn)后，內(nèi)壁中部在沖擊波作用下凹陷，局部產(chǎn)生破裂(圖8)。泡沫夾心產(chǎn)生壓縮，在藥球懸掛高度處，凹陷最大幅度達(dá)到19mm(泡沫夾心厚度25 mm)，壓縮較充分，外壁只有輕微的均勻膨脹，整個(gè)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的抗爆能力。

模型Ⅱ

采用55.5gTNT藥球?qū)鹘y(tǒng)排爆罐與新型排爆罐模型II進(jìn)行測(cè)試，在爆炸作用下，傳統(tǒng)排爆罐模型中的緩沖毛氈被炸成碎塊和粉塵，PVC波紋板被炸成碎塊，內(nèi)層壁板被炸出罐體外，并且發(fā)生嚴(yán)重破壞(見(jiàn)圖9)。

新型排爆罐模型Ⅱ在同樣藥量下，罐體損毀，內(nèi)外壁板以及泡沫鋁夾心破裂，測(cè)試失敗，原因在于罐體壁板采用對(duì)接電焊，強(qiáng)度難以保證，使得外壁焊縫開(kāi)裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去約束而破壞，泡沫鋁夾心尚未產(chǎn)生可見(jiàn)壓縮就已破裂，沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的吸能作用。

模型Ⅲ

在排爆罐模型Ⅲ爆炸試驗(yàn)中，為防止出現(xiàn)之前的焊縫開(kāi)裂導(dǎo)致的測(cè)試失敗，先采用125 gTNT藥球進(jìn)行爆炸試探。

爆炸過(guò)后傳統(tǒng)排爆罐罐口響應(yīng)見(jiàn)圖11，緩沖毛氈被炸出罐口，PVC波紋板被炸碎，內(nèi)壁面板底部產(chǎn)生15 mm凹陷，外面板未產(chǎn)生明顯變形。

在125 gTNT作用下新型排爆罐內(nèi)外壁板及夾心泡沫均未產(chǎn)生明顯變形，但是內(nèi)壁焊縫產(chǎn)生裂紋，底部鋼板與泡沫鋁夾心開(kāi)裂，泡沫鋁底板被炸出很多小坑(圖12)。外面板結(jié)合方式為搭接焊，強(qiáng)度比之前的對(duì)接焊高，未產(chǎn)生明顯變形，焊縫經(jīng)過(guò)檢查也完好無(wú)損。

在125 gTNT作用下，新型排爆罐模型Ⅲ結(jié)構(gòu)未發(fā)生太大破損，外壁板采用搭接焊能夠保證焊接強(qiáng)度，因此用原抗爆設(shè)計(jì)藥量366.6 gTNT進(jìn)行第二次爆炸驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)第二次爆炸測(cè)試，罐體產(chǎn)生嚴(yán)重變形，外壁最大變形在距底面10 cm高度處達(dá)到2.6 cm，該位置正好對(duì)應(yīng)內(nèi)壁破裂的焊縫位置，兩層鋼壁板之間的泡沫鋁夾心已經(jīng)破裂，而且底部的泡沫夾心部分崩裂，飛出罐體，內(nèi)面板焊縫發(fā)生嚴(yán)重變形，泡沫鋁夾心被壓碎，內(nèi)面板具底部10cm處產(chǎn)生凹陷，最大變形為5.4 cm，內(nèi)面板與筒底泡沫夾心脫開(kāi)(圖14)。

爆炸產(chǎn)生時(shí)，筒底的泡沫鋁部分發(fā)生崩落，應(yīng)力波在泡沫鋁介質(zhì)中傳播時(shí)，反射拉伸波使得崩落的泡沫鋁部分飛離罐體。崩落的泡沫鋁受爆炸沖擊波作用的面產(chǎn)生很多孔洞，并且中間部分塌陷變形，在背面的斷裂帶區(qū)域里，泡沫鋁孔隙均被壓實(shí)，胞壁被壓潰。

由于罐體內(nèi)壁焊縫開(kāi)裂，使得夾心泡沫被壓碎，繼而使對(duì)應(yīng)的外面板產(chǎn)生明顯變形，罐體油漆在拉伸波作用下部分剝落。雖然外面板在爆炸下產(chǎn)生了局部的大變形，但是外壁鋼板的焊接帶并沒(méi)有產(chǎn)生開(kāi)裂等現(xiàn)象，主要原因是使用了搭接焊縫，保證了焊接帶的強(qiáng)度。

圖14 內(nèi)壁焊接處在原有基礎(chǔ)上產(chǎn)生嚴(yán)重開(kāi)裂Fig.14 Serious crack on weld joint of inwall based on original status

3 數(shù)據(jù)分析

選取原始信號(hào)的波形有效時(shí)間段進(jìn)行分析。在1∶4新型排爆罐模型測(cè)試中，選取周向同一位置不同厚度間的沖擊波壓應(yīng)力進(jìn)行分析。圖15為內(nèi)外壁板與泡沫鋁夾心間的電壓信號(hào)，內(nèi)壁處電壓峰值為13.26 V，外壁處電壓峰值為0.77 V，通過(guò)對(duì)其積分得到電壓積分曲線，如圖16。

在試驗(yàn)中PVDF壓電薄膜傳感器有效面積為1 cm2，并聯(lián)的電阻為510 Ω，從內(nèi)外壁板與夾心間的電壓積分曲線可得應(yīng)力峰值P1(t)≈8.0 MPa，P2(t)≈6.8 MPa，沖擊波在25 mm厚度的夾心傳播過(guò)程中，衰減幅度為14.7%。

4 結(jié)論

爆炸試驗(yàn)表明，泡沫鋁夾心排爆罐與多層復(fù)合傳統(tǒng)排爆罐相比，具備很強(qiáng)的能量吸收能力，且應(yīng)力波在泡沫夾心結(jié)構(gòu)的傳播過(guò)程中有較明顯衰減，因此抗爆性能遠(yuǎn)比后者優(yōu)秀。單一的泡沫鋁材料強(qiáng)度較低，為降低爆炸沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，在泡沫鋁表面附著鋼板構(gòu)成多層復(fù)合抗爆結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)防爆和衰減沖擊波的功能。當(dāng)爆轟產(chǎn)物高速?zèng)_擊多層復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，泡沫鋁產(chǎn)生塑性變形被壓實(shí)。由于泡沫鋁沖擊波阻抗很低，能夠大大削減應(yīng)力波的強(qiáng)度。在這個(gè)過(guò)程中，爆轟產(chǎn)物沖擊能量減小，和單層結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合抗爆結(jié)構(gòu)抗力顯著提高，“硬－軟－硬”疊合結(jié)構(gòu)是一種合理的抗爆結(jié)構(gòu)形式［8～11］。

在試驗(yàn)中，線切割加工的泡沫鋁夾心在尺寸上精度很高，然而對(duì)結(jié)構(gòu)本身而言，由于制備工藝的影響，在同一結(jié)構(gòu)的不同位置，孔隙率與孔徑分布不均導(dǎo)致能量吸收不均勻。試驗(yàn)中1:4比例新型排爆罐在23.4 gTNT爆炸作用下，在罐體中部高度處，內(nèi)壁板凹陷最大達(dá)到19 mm，而最小處凹陷不足5mm。

罐體外面板對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起到約束作用，外面板過(guò)薄，泡沫鋁夾心壓縮不充分，且會(huì)使罐體外壁變形過(guò)大;過(guò)厚則會(huì)使罐體質(zhì)量增大。內(nèi)面板須比外面板薄，這樣才能在外面板的約束下，內(nèi)面板充分壓縮泡沫鋁夾心，達(dá)到能量吸收最佳效果。在1∶1.6新型排爆罐模型中，內(nèi)外面板均為1.8 mm，結(jié)果使得外面板變形較大，泡沫鋁夾心壓縮程度也不充分。

由于罐體內(nèi)外壁板均由不同厚度鋼板加工而成，在罐體制作加工中，需要對(duì)內(nèi)外面板的對(duì)接處進(jìn)行焊接，對(duì)于厚度低于1 mm的薄面板須采用二氧化碳保護(hù)焊，其他厚度鋼板可采用普通電焊。對(duì)接焊雖然外觀整潔，但焊接強(qiáng)度比搭接焊低，在1∶3的新型排爆罐模型試驗(yàn)中，由于罐體外壁對(duì)接焊縫的開(kāi)裂使得泡沫鋁夾心在沒(méi)有產(chǎn)生明顯變形的情況下就已整體破裂，而在1:1.6的新型排爆罐測(cè)試中，雖然外壁板變形很大，但是搭接焊的強(qiáng)度保證了外壁的牢固。

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Antidetonation property tests for explosion-proof pots made of sandwich structure with aluminium foam

REN Xin-jian1，2，LI Guang-xin2，ZHANG Sheng-min2

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;2.The Third Engineering Scientific Research Institute of the Headquarter of PLA General Staff，Luoyang 471023，China)

An explosion-proof pot is a common protection equipment in poblic safety fields，its antidetonation property and mobility are critical for safety protection.At present，explosion-proof pots made in China are heavy and massive，their performance is worse.In order to make a portable pot with new style and higher antidetonation property，sandwich pot models with aluminium foam were manufactured，and tests were accomplished to verify their antidetonation property compared with domestic traditional explosion-proof pots.Fading characteristic of stress wave in the sandwich structures were analyzed.Key factors influencing the antidetonation ability of explosion-proof pots were discussed.Tests results indicated that antidetonation property of pots with new style is more excellent than that of traditional pots.

explosion-proof pot;aluminium foam;sandwich structure;antidetonation property

O383

A

國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2006CB601200)

2009－12－15 修改稿收到日期:2010－01－26

任新見(jiàn) 男，博士生，助理研究員，1979年生