爆炸沖擊波與高速破片對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的聯(lián)合毀傷效應(yīng)試驗(yàn)研究

張成亮，朱 錫，侯海量，陳長(zhǎng)海

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，各種精確制導(dǎo)武器爆炸形成的沖擊波和高速破片對(duì)艦艇構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，已成為艦艇水上防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要防御目標(biāo)。

夾層結(jié)構(gòu)由于芯層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-2]和材料選擇[3-4]具有巨大的靈活性，而被廣泛應(yīng)用于各種抗爆吸能結(jié)構(gòu)。Xue等[5-6]對(duì)蜂窩等四型夾層結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的變形吸能研究表明，在相同材料同等重量的情況下，夾層結(jié)構(gòu)的抗爆吸能能力要明顯優(yōu)于單一平板。Dharmasena等[7]對(duì)方形金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在高強(qiáng)爆炸載荷作用下動(dòng)響應(yīng)機(jī)理的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究表明，相同重量下夾層結(jié)構(gòu)背板的變形撓度要遠(yuǎn)小于單一平板，盡管其研究的夾層結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)非最優(yōu)設(shè)計(jì)。然而，朱錫[8]指出蜂窩等金屬夾層結(jié)構(gòu)的抗彈性能并不比金屬平板結(jié)構(gòu)更優(yōu)。因此，在夾層結(jié)構(gòu)中增加高強(qiáng)纖維抗彈層，成了夾層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抗穿甲吸能的必然選擇[9-10]，并取得了較好的效果。

上述研究中，夾層結(jié)構(gòu)所受到的毀傷載荷均為單一沖擊波或高速破片。然而，反艦武器近爆在產(chǎn)生沖擊波的同時(shí)將產(chǎn)生大量高速破片。文獻(xiàn)[11-12]采用帶殼裝藥模擬半穿甲戰(zhàn)斗部進(jìn)行的艙內(nèi)爆炸試驗(yàn)，表明高速破片密集作用區(qū)各彈孔間的邊界會(huì)被沖擊波撕開(kāi)而相互連通分別形成長(zhǎng)大破口；文獻(xiàn)[13-14]對(duì)單層鋼制靶板在高速破片團(tuán)作用下的響應(yīng)研究指出，在高速破片密集穿甲區(qū)高速破片疊加效應(yīng)會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生集團(tuán)穿甲破口，同時(shí)在集團(tuán)穿甲破口附近會(huì)產(chǎn)生較明顯的準(zhǔn)靜態(tài)的附加效應(yīng)。可見(jiàn)爆炸沖擊波與高速破片的聯(lián)合作用將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的破壞。

為探討爆炸沖擊波與高速破片對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的聯(lián)合毀傷效應(yīng)，設(shè)計(jì)并制作了鋼-玻璃鋼-鋼(SGS)夾層結(jié)構(gòu)，采用粘貼預(yù)制破片和未粘貼預(yù)制破片的TNT裝藥近爆，分別模擬爆炸沖擊波與高速破片聯(lián)合毀傷載荷和爆炸沖擊波單獨(dú)載荷，開(kāi)展了SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞效應(yīng)試驗(yàn)研究，分析了SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞模式，毀傷規(guī)律及防護(hù)機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析SGS夾層結(jié)構(gòu)在沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的毀傷效應(yīng)，對(duì)玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，進(jìn)行了爆炸沖擊波和沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下的試驗(yàn)研究。SGS夾層結(jié)構(gòu)由前、后鋼質(zhì)面板和玻璃鋼芯層構(gòu)成，為兩層鋼板和一層玻璃鋼板的夾層結(jié)構(gòu)，鋼板(steel)的厚度均為1 mm，玻璃鋼(GFRP)板厚度為9.5 mm，面密度為31.59 kg/m2，平面尺寸均為700×700 mm，除去結(jié)構(gòu)固定的邊界部分，受到爆炸沖擊作用的平面尺寸為500×500 mm。

圖1 結(jié)構(gòu)斷面圖

其中鋼板為Q235鋼，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。玻璃鋼中的纖維為S玻纖，膠體為3201樹(shù)脂。其工藝參數(shù)見(jiàn)表2，力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 Q235鋼力學(xué)性能指標(biāo)

表2 玻璃鋼板工藝參數(shù)

表3 玻璃鋼板力學(xué)性能指標(biāo)

圖2 鋼板和支座結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)如圖2所示，夾層結(jié)構(gòu)四周通過(guò)24個(gè)螺絲固定，邊界被支座夾持，相當(dāng)于固支的邊界條件。試驗(yàn)中的具體設(shè)計(jì)如圖3(a)所示，試驗(yàn)后鋼板四周的螺釘沒(méi)有松動(dòng)，說(shuō)明邊界的固定情況較好，能夠達(dá)到試驗(yàn)的要求。

試驗(yàn)工況1中的裝藥位置為鋼板的中心處，炸藥采用圓柱形鑄裝 TNT炸藥，單發(fā)重為200 g，采用2發(fā)疊加布置，電雷管于裝藥頂端引爆，炸藥底部離結(jié)構(gòu)表面距離b為148 mm，用來(lái)模擬單一近爆沖擊波載荷的作用。試驗(yàn)工況2在工況1的基礎(chǔ)上，將預(yù)制模擬破片用雙面膠無(wú)縫粘貼在炸藥圓柱體下方的平面上，再用透明膠布粘貼，確保破片與炸藥緊密接觸，用來(lái)模擬爆炸沖擊波和高速破片的聯(lián)合作用。其中預(yù)制破片由2 mm厚Q235鋼板線切割加工而成，單塊預(yù)制破片尺寸為5×5 mm，質(zhì)量約為0.35 g，TNT藥柱底面粘貼的模擬破片的數(shù)量約為90顆；實(shí)際炸藥和預(yù)制破片(見(jiàn)圖3(b))。

圖3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及裝藥

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 爆炸沖擊波單獨(dú)作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞結(jié)果

圖4為SGS夾層結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波單獨(dú)作用下的破壞情況，其中圖4(a)為前面板，圖4(b)為后面板，圖4(c)為玻璃鋼夾芯的迎爆面，而圖4(d)為玻璃鋼夾芯的背爆面。從圖中可以看出，SGS夾層結(jié)構(gòu)未發(fā)生破口破壞，前面板中心以r=150 mm的區(qū)域內(nèi)存在多重波紋狀皺褶變形，固支邊界形成了明顯的塑性鉸線；后面板變形與前面板類似，變形程度相對(duì)較大，最大變形撓度為42 mm；玻璃鋼夾芯板未發(fā)生穿孔破壞，但有大面積延伸到固支邊界的淡色區(qū)域，說(shuō)明玻璃纖維層和脂體層產(chǎn)生了較嚴(yán)重的分層，同時(shí)背爆面中部直徑約為9 mm的圓形區(qū)域纖維層產(chǎn)生脫落。

2.2 沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞結(jié)果分析

圖4 沖擊波作用下玻璃鋼夾芯板的試驗(yàn)結(jié)果

圖5 聯(lián)合作用下玻璃鋼夾芯板的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 前面板的穿甲密度分布

圖7 后面板變形輪廓圖

圖5(e)、(f)為后面板迎爆面和背爆面的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知后面板中部產(chǎn)生花瓣開(kāi)裂破口，破口最大直徑為26 cm，花瓣數(shù)為8，裂瓣根部最大尺寸長(zhǎng)228 mm，最小尺寸長(zhǎng)51 mm，且均產(chǎn)生超過(guò)90°的翻轉(zhuǎn)變形；裂瓣上有11個(gè)高速破片撞擊的凹坑，裂瓣邊沿可見(jiàn)間隔分布的彈孔或凹陷彈痕；底部有部分預(yù)制破片殘?bào)w嵌入回收廢板中，同時(shí)找到了少量分散的預(yù)制破片殘?bào)w和11個(gè)大破片，最大破片長(zhǎng)為52 mm，寬為2.2 mm；同時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了整體的大變形，變形輪廓如圖7，并在對(duì)角線處形成了四條塑性鉸線。

圖5(c)、(d)為玻璃鋼夾層的迎爆面和背爆面的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知玻璃鋼夾層中部區(qū)域有一個(gè)直徑約80 mm的穿甲大破口；迎爆面大破口周圍環(huán)形區(qū)域有48個(gè)單個(gè)高速破片穿甲彈痕，破口和彈孔邊沿均有大量斷裂的玻璃纖維和淡色分層現(xiàn)象(見(jiàn)圖8(a))；背爆面大破口周圍有多個(gè)高速破片未穿透玻璃鋼板的鼓包，鼓包附近玻璃鋼板有小范圍的淡色分層現(xiàn)象(見(jiàn)圖8(b))；玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)分層程度小于爆炸沖擊波單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)的破壞。

圖8 玻璃鋼板局部試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及吸能機(jī)理分析

由沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)毀傷模式可知，花瓣開(kāi)裂過(guò)程發(fā)生在高速破片撞擊之后，單個(gè)高速破片并未穿透結(jié)構(gòu)而中部高速破片密集穿甲區(qū)產(chǎn)生集團(tuán)穿甲破口，說(shuō)明高速破片團(tuán)對(duì)SGS夾層結(jié)構(gòu)的穿甲作用大大強(qiáng)于單個(gè)高速破片，在進(jìn)行SGS夾層結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)中破片密集穿甲的疊加效應(yīng)不可忽視；爆炸產(chǎn)生的能量一部分用于驅(qū)動(dòng)預(yù)制破片產(chǎn)生動(dòng)能，剩余部分的爆炸沖擊波能量小于爆炸沖擊波單獨(dú)作用下的沖擊波能量，但一方面由于高速破片團(tuán)的穿甲作用造成結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，另一方面高速破片團(tuán)的附加效應(yīng)和沖擊波的共同作用使結(jié)構(gòu)獲得較大的動(dòng)能，尤其是后面板比前面板獲得更大的動(dòng)能[15]，因此沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的聯(lián)合毀傷效應(yīng)大大強(qiáng)于爆炸沖擊波單獨(dú)作用。此外，對(duì)SGS夾層結(jié)構(gòu)的破壞模式分析可知，中間夾芯層一方面限制了前面板向下的變形破壞，導(dǎo)致前面板產(chǎn)生向上凸起變形，另一方面抵御了部分高速破片對(duì)后面板的穿甲破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗爆性能有較大的影響，所以研究夾層結(jié)構(gòu)在沖擊波和高速破片的聯(lián)合作用問(wèn)題時(shí)，合理選擇夾芯層材料，可提高其抗穿甲能力，從而增強(qiáng)夾層結(jié)構(gòu)的整體防護(hù)能力。

從能量吸收的角度分析，SGS夾層結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波單獨(dú)作用下前、后面板通過(guò)塑性大變形吸收沖擊波能量，玻璃鋼夾芯層通過(guò)纖維層的剝落和分層吸收沖擊波的能量；在爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下前、后面板通過(guò)剪切破口、玻璃鋼板的分層和纖維層的拉伸斷裂抵御高速破片的穿甲；沖擊波能量的吸收前面板主要通過(guò)向上的塑性大變形和破口邊沿局部結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)、后面板主要通過(guò)花瓣開(kāi)裂和大變形、玻璃鋼板主要通過(guò)纖維層的剝落和分層，前后面板是沖擊波能量吸收的主要結(jié)構(gòu)，玻璃鋼板對(duì)沖擊波能量的吸收相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

(1) 爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞模式與爆炸沖擊波單獨(dú)作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞模式有較大區(qū)別，沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的聯(lián)合毀傷效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷程度遠(yuǎn)大于后者。爆炸沖擊波單獨(dú)作用下，夾層結(jié)構(gòu)前、后面板均產(chǎn)生褶皺大變形，玻璃鋼夾芯板則以大面積分層破壞和纖維層的脫落為主；而沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下，前面板以反向大變形和中部穿甲大破口為主，后面板以大變形和大面積花瓣開(kāi)裂為主，玻璃鋼夾芯層則產(chǎn)生了大面積穿甲破口和分層破壞。

(2) 爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下高速破片團(tuán)對(duì)SGS夾層結(jié)構(gòu)的穿甲作用大大強(qiáng)于單個(gè)高速破片對(duì)SGS夾層結(jié)構(gòu)的穿甲，在進(jìn)行夾層結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)中破片團(tuán)的疊加效應(yīng)不可忽略。

(3) 爆炸沖擊波能量主要通過(guò)前、后面板的塑性大變形和玻璃鋼夾芯板的分層破壞吸收；高速破片的動(dòng)能則主要通過(guò)前、后面板的剪切破壞、玻璃鋼板的分層破壞和纖維層的拉伸斷裂吸收。

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