沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的毀傷特性

侯海量，張成亮，李 茂，胡年明，朱 錫

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北 武漢 430033)

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沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的毀傷特性

侯海量，張成亮，李 茂，胡年明，朱 錫

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北 武漢 430033)

為探討導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部近炸下艦船夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用TNT和預(yù)制破片近炸實(shí)驗(yàn)研究了典型夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)在沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下的破壞效應(yīng)，分析了沖擊波和破片聯(lián)合毀傷載荷，指出了鋼質(zhì)面板和抗彈層的破壞模式，闡述了夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)機(jī)理。結(jié)果表明：預(yù)制破片裝藥近炸下，破片能遠(yuǎn)大于沖擊波能，是防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)載荷；前面板主要是抵御沖擊波，其變形破壞整體為撓曲大變形，局部為集團(tuán)破片沖塞破口、破片穿孔和撞擊凹坑；背板以撓曲大變形吸能為主；陶瓷材料碎裂嚴(yán)重，部分陶瓷碎片反向飛濺撞擊前面板；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)生了纖維斷裂、基體開(kāi)裂、整體彎曲大變形及分層等破壞，抗彈層應(yīng)避免產(chǎn)生穿透性破壞。

爆炸力學(xué)；毀傷特性;沖擊波；高速破片；夾芯復(fù)合艙壁

半穿甲導(dǎo)彈依靠初始動(dòng)能，侵入艦體內(nèi)部爆炸，形成內(nèi)爆沖擊波和高速破片,對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)及人員設(shè)備形成聯(lián)合毀傷，對(duì)爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用的防護(hù)問(wèn)題已成為艦船結(jié)構(gòu)防護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

早期針對(duì)戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波與高速破片對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷研究,主要是將其解耦成爆炸沖擊波載荷作用下結(jié)構(gòu)的破壞[1-4]和高速破片穿甲破壞[5]分別研究，理由是兩者在空氣中的初始速度及速度衰減率不同，多數(shù)情況下它們不同時(shí)作用于結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到爆炸沖擊波與大量高速破片對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞具有疊加增強(qiáng)效應(yīng)，文獻(xiàn)[5-6]采用帶殼裝藥模擬半穿甲導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部進(jìn)行艙內(nèi)爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高速破片密集作用區(qū)各彈孔間的邊界會(huì)被沖擊波撕裂而相互連通，形成長(zhǎng)大破口；文獻(xiàn)[7-8]指出密集高速破片同步侵徹會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生集團(tuán)沖塞破口。為抵御爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合毀傷作用，人們提出多種防護(hù)結(jié)構(gòu)形式[9-11]，其中以陶瓷、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯層和金屬面板組成的夾層結(jié)構(gòu)最典型，并認(rèn)為陶瓷、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可抵御高速破片的侵徹[12-14]，金屬面板主要抵御沖擊波的破壞[9]。

本文中以陶瓷、高強(qiáng)聚乙烯、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為抗彈層，船用鋼為前、后面板，制作典型夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)模型，采用鑄裝TNT和預(yù)制破片模擬戰(zhàn)斗部近炸載荷，開(kāi)展聯(lián)合作用下夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的毀傷特性實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為模擬艦船重點(diǎn)艙室?jiàn)A芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)在半穿甲導(dǎo)彈近炸下的變形和破壞，設(shè)計(jì)制作了2種面密度ρA(分別為40、50 kg/m2，實(shí)際測(cè)試略有區(qū)別，見(jiàn)表1)共4種典型夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)模型(見(jiàn)圖1)。模型均由前后面板、抗彈層及隔溫層組成；前、后面板均為1和2 mm厚Q235鋼(模型2后面板為兩層1 mm疊放)；抗彈層和前、后面板間為隔溫層，采用陶瓷棉或氣凝膠氈(其密度分別為316和210 kg/m3)，一方面可防止爆炸高溫氣體對(duì)抗彈層材料產(chǎn)生燒灼破壞，另一方面為前面板及抗彈層提供變形空間，忽略其強(qiáng)度作用。模型芯層結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)表1。

表1 模型芯層結(jié)構(gòu)組成

Q235鋼密度7.85 g/cm3、彈性模量210 GPa、泊松比0.3、屈服強(qiáng)度235 MPa、抗拉強(qiáng)度400～900 MPa、失效應(yīng)變22%。Al2O3陶瓷材料密度3.89 g/cm3、純度99%、抗彎強(qiáng)度320 MPa、彈性模量300 GPa、維氏硬度1 520 N/mm2、斷裂韌性大于3.8 MPa·m1/2。UMWPE層合板密度970 kg/m3、彈性模量30.7 GPa、拉伸強(qiáng)度950 MPa、壓縮強(qiáng)度537 MPa、延伸率4.0%；芳綸層合板密度1.25 g/cm3、彈性模量18.5 GPa、抗拉強(qiáng)度426 MPa、壓縮強(qiáng)度570 MPa、延伸率1.9%。

為有效模擬沖擊波載荷在角隅部位的匯聚作用以及復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的邊界條件，模型1以縱艙壁為基礎(chǔ)，設(shè)置復(fù)合夾芯艙壁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[15]中模型相同。

圖1 模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of experimental model

2 實(shí)驗(yàn)方法

模型2～4采用特制夾具夾持(見(jiàn)圖2(a))。預(yù)制破片由2 mm厚Q235鋼線切割加工而成，單顆尺寸為5 mm×5 mm，質(zhì)量約0.35 g，采用雙面膠緊密粘貼在TNT藥柱底面(見(jiàn)圖2(b))；單個(gè)TNT藥柱粘貼的預(yù)制破片數(shù)約90顆。單發(fā)TNT藥柱重200 g，采用3發(fā)“品”字形布置；采用3發(fā)電雷管于裝藥尾端同時(shí)引爆。炸藥底部距復(fù)合抗爆艙壁前面板表面中心334 mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)布置及裝藥Fig.2 Setup and charge photo of the experiment

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 聯(lián)合毀傷載荷分析

爆炸初始時(shí)刻，爆轟波和爆炸產(chǎn)物將驅(qū)動(dòng)預(yù)制破片迅速向外飛散，其速度可按裝藥驅(qū)動(dòng)整體平板運(yùn)動(dòng)的相當(dāng)速度計(jì)算[16]，其平均速度

(1)

沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)的作用與作用時(shí)間t+密切相關(guān)[17]，由于艦船結(jié)構(gòu)均為薄壁結(jié)構(gòu)，通常t+遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)周期T，即t+?T，沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用取決于其沖量i，結(jié)構(gòu)獲得的沖擊動(dòng)能

(2)

式中：a、b、h分別為結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、厚；ρ為結(jié)構(gòu)材料的密度；Ai為與裝藥有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于TNT裝藥，Ai≈200～250；Q為裝藥量，r為距爆炸中心距離。

由沖擊波的基本關(guān)系[16]可知， 沖擊波速度

(3)

式中：k為空氣的絕熱指數(shù)，一般取1.4；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；ρ0為未擾動(dòng)的空氣密度；ΔPm為沖擊波峰值超壓，它是沖擊波傳播距離的函數(shù)，可由經(jīng)驗(yàn)公式得到:

(4)

(5)

高速破片對(duì)結(jié)構(gòu)的穿甲過(guò)程可近似認(rèn)為是勻減速過(guò)程，因此破片穿甲時(shí)間

(6)

式中：b為靶板厚度，vi、vr分別為入射速度和剩余速度。

圖3 沖擊波及破片在空氣中的傳播與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Propagation of blast wave and fragments in the air as a function of time

因此，實(shí)驗(yàn)工況中破片初速v0=1 726.0 m/s，破片總動(dòng)能E0=157.86 kJ；取Ai=225，可得作用于防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊波能ke=37.4 kJ。由此可見(jiàn)，夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)受到的破片能約為沖擊波能的4.2倍。由式(1)、(4)可知，爆炸初始時(shí)刻沖擊波速度接近裝藥爆轟波速，遠(yuǎn)大于破片速度，兩者在空中相遇位置距裝藥約0.714 m(見(jiàn)圖3)，在此之前沖擊波先于破片作用于結(jié)構(gòu)。根據(jù)式(5)～(6)，該區(qū)域內(nèi)沖擊波正壓作用時(shí)間t+?T，但大于沖擊波和破片到達(dá)的時(shí)間間隔Δt，且有Δt+td?t+，兩者對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊作用將產(chǎn)生疊加效應(yīng)。

3.2 前面板的破壞

復(fù)合抗爆艙壁前面板先受到?jīng)_擊波的作用，后受到密集破片的侵徹作用，兩者到達(dá)時(shí)間間隔為113.2 μs，小于沖擊波的正壓作用時(shí)間683 μs。由于前面板的固有振動(dòng)周期遠(yuǎn)大于沖擊波的正壓作用時(shí)間，因而沖擊波的沖量轉(zhuǎn)化為前面板的動(dòng)量；前面板運(yùn)動(dòng)的同時(shí)壓縮隔溫材料，隨后密集破片對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生侵徹。據(jù)德瑪爾公式[16]

(7a)

(7b)

式中：vc為極限穿透速度；K為穿甲復(fù)合系數(shù)，通常取為67 650；d為彈丸直徑；b為前面板厚度；m為單枚破片質(zhì)量；vr為穿透前面板后的剩余速度；α為入射偏角，k為系數(shù)，通常取為0.8；ρt為靶板金屬密度。

單顆尺寸為5 mm×5 mm、質(zhì)量約0.35 g的預(yù)制破片正射下，前面板極限穿透速度vc=558 m/s，剩余速度vr=1 380.3 m/s，對(duì)應(yīng)的破片穿甲時(shí)間為0.64 μs。單顆破片穿甲傳遞給前面板的動(dòng)能

(8)

因此，破片群穿甲通過(guò)剪切沖塞傳遞給前面板的總動(dòng)能約16.52 kJ，占破片總動(dòng)能的10.5%，相當(dāng)于沖擊波傳遞到面板能量的44.1%。

剪切沖塞傳遞的動(dòng)能大部分集中于裝藥正下方的高速破片密集作用區(qū)(見(jiàn)圖4)，在半徑R≈100 mm的圓形區(qū)域內(nèi)穿甲破片約占總數(shù)的2/3。假設(shè)沖擊波傳遞的動(dòng)能均勻分布于前面板，破片穿甲傳遞的動(dòng)能僅分布于彈孔四周，則前面板的密集作用區(qū)能量密度高達(dá)643.4 kJ/m2，速度達(dá)404.9 m/s，而其他區(qū)域速度僅244.2 m/s。因此，該區(qū)域不僅形成大量密集穿甲破口、集團(tuán)沖塞破口，各穿甲破口間邊界還會(huì)撕裂連通形成大破口。密集作用區(qū)外，由單個(gè)或幾個(gè)高速破片分散穿甲形成的侵徹彈孔或撞擊凹坑，散布在大破口以外的整個(gè)前面板，其形狀有較大差異，有圓形、橢圓形、方形以及2～3個(gè)彈孔疊加而成的穿孔，尺寸約2～8 mm，說(shuō)明高速破片在侵徹前面板時(shí)的姿態(tài)有較大區(qū)別。

穿甲傳遞給前面板的動(dòng)能和沖擊波動(dòng)能疊加，使前面板產(chǎn)生撓曲大變形、邊界撕裂、中部密集穿甲破口間邊界撕裂連通形成大破口等破壞形式，其破壞程度隨其變形空間的增大而增大。由圖4可知，各模型前面板均發(fā)生了不同程度的大變形和撕裂破壞，其中模型3前面板變形空間最大，在3個(gè)邊界和中部密集破口區(qū)均產(chǎn)生了較長(zhǎng)的撕裂破口，最長(zhǎng)達(dá)262 mm；模型1由于縱艙壁豎桁結(jié)構(gòu)支撐剛度不足，在跨中位置失穩(wěn)扭曲，復(fù)合夾芯艙壁整體發(fā)生了筒形凹陷變形，前面板中部褶皺變形，邊界發(fā)生了3處撕裂破壞，最長(zhǎng)約45 mm；模型2、4前面板變形空間較小，整體變形較小，僅在邊界產(chǎn)生了塑性鉸線。

圖4 前面板毀傷情況Fig.4 Damage of front plate

3.3 抗彈層的破壞

抗彈層一方面會(huì)受到密集高速破片的侵徹，另一方面,當(dāng)前面板變形空間不足時(shí)，會(huì)和抗彈層發(fā)生碰撞。高速破片侵徹下陶瓷層會(huì)形成錐形碎裂，高速破片的繼續(xù)侵徹會(huì)使部分碎片反向飛濺[18]；密集破片高速侵徹下錐形碎裂區(qū)將會(huì)相互交疊形成大面積碎裂區(qū)(見(jiàn)圖5)；同時(shí)產(chǎn)生大量反向飛濺碎片對(duì)前面板產(chǎn)生二次沖擊，使之產(chǎn)生外翻變形(圖4(b)、(d))，其中模型2中部大破口外翻高度達(dá)47 mm。彈體在侵徹陶瓷層的同時(shí)自身也會(huì)發(fā)生變形(圖5(c))，模型4的陶瓷粉末中可觀察到大量殘余高速破片，其外形翹曲呈曲面，部分碎裂，表面泛藍(lán)，表明侵徹過(guò)程中產(chǎn)生了很高的溫度，致使彈材氧化。

圖5 彈體及抗彈陶瓷層毀傷情況Fig.5 Damage of fragments and Al2O3 tiles

由于爆炸高溫氣體和密集高速破片穿甲過(guò)程中產(chǎn)生的高溫，模型1中前面板密集穿甲破口正對(duì)區(qū)域，高強(qiáng)聚乙烯纖維增強(qiáng)抗彈層迎爆面存在大面積“灼燒”熔融破壞和大量的侵徹彈痕及彈孔(圖4(a))，熔融區(qū)已無(wú)法觀察到具體纖維結(jié)構(gòu)；背面顏色泛黃，表明也受到爆炸高溫氣體影響，可觀察到30處穿孔，最大穿孔直徑28 mm，其中有12處穿孔正對(duì)背板撞擊凹坑，18處正對(duì)花瓣開(kāi)裂的邊沿彈痕，在彈孔周圍和彈孔之間未穿透的部分纖維已熔融破壞。模型3的抗彈層表面未見(jiàn)“灼燒”熔融現(xiàn)象，但密集穿甲區(qū)亦存在纖維熔融破壞(圖6(b))，和高強(qiáng)聚乙烯纖維增強(qiáng)材料的單破片穿甲現(xiàn)象類似,主要由密集高速破片穿甲高溫引起[11]，表明氣凝膠氈起到了較好的隔溫效果。圖6中R表示半徑。

由于陶瓷抗彈層碎裂后，破片和陶瓷碎片共同侵徹后續(xù)纖維增強(qiáng)抗彈層，增大了侵徹面積，作用類似于卵形彈[18]。由圖6(a)可知，纖維增強(qiáng)抗彈層迎彈面破孔尺寸均相對(duì)較大且無(wú)明顯剪切斷裂現(xiàn)象。

模型2～4層合板均發(fā)生了大撓度彎曲變形(圖6(c)～(e))；模型2背爆面有23處穿孔，伴隨大面積分層；模型3背面有14個(gè)穿孔，其中3處可見(jiàn)嵌入破片，背板可見(jiàn)2處穿孔，模型4背面無(wú)穿孔，但兩者背面均有大面積凸包(直徑200 mm以上) ，表明密集作用區(qū)高速破片侵徹形成的分層區(qū)均已連通。

圖6 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯層毀傷情況Fig.6 Damage of fiber reinforced core

3.4 背板的破壞

圖7 背板毀傷情況Fig.7 Damage of back plate

抗彈層在抵御密集破片的過(guò)程中，大量的侵徹動(dòng)能以纖維斷裂、基體開(kāi)裂、分層、彎曲變形等形式吸收。此外，部分彈體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為抗彈層的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能。

當(dāng)密集破片的速度大于抗彈層的彈道極限時(shí)，部分破片將穿透抗彈層并作用于背板；在后續(xù)抗彈層的碰撞擠壓下背板發(fā)生大變形，其穿甲破口和撞擊凹痕極易撕裂成裂紋，形成花瓣形大破口。由圖7(a)、6(b)可知，模型1～2背板均形成了花瓣形大破口，裂瓣邊沿均可見(jiàn)間隔分布的彈孔或凹陷彈痕，模型1、2彈痕總數(shù)分別為18和3。此外，模型1還存在筒形彎曲大變形，花瓣開(kāi)裂破口最大直徑為30 cm，花瓣數(shù)為4，裂瓣有不同的尺寸和翻轉(zhuǎn)程度，最大根部直徑23 cm，最大的翻轉(zhuǎn)角大于90°，底部地面上有一塊從背板脫落的長(zhǎng)約4 cm、寬約2.5 cm的大破片1塊；模型2有整體大變形，固支邊界存在明顯塑性鉸線，破口最大尺寸約24 cm。

當(dāng)密集破片的速度小于或接近抗彈層的彈道極限時(shí)，破片和抗彈層以相同速度運(yùn)動(dòng)，兩者共同對(duì)背板產(chǎn)生碰撞、擠壓，背板將發(fā)生大變形。由圖7(c)～(d)可知，模型3～4的背板均發(fā)生了大撓度凹陷變形，最大撓度分別達(dá)68、64.5 mm。模型3中部產(chǎn)生了1條長(zhǎng)約10 cm的裂紋，裂紋尖端有2處穿甲破口和1處撞擊凹痕；模型4背板未發(fā)生彈體撞痕或穿甲破口。

3.5 防護(hù)效能對(duì)比

模型1～2有大破口和大量破片穿甲，未實(shí)現(xiàn)防護(hù)目的。模型2～4在模型1基礎(chǔ)上對(duì)隔溫層和抗彈層進(jìn)行了改進(jìn)；模型3接近臨界破損狀態(tài)；模型4背板無(wú)破損。從單位質(zhì)量防護(hù)效能看，模型3最優(yōu)。

4 防護(hù)機(jī)理分析

反艦武器戰(zhàn)斗部近炸將產(chǎn)生2種破壞載荷，其中高速破片屬于局部集中強(qiáng)沖擊載荷，沖擊能量密集度很高；沖擊波屬于分布強(qiáng)沖擊載荷，隨空間距離呈指數(shù)關(guān)系衰減；兩者聯(lián)合作用將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重毀傷。采用金屬面板與抗彈層組成的夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)抵御兩者的聯(lián)合作用，其防護(hù)機(jī)理包括：

(1)前面板主要用于抵御爆炸沖擊波，避免沖擊波對(duì)抗彈層產(chǎn)生直接沖擊，沖擊波能將首先轉(zhuǎn)化為前面板的動(dòng)能，隨后前面板變形過(guò)程中將再次轉(zhuǎn)化為撓曲變形能、邊界及密集穿甲區(qū)撕裂破壞能等；前面板應(yīng)避免在邊界產(chǎn)生整體性沖剪破壞，并有足夠的變形空間，以免對(duì)抗彈層產(chǎn)生撞擊。

(2)高硬度陶瓷材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其組合芯層結(jié)構(gòu)主要用于抵御大量高速破片的穿甲破壞，一方面陶瓷碎裂，破片翹曲變形、破碎，以及纖維斷裂、基體開(kāi)裂、分層、彎曲變形等形式可吸收大量破片動(dòng)能，另一方面部分高速破片沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為抗彈層整體較低速運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，大大降低了其沖擊能量密度?？箯棇討?yīng)避免產(chǎn)生穿透性破壞，以免破片對(duì)背板產(chǎn)生撞擊或穿甲破壞。

(3)背板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，用以吸收剩余的沖擊動(dòng)能。背板主要以撓曲大變形進(jìn)行吸能；當(dāng)背板存在撞擊凹痕或穿甲破孔時(shí)，凹痕和穿甲破孔極易成為裂紋源和擴(kuò)展途徑，并導(dǎo)致花瓣形大破口。

5 結(jié) 論

(1)預(yù)制破片裝藥近炸下，作用于結(jié)構(gòu)的破片能遠(yuǎn)大于沖擊波能，且密集作用于裝藥正下方，是防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)載荷；(2)近炸沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下，夾芯復(fù)合艙壁前面板的變形破壞模式整體為撓曲大變形，局部為密集穿甲破口，包括集團(tuán)破片沖塞破口、單個(gè)破片穿孔和撞擊凹坑，變形空間較大時(shí)，邊界和中部密集穿甲破口區(qū)還會(huì)發(fā)生撕裂破口；(3)密集破片侵徹下陶瓷抗彈層完全碎裂，部分陶瓷碎片反向飛濺撞擊前面板，使前面板破口密集區(qū)進(jìn)一步撕裂外翻；纖維增強(qiáng)復(fù)合抗彈材料除發(fā)生纖維斷裂、基體開(kāi)裂等破壞外，還產(chǎn)生了整體彎曲大變形，背面產(chǎn)生相互連通的大面積分層與凸包破壞；此外，近爆高溫對(duì)高強(qiáng)聚乙烯防彈層的燒灼熔融會(huì)大大影響其抗彈性能；(4)背板的破壞主要是撓曲大變形，當(dāng)背板存在穿甲破口或撞擊凹痕時(shí)，易產(chǎn)生沿穿甲彈孔撕裂形成的花瓣型大破口；(5)夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中前面板應(yīng)避免在邊界產(chǎn)生整體性沖剪破壞，并有足夠的變形空間，以免對(duì)抗彈層產(chǎn)生撞擊；抗彈層應(yīng)避免發(fā)生穿透性破壞，以免破片對(duì)背板產(chǎn)生撞擊或穿甲破壞；背板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，用以吸收剩余的沖擊動(dòng)能。

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(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Damage characteristics of sandwich bulkhead under the impact of shock and high-velocity fragments

Hou Hai-liang, Zhang Cheng-liang, Li Mao, Hu Nian-ming, Zhu Xi

(DepartmentofNavalArchitectureEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,Hubei,China)

In order to explore the design method of sandwich bulkhead subjected to the close blast load of missile-warhead, experiments were carried out to investigate the damage effect of sandwich bulkhead subjected to combined impact of shock and fragments using cast TNT and prefabricated fragments. The combined impact load of the shock and high-velocity fragments were analyzed. The failure modes of surface plate and sandwich core of the bulkhead were pointed out, and the protective mechanism of sandwich bulkhead were analyzed. Results show that the impact energy acted on the structure by the prefabricated fragments is far larger than that of shock under the close blast of cast TNT and prefabricated fragments, and should be the main load in the design of the bulkhead. Under combined impact of close-impact waves and high-velocity fragments, the deformation and failure modes of the front plate is large deformation, combined with large amounts of perforation holes, including large shearing plug caused by the dense fragments, perforation and craters caused by individual fragments. Large deformation is the main failure modes of back plate. Al2O3tiles are badly fragmented. Part of the tile fragments splashed reversely and impact on the front plate. Fiber-reinforced composite laminates will generate large deformation including damage like fibers fracture and matrix cracking. In the design of sandwich bulkhead, the front plate should avoid transverse shearing failure and collision on the bullet-resistant core, the bullet-resistant core should avoid perforation failure, and the back plate should have enough strength to absorb the residual impact energy.

mechanics of explosion; damage characteristics; shock; fragments; sandwich bulkhead

10.11883/1001-1455(2015)01-0116-08

2013-04-11；

2014-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209211,51179200)

侯海量(1977— )，男，博士,高級(jí)工程師,hou9611104@163.com。

O383;O344.7 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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