近距爆炸破片作用下芳綸纖維夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)毀傷特性實驗研究

李典，朱錫，侯海量，李茂，陳長海

（海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033）

近距爆炸破片作用下芳綸纖維夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)毀傷特性實驗研究

李典，朱錫，侯海量，李茂，陳長海

（海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033）

為提高近距爆炸破片作用下夾芯結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理和防護(hù)能力，采用梯恩梯和預(yù)制破片開展了近距爆炸破片作用下芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)的聯(lián)合毀傷實驗研究。揭示了破片的載荷特性，分析了芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)中各層結(jié)構(gòu)的破壞模式，探討了其抗毀傷機(jī)理，并與文獻(xiàn)［14］中典型夾芯結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力進(jìn)行了對比和排序。結(jié)果表明：夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)中芯層起到了毀傷載荷的“中介”轉(zhuǎn)化作用；通過對后面板撞擊擠壓，把著靶面積小、作用時間短且破壞能力強(qiáng)的破片點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)換為作用面積大、持續(xù)時間長的壓力面載荷，擴(kuò)大了載荷作用范圍。綜合材料質(zhì)量和防護(hù)能力來看，氣凝膠氈隔溫層/高強(qiáng)聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)防護(hù)能力優(yōu)于芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)。

兵器科學(xué)與技術(shù)；試驗設(shè)計；破片載荷特性；破壞模式；防護(hù)能力

0 引言

很多學(xué)者認(rèn)為戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生沖擊波和破片的聯(lián)合效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的破壞具有疊加增強(qiáng)效應(yīng)，會使其產(chǎn)生更嚴(yán)重的破壞［1-6］。因此，對爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用的防護(hù)問題已成為防護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在人防工程領(lǐng)域，文獻(xiàn)［7-8］對混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)在聯(lián)合作用毀傷下的破壞模式和毀傷機(jī)理開展了實驗及數(shù)值計算，指出聯(lián)合載荷對防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞程度大于單一載荷對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞程度之和；不同于人防工程中混凝土墻受侵徹時產(chǎn)生的大量局部凹坑破壞，艦船領(lǐng)域中，由于船體采用的是薄殼鋼制結(jié)構(gòu)，受侵徹時易產(chǎn)生大面積穿孔破壞，進(jìn)而沖擊波作用時很容易使彈孔間邊界撕裂而相互連通形成大破口破壞，對結(jié)構(gòu)的聯(lián)合毀傷作用大大加強(qiáng)。因此，為了更好地抵御魚雷接觸爆炸、半穿甲導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部近炸的威脅，艦船結(jié)構(gòu)逐漸向多艙壁（如防雷艙）［9］、多結(jié)構(gòu)［10-12］（如作戰(zhàn)指揮室等重要艙室艙壁采用夾芯結(jié)構(gòu)）方向發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了廣泛研究。

針對多艙壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)，Kong等［13］進(jìn)一步開展了多艙壁結(jié)構(gòu)在破片和沖擊波作用下耦合響應(yīng)的實驗和有限元研究，分析了多艙壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)機(jī)理。他們認(rèn)為破片群對沖擊波有一定的導(dǎo)向作用，兩種載荷形式對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞效果相互影響，并指出液艙在多艙壁防護(hù)結(jié)構(gòu)中起到了關(guān)鍵作用。

針對多結(jié)構(gòu)的防護(hù)，張成亮等［14］對鋼-玻璃纖維-鋼夾芯結(jié)構(gòu)聯(lián)合毀傷效應(yīng)進(jìn)行了實驗研究，分析了裸藥爆炸沖擊波單獨(dú)作用時結(jié)構(gòu)變形破壞模式，并探究了沖擊波和高速破片的聯(lián)合毀傷機(jī)制。侯海量等［15］研究了4種典型夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)在近炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的破壞效應(yīng)，分析了結(jié)構(gòu)的破壞模式以及載荷特性和結(jié)構(gòu)的防護(hù)機(jī)理，并認(rèn)為破片群是防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計載荷。

從以上夾芯結(jié)構(gòu)研究中可知，采用玻纖夾芯層并沒有取得良好的防護(hù)效果，采用氣凝膠氈隔溫層/高強(qiáng)聚乙烯夾芯層雖在實驗中達(dá)到了較好的防護(hù)效果。但由于其熔點(diǎn)較低，戰(zhàn)斗部近距甚至接觸爆炸下產(chǎn)生的高壓高溫產(chǎn)物仍可能透過隔溫層對高強(qiáng)聚乙烯防彈層產(chǎn)生燒灼熔融破壞，大大降低其影響抗彈性能。芳綸纖維材料的熔點(diǎn)在300℃以上，可基本忽略戰(zhàn)斗部近距爆炸產(chǎn)生的高壓高溫產(chǎn)物灼燒破壞對其抗彈性能的不利影響。因此，進(jìn)一步研究芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用下毀傷特性具有重要的意義。

本文以芳綸纖維為抗彈芯層，設(shè)計并制作了鋼-芳綸纖維-鋼夾芯結(jié)構(gòu)，采用與文獻(xiàn)［15］相同的實驗方法，對近距爆炸破片作用下芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)的聯(lián)合毀傷進(jìn)行實驗研究，分析了芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)的破壞模式，并與文獻(xiàn)［15］中4組典型夾芯結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力進(jìn)行對比和排序。

1 實驗設(shè)計

芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)由前、后鋼質(zhì)面板和芳綸纖維芯層構(gòu)成，如圖1所示。前、后面板的厚度分別為1mm和2mm.芳綸纖維板是由兩塊厚度為11mm的芳綸板疊加在一起，厚度為22mm，面密度為28.67kg/m2.

圖1　芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)截面圖Fig.1 Sectional view of aramid fiber sandwich

實驗方法與文獻(xiàn)［15］中的相同，用特制夾具夾持夾芯結(jié)構(gòu)（見圖2），炸藥底部與復(fù)合抗爆艙壁前面板表面中心距離保持334mm，預(yù)制破片由2mm厚Q235鋼線切割加工而成，單枚尺寸為5mm× 5mm，質(zhì)量約0.35g，采用3發(fā)200g梯恩梯藥柱“品”字形布置并在藥柱底面粘貼200片預(yù)制破片（見圖3）。芳綸纖維層合板及Q235鋼力學(xué)性能指標(biāo)見表1和表2.

圖2　實驗布置Fig.2 Experimental arrangement

圖3　預(yù)制破片和裝藥Fig.3 Photo of TNT and fragments

表1　芳綸纖維層合板力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Mechanical parameters of aramid fiber laminate

表2　Q235鋼力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Mechanical parameters of Q235 steel

2 實驗結(jié)果及分析

2.1破片載荷特性分析

文獻(xiàn)［15］中通過理論分析認(rèn)為，在此爆距下沖擊波先于破片作用結(jié)構(gòu)，夾芯結(jié)構(gòu)受到的破片能遠(yuǎn)大于沖擊波能，是防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計載荷。本文將對破片載荷特性開展進(jìn)一步分析。如圖4（a）和圖4（b）所示，為研究破片的飛散特性，實驗后，以前面板中心為圓心，作出半徑R分別為5cm、10cm、15cm和20cm的同心圓，統(tǒng)計各區(qū)域的彈孔和彈坑數(shù)目，并定義炸藥中心軸線與破片飛散速度方向的夾角為φ.φ＜15.6°以內(nèi)破片數(shù)為51枚，占總破片數(shù)的24.3%；φ＜30.7°以內(nèi)的破片總數(shù)為125枚，占總破片數(shù)的59.5%；φ＜44.74°以內(nèi)的破片總數(shù)為160枚，占總破片數(shù)的76.2%；φ＜57.5°以內(nèi)的破片總數(shù)為185枚，占總破片數(shù)的92.5%；未作用在結(jié)構(gòu)上的破片數(shù)為15枚，占總破片數(shù)7.5%.因而根據(jù)文獻(xiàn)［16］中以包含有效破片90%的錐角定義為戰(zhàn)斗部的破片飛散角的話，本實驗條件下模擬戰(zhàn)斗部破片的飛散角約為57.5°.

進(jìn)一步地，假設(shè)每個彈孔是由一個高速破片穿甲造成的，面積為S的結(jié)構(gòu)表面穿甲數(shù)量為n，則相應(yīng)面積的固支方板上破片的著靶密度ρ由ρ=n/S計算，由此繪制破片著靶密度分布曲線，如圖5所示。由圖5可知，R＜5cm和R＜10cm圓形區(qū)域內(nèi)破片著靶密度分別為6500枚/m2和4000枚/m2，而R＜15cm圓形區(qū)域內(nèi)破片穿甲密度迅速下降為2260枚/m2.因而，認(rèn)為R＜10cm圓形區(qū)域為密集侵徹區(qū)，破片著靶密度極高，易形成大量密集穿甲破口、集團(tuán)沖塞破口，是近距爆炸破片作用下需要研究的關(guān)鍵區(qū)域。

圖6為實驗后收集的殘余破片。破片外形翹曲，呈曲面，部分碎裂，表面泛藍(lán)。這表明炸藥驅(qū)動和侵徹過程中產(chǎn)生了很高的溫度，致使彈材氧化。取15枚破片稱重平均后，發(fā)現(xiàn)破片平均質(zhì)量由0.35g減至0.29g，表明破片在侵徹過程中發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)量侵蝕。

圖4　破片飛散分布Fig.4 Scattering distribution of fragments

2.2破壞模式分析

圖7為前面板破壞形貌。由圖7（a）可知，破片群著靶侵徹前面板集中在半徑R＜100mm的圓形區(qū)域內(nèi)，破壞模式以剪切充塞為主。該區(qū)域不僅形成大量密集穿甲破口，各穿甲破口間邊界還會撕裂連通，同時破口間還伴隨著輕微的反向翻轉(zhuǎn)。圓圈標(biāo)記位置位于3個彈孔以上疊加處，此處著靶破片間相互間距極小，其侵徹能力較單破片穿甲大大增強(qiáng)，因而能夠最終穿透芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)。

圖5　破片著靶密度分布Fig.5 Impact density distribution of fragments

圖6　實驗后收集的殘余破片F(xiàn)ig.6 Residual fragments after experiment

圖7　前面板破壞形貌Fig.7 Damage morphology of front plate

在密集作用區(qū)（R＞100mm）外，四周邊界形成明顯塑性絞線，由單個或幾個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前面板，其形狀有較大差異，有圓形、橢圓形、方形以及兩個至3個彈孔疊加而成的穿孔，尺寸約2mm～8mm，說明高速破片在侵徹前面板時的攻角及自身姿態(tài)有較大區(qū)別。由圖7（a）可知，前面板的整體彎曲變形不明顯，表明前面板的破壞模式為局部區(qū)域的剪切破壞。

圖8為芳綸纖維層合板破壞形貌圖。由圖8（a）可知，層合板中心范圍內(nèi)部分破片最先到達(dá)并開始侵徹層合板，在層合板內(nèi)產(chǎn)生了沿厚度方向傳播的壓縮波和沿面內(nèi)方向傳播的剪切波，使與破片直接接觸的纖維層和壓縮波傳播到的區(qū)域獲得較大的法向（即破片侵徹方向）速度，沿面內(nèi)傳播的剪切波使與接觸區(qū)相鄰的纖維層也將獲得一定的法向速度，巨大的速度梯度導(dǎo)致纖維層發(fā)生剪切失效。因而，第一層芳綸板迎彈面纖維的破壞模式以剪切破壞為主。彈孔及周邊纖維呈黑色，這是因為破片侵徹復(fù)合板時具有很高的溫度，致使芳綸纖維熔融、灼燒破壞。

由圖8（b）、圖8（c）和圖8（d）可知，隨著穿透第一層芳綸板后破片速度大幅衰減，破片不再繼續(xù)剪切纖維層，而是推動未被穿透的纖維層逐漸形成動態(tài)變形錐。此時，變形錐與彈體接觸區(qū)的速度與彈體速度大致相同，變形錐錐角不斷增大，直至纖維產(chǎn)生拉伸斷裂破壞。因而，第二層芳綸板迎彈面和兩層芳綸板背彈面的破壞模式均以纖維拉伸斷裂為主。在第二層芳綸板背彈面形成大面積的方形凸包，尺寸約為300mm×200mm.由于鼓包變形使纖維層向面內(nèi)收縮，因而使邊界產(chǎn)生了嚴(yán)重的脫層和基體碎裂現(xiàn)象，并在邊界中部位置還出現(xiàn)了褶皺現(xiàn)象（見圖8（e））。

圖9為后面板破壞形貌及中線處變形撓度。由圖9可知，在后面板中心范圍內(nèi)形成了3個穿孔和3個撞擊凹痕，其破壞模式以大撓度凹陷變形為主，板中部最大撓度變形為5.2cm.這是因為當(dāng)密集破片的速度小于或接近芳綸板的彈道極限時破片和芳綸板將以相同速度運(yùn)動，二者將共同對背板產(chǎn)生碰撞、擠壓，芳綸板的動能不斷轉(zhuǎn)化為后面板的塑性變形能，使其產(chǎn)生整體彎曲大變形。

圖8　芳綸纖維層合板破壞形貌Fig.8 Damage morphology of aramid fiber laminates

圖9　后面板破壞形貌及中線處變形撓度Fig.9 Damage morphology of rear plate and its deflection at midline

2.3防護(hù)能力及對比分析

圖10為穿透芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)各層的破片數(shù)量分布。由圖10可知，初始時200枚預(yù)制破片在炸藥驅(qū)動后，約有185枚破片著靶，侵徹前面板，在前面板形成183個彈孔和兩個彈坑，即有98.9%的破片穿透前面板并繼續(xù)侵徹下一層結(jié)構(gòu)。對兩塊芳綸板分別稱重，第一塊芳綸板實驗前的質(zhì)量為1748.3g，實驗后的質(zhì)量為1800.75g.忽略嵌入芳綸板前面板剪切塞塊所含質(zhì)量，則第一層板所嵌破片質(zhì)量為52.45g.按破片平均質(zhì)量0.35g計算，則第一層板嵌入破片數(shù)量為150枚，當(dāng)總面密度為21.3kg/m2（前面板+第一層芳綸板）時，共計防住了152枚破片，即81%的破片穿甲。第二塊芳綸板實驗前的質(zhì)量為1717.60g，實驗后的質(zhì)量為1727.0g，則第二層板所含破片質(zhì)量為9.4g，所嵌破片數(shù)量為27枚，當(dāng)總面密度為34.8kg/m2（前面板+兩塊芳綸板）時，共計防住了179枚破片，即95.7%的破片穿甲。剩余6枚（占總破片數(shù)的4.3%）的破片繼續(xù)侵徹后面板，其中3枚破片穿透后面板。從以上分析可知，芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)防住了總計98.38%的破片穿甲，其中芳綸纖維芯層在夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了主要的抗侵徹作用。結(jié)合破壞模式分析可知，芳綸夾芯結(jié)構(gòu)抗毀傷機(jī)理為芳綸纖維芯層起到了破壞載荷的“中介”轉(zhuǎn)化作用。其把高速破片群侵徹面積小、作用時間極短并且破壞能力強(qiáng)的沖擊點(diǎn)載荷不斷轉(zhuǎn)換為對后面板撞擊擠壓作用面積大、持續(xù)時間長的壓力面載荷，擴(kuò)大了載荷作用范圍，進(jìn)而使后面板產(chǎn)生整體大撓度彎曲變形，實現(xiàn)了動量傳遞和沖擊動能向面板塑性能的轉(zhuǎn)化。與普通鋼制艙壁相比，芳綸纖維夾芯復(fù)合艙壁避免了直接侵徹后面板的局部穿甲效應(yīng)，極大地降低了高速破片穿甲的破壞能力，大大提高了艙壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。

圖10　穿透芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)各層的破片數(shù)量分布Fig.10 Distribution of fragments to penetrate each layer of aramid fiber sandwich structure

圖11、圖12和圖13分別示出了文獻(xiàn)［15］中穿透高強(qiáng)聚乙烯、陶瓷/芳綸纖維、陶瓷/高強(qiáng)聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)的破片數(shù)量分布。結(jié)合圖10可知，近距爆炸破片作用下4種夾芯結(jié)構(gòu)著靶破片數(shù)分別為185枚、188枚、180枚和184枚，最大與最小著靶破片數(shù)相差不超過4%，且爆距均為334mm，因而認(rèn)為其均抵御相同的破片毀傷載荷。對于高強(qiáng)聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)，當(dāng)總面密度為34.8kg/m2（前面板+高強(qiáng)聚乙烯板）時，共計防住與芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)相同數(shù)量（約95.7%）的破片穿甲。因而，同等面密度下高強(qiáng)聚乙烯板較具有更好的抗彈性能。對于陶瓷/芳綸夾芯結(jié)構(gòu)，當(dāng)總積密度為33.3kg/m2（前面板+陶瓷+芳綸板）時，共計防住了165枚破片，即91.7%的破片穿甲。對于陶瓷/聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)，當(dāng)總面密度為33.3kg/m2（前面板+陶瓷+高強(qiáng)聚乙烯板）時，共計防住了184枚破片，即100%的破片穿甲。

綜上對比分析可知:單純從防護(hù)能力來看，最強(qiáng)的是陶瓷/高強(qiáng)聚乙烯結(jié)構(gòu)，只有其后面板未產(chǎn)生撞痕或穿甲破口，防御住了所有的破片侵徹。其次是氣凝膠氈隔溫層高強(qiáng)聚乙烯纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)和芳綸纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)，再次是陶瓷/芳綸纖維結(jié)構(gòu)。從單位面密度吸能來看，聚乙烯防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力優(yōu)于芳綸纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)。從質(zhì)量和防護(hù)能力兩方面考慮，氣凝膠氈隔溫層高強(qiáng)聚乙烯纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)，其次是陶瓷/高強(qiáng)聚乙烯結(jié)構(gòu)，再次是芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)，最后是陶瓷/芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)。

圖11　穿透高強(qiáng)聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)各層的破片數(shù)量分布Fig.11 Distribution of fragments to penetrate each layer of high-strength polyethylene sandwich structure

圖12　穿透陶瓷/芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)各層的破片數(shù)量分布Fig.12 Distribution of fragments to penetrate each layer of ceramic/aramid fiber sandwich structure

圖13　穿透陶瓷/聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)各層的破片數(shù)量分布Fig.13 Distribution of fragments to penetrate each layer of ceramic/high-strength polyethylene sandwich structure

3 結(jié)論

1）夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)中芯層起到了破壞載荷的“中介”轉(zhuǎn)化作用，其通過對后面板撞擊擠壓把著靶面積小、作用時間短且破壞能力強(qiáng)的破片點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)換為作用面積大、持續(xù)時間長的壓力面載荷，擴(kuò)大了載荷作用范圍。同時，通過使后面板產(chǎn)生整體大撓度彎曲變形，實現(xiàn)了動量傳遞和沖擊動能向面板塑性能的轉(zhuǎn)化。

2）單純從防護(hù)能力來看，4組典型夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)中防護(hù)能力最強(qiáng)的是陶瓷/高強(qiáng)聚乙烯結(jié)構(gòu)，只有其背板未發(fā)生彈體撞痕或穿甲破口，防御住了所有的破片侵徹；其次是氣凝膠氈隔溫層高強(qiáng)聚乙烯纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)和芳綸纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)；再次是陶瓷/芳綸纖維結(jié)構(gòu)。從單位面密度吸能來看，高強(qiáng)聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)防護(hù)能力優(yōu)于芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)。綜合質(zhì)量和防護(hù)能力兩方面進(jìn)行排序，氣凝膠氈隔溫層高強(qiáng)聚乙烯纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)，其次是陶瓷/高強(qiáng)聚乙烯結(jié)構(gòu)，再次是芳綸纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)，最后是陶瓷/芳綸纖維結(jié)構(gòu)。

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Experimental Research on Damage of Aramid Fiber Sandwich Bulkhead under Close Range Explosion and Fragment Loadings

LI Dian，ZHU Xi，HOU Hai-liang，LI Mao，CHEN Chang-hai
（Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）

In order to improve the protection ability and damage mechanism of aramid fiber sandwich bulkhead under close range explosion and fragment loadings，the deformation and failure tests of aramid fiber sandwich structure are performed，and TNT and prefabricated fragments are used in the test.The load characteristics of fragments are revealed，and the failure mode of each layer in sandwich structure is analyzed.The anti-damage mechanism of sandwich structure is discussed，and the protection ability of aramid fiber sandwich structure is compared with those of the typical sandwich structures in Ref.［14］.The results show that the core layer in the sandwich protective structure plays a role in intermediary transformation of damage load.A fragment point load with small impact area，short duration and severe damage is converted into a pressure surface load with large action area and long duration by squeezing the rear plate，which expands the action range of loads.In view of material weight and protective capability，the protective capability of high strength polyethylene sandwich structure is superior to that of aramid fiber sandwich structure.

ordnance science and technology；experimental design；fragment load characteristics；failure mode；protective capability

O385

A

1000-1093（2016）08-1436-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.014

2015-08-15

國家自然科學(xué)基金項目（51409253、51179200）

李典（1990—），男，博士研究生。E-mail:lidian916@163.com；朱錫（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:zhuxi816@163.com；侯海量（1977—），男，高級工程師，碩士生導(dǎo)師。E-mail:hou9611104@163.com