多孔聚氨酯基復(fù)合削爆屏障的防護(hù)性能*

周 穎，黃廣炎,2，王 濤，解亞宸，張旭東

（1. 北京理工大學(xué)機電學(xué)院，北京 100081；2. 北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120；3. 奧卓新材料有限公司，山東 滕州 277599）

安全快速地處置公共場合發(fā)現(xiàn)的疑似爆炸物是安全領(lǐng)域的研究熱點和難點，其中先進(jìn)防爆材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計是削弱爆炸危害的關(guān)鍵。在重要場合配備或搭建削/防爆屏障是抵御爆炸突襲的常用方法之一。目前的削/防爆屏障主要分為：(1) 基于混凝土、合金等高強度材料制成的剛性防爆結(jié)構(gòu)，如固定式的防爆墻[1]和鋼制防爆桶[2]，這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求其受到爆炸作用后不發(fā)生破壞和大變形；(2) 基于液體、細(xì)沙、聚合物顆粒、聚合物多孔材料及纖維織物等結(jié)構(gòu)薄弱材料[3]的柔性削/防爆結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)自重輕而機動性好、造價低廉、幾乎不產(chǎn)生二次殺傷性破片并可在爆炸后發(fā)生碎裂。削爆屏障對爆炸沖擊波的削弱效應(yīng)主要依靠迫使來襲沖擊波發(fā)生反射和繞射，進(jìn)而避免了沖擊波直接傳播并作用到屏障后方脆弱的人員或設(shè)備上[4-5]。當(dāng)面臨超過自身額定防護(hù)能力的大當(dāng)量爆炸時，剛性防爆結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生破裂和解體，進(jìn)而產(chǎn)生具有更大威脅的二次殺傷新碎片，即具有潛在附帶傷害威脅。相比之下，柔性削/防爆結(jié)構(gòu)因所用材料質(zhì)地柔軟，密度低，且不會產(chǎn)生二次殺傷性碎片，因而柔性削/防爆結(jié)構(gòu)具有更高的安全性和工程應(yīng)用價值。

已有的研究驗證了一些基于柔性削/防爆材料的屏障具有較好的沖擊波削弱性能[6-10]，其中基于純水的防爆結(jié)構(gòu)得到了大量的關(guān)注。但是大多數(shù)研究中的防爆結(jié)構(gòu)多基于單種材料，即很少研究柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)，且很少關(guān)注基于聚合物泡沫的防爆結(jié)構(gòu)。聚氨酯（polyurethane，PU）泡沫材料因其材質(zhì)軟、密度低和特有的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在爆炸及沖擊波防護(hù)領(lǐng)域具有比其他材料更出色的性能[11]，多孔聚氨酯材料常作為抗沖擊防護(hù)的能量吸收結(jié)構(gòu)的組分而被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[12]，例如導(dǎo)彈防護(hù)罩、復(fù)合裝甲的組成結(jié)構(gòu)[13]、水下兵器沖擊控制器[14]等。相比于液體和細(xì)沙等材料，在爆炸沖擊加載作用下，聚氨酯泡沫可發(fā)生明顯的壓縮塑性變形直至密實狀態(tài)，因此具有可觀的能量吸收性能。同時，聚氨酯泡沫中包含的大量空氣孔隙在爆炸載荷作用下（可視為絕熱壓縮過程）會吸收一部分能量轉(zhuǎn)換成自身的內(nèi)能，造成內(nèi)部溫度的大幅度提升。另外，聚氨酯泡沫具有更低的波阻抗，可能會有效地降低反射沖擊波，進(jìn)而削弱屏障后方或外部的沖擊波載荷。然而，因為聚氨酯泡沫密度很低，純聚氨酯泡沫的削爆屏障可能需要非常厚的用料才能避免沖擊波直接沖垮防護(hù)結(jié)構(gòu)而泄露到其后方。因此，可考慮設(shè)計一種基于聚氨酯泡沫和純水的復(fù)合結(jié)構(gòu)，用于搭建環(huán)形削爆屏障。

本文中首先對多孔聚氨酯進(jìn)行微觀表征及力學(xué)性能測試，然后采用爆炸沖擊平板實驗研究多孔聚氨酯對爆炸沖擊波的防護(hù)作用，并通過數(shù)值模擬對實驗進(jìn)行詳細(xì)的分析和驗證，隨后利用驗證后的數(shù)值模型分析多孔聚氨酯/水雙層環(huán)形復(fù)合結(jié)構(gòu)對削爆屏障的沖擊波削弱性能，并考察材料排布順序以及聚氨酯泡沫密度對復(fù)合結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能的影響。

1 多孔聚氨酯平板的爆炸沖擊實驗

1.1 多孔聚氨酯的微觀表征及力學(xué)性能

采用的多孔聚氨酯試樣由北京理工大學(xué)魯南研究院提供，研究表明，聚氨酯的密度及孔隙度對其中形成的初始沖擊波壓力及傳播衰減效應(yīng)有顯著的影響[13]，因而選取了3 種試樣，密度分別為100、200 和300 kg/m3。利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）掃描不同試樣的微觀結(jié)構(gòu)（圖1）進(jìn)行對比，觀察試樣內(nèi)部胞體尺寸，沿著發(fā)泡方向L（長軸）較長，垂直于發(fā)泡的方向W（短軸）較短，定義孔形系數(shù)α=L/W，其中α 會隨著泡沫體密度的增加（100、200 和300 kg/m3）而減?。ǚ謩e對應(yīng)1.7、1.2 和1.1），最終趨近于1，即泡孔形狀由橢圓球形轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐?。試樣胞孔的尺寸隨密度的提升有降低的趨勢，胞孔平均直徑由142、82 μm 降至22 μm，對應(yīng)的開孔率分別為8.6%、29.8%、22.1%。如圖2 所示，微觀特征也體現(xiàn)在材料力學(xué)性能中，泡沫的平臺應(yīng)力隨密度增加而提升的效果明顯[15]（壓縮和拉伸實驗對應(yīng)的工程應(yīng)變率分別為0.001 0 和0.001 6 s-1），從低密度（100 kg/m3）試樣對應(yīng)的抗壓強度0.64 MPa 提升至較高密度（300 kg/m3）對應(yīng)的5.04 MPa。

圖1 多孔聚氨酯試樣及對應(yīng)的SEM 圖像Fig. 1 Physical pictures and SEM images of porous polyurethane

圖2 聚氨酯泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of polyurethane foam

1.2 實驗設(shè)置及結(jié)果分析

平面沖擊波對材料的加載行為在材料動態(tài)特性的研究、材料的緩沖吸能和防護(hù)性能等相關(guān)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。一般平面沖擊波加載技術(shù)包括炸藥爆轟加載技術(shù)和輕氣炮（激波管）驅(qū)動加載技術(shù)，為了更接近在實際削/抗爆防護(hù)中的應(yīng)用場景，搭建了炸藥爆轟加載的定向沖擊波流場裝置對聚氨酯材料的防護(hù)性能（壓力峰值衰減率）進(jìn)行探究。

實驗中采用20 g 壓裝炸藥TNT 作為爆炸源（尺寸 ? 25 mm×26 mm，壓藥密度1.58 g/cm3），放置于裝置中心軸上，其中心距離爆炸室鋼板垂直面83 mm，用8#雷管起爆（圖3）。采用的聚氨酯試樣的橫向截面尺寸為405 mm×405 mm，實驗中選取了3 種密度的試樣，分別為100 kg/m3（厚度40 mm）、200 kg/m3（厚度60 mm）、300 kg/m3（厚度20 mm，60 mm）。試樣兩側(cè)利用鋼板夾持（邊長405 mm，中心有 ? 300 mm 的圓形缺孔），通過對角線上的4 個螺栓將兩者固定，試樣的沖擊波受載面即為中心處 ? 300 mm 的圓形區(qū)域。

圖3 定向流場爆炸沖擊實驗布局示意圖(單位: mm)Fig. 3 Arrangement of a tubular explosive directional flow field device (unit in mm)

在相同藥量的TNT 在爆炸沖擊波定向流場裝置中引起的近似平面沖擊波作用下，通過測量沖擊波經(jīng)過泡沫板后的靶后壓力值（靶后壓力值可為靶板后方的人員及建筑物的損傷等級評估提供數(shù)據(jù)支撐[3]），利用高速攝影儀記錄聚氨酯泡沫板的變形破壞形態(tài)，對比研究不同密度及厚度的聚氨酯硬質(zhì)泡沫的削爆隔爆能力。

不同密度下的泡沫試樣受到?jīng)_擊的響應(yīng)形態(tài)如圖4 所示：起爆后600 μs 時，3 種密度的聚氨酯試樣都以近似平面的整體形態(tài)從試樣端的夾持窗口處向傳感器方向運動，即試樣受到近似平面波的加載作用而做出了相應(yīng)的響應(yīng)；對比900 和1 200 μs 的畫面可以觀察到，聚氨酯試樣的受載區(qū)域（與定向流場裝置內(nèi)徑尺寸匹配的部分）除了與夾持邊緣之間發(fā)生分離，其在到達(dá)傳感器尖端之前幾乎保持了完整的平面形貌，在與傳感器接觸之后，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致試樣表面出現(xiàn)了明顯的徑向裂紋。

圖4 起爆后不同密度的聚氨酯試樣的響應(yīng)過程Fig. 4 Response process of polyurethane samples with different densities after explosion

密度為100 kg/m3的聚氨酯泡沫試樣在沿著軸向運動的同時，在棱邊中點處的徑向變形也非常明顯，推測這樣的現(xiàn)象是由于沖擊波進(jìn)入試樣之后，應(yīng)力波傳播到試樣與空氣的接觸邊界，由于自由面上試樣與空氣2 種介質(zhì)的密度和波速都有較大的差異，因此造成一部分壓縮應(yīng)力波在界面處反射為方向相反的拉伸應(yīng)力波；結(jié)合霍金遜現(xiàn)象，可以表述為當(dāng)反射拉伸應(yīng)力與入射的壓縮應(yīng)力疊加之后的拉應(yīng)力大于材料的抗拉強度時，臨近自由面的試樣會被拉斷破壞[16]；雖然本實驗注意控制試樣的橫向尺寸與縱向尺寸的比值(大于6)，但側(cè)面稀疏波對應(yīng)力波沿縱向傳播的影響仍不可忽略。由此可以推測，聚氨酯試樣沿軸向的運動及破碎現(xiàn)象除了沖擊波加載壓縮、爆轟氣體及產(chǎn)物的驅(qū)動，也包括反射拉伸波的影響?？紤]到聚氨酯泡沫的抗壓強度遠(yuǎn)高于抗拉強度，因而在爆炸防護(hù)中，應(yīng)當(dāng)盡量減少邊界稀疏波對聚氨酯材料的影響，避免反射的拉應(yīng)力對泡沫體造成過早的破壞，同時利用其較高的抗壓比強度作為防護(hù)材料的優(yōu)勢，所以一般聚氨酯可用于削/抗爆復(fù)合結(jié)構(gòu)的前板或夾芯層[17]；因而在下文中，通過設(shè)計聚氨酯與水這2 種典型的易碎性柔性材料的組合方式和性能研究，以達(dá)到凸顯聚氨酯優(yōu)勢、減少稀疏波提前破壞的目的。

實驗中測得的靶后壓力峰值如圖5 所示（x-y中的x表示試樣密度，y表示試樣厚度；其中0-0 表示無泡沫防護(hù)）。結(jié)果表明，聚氨酯泡沫對沖擊波的削減作用明顯，不同實驗組的壓力峰值衰減率均可達(dá)到67%以上。參考沖擊波超壓對有生力量的破壞作用等級（表1），可認(rèn)為當(dāng)峰值超壓小于0.02 MPa 時，沖擊波超壓對有生力量幾乎無威脅。結(jié)合平板沖擊實驗結(jié)果，可以得到空爆對應(yīng)的靶后超壓峰值（0.42 MPa）遠(yuǎn)高于Ⅴ級（0.10 MPa，大部分死亡）的最低閾值，泡沫試樣的加入可以大幅降低靶后超壓的破壞作用等級，除了密度為100 kg/m3試樣以外，其余聚氨酯泡沫試樣均可將靶后超壓破壞等級大幅降至Ⅱ級（輕傷）甚至Ⅰ級（無殺傷作用），實現(xiàn)對沖擊波的有效削減作用。比較可知，200-60 和300-20 這2 種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的靶后壓力峰值相近，但后者的面密度僅為前者的50%，因此可認(rèn)為泡沫密度對沖擊波削減作用的積極影響較厚度更明顯。對比相同厚度下的試樣200-60 和300-60 以及相同密度下的試樣300-20 和300-60 對應(yīng)的壓力峰值，可知密度或厚度的提升[18]與結(jié)構(gòu)的削波性能正相關(guān)。

表1 沖擊波超壓對有生力量的破壞作用閾值[19]Table 1 Threshold value of destructive effect of shockwave overpressure on effectives[19]

圖5 實驗靶后壓力峰值對比Fig. 5 Comparison of peak pressure behind sample in experiment

2 平板屏障沖擊實驗的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型及材料參數(shù)

參照爆炸沖擊平板實驗，建立AUTODYN-2D 的二維軸對稱模型、采用歐拉多物質(zhì)算法，建立的模型與實驗實物比例為1∶1（圖6）?？諝庥蛲耆采w實驗裝置及試樣，尺寸為3 000 mm×500 mm；爆炸定向流場裝置采用與實驗一致的4340 鋼和對應(yīng)的尺寸；聚氨酯試樣則根據(jù)實驗條件建立相應(yīng)尺寸的幾何模型；考慮到拉格朗日算法對于流體計算時，很可能由于材料的大變形導(dǎo)致網(wǎng)格畸變，造成計算難以維持的問題，所以TNT 炸藥和空氣采用歐拉算法，鋼和聚氨酯泡沫采用拉格朗日算法?？紤]到夾持端的螺栓直徑略小于試樣穿孔，夾持主要約束X軸即沖擊方向，基本不會造成試樣的面內(nèi)預(yù)應(yīng)力，試件與夾持端之間采用Lagrange/Lagrange Interaction 接觸，試件與空氣之間采用Euler/Lagrange Interaction 流固耦合接觸。為了模擬無限的空氣流場（即用有限的空間范圍模擬無限的空間[20]），分別在空氣域的三側(cè)添加流出邊界條件，從而允許物質(zhì)從邊界流出而不發(fā)生反射。

圖6 AUTODYN 二維軸對稱數(shù)值模型示意圖(單位：mm)Fig. 6 Numerical model of axially symmetric 2D on AUTODYN (unit in mm)

數(shù)值模型中的材料包括：TNT 炸藥、空氣、4340 鋼以及聚氨酯泡沫，材料模型均來自AUTODYN 內(nèi)置材料庫。歐拉域內(nèi)的材料均采用狀態(tài)方程表征其動態(tài)響應(yīng)行為，其中TNT 炸藥的狀態(tài)方程采用JWL（Jones-Wilkins-Lee）狀態(tài)方程[21]，空氣采用理想氣體狀態(tài)方程[10,21]，鋼采用線性狀態(tài)方程[22]進(jìn)行描述。

聚氨酯泡沫采用Crushable foam 模型來模擬泡沫在沖擊波壓縮加載條件下的力學(xué)行為。開展了3 種不同密度的聚氨酯泡沫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、拉伸實驗，獲得了如圖2 所示的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，材料參數(shù)如表2 所示。另外考慮到在爆炸沖擊加載條件下，部分材料單元容易發(fā)生嚴(yán)重的扭曲畸變，造成計算成本急劇增加甚至難以進(jìn)行，因此采用侵蝕準(zhǔn)則，用于刪除一些畸變的拉格朗日單元，即當(dāng)網(wǎng)格的瞬時幾何應(yīng)變極限超過2 時[23]，刪除對應(yīng)的畸變網(wǎng)格。

表2 泡沫材料參數(shù)Table 2 Material parameters for PU foams

2.2 模型驗證與結(jié)果分析

數(shù)值模擬的驗證主要通過實驗和數(shù)值模擬測得的壓力峰值差異來定量判斷，如圖7 所示，提取測試信號較完整的4 次實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的壓力時程曲線進(jìn)行對比。其中需要注意的是，實驗中無法準(zhǔn)確地確定起爆時刻，因而將實驗數(shù)據(jù)沿時間軸進(jìn)行調(diào)整，使得實驗與數(shù)值模擬的沖擊波到達(dá)觀測點的起始時刻相同。對比結(jié)果表明，兩者吻合程度整體較好，數(shù)值模擬基本可以再現(xiàn)實驗中沖擊波壓力特征（其中300-20 實驗中的傳感器由于受到振動或撞擊，測得的超壓曲線在3.1 ms 后出現(xiàn)了基線漂移和大幅振動的現(xiàn)象，因而此段數(shù)據(jù)暫不作為對比依據(jù)）。通過比較得到：數(shù)值模擬與實驗測得的靶后壓力峰值差異均低于12%（表3）。表3 中列舉的x-y中的x表示試樣密度，y表示試樣厚度。此外，由于數(shù)值模擬中的炸藥參數(shù)和沖擊波成長過程更為理想，為減少實驗測試引起的系統(tǒng)誤差對數(shù)值模型驗證帶來的影響，對比這2 種方式的壓力峰值衰減率也具有參考價值；除去無試樣時靶后壓力的測試實驗（0-0），其余4 次有效實驗的壓力峰值的衰減率差異均在2%以內(nèi)。這在一定程度上可認(rèn)為數(shù)值模擬方法可以為聚氨酯泡沫試樣在爆炸加載下削波能力的預(yù)測提供參考。

表3 實驗與數(shù)值模擬的靶后壓力峰值及對比Table 3 Comparison between experimental and numerical simulation on peak pressure behind target

圖7 實驗與數(shù)值模擬在觀測點處的壓力時程曲線對比Fig. 7 Comparison of the overpressure–time histories between the experimental data and numerical results on gauge

爆炸沖擊平板實驗揭示了聚氨酯泡沫對沖擊波載荷的有效削弱效果（壓力峰值衰減率均可達(dá)67%以上），因而可以進(jìn)一步考慮將其作為沖擊波防護(hù)屏障的組成部分。接下來針對簡易爆炸物的防護(hù)，設(shè)計了以聚氨酯泡沫為基礎(chǔ)的復(fù)合削爆屏障，運用數(shù)值模擬進(jìn)行防護(hù)效能評估和參數(shù)分析，從而為爆炸沖擊波的區(qū)域防護(hù)提供參考。

3 聚氨酯基環(huán)形屏障內(nèi)爆炸防護(hù)性能

使用單一材料或單純依靠增加防護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度可能導(dǎo)致成本急劇提高、體積和質(zhì)量過大，因而目前關(guān)于多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計已成為防爆研究的熱點[24-25]。通過聚氨酯平板試樣的爆炸沖擊實驗已明確其具有較優(yōu)的削波性能，但聚氨酯泡沫作為一種易燃性材料[26]，無法消除爆炸燃燒的高溫火焰會對周圍環(huán)境、裝備及人員造成熱輻射、損傷致死等威脅，因而有必要利用復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計來彌補這一劣勢?？紤]到水具有較高的比熱容，可通過相變吸收燃燒中的熱量[27]；而且已有研究表明，與聚氨酯泡沫相似，水屏障在沖擊波削弱方面較混凝土等硬質(zhì)材料有質(zhì)量輕、無二次傷害等優(yōu)勢[28]，但為了進(jìn)一步提升柔性結(jié)構(gòu)的削爆效能，在液體屏障的基礎(chǔ)上，可結(jié)合聚氨酯泡沫多孔可壓縮結(jié)構(gòu)特點和高比強度的力學(xué)特征，設(shè)計聚氨酯-液體復(fù)合環(huán)形屏障，以期取得削波、熄焰等爆炸防護(hù)的綜合優(yōu)勢。

3.1 結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

本文中采用的數(shù)值計算模型均為軸對稱結(jié)構(gòu)，且對稱軸位于同一直線上，參考Chapman 等[29]運用AUTODYN 二維（2D）軸對稱簡化模型，所預(yù)測的沖擊波壓力歷程與實驗測量結(jié)果吻合性較好，因此可采用AUTODYN 2D 軸對稱模型進(jìn)行模擬計算。數(shù)值模型示意圖如圖8 所示，其中，TNT 炸藥、空氣以及水采用歐拉算法模擬[30]，聚氨酯泡沫采用拉格朗日算法模擬。歐拉域尺寸為1 100 mm×1 600 mm，底部邊線采用固定邊界，用于模擬剛性地面；側(cè)面和頂部邊線采用流出邊界，用于模擬無限大的空氣域。所使用的炸藥為500 g 圓柱狀TNT，尺寸為 ? 80 mm×61 mm，放置于剛性地面上，位于削爆屏障的中心軸處；屏障均為環(huán)形，3 種不同結(jié)構(gòu)的具體幾何尺寸見表4。在對比分析PU 泡沫和液體的排布順序?qū)ο鞑ㄐ阅艿挠绊憰r，所采用的均為密度200 kg/m3的PU 泡沫；在對比分析PU 泡沫密度影響時，所采用的PU 泡沫密度分別為100、200 和300 kg/m3。在屏障側(cè)向和頂部設(shè)置沖擊波觀測點，其位置參數(shù)見圖8，其中SG表示觀測點與爆炸中心軸的水平距離，HG表示觀測點與剛性地面的豎直距離。觀測點G1～G8距爆心的水平距離與SG相同，均為1 m，用于評估削爆屏障對側(cè)向沖擊波的削弱性能。觀測點G9～G13離地高度與HG相同，均為1.5 m，用于評估削爆屏障對頂部沖擊波的削弱性能。選取的觀測點均位于沖擊波穩(wěn)定傳播的區(qū)域內(nèi)，從而確保觀測點測得的沖擊波壓力可對結(jié)構(gòu)防護(hù)性能進(jìn)行表征。表4 中的屏障名稱：比如PU/水、水/PU 結(jié)構(gòu)中先出現(xiàn)的材料位于屏障內(nèi)側(cè)，即迎爆材料；例如PU/水結(jié)構(gòu)中PU 位于屏障內(nèi)側(cè)。模型中使用的材料參數(shù)與2.1 節(jié)一致，此外水采用線性狀態(tài)方程進(jìn)行描述[22]。

表4 數(shù)值模型中不同防護(hù)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)Table 4 Geometrical parameters of different protective structures in the numerical model

圖8 數(shù)值模型示意圖(單位: mm)Fig. 8 Schematic of numerical model (unit in mm)

3.2 沖擊波傳播過程分析

基于數(shù)值模擬結(jié)果，以典型的水屏障（W）作為對比基準(zhǔn)，分析聚氨酯與水組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)PU/水、水/PU（后續(xù)簡稱為PW、WP）在特征時刻的沖擊波壓力云圖及結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)（圖9），從而得到環(huán)形復(fù)合結(jié)構(gòu)的主要爆炸防護(hù)機理，提出性能更具優(yōu)勢的柔性削爆結(jié)構(gòu)。

起爆后0.1 ms：相比于液體位于內(nèi)側(cè)的W 和WP 結(jié)構(gòu)，傳入PW 結(jié)構(gòu)液體層中的爆炸沖擊波載荷范圍和強度都明顯降低。由于PW 結(jié)構(gòu)中的PU 與空氣的阻抗不匹配程度遠(yuǎn)低于其他2 種結(jié)構(gòu)中液體與空氣的不匹配度，所以在W 或WP 結(jié)構(gòu)中，從空氣/液體界面上反射回來的沖擊波強度更高，并有逐漸向結(jié)構(gòu)中心軸處傳播進(jìn)而與對側(cè)反射回來的沖擊波相互作用的趨勢。當(dāng)沖擊波沿豎直方向向上傳播到達(dá)防護(hù)結(jié)構(gòu)的高度時，開始沿著結(jié)構(gòu)頂部向外側(cè)發(fā)生繞射。相比之下，同一時刻的PW 結(jié)構(gòu)的內(nèi)部依然保持一個較大的低壓區(qū)，推測因為空氣/泡沫界面處反射回來的沖擊波強度和速度較W、WP 結(jié)構(gòu)更低，從而延長了防護(hù)結(jié)構(gòu)對爆炸載荷的約束以及沖擊波與結(jié)構(gòu)相互作用的時間，有利于增強防護(hù)效果。

起爆后0.2 ms：W 結(jié)構(gòu)液體底部沿徑向擴(kuò)展、厚度減小、變形嚴(yán)重；部分沖擊波透射至液體層的外側(cè)，這是因為炸藥在地面起爆的工況下，爆心與液體屏障根部距離更近，爆炸沖擊波與其接觸時間更早、強度更高并且作用時間更長。WP 結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與之相似，由于其中的液體厚度降為W 結(jié)構(gòu)的1/2，其慣性效應(yīng)降低、膨脹變形的程度提高，而且外側(cè)的PU 層中出現(xiàn)了均勻的透射波。相比之下，PW 結(jié)構(gòu)的整體變形較小，并且?guī)缀跷丛诮Y(jié)構(gòu)外側(cè)觀測到透射波，分析認(rèn)為是以下原因?qū)е碌模?1) 沖擊波首先對PU 形成壓垮，所以作用到液體的沖擊波被PU 層吸收削弱，并且PU 自身的延展性很低，在受到?jīng)_擊壓垮的過程中不會提前破壞液體層的形態(tài)位置，為接下來沖擊波與液體的相互作用提供了良好的前提環(huán)境；(2) 沖擊波與液體層接觸界面（內(nèi)徑280 mm）相比于W 結(jié)構(gòu)（內(nèi)徑180 mm）更遠(yuǎn)，可能由于距離的延長造成沖擊波自身的能量和強度衰減。另外，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的低壓區(qū)在逐漸減小，一方面是因為反射沖擊波逐漸朝向環(huán)形屏障中心軸運動，另一方面是因為PU 層被逐漸壓實，空氣與結(jié)構(gòu)的接觸界面隨之轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝馀c壓實的PU 材料，即界面的阻抗不匹配程度有所提高，導(dǎo)致沖擊波反射強度隨之增加。與此同時，3 種結(jié)構(gòu)的繞射沖擊波的輻射區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展。

起爆后0.7 ms：W 和WP 結(jié)構(gòu)頂部的沖擊波陣面已經(jīng)到達(dá)觀測點（G9），在中心軸處發(fā)生碰撞交匯的沖擊波及爆炸產(chǎn)物相比于兩側(cè)的傳播速度更快，并且結(jié)構(gòu)外側(cè)的繞射波與結(jié)構(gòu)中部、底部對應(yīng)的透射波發(fā)生交匯及相互作用。以G9～G13 頂部觀測點的高度作為參考，PW 結(jié)構(gòu)的沖擊波陣面的豎直最高點與參考觀測點仍有一定的距離，并且高壓區(qū)相比于其他2 種結(jié)構(gòu)明顯減小，位于中心軸兩側(cè)的爆炸產(chǎn)物的擴(kuò)散速度高于中心軸區(qū)域。WP 結(jié)構(gòu)中的泡沫大部分變形失效，這是因為泡沫本身的拉伸失效應(yīng)變十分有限（小于壓縮失效應(yīng)變的12%），無法承受內(nèi)側(cè)水膨脹引起的環(huán)向拉伸以及沿軸向的不均勻載荷引起的彎曲大變形[31]，提前破壞失效，不利于泡沫對爆炸沖擊能量的充分吸收；進(jìn)而在結(jié)構(gòu)外側(cè)泄露了大量沖擊波，這也是3.3 節(jié)定量分析中WP 結(jié)構(gòu)對于外側(cè)底部區(qū)域的削波效應(yīng)較其他結(jié)構(gòu)較弱的主要原因。另外與W 結(jié)構(gòu)類似，PW 在結(jié)構(gòu)1/2 高度處也逐漸出現(xiàn)透射波并沿徑向傳播，如圖9(c)所示。

結(jié)合特征時刻的壓力云圖，總結(jié)得到：爆炸沖擊波主要經(jīng)歷了反射、繞射、透射及相互交匯等模式。比較W、WP 與PW 這3 種結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于沖擊波初始傳播界面從空氣/液體轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝?聚氨酯，由于阻抗不匹配程度的降低，界面反射的沖擊波速度減小、強度降低，因而在中心軸處與對側(cè)反射回來的沖擊波發(fā)生匯聚的時刻推遲、相互作用形成的強度也會隨之降低，造成沖擊波陣面沿著遠(yuǎn)離地面的豎直方向獲得的上升速度減小，延長了沖擊波到達(dá)觀測點之前與周圍介質(zhì)交換能量的時間。PW 結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的PU 泡沫受到?jīng)_擊波產(chǎn)生的壓垮變形延遲了沖擊波與液體的作用時刻，使得結(jié)構(gòu)底端由于阻抗不匹配形成透射波的時刻較W、WP 結(jié)構(gòu)更晚、且強度更低；并且在整個分析過程中（0～0.7 ms），其外層的液體除底端變形外仍能保持初始形態(tài)。因而，綜合沖擊波削減性能和結(jié)構(gòu)形態(tài)變化，PW 屏障的防護(hù)能力更具有優(yōu)勢。

3.3 參數(shù)影響分析

以無屏障時的沖擊波壓力峰值作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對防護(hù)結(jié)構(gòu)的削波能力進(jìn)行定量評估[10]，首先定義無量綱超壓峰值參數(shù)Mp，其為有防護(hù)和無防護(hù)時對應(yīng)的壓力峰值的比值：

式中：pb、pno_b分別表示有防護(hù)和無屏障時的壓力峰值。

定義無量綱測點位置參數(shù)MH、MS，對削爆屏障徑向外側(cè)、頂部不同位置的超壓觀測點進(jìn)行描述：

式中：HG為觀測點距離地面的豎直距離，SG為觀測點距離爆心的水平距離。

3.3.1 聚氨酯相對位置的影響

圖10 對比了純液體W、PW 和WP 復(fù)合結(jié)構(gòu)對應(yīng)的Mp值，以確定聚氨酯的相對位置對屏障的沖擊波削弱性能的影響；其中復(fù)合結(jié)構(gòu)中采用的聚氨酯泡沫的密度均為200 kg/m3。基于無量綱的沖擊波峰值參量MP在3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)下隨MH、MS的變化，可以得到：同體積條件下，PW 結(jié)構(gòu)比其他2 種結(jié)構(gòu)，對爆炸沖擊波超壓峰值的削弱效果更為明顯；相比于W 結(jié)構(gòu)，PW 結(jié)構(gòu)（內(nèi)側(cè)PU 密度為液體的1/5）在總體質(zhì)量降低32.9%的條件下，其對超壓峰值的削弱程度仍然高于W 結(jié)構(gòu)。與WP 結(jié)構(gòu)相比， PW 結(jié)構(gòu)的Mp隨不同觀測點的變化曲線更為平緩（除在MS趨近于0 時PW 對應(yīng)Mp高于WP 結(jié)構(gòu)），定量說明了將聚氨酯泡沫放在內(nèi)側(cè)具有更好的沖擊波削弱性能。另外，在側(cè)向底部區(qū)域（MH=0.1～0.5），WP 結(jié)構(gòu)相比于其他2 種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的壓力提升、性能削弱的現(xiàn)象。需要注意的是，數(shù)值結(jié)果表明：3 種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的工況下，均存在較高位置的觀測點對應(yīng)的無量綱超壓峰值Mp超過1 的現(xiàn)象，即由于沖擊波的繞射作用及遮蔽效應(yīng)，與無削爆屏障時相比，削爆屏障對應(yīng)的沖擊波均在較高位置發(fā)生了明顯的增強效應(yīng)[32]。

圖10 3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)水、PU/水和水/PU 對應(yīng)的不同測點處的無量綱超壓峰值參數(shù)Fig. 10 Dimensionless peak overpressure at different gauges of protective structures of water, PU/water, and water/PU

3.3.2 聚氨酯密度的影響

圖11～12 給出了不同密度（100、200 和300 kg/m3）聚氨酯的PW、WP 復(fù)合結(jié)構(gòu)和W 結(jié)構(gòu)對應(yīng)的Mp結(jié)果。如圖11(a)所示，在MH＜0.3 時，PW 復(fù)合結(jié)構(gòu)對超壓峰值的削弱性能與PU 密度正相關(guān)，并且PU 密度為200 kg/m3時與W 結(jié)構(gòu)達(dá)到相同的作用效果，將此作為PU 與W 結(jié)構(gòu)防護(hù)能力相當(dāng)?shù)呐R界密度。在MH＞0.3 后，這種削弱性能與PU 密度并不再成簡單正相關(guān)的關(guān)系，整體上來看，密度200 kg/m3的PU/水結(jié)構(gòu)對超壓峰值削弱性能最為優(yōu)異。圖11(b)顯示了屏障頂部的沖擊波超壓峰值結(jié)果，相比于W 結(jié)構(gòu)，3 種不同密度PU 對應(yīng)的PW 結(jié)構(gòu)幾乎均能夠明顯改善沖擊波增強的狀況；且PU 密度越大，對沖擊波增強效應(yīng)的緩解效果更加明顯。因而，兼顧防護(hù)屏障自重和削波性能，優(yōu)選的PW 結(jié)構(gòu)采用密度約200 kg/m3的PU 比較合適。

圖11 防護(hù)結(jié)構(gòu)水，PU/水對應(yīng)的無量綱超壓峰值參數(shù)Mp 變化曲線對比Fig. 11 Comparison of dimensionless peak overpressure parameter Mp variation curves corresponding to structures of water, PU/water

相比之下，將聚氨酯置于液體的外側(cè)時（圖12(a)～(b)），WP 復(fù)合結(jié)構(gòu)相比于相同體積下的純液體(W 結(jié)構(gòu))對沖擊波削弱效果并不明顯，在0.1 ≤MH≤ 0.5 或者1/15 ≤MS≤ 2/15 時，水/PU 的超壓峰值甚至明顯高于純液體。另外，3 種不同密度PU 對應(yīng)的WP 結(jié)構(gòu)在MH＞0.5 的區(qū)域內(nèi)的Mp-MH、Mp-MS曲線幾乎重合，即改變PU 的密度對于水/PU 結(jié)構(gòu)的削波能力并無明顯的影響。

圖12 防護(hù)結(jié)構(gòu)水、水/PU 對應(yīng)的無量綱超壓峰值參數(shù)Mp 變化曲線對比Fig. 12 Comparison of dimensionless peak overpressure parameter Mp variation curves corresponding to structures of water, water/PU

4 結(jié) 論

本文中以安全處置簡易爆炸裝置的設(shè)計為研究背景，利用定向沖擊波流場裝置對聚氨酯泡沫平板進(jìn)行爆炸加載實驗；隨后沿用已驗證的流固耦合方法對環(huán)形復(fù)合結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸沖擊波作用下的響應(yīng)進(jìn)行模擬，分析了相對位置、聚氨酯密度對復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊波削弱性能的影響，主要結(jié)論如下。

(1) 在聚氨酯泡沫密度和厚度的研究范圍內(nèi)，聚氨酯平板對爆炸沖擊波壓力峰值的衰減率均在67%以上，密度和厚度與削波能力呈現(xiàn)正相關(guān)，其中密度較厚度的提升對沖擊波削弱能力的增益更大。

(2) 對于聚氨酯基復(fù)合削爆屏障，PU/水復(fù)合環(huán)形屏障(聚氨酯泡沫放置于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè))優(yōu)于水/PU 結(jié)構(gòu)，且與同體積的純水結(jié)構(gòu)相比，PU/水結(jié)構(gòu)在總體質(zhì)量降低32%的前提下，依然具有更優(yōu)異的沖擊波超壓峰值削弱性能。

(3) 聚氨酯泡沫密度對水/PU 復(fù)合環(huán)形屏障的沖擊波削弱性能的影響不明顯。相比之下，聚氨酯泡沫密度對PU/水結(jié)構(gòu)的沖擊波削弱性能影響較為明顯；兼顧防護(hù)屏障自重和削波性能，優(yōu)選的PU/水結(jié)構(gòu)采用密度200 kg/m3的PU 較為合適。

通過材料排序、密度擇優(yōu)等優(yōu)化設(shè)計提出的復(fù)合柔性削爆屏障(如PU/水)對內(nèi)爆炸載荷的削波效應(yīng)有明顯增益。在對簡易爆炸物處置、彈藥的隔爆與銷毀中，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮其自重輕、削波效能高且無二次殺傷的優(yōu)勢。