爆炸冲击波与高速破片对夹层结构的联合毁伤效应试验研究

张成亮，朱 锡，侯海量，陈长海

(海军工程大学 舰船工程系，武汉 430033)

现代海战中，各种精确制导武器爆炸形成的冲击波和高速破片对舰艇构成了严重的威胁，已成为舰艇水上防护结构的主要防御目标。

夹层结构由于芯层的结构设计[1-2]和材料选择[3-4]具有巨大的灵活性，而被广泛应用于各种抗爆吸能结构。Xue等[5-6]对蜂窝等四型夹层结构在爆炸载荷作用下的变形吸能研究表明，在相同材料同等重量的情况下，夹层结构的抗爆吸能能力要明显优于单一平板。Dharmasena等[7]对方形金属蜂窝夹层结构在高强爆炸载荷作用下动响应机理的试验及数值模拟研究表明，相同重量下夹层结构背板的变形挠度要远小于单一平板，尽管其研究的夹层结构远非最优设计。然而，朱锡[8]指出蜂窝等金属夹层结构的抗弹性能并不比金属平板结构更优。因此，在夹层结构中增加高强纤维抗弹层，成了夹层结构实现抗穿甲吸能的必然选择[9-10]，并取得了较好的效果。

上述研究中，夹层结构所受到的毁伤载荷均为单一冲击波或高速破片。然而，反舰武器近爆在产生冲击波的同时将产生大量高速破片。文献[11-12]采用带壳装药模拟半穿甲战斗部进行的舱内爆炸试验，表明高速破片密集作用区各弹孔间的边界会被冲击波撕开而相互连通分别形成长大破口；文献[13-14]对单层钢制靶板在高速破片团作用下的响应研究指出，在高速破片密集穿甲区高速破片叠加效应会使结构产生集团穿甲破口，同时在集团穿甲破口附近会产生较明显的准静态的附加效应。可见爆炸冲击波与高速破片的联合作用将对结构产生更为严重的破坏。

为探讨爆炸冲击波与高速破片对夹层结构的联合毁伤效应，设计并制作了钢-玻璃钢-钢(SGS)夹层结构，采用粘贴预制破片和未粘贴预制破片的TNT装药近爆，分别模拟爆炸冲击波与高速破片联合毁伤载荷和爆炸冲击波单独载荷，开展了SGS夹层结构的变形破坏效应试验研究，分析了SGS夹层结构的变形破坏模式，毁伤规律及防护机理。

1 试验设计

为分析SGS夹层结构在冲击波和高速破片联合作用下的毁伤效应，对玻璃钢夹层结构(见图1)，进行了爆炸冲击波和冲击波与高速破片联合作用下的试验研究。SGS夹层结构由前、后钢质面板和玻璃钢芯层构成，为两层钢板和一层玻璃钢板的夹层结构，钢板(steel)的厚度均为1 mm，玻璃钢(GFRP)板厚度为9.5 mm，面密度为31.59 kg/m2，平面尺寸均为700×700 mm，除去结构固定的边界部分，受到爆炸冲击作用的平面尺寸为500×500 mm。

图1 结构断面图

其中钢板为Q235钢，其力学性能指标见表1。玻璃钢中的纤维为S玻纤，胶体为3201树脂。其工艺参数见表2，力学性能指标见表3。

表1 Q235钢力学性能指标

表2 玻璃钢板工艺参数

表3 玻璃钢板力学性能指标

图2 钢板和支座结构示意图

试验装置的设计如图2所示，夹层结构四周通过24个螺丝固定，边界被支座夹持，相当于固支的边界条件。试验中的具体设计如图3(a)所示，试验后钢板四周的螺钉没有松动，说明边界的固定情况较好，能够达到试验的要求。

试验工况1中的装药位置为钢板的中心处，炸药采用圆柱形铸装 TNT炸药，单发重为200 g，采用2发叠加布置，电雷管于装药顶端引爆，炸药底部离结构表面距离b为148 mm，用来模拟单一近爆冲击波载荷的作用。试验工况2在工况1的基础上，将预制模拟破片用双面胶无缝粘贴在炸药圆柱体下方的平面上，再用透明胶布粘贴，确保破片与炸药紧密接触，用来模拟爆炸冲击波和高速破片的联合作用。其中预制破片由2 mm厚Q235钢板线切割加工而成，单块预制破片尺寸为5×5 mm，质量约为0.35 g，TNT药柱底面粘贴的模拟破片的数量约为90颗；实际炸药和预制破片(见图3(b))。

图3 试验设计及装药

2 试验结果

2.1 爆炸冲击波单独作用下SGS夹层结构的变形破坏结果

图4为SGS夹层结构在爆炸冲击波单独作用下的破坏情况，其中图4(a)为前面板，图4(b)为后面板，图4(c)为玻璃钢夹芯的迎爆面，而图4(d)为玻璃钢夹芯的背爆面。从图中可以看出，SGS夹层结构未发生破口破坏，前面板中心以r=150 mm的区域内存在多重波纹状皱褶变形，固支边界形成了明显的塑性铰线；后面板变形与前面板类似，变形程度相对较大，最大变形挠度为42 mm；玻璃钢夹芯板未发生穿孔破坏，但有大面积延伸到固支边界的淡色区域，说明玻璃纤维层和脂体层产生了较严重的分层，同时背爆面中部直径约为9 mm的圆形区域纤维层产生脱落。

2.2 冲击波与高速破片联合作用下SGS夹层结构的变形破坏结果分析

图4 冲击波作用下玻璃钢夹芯板的试验结果

图5 联合作用下玻璃钢夹芯板的试验结果

图6 前面板的穿甲密度分布

图7 后面板变形轮廓图

图5(e)、(f)为后面板迎爆面和背爆面的试验结果。由图可知后面板中部产生花瓣开裂破口，破口最大直径为26 cm，花瓣数为8，裂瓣根部最大尺寸长228 mm，最小尺寸长51 mm，且均产生超过90°的翻转变形；裂瓣上有11个高速破片撞击的凹坑，裂瓣边沿可见间隔分布的弹孔或凹陷弹痕；底部有部分预制破片残体嵌入回收废板中，同时找到了少量分散的预制破片残体和11个大破片，最大破片长为52 mm，宽为2.2 mm；同时结构产生了整体的大变形，变形轮廓如图7，并在对角线处形成了四条塑性铰线。

图5(c)、(d)为玻璃钢夹层的迎爆面和背爆面的试验结果。由图可知玻璃钢夹层中部区域有一个直径约80 mm的穿甲大破口；迎爆面大破口周围环形区域有48个单个高速破片穿甲弹痕，破口和弹孔边沿均有大量断裂的玻璃纤维和淡色分层现象(见图8(a))；背爆面大破口周围有多个高速破片未穿透玻璃钢板的鼓包，鼓包附近玻璃钢板有小范围的淡色分层现象(见图8(b))；玻璃钢夹层结构分层程度小于爆炸冲击波单独作用下结构的破坏。

图8 玻璃钢板局部试验结果

3 试验结果及吸能机理分析

由冲击波与高速破片联合作用下SGS夹层结构毁伤模式可知，花瓣开裂过程发生在高速破片撞击之后，单个高速破片并未穿透结构而中部高速破片密集穿甲区产生集团穿甲破口，说明高速破片团对SGS夹层结构的穿甲作用大大强于单个高速破片，在进行SGS夹层结构防护设计中破片密集穿甲的叠加效应不可忽视；爆炸产生的能量一部分用于驱动预制破片产生动能，剩余部分的爆炸冲击波能量小于爆炸冲击波单独作用下的冲击波能量，但一方面由于高速破片团的穿甲作用造成结构的严重破坏，另一方面高速破片团的附加效应和冲击波的共同作用使结构获得较大的动能，尤其是后面板比前面板获得更大的动能[15]，因此冲击波和高速破片联合作用下的联合毁伤效应大大强于爆炸冲击波单独作用。此外，对SGS夹层结构的破坏模式分析可知，中间夹芯层一方面限制了前面板向下的变形破坏，导致前面板产生向上凸起变形，另一方面抵御了部分高速破片对后面板的穿甲破坏，对结构的抗爆性能有较大的影响，所以研究夹层结构在冲击波和高速破片的联合作用问题时，合理选择夹芯层材料，可提高其抗穿甲能力，从而增强夹层结构的整体防护能力。

从能量吸收的角度分析，SGS夹层结构在爆炸冲击波单独作用下前、后面板通过塑性大变形吸收冲击波能量，玻璃钢夹芯层通过纤维层的剥落和分层吸收冲击波的能量；在爆炸冲击波和高速破片联合作用下前、后面板通过剪切破口、玻璃钢板的分层和纤维层的拉伸断裂抵御高速破片的穿甲；冲击波能量的吸收前面板主要通过向上的塑性大变形和破口边沿局部结构的翻转、后面板主要通过花瓣开裂和大变形、玻璃钢板主要通过纤维层的剥落和分层，前后面板是冲击波能量吸收的主要结构，玻璃钢板对冲击波能量的吸收相对较小。

4 结 论

(1) 爆炸冲击波和高速破片联合作用下SGS夹层结构的变形破坏模式与爆炸冲击波单独作用下SGS夹层结构的变形破坏模式有较大区别，冲击波和高速破片联合作用下的联合毁伤效应对结构的毁伤程度远大于后者。爆炸冲击波单独作用下，夹层结构前、后面板均产生褶皱大变形，玻璃钢夹芯板则以大面积分层破坏和纤维层的脱落为主；而冲击波和高速破片联合作用下，前面板以反向大变形和中部穿甲大破口为主，后面板以大变形和大面积花瓣开裂为主，玻璃钢夹芯层则产生了大面积穿甲破口和分层破坏。

(2) 爆炸冲击波和高速破片联合作用下高速破片团对SGS夹层结构的穿甲作用大大强于单个高速破片对SGS夹层结构的穿甲，在进行夹层结构防护设计中破片团的叠加效应不可忽略。

(3) 爆炸冲击波能量主要通过前、后面板的塑性大变形和玻璃钢夹芯板的分层破坏吸收；高速破片的动能则主要通过前、后面板的剪切破坏、玻璃钢板的分层破坏和纤维层的拉伸断裂吸收。

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