硬/软复合材料结构防爆性能的实验及数值评估

作     者：杨丰源 栗志杰 庄茁 柳占立 Fengyuan Yang;Zhijie Li;Zhuo Zhuang;Zhanli Liu

作者机构：Applied Mechanics LaboratoryDepartment of Engineering MechanicsSchool of AerospaceTsinghua UniversityBeijing 100084China 

出 版 物：《Acta Mechanica Sinica》 (力学学报（英文版）)

年 卷 期：2022年第38卷第1期

页      面：27-36页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：the Science Challenge Project(Grant No.TZ2018002) the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11972205 and 11722218) the National Key Research Development Program of China(Grant No.2017YFB0702003) Opening Project of Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province. 

主　　题：防爆结构 防爆性能 接触型 压力脉冲 复合材料结构 脉冲到达时间 爆炸试验 复合结构 

摘      要：现实防护工程中,硬1软复合结构在人员装甲(如头盔的外壳/衬里系统)中的应用可以有效减轻爆炸伤害.由于缺乏有效可靠的实验方法评估防护结构的防爆性能,直接接触型防护结构的发展受到限制,本文针对硬/软复合材料结构的防爆性能测试提出一种新的实验及数值评估方法,并对其防爆机理进行了分析.受测的硬/软结构由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料和膨胀聚乙烯(EPE)泡沫组成.现场爆炸试验通过7.0 kg TNT球形炸药在3.8 m处产生的爆炸波来完成.设计了一种压力测试装置用于支撑被测结构并测量穿透防护结构的爆炸压力脉冲.实验结果表明,通过使脉冲波形更平坦、减小压力幅度和延迟脉冲到达时间,硬/软结构可以将爆炸压力脉冲减弱为三角形压力脉冲.7mmUHMWPE复合材料和20mmEPE泡沫的组合防护结构可将爆炸压力振幅降低40%.通过有限元模拟分析爆炸缓解机制.数值结果表明,爆炸压力脉冲的衰减主要发生在硬/软界面上,通过界面反射压力波和软材料层变形吸收动能来完成.在此基础上提出的理论模型可以很好地解释实验和数值结果,对评价和设计高性能的防爆结构具有重要意义.