張成亮，朱 錫，侯海量，陳長海

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，各種精確制導(dǎo)武器爆炸形成的沖擊波和高速破片對(duì)艦艇構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，已成為艦艇水上防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要防御目標(biāo)。

夾層結(jié)構(gòu)由于芯層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-2]和材料選擇[3-4]具有巨大的靈活性，而被廣泛應(yīng)用于各種抗爆吸能結(jié)構(gòu)。Xue等[5-6]對(duì)蜂窩等四型夾層結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的變形吸能研究表明，在相同材料同等重量的情況下，夾層結(jié)構(gòu)的抗爆吸能能力要明顯優(yōu)于單一平板。Dharmasena等[7]對(duì)方形金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在高強(qiáng)爆炸載荷作用下動(dòng)響應(yīng)機(jī)理的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究表明，相同重量下夾層結(jié)構(gòu)背板的變形撓度要遠(yuǎn)小于單一平板，盡管其研究的夾層結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)非最優(yōu)設(shè)計(jì)。然而，朱錫[8]指出蜂窩等金屬夾層結(jié)構(gòu)的抗彈性能并不比金屬平板結(jié)構(gòu)更優(yōu)。因此，在夾層結(jié)構(gòu)中增加高強(qiáng)纖維抗彈層，成了夾層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抗穿甲吸能的必然選擇[9-10]，并取得了較好的效果。

上述研究中，夾層結(jié)構(gòu)所受到的毀傷載荷均為單一沖擊波或高速破片。然而，反艦武器近爆在產(chǎn)生沖擊波的同時(shí)將產(chǎn)生大量高速破片。文獻(xiàn)[11-12]采用帶殼裝藥模擬半穿甲戰(zhàn)斗部進(jìn)行的艙內(nèi)爆炸試驗(yàn)，表明高速破片密集作用區(qū)各彈孔間的邊界會(huì)被沖擊波撕開而相互連通分別形成長大破口；文獻(xiàn)[13-14]對(duì)單層鋼制靶板在高速破片團(tuán)作用下的響應(yīng)研究指出，在高速破片密集穿甲區(qū)高速破片疊加效應(yīng)會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生集團(tuán)穿甲破口，同時(shí)在集團(tuán)穿甲破口附近會(huì)產(chǎn)生較明顯的準(zhǔn)靜態(tài)的附加效應(yīng)?？梢姳_擊波與高速破片的聯(lián)合作用將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的破壞。

為探討爆炸沖擊波與高速破片對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的聯(lián)合毀傷效應(yīng)，設(shè)計(jì)并制作了鋼-玻璃鋼-鋼(SGS)夾層結(jié)構(gòu)，采用粘貼預(yù)制破片和未粘貼預(yù)制破片的TNT裝藥近爆，分別模擬爆炸沖擊波與高速破片聯(lián)合毀傷載荷和爆炸沖擊波單獨(dú)載荷，開展了SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞效應(yīng)試驗(yàn)研究，分析了SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞模式，毀傷規(guī)律及防護(hù)機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析SGS夾層結(jié)構(gòu)在沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的毀傷效應(yīng)，對(duì)玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)(見圖1)，進(jìn)行了爆炸沖擊波和沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下的試驗(yàn)研究。SGS夾層結(jié)構(gòu)由前、后鋼質(zhì)面板和玻璃鋼芯層構(gòu)成，為兩層鋼板和一層玻璃鋼板的夾層結(jié)構(gòu)，鋼板(steel)的厚度均為1 mm，玻璃鋼(GFRP)板厚度為9.5 mm，面密度為31.59 kg/m2，平面尺寸均為700×700 mm，除去結(jié)構(gòu)固定的邊界部分，受到爆炸沖擊作用的平面尺寸為500×500 mm。

圖1 結(jié)構(gòu)斷面圖

其中鋼板為Q235鋼，其力學(xué)性能指標(biāo)見表1。玻璃鋼中的纖維為S玻纖，膠體為3201樹脂。其工藝參數(shù)見表2，力學(xué)性能指標(biāo)見表3。

表1 Q235鋼力學(xué)性能指標(biāo)

表2 玻璃鋼板工藝參數(shù)

表3 玻璃鋼板力學(xué)性能指標(biāo)

圖2 鋼板和支座結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)如圖2所示，夾層結(jié)構(gòu)四周通過24個(gè)螺絲固定，邊界被支座夾持，相當(dāng)于固支的邊界條件。試驗(yàn)中的具體設(shè)計(jì)如圖3(a)所示，試驗(yàn)后鋼板四周的螺釘沒有松動(dòng)，說明邊界的固定情況較好，能夠達(dá)到試驗(yàn)的要求。

試驗(yàn)工況1中的裝藥位置為鋼板的中心處，炸藥采用圓柱形鑄裝 TNT炸藥，單發(fā)重為200 g，采用2發(fā)疊加布置，電雷管于裝藥頂端引爆，炸藥底部離結(jié)構(gòu)表面距離b為148 mm，用來模擬單一近爆沖擊波載荷的作用。試驗(yàn)工況2在工況1的基礎(chǔ)上，將預(yù)制模擬破片用雙面膠無縫粘貼在炸藥圓柱體下方的平面上，再用透明膠布粘貼，確保破片與炸藥緊密接觸，用來模擬爆炸沖擊波和高速破片的聯(lián)合作用。其中預(yù)制破片由2 mm厚Q235鋼板線切割加工而成，單塊預(yù)制破片尺寸為5×5 mm，質(zhì)量約為0.35 g，TNT藥柱底面粘貼的模擬破片的數(shù)量約為90顆；實(shí)際炸藥和預(yù)制破片(見圖3(b))。

圖3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及裝藥

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 爆炸沖擊波單獨(dú)作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞結(jié)果

圖4為SGS夾層結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波單獨(dú)作用下的破壞情況，其中圖4(a)為前面板，圖4(b)為后面板，圖4(c)為玻璃鋼夾芯的迎爆面，而圖4(d)為玻璃鋼夾芯的背爆面。從圖中可以看出，SGS夾層結(jié)構(gòu)未發(fā)生破口破壞，前面板中心以r=150 mm的區(qū)域內(nèi)存在多重波紋狀皺褶變形，固支邊界形成了明顯的塑性鉸線；后面板變形與前面板類似，變形程度相對(duì)較大，最大變形撓度為42 mm；玻璃鋼夾芯板未發(fā)生穿孔破壞，但有大面積延伸到固支邊界的淡色區(qū)域，說明玻璃纖維層和脂體層產(chǎn)生了較嚴(yán)重的分層，同時(shí)背爆面中部直徑約為9 mm的圓形區(qū)域纖維層產(chǎn)生脫落。

2.2 沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞結(jié)果分析

圖4 沖擊波作用下玻璃鋼夾芯板的試驗(yàn)結(jié)果

圖5 聯(lián)合作用下玻璃鋼夾芯板的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 前面板的穿甲密度分布

圖7 后面板變形輪廓圖

圖5(e)、(f)為后面板迎爆面和背爆面的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知后面板中部產(chǎn)生花瓣開裂破口，破口最大直徑為26 cm，花瓣數(shù)為8，裂瓣根部最大尺寸長228 mm，最小尺寸長51 mm，且均產(chǎn)生超過90°的翻轉(zhuǎn)變形；裂瓣上有11個(gè)高速破片撞擊的凹坑，裂瓣邊沿可見間隔分布的彈孔或凹陷彈痕；底部有部分預(yù)制破片殘?bào)w嵌入回收廢板中，同時(shí)找到了少量分散的預(yù)制破片殘?bào)w和11個(gè)大破片，最大破片長為52 mm，寬為2.2 mm；同時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了整體的大變形，變形輪廓如圖7，并在對(duì)角線處形成了四條塑性鉸線。

圖5(c)、(d)為玻璃鋼夾層的迎爆面和背爆面的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知玻璃鋼夾層中部區(qū)域有一個(gè)直徑約80 mm的穿甲大破口；迎爆面大破口周圍環(huán)形區(qū)域有48個(gè)單個(gè)高速破片穿甲彈痕，破口和彈孔邊沿均有大量斷裂的玻璃纖維和淡色分層現(xiàn)象(見圖8(a))；背爆面大破口周圍有多個(gè)高速破片未穿透玻璃鋼板的鼓包，鼓包附近玻璃鋼板有小范圍的淡色分層現(xiàn)象(見圖8(b))；玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)分層程度小于爆炸沖擊波單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)的破壞。

圖8 玻璃鋼板局部試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及吸能機(jī)理分析

由沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)毀傷模式可知，花瓣開裂過程發(fā)生在高速破片撞擊之后，單個(gè)高速破片并未穿透結(jié)構(gòu)而中部高速破片密集穿甲區(qū)產(chǎn)生集團(tuán)穿甲破口，說明高速破片團(tuán)對(duì)SGS夾層結(jié)構(gòu)的穿甲作用大大強(qiáng)于單個(gè)高速破片，在進(jìn)行SGS夾層結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)中破片密集穿甲的疊加效應(yīng)不可忽視；爆炸產(chǎn)生的能量一部分用于驅(qū)動(dòng)預(yù)制破片產(chǎn)生動(dòng)能，剩余部分的爆炸沖擊波能量小于爆炸沖擊波單獨(dú)作用下的沖擊波能量，但一方面由于高速破片團(tuán)的穿甲作用造成結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，另一方面高速破片團(tuán)的附加效應(yīng)和沖擊波的共同作用使結(jié)構(gòu)獲得較大的動(dòng)能，尤其是后面板比前面板獲得更大的動(dòng)能[15]，因此沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的聯(lián)合毀傷效應(yīng)大大強(qiáng)于爆炸沖擊波單獨(dú)作用。此外，對(duì)SGS夾層結(jié)構(gòu)的破壞模式分析可知，中間夾芯層一方面限制了前面板向下的變形破壞，導(dǎo)致前面板產(chǎn)生向上凸起變形，另一方面抵御了部分高速破片對(duì)后面板的穿甲破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗爆性能有較大的影響，所以研究夾層結(jié)構(gòu)在沖擊波和高速破片的聯(lián)合作用問題時(shí)，合理選擇夾芯層材料，可提高其抗穿甲能力，從而增強(qiáng)夾層結(jié)構(gòu)的整體防護(hù)能力。

從能量吸收的角度分析，SGS夾層結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波單獨(dú)作用下前、后面板通過塑性大變形吸收沖擊波能量，玻璃鋼夾芯層通過纖維層的剝落和分層吸收沖擊波的能量；在爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下前、后面板通過剪切破口、玻璃鋼板的分層和纖維層的拉伸斷裂抵御高速破片的穿甲；沖擊波能量的吸收前面板主要通過向上的塑性大變形和破口邊沿局部結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)、后面板主要通過花瓣開裂和大變形、玻璃鋼板主要通過纖維層的剝落和分層，前后面板是沖擊波能量吸收的主要結(jié)構(gòu)，玻璃鋼板對(duì)沖擊波能量的吸收相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

(1) 爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞模式與爆炸沖擊波單獨(dú)作用下SGS夾層結(jié)構(gòu)的變形破壞模式有較大區(qū)別，沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的聯(lián)合毀傷效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷程度遠(yuǎn)大于后者。爆炸沖擊波單獨(dú)作用下，夾層結(jié)構(gòu)前、后面板均產(chǎn)生褶皺大變形，玻璃鋼夾芯板則以大面積分層破壞和纖維層的脫落為主；而沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下，前面板以反向大變形和中部穿甲大破口為主，后面板以大變形和大面積花瓣開裂為主，玻璃鋼夾芯層則產(chǎn)生了大面積穿甲破口和分層破壞。

(2) 爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下高速破片團(tuán)對(duì)SGS夾層結(jié)構(gòu)的穿甲作用大大強(qiáng)于單個(gè)高速破片對(duì)SGS夾層結(jié)構(gòu)的穿甲，在進(jìn)行夾層結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)中破片團(tuán)的疊加效應(yīng)不可忽略。

(3) 爆炸沖擊波能量主要通過前、后面板的塑性大變形和玻璃鋼夾芯板的分層破壞吸收；高速破片的動(dòng)能則主要通過前、后面板的剪切破壞、玻璃鋼板的分層破壞和纖維層的拉伸斷裂吸收。

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