CN108955441B - 一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，目的是降低防爆结构的质量，提高结构的抗爆性能。本发明整体呈圆柱状，由内部面板、内部芯体、中部面板、中部芯体、外部面板、外部芯体、壳体、底盖、底部芯体和底部面板组成；本发明采用变截面多层梯度泡沫夹芯结构设计，变截面设计能够增加爆轰产物容纳体积和降低结构总质量，梯度泡沫芯体能够充分发挥梯度金属泡沫材料的优异的缓冲吸能特性，夹芯结构具有质量轻、高强度、吸能效率高等优越的力学性能。本发明相对于传统单一材料圆筒抗爆结构，抗爆性能更好，结构总体质量更轻。

Description

一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构
技术领域
本发明属于一种防爆结构，具体涉及一种变截面多层梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构。
背景技术
近年来，世界各地恐怖活动日益频繁，恐怖分子异常猖獗，严重威胁广场、火车站、机场等公共场所的安全。为了及时处理爆炸物或可疑爆炸物，车站、机场等公共场所一般布置能够处理紧急情况的防爆罐。防爆罐是指限制结构内部爆炸冲击波、破片和爆轰产物，有效保护人员、设备和环境安全的爆炸防护结构。常见的防爆罐的防爆罐壳体材料一般是钢，质量非常重，通常置于平板拖车上，由汽车进行机动牵引，当发现可疑爆炸物后，在遇到爆炸物或可疑爆炸物时，防爆罐可以将这些危险物紧急运输到安全的地方进一步处理。但是，单一金属壳体防爆容器防爆效果好，但一般质量比较大，比较笨重，不利于移动和携带。新型轻质便携的泡沫夹芯防爆结构，便于灵活、机动处理可疑爆炸物和运输危爆品，在民用和军事领域都具有十分重要的现实意义。
泡沫夹芯结构具有质量轻、高强度和吸能效率高等优越的力学性能，被广泛应用于抗冲击和抗爆等领域。泡沫夹芯结构一般由两层金属面板和内部泡沫芯体组成，金属面板的抗弯曲和拉伸强度较高，可以承受冲击和爆炸载荷导致的拉压载荷，泡沫芯体的主要作用是缓冲吸能。泡沫材料一般认为是由大量微型框架结构或胞状气孔结构组成的材料。由于泡沫材料独特的结构特征，压缩条件下的应力-应变曲线中包含一个较长的应力平台，具有优异的能量吸收和抗冲击性能，已经广泛应用于吸能缓冲构件。多年前日本已将闭孔泡沫铝材料应用于高速公路两边的吸音和缓冲结构，大众汽车早已采用泡沫铝作为汽车的缓冲吸能部件，波音和空客飞机上也使用了大量复合泡沫和金属泡沫以减轻机体质量。梯度泡沫芯体夹芯结构能够有效地发挥组合式芯体和夹芯结构二者的优点。
目前，防爆容器通常分为单层防爆容器和多层防爆容器，单层防爆容器一般沿用厚实的高强特种钢板制造而成，多层防爆容器一般使用薄钢板与胶板、树脂、多孔纤维束等有机材料复合制作而成。前者虽然能够满足防爆要求，但通常会使得被保护装置过于笨重，限制了其灵活性，尤其是在有移动需求的防护场合。后者总重量虽然有所降低，但是质量降低不多，而且抗爆性能不足。近年来，国内外的反恐形势对防爆容器的便携性提出了更高要求，开发新型轻质便携抗爆容器的重要性和迫切性日益凸显。在相同爆炸载荷的条件下，无论是在变形还是在能量吸收方面，泡沫夹芯柱壳都远优于相同重量的实体柱壳。泡沫夹芯柱壳结构可以充分发挥金属泡沫材料的优异的缓冲性能和吸能特性，不仅提高结构的抗爆性能，也可以大大降低结构总体质量，从而实现抗爆结构的轻质化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前防爆结构质量大、不方便携带的问题，提供一种变截面多层梯度泡沫夹芯圆筒抗爆结构，降低防爆结构的质量，提高结构的抗爆性能。
本发明的技术方案是：
本发明变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构整体呈圆柱状，由内部面板、内部芯体、中部面板、中部芯体、外部面板、外部芯体、壳体、底盖、底部芯体和底部面板组成。本发明外直径为D，D根据抗爆需求来定，满足0.1m<D<2m，高度为H，满足D<H<2D。
内部面板、内部芯体、中部面板、中部芯体、外部面板、外部芯体、壳体由内向外同轴装配，底盖焊接在外部面板、外部芯体和壳体下端面，且内部面板、内部芯体、中部面板、中部芯体、外部面板、外部芯体、壳体高度方向的中心平面重合(即这些部件的几何中心处于同一个平面)。外部面板、外部芯体、壳体上下端面齐平，底部芯体和底部面板位于底盖内部。
内部面板为圆筒形，外直径D1满足0.6D<D1<0.8D，壁厚t1满足0.01D<t1<0.06D，内直径d1＝D1-2t1，高度H1满足0.4H<H1<0.6H。内部面板材料为金属，密度ρ1>7g/cm3，屈服强度σ1>400MPa。
内部芯体为圆筒形，内直径等于D1，壁厚l1满足0.05D<l1<0.2D，外直径d2＝D1+2l1，高度等于H1。内部芯体材料为金属泡沫，密度ρ2满足0.3g/cm3<ρ2<0.6g/cm3，内部芯体基体材料的屈服强度σ2>170MPa。内部芯体内同轴嵌套有内部面板。内部芯体与内部面板上下端面重合。
中部面板为圆筒形，内直径等于d2，壁厚t2满足0.01D<t2<0.06D，外直径为D2＝d2+2t2，高度H2满足H2>H1，且0.6H<H2<0.8H。中部面板材料为金属，密度ρ3>7g/cm3，屈服强度σ3>400MPa。中部面板内同轴嵌套有内部芯体。中部面板与内部芯体的高度方向中心平面重合。
中部芯体为圆筒形，高度等于H2，内直径等于D2，壁厚l2满足0.05D<l2<0.2D，外直径d3＝D2+2l2。中部芯体材料为金属泡沫，密度ρ4满足ρ4>ρ2，且0.6g/cm3<ρ4<1.0g/cm3，中部芯体基体材料的屈服强度σ4>170MPa。中部芯体内同轴嵌套有中部面板。中部芯体与中部面板上下端面重合。
外部面板为圆筒形，内直径等于d3，壁厚t3满足0.01D<t3<0.06D，外直径D3＝d3+2t3，高度H3满足H3>H2，且0.8H<H3<0.95H。外部面板材料为金属，密度ρ5>7g/cm3，屈服强度σ5>400MPa。外部面板内同轴嵌套有中部芯体。外部面板与中部芯体的高度方向中心平面重合。
外部芯体为圆筒形，内直径等于D3，壁厚l3满足0.05D<l3<0.2D，外直径d＝D3+2l3，高度等于H3。外部芯体材料为金属泡沫，密度ρ6满足ρ2<ρ4<ρ6，且1.0g/cm3<ρ6<1.4g/cm3，外部芯体基体材料的屈服强度σ6>170MPa。外部芯体内同轴嵌套有外部面板。外部芯体与外部面板上下端面重合。
壳体为圆筒形，高度等于H3，外直径等于D，内直径等于d，壁厚t4＝(D-d)/2，且壁厚t4满足0.01D<t4<0.06D。壳体材料为金属，密度ρ7>7g/cm3，屈服强度σ7>400MPa。壳体内同轴嵌套有外部芯体。壳体与外部芯体上下端面重合。
底盖为有一个底的圆筒，外直径等于D，内直径等于d3，高度H4＝H-H3，壁厚等于t3+l3+t4，圆筒内部深度δ1满足0.05D<δ1<0.2D，圆筒底部厚度δ2＝H4-δ1。底盖材料为金属，密度ρ8>7g/cm3，屈服强度σ8>400MPa。底盖与壳体同轴沿轴向方向相连。底盖开口一侧焊接在壳体、外部芯体、外部面板相同一侧的端面上。
底部芯体为圆柱形，外直径等于d3，高度δ3满足δ3<δ1，且0.05D<δ3<0.15D。底部芯体材料为金属泡沫，密度ρ9满足0.5g/cm3<ρ9<2.0g/cm3，底部芯体基体材料的屈服强度σ9>170MPa。底部芯体同轴嵌套于底盖圆筒内部，并粘接在底盖内部圆筒底面上。
底部面板为圆柱形，外直径等于d3，高度δ4满足δ4＝δ1-δ3。底部面板材料为金属，密度ρ10>7g/cm3，屈服强度σ10>400MPa。底部面板粘接在底部芯体上端面，并与底部芯体同轴，嵌套于底盖圆筒内部。
本发明采用泡沫夹芯结构设计，泡沫夹芯结构一般由两层金属面板和内部泡沫芯体组成，金属面板的抗弯曲和拉伸强度较高，可以承受冲击和爆炸载荷导致的拉压载荷，泡沫芯体的主要作用是缓冲吸能。当爆炸物在本发明内部发生爆炸时，爆轰产物在本发明内部(内部面板内)迅速膨胀，当爆轰产物与内部面板发生作用时，内部面板向外膨胀，并且速度迅速增加，同时内部面板向外压缩内部芯体，内部芯体逐层压溃。由于本发明各芯体密度由内向外依次递增，呈梯度分布，即内部芯体密度最小、中部芯体密度中等、外部芯体密度最大，称之为梯度泡沫芯体。梯度泡沫是指一类组成结构和性能在空间上连续或准连续变化的非均质复合泡沫，已有的研究表明通过改变泡沫材料的密度和性能分布可以有效提高其能量吸收和抗冲击性能。内部芯体完全压溃后，中部面板开始变形，同时中部芯体开始压溃；中部芯体完全压溃后，外部面板开始变形，同时外部芯体开始压溃；外部芯体完全压溃后，壳体开始变形；通过多层芯体和多层面板逐层压溃变形，充分吸收爆轰产物能量。同时本发明采用变截面设计，即内部面板、中部面板、外部面板的直径和高度由内向外逐渐增加，内部芯体、中部芯体、外部芯体的直径和高度也由内向外逐渐增加，因此内部面板、中部面板、外部面板迎爆截面积由内向外逐渐增加，内部芯体、中部芯体、外部芯体迎爆截面积也由内向外逐渐增加，降低了结构的总质量，增加爆轰产物容纳体积，进一步提高了本发明的抗爆能力。
与现有技术相比，采用本发明可以达到以下有益效果：
本发明结构简单，采用变截面多层梯度泡沫夹芯结构设计，变截面设计能够增加爆轰产物容纳体积和降低结构总质量，梯度泡沫芯体能够充分发挥梯度金属泡沫材料的优异的缓冲吸能特性，夹芯结构具有质量轻、高强度、吸能效率高等优越的力学性能。变截面梯度泡沫芯体夹芯圆筒能够有效地发挥变截面、梯度芯体和夹芯结构三者的优点，提高结构的抗爆性能，降低结构的质量。本发明相对于传统单一材料圆筒抗爆结构，具有抗爆性能更好，结构总体质量更轻等特点。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图；
图2是图1A-A方向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构整体呈圆柱状，由内部面板1、内部芯体2、中部面板3、中部芯体4、外部面板5、外部芯体6、壳体7、底盖8、底部芯体9和底部面板10组成。本发明外直径为D，D根据抗爆需求来定，满足0.1m<D<2m，高度为H，满足D<H<2D。
如图2所示，内部面板1、内部芯体2、中部面板3、中部芯体4、外部面板5、外部芯体6、壳体7由内向外同轴装配，底盖8焊接在外部面板5、外部芯体6和壳体7下端面，且内部面板1、内部芯体2、中部面板3、中部芯体4、外部面板5、外部芯体6、壳体7高度方向的中心平面重合(即这些部件的几何中心处于同一个平面)。外部面板5、外部芯体6、壳体7上下端面齐平，底部芯体9和底部面板10位于底盖8内部。
内部面板1为圆筒形，外直径D1满足0.6D<D1<0.8D，壁厚t1满足0.01D<t1<0.06D，内直径d1＝D1-2t1，高度H1满足0.4H<H1<0.6H。内部面板1材料为金属，密度ρ1>7g/cm3，屈服强度σ1>400MPa。
内部芯体2为圆筒形，内直径等于D1，壁厚l1满足0.05D<l1<0.2D，外直径d2＝D1+2l1，高度等于H1。内部芯体2材料为金属泡沫，密度ρ2满足0.3g/cm3<ρ2<0.6g/cm3，内部芯体2基体材料的屈服强度σ2>170MPa。内部芯体2内同轴嵌套有内部面板1。内部芯体2与内部面板1上下端面重合。
中部面板3为圆筒形，内直径等于d2，壁厚t2满足0.01D<t2<0.06D，外直径为D2＝d2+2t2，高度H2满足H2>H1，且0.6H<H2<0.8H。中部面板3材料为金属，密度ρ3>7g/cm3，屈服强度σ3>400MPa。中部面板3内同轴嵌套有内部芯体2。中部面板3与内部芯体2的高度方向中心平面重合。
中部芯体4为圆筒形，高度等于H2，内直径等于D2，壁厚l2满足0.05D<l2<0.2D，外直径d3＝D2+2l2。中部芯体4材料为金属泡沫，密度ρ4满足ρ4>ρ2，且0.6g/cm3<ρ4<1.0g/cm3，中部芯体4基体材料的屈服强度σ4>170MPa。中部芯体4内同轴嵌套有中部面板3。中部芯体4与中部面板3上下端面重合。
外部面板5为圆筒形，内直径等于d3，壁厚t3满足0.01D<t3<0.06D，外直径D3＝d3+2t3，高度H3满足H3>H2，且0.8H<H3<0.95H。外部面板5材料为金属，密度ρ5>7g/cm3，屈服强度σ5>400MPa。外部面板5内同轴嵌套有中部芯体4。外部面板5与中部芯体4的高度方向中心平面重合。
外部芯体6为圆筒形，内直径等于D3，壁厚l3满足0.05D<l3<0.2D，外直径d＝D3+2l3，高度等于H3。外部芯体6材料为金属泡沫，密度ρ6满足ρ2<ρ4<ρ6，且1.0g/cm3<ρ6<1.4g/cm3，外部芯体6基体材料的屈服强度σ6>170MPa。外部芯体6内同轴嵌套有外部面板5。外部芯体6与外部面板5上下端面重合。
壳体7为圆筒形，高度等于H3，外直径等于D，内直径等于d，壁厚t4＝(D-d)/2，且壁厚t4满足0.01D<t4<0.06D。壳体7材料为金属，密度ρ7>7g/cm3，屈服强度σ7>400MPa。壳体7内同轴嵌套有外部芯体6。壳体7与外部芯体6上下端面重合。
底盖8为有一个底的圆筒，外直径等于D，内直径等于d3，高度H4＝H-H3，壁厚等于t3+l3+t4，圆筒内部深度δ1满足0.05D<δ1<0.2D，圆筒底部厚度δ2＝H4-δ1。底盖8材料为金属，密度ρ8>7g/cm3，屈服强度σ8>400MPa。底盖8与壳体7同轴沿轴向方向相连。底盖8开口一侧焊接在壳体7、外部芯体6、外部面板5相同一侧的端面上。
底部芯体9为圆柱形，外直径等于d3，高度δ3满足δ3<δ1，且0.05D<δ3<0.15D。底部芯体9材料为金属泡沫，密度ρ9满足0.5g/cm3<ρ9<2.0g/cm3，底部芯体9基体材料的屈服强度σ9>170MPa。底部芯体9同轴嵌套于底盖8圆筒内部，并粘接在底盖8内部圆筒底面上。
底部面板10为圆柱形，外直径等于d3，高度δ4满足δ4＝δ1-δ3。底部面板10材料为金属，密度ρ10>7g/cm3，屈服强度σ10>400MPa。底部面板10粘接在底部芯体9上端面，并与底部芯体9同轴，嵌套于底盖8圆筒内部。

Claims (12)

1.一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构整体呈圆柱状，由内部面板(1)、内部芯体(2)、中部面板(3)、中部芯体(4)、外部面板(5)、外部芯体(6)、壳体(7)、底盖(8)、底部芯体(9)和底部面板(10)组成；变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构外直径为D，高度为H，满足D<H<2D；
内部面板(1)、内部芯体(2)、中部面板(3)、中部芯体(4)、外部面板(5)、外部芯体(6)、壳体(7)由内向外同轴装配，底盖(8)焊接在外部面板(5)、外部芯体(6)和壳体(7)下端面，且内部面板(1)、内部芯体(2)、中部面板(3)、中部芯体(4)、外部面板(5)、外部芯体(6)、壳体(7)高度方向的中心平面重合；外部面板(5)、外部芯体(6)、壳体(7)上下端面齐平，底部芯体(9)和底部面板(10)位于底盖(8)内部；
内部面板(1)为圆筒形，外直径为D1，壁厚为t1，内直径d1＝D1-2t1，高度为H1，内部面板(1)材料为金属；
内部芯体(2)为圆筒形，内直径等于D1，壁厚为l1，外直径d2＝D1+2l1，高度等于H1；内部芯体(2)材料为金属泡沫，密度为ρ2；内部芯体(2)内同轴嵌套有内部面板(1)，内部芯体(2)与内部面板(1)上下端面重合；
中部面板(3)为圆筒形，内直径等于d2，壁厚为t2，外直径为D2＝d2+2t2，高度H2满足H2>H1；中部面板(3)材料为金属；中部面板(3)内同轴嵌套有内部芯体(2)；
中部芯体(4)为圆筒形，高度等于H2，内直径等于D2，壁厚为l2，外直径d3＝D2+2l2；中部芯体(4)材料为金属泡沫，密度ρ4满足ρ4>ρ2；中部芯体(4)内同轴嵌套有中部面板(3)，中部芯体(4)与中部面板(3)上下端面重合；
外部面板(5)为圆筒形，内直径等于d3，壁厚为t3，外直径D3＝d3+2t3，高度H3满足H3>H2，外部面板(5)材料为金属，外部面板(5)内同轴嵌套有中部芯体(4)；
外部芯体(6)为圆筒形，内直径等于D3，壁厚为l3，外直径d＝D3+2l3，高度等于H3；外部芯体(6)材料为金属泡沫，密度ρ6满足ρ2<ρ4<ρ6；外部芯体(6)内同轴嵌套有外部面板(5)，外部芯体(6)与外部面板(5)上下端面重合；
壳体(7)为圆筒形，高度等于H3，外直径等于D，内直径等于d，壁厚t4＝(D-d)/2；壳体(7)材料为金属，壳体(7)内同轴嵌套有外部芯体(6)，壳体(7)与外部芯体(6)上下端面重合；
底盖(8)为有一个底的圆筒，外直径等于D，内直径等于d3，高度H4＝H-H3，壁厚等于t3+l3+t4，圆筒内部深度为δ1，圆筒底部厚度δ2＝H4-δ1；底盖(8)材料为金属；底盖(8)与壳体(7)同轴沿轴向方向相连；底盖(8)开口一侧焊接在壳体(7)、外部芯体(6)、外部面板(5)相同一侧的端面上；
底部芯体(9)为圆柱形，外直径等于d3，高度δ3满足δ3<δ1；底部芯体(9)材料为金属泡沫；底部芯体(9)同轴嵌套于底盖(8)圆筒内部，并粘接在底盖(8)内部圆筒底面上；
底部面板(10)为圆柱形，外直径等于d3，高度δ4满足δ4＝δ1-δ3；底部面板(10)材料为金属，底部面板(10)粘接在底部芯体(9)上端面，并与底部芯体(9)同轴，嵌套于底盖(8)圆筒内部。
2.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述内部面板(1)外直径D1满足0.6D<D1<0.8D，壁厚t1满足0.01D<t1<0.06D，高度H1满足0.4H<H1<0.6H，内部面板(1)密度ρ1>7g/cm3，屈服强度σ1>400MPa。
3.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述内部芯体(2)壁厚l1满足0.05D<l1<0.2D，高度等于H1；内部芯体(2)密度ρ2满足0.3g/cm3<ρ2<0.6g/cm3，内部芯体(2)基体材料的屈服强度σ4>170MPa。
4.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述中部面板(3)壁厚t2满足0.01D<t2<0.06D，高度H2满足0.6H<H2<0.8H；中部面板(3)密度ρ3>7g/cm3，屈服强度σ3>400MPa。
5.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述中部芯体(4)壁厚l2满足0.05D<l2<0.2D；中部芯体(4)密度ρ4满足0.6g/cm3<ρ4<1.0g/cm3，中部芯体(4)基体材料的屈服强度σ4>170MPa。
6.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述外部面板(5)壁厚t3满足0.01D<t3<0.06D，高度H3满足0.8H<H3<0.95H；外部面板(5)密度ρ5>7g/cm3，屈服强度σ5>400MPa。
7.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述外部芯体(6)壁厚l3满足0.05D<l3<0.2D，外部芯体(6)密度ρ6满足1.0g/cm3<ρ6<1.4g/cm3，外部芯体(6)基体材料的屈服强度σ4>170MPa。
8.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述壳体(7)壁厚t4满足0.01D<t4<0.06D；壳体(7)密度ρ7>7g/cm3，屈服强度σ7>400MPa。
9.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述底盖(8)圆筒内部深度δ1满足0.05D<δ1<0.2D；底盖(8)密度ρ8>7g/cm3，屈服强度σ8>400MPa。
10.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述底部芯体(9)高度δ3满足0.05D<δ3<1.5D；底部芯体(9)密度ρ9满足0.5g/cm3<ρ9<2.0g/cm3，底部芯体(9)基体材料的屈服强度σ4>170MPa。
11.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述底部面板(10)密度ρ10>7g/cm3，屈服强度σ10>400MPa。
12.如权利要求1所述的一种变截面梯度泡沫夹芯圆筒防爆结构，其特征在于所述D满足0.1m<D<2m。
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