CN112161539B - 一种基于动量偏转的爆炸防护结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动量偏转的爆炸防护结构及方法。本发明在常规防爆装备中引入可偏转的质量块，从而在爆炸过程中引入向心力，改变质量块的动量方向，使得动量无害化；同时该向心力又会对防护设备施加一个向下的作用力，抑制防护设备向上跳飞。本发明防护结构与方法是基于物理规律与材料/结构力学分析提出来的，可有效提高防护设备的安全性与破片防护的可靠性。

Description

一种基于动量偏转的爆炸防护结构及方法

技术领域

本发明涉及爆炸防护技术领域，具体涉及一种基于动量偏转的爆炸防护结构及方法，适用于警用、军用、公共安全爆炸防护。

背景技术

近些年来爆炸恐怖袭击事件在国际上频发，给人民生命财产安全带来了巨大的威胁。为了减少爆炸物对周围人员与设施的危害，常在公共场合搭建用于隔档炸弹爆炸的防爆挡墙或布设用于处置疑似爆炸物的防爆容器。

为了提高这些防爆装备的机动性，目前的结构设计多趋向轻量化。基于轻质结构的防爆装备虽具有机动性好、应急响应速度快的优点，但存在以下两点不足：(1)防爆装备因为质量下降在爆炸载荷作用下会提取更多动能，提取更多动能固然有利于削弱爆炸载荷，但一些易碎防爆结构因此会产生诸多高速飞散的碎片，这些碎片因为密度低可能不会具有杀伤性，但依然会向周围环境释放具有潜在二次危害性的冲量；(2)防爆装备在爆炸载荷作用下容易发生向上跳起，从而在装备底部形成破片防护缺口，进而出现破片泄漏；这种危险在爆炸物位于地面时格外明显，一些防爆装备如基于纤维复合材料的防爆围栏多采用内外围栏设计以应对跳飞问题，但这种分离式结构又会拖慢应急响应速度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于动量偏转的爆炸防护结构及方法，一方面可以在不抑制动量提取效应的同时减少二次动能危害，另一方面可以有效抑制防爆装备的跳飞现象。

本发明的基于动量偏转的爆炸防护结构，包括多个质量块，所述质量块通过丝束安装在防护层的背爆面。

较优的，质量块为内部封装有易碎材料的高分子聚合物。

较优的，质量块设置在纤维镂空网兜内，所述纤维镂空网兜与丝束连接。

较优的，所述易碎材料为各颗粒材料、液体或其混合物。

较优的，易碎材料为高分子聚合物颗粒、高分子聚合物泡沫、细沙、无机盐粉末中的一种或其混合；或者为粘度系数低于2MPa·s的液体或液体混合物；或者为上述材料的混合物。

较优的，丝束为聚合物纤维或碳纤维制成。

较优的，质量块均匀布置在防爆装备的背爆面。

较优的，质量块沿着防护层高度方向分布数目≥5，沿着周向分布≥10。

较优的，质量块的总重占防护结构的总重的1/4～1/3。

较优的，还包括高波速结构材料层，所述高波速结构材料层设置在防爆层的背爆面或穿插在防爆层内部结构中，所述丝束一端与质量块连接，另一端与高波速结构材料层连接。

本发明还提供了一种基于动量偏转的爆炸防护方法，在防护层的背爆面设置多个质量块，所述质量块通过丝束与防护层的背爆面连接。

较优的，所述质量块为内部封装有易碎材料的高分子聚合物。

较优的，采用纤维镂空网兜包裹所述质量块；所述丝束与纤维镂空网兜连接。

较优的，所述易碎材料为高分子聚合物颗粒、高分子聚合物泡沫、细沙、无机盐粉末中的一种或其混合；或者为粘度系数低于2MPa·s的液体或液体混合物；或者为上述材料的混合物。

较优的，质量块的总重占防护结构的总重的1/4～1/3。

较优的，在防护层中间或背爆面设置高波速结构材料层，所述丝束固定在高波速结构材料层上。

有益效果：

本发明在常规防爆装备中引入可偏转的质量块，从而在爆炸过程中引入向心力，改变质量块的动量方向，使得动量无害化；同时该向心力又会对防护设备施加一个向下的作用力，抑制防护设备向上跳飞。本发明防护结构与方法是基于物理规律与材料/结构力学分析提出来的，可有效提高防护设备的安全性与破片防护的可靠性。

附图说明

图1为本发明防护结构示意图。

图2为本发明防护方法动量偏转与抑制跳飞原理示意图。

图3为本实施例的质量块的一种较优结构示意图。

其中，1-(防爆设备)主体结构，2-质量块，3-高强度丝束，4-易碎材料，5-高分子聚合物，6-高强度纤维镂空网兜。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明针对现有轻质结构的防爆装备易碎、动能提取过程中向上跳飞的问题，提供了一种基于动量偏转的爆炸防护结构及方法，在常规的轻质防爆装备的防爆层(如防爆墙，防爆罐，防爆桶，防护围栏等的防爆层)的背爆面设置多个质量块，所述质量块通过丝束与防爆设备连接。

如图1和图2所示，爆炸时，质量块在冲击波的作用下获得平移动量，在丝束的约束下，一方面该平移动量会转化为旋转动量，朝向无害方向飞散；另一方面丝束受到的向心力可产生对防爆设备防护层施加的向下的作用力，该作用力可以抑制防爆设备跳飞。

另外，依据上述防护思路，可以对现有防护装备进行改进，将现有防护装备分为主体结构和多个质量块；质量块放在主体结构的背爆面，通过丝束与主体结构牢固连接，丝束能为质量块与主体结构提供向心力。其中，主体结构具备基本的爆炸冲击波与破片载荷削弱性能，可按照现有轻质防护层结构进行设计，而多个质量块则在丝束向心力的作用下偏转动量方向，使得动量无害化，同时主体结构受到向下的作用分力，避免跳飞。其中，丝束可选择高强度纤维制品，其密度低、强度高、能快速传递向心力但又不会轻易断裂，即使最终断了，也不会向周围环境传递二次危害。一般丝束轴向强度大于等于2GPa即可。

本发明的原理如下：在爆炸载荷作用下，位于背爆面的质量块会获得平移速度，具备动量提取功能，在无约束情况下，这些质量块会像防爆装备结构中的其他材料一样向四周飞散，较大的平移速度依然存在二次动能危害；但由于高强度丝束的存在，质量块在获得平移速度后会立即变成(准)圆周运动，圆心为高强度丝束与主体结构的连接点。这种运动形式的转变会使得质量块提取的动量向上偏转，由于上方往往无人员与设施，因此这种能量的导向可实现部分动能无害化。

从另外一个角度，在质量块运动形式的转变过程中，会产生沿着高强度丝束方向的向心(离心)力。如图2所示，假设某个质量块(质量为m_i)获得的切向速度为V_i，质量块到高强度丝束与防爆装备主体结构连接点处的距离为l，则这个向心力的大小为F_i＝m_iV_i ²/l，多个质量块的合拉力∑F_i会在主体结构连接处作用到主体结构上，它的竖直向下分量F_d会抑制防爆装备主体结构的向上跳飞，从而减小破片泄漏威胁。

其中，高强度丝束与主体结构的连接点均匀布置在防爆装备的背爆面上，沿背爆面周向均匀分布可以确保防爆装备主体结构受到来自丝束的作用力分布均匀，保证防爆结构周向受力稳定，避免主体结构发生翻转或者一侧出现局部跳飞，沿高度方向均匀分布可以使得丝束对主体结构的作用力更加快速地传播到整个结构上，更好地抑制跳飞。高强度丝束强度不低于2GPa，长度要确保每个质量块不会触地，同时上下两个质量块在旋转过程中不会互相干扰；这样可以使得高强度在质量块的自重下处于预拉伸状态，使用防爆装备时，高强度丝束能够从质量块向连接点快速传递向心力，同时丝束之间不会纠缠在一起而确保了每个质量块运动的独立性。质量块的总重占防爆结构的总重的1/4～1/3之间，以确保动量提取过程为主体结构分担足够的动量。质量块沿着主体结构高度方向分布数目≥5，沿着周向分布≥10，这样可以避免单个质量块质量太大而产生的动能不足。

此外，为了进一步抑制质量块的次生危害，所述质量块可以采用封装有易碎材料的高分子聚合物。其中，易碎材料可以是各类颗粒材料，如各类高分子聚合物颗粒，(如聚苯乙烯泡沫颗粒，珍珠岩颗粒等)、高分子聚合物泡沫(如聚氨酯泡沫)，细沙，无机盐粉末等或者是上述颗粒材料的混合物，材料密度不超过1.5g/cm³；还可以是液体或液体混合物，其中液体密度不超过1.5g/cm³，无毒，不易燃，粘度系数低于2MPa·s，确保飞散时可分散成很小的液滴；或者是上述颗粒材料与液体的混合物。高分子聚合物可以选择低密度低强度的软质高分子聚合物(强度≤5MPa，密度≤1g/cm³)，具有超弹性或者较强的塑性，类似气球这样的材料，不会立即破碎。而当高分子聚合物所受的应变达到破裂值时，往往此时动量提取效应已经结束，由于高分子聚合物自身强度低，厚度小，破碎飞散过程中很容易被空气减速，因此不具备杀伤性。将这些易碎材料封装在聚合物中，(i)聚合物能够使得质量块在爆炸前处于一个良好的聚拢状态，并爆炸初始时可以使质量块中的易碎材料获得较为统一的速度以产生有效的向心力，促使质量块运动方向朝着无害化方向偏转；(ii)爆炸防护过程结束后，经过多次的应力波震荡，低强度的聚合物会发生破裂，内部的易碎材料能够破碎成四处飞散的小颗粒而不具备杀伤性。

还可以将质量块用高强度纤维镂空网兜包裹，所述高强度纤维镂空网兜与高强度丝束牢固连接。质量块外表面的高分子聚合物需满足后续破碎功能，因此其强度不高(～MPa)，丝束与质量块的连接处易发生过早断裂。因此，本发明采用高强度纤维镂空网兜包裹质量块，高强度丝束与网兜连接强度足够高而不会发生过早断裂，同时镂空设计可确保质量块在后续破碎后能够从镂空处飞散出去。一般纤维镂空网兜的丝束轴向强度≥2GPa。

此外，为了进一步保证向心力产生速度足够快，作用时间足够长，幅值足够大，所述丝束可以采用高性能聚合物纤维或碳纤维，如商业防弹纤维，这些纤维除了具有高强度，其弹性模量也特别高(≥80GPa)，而其密度比较低(≤1.6g/cm³)，所以其弹性波波速很高。由于其同时具备密度低、强度高(～GPa)和轴向波速高的特点，轴向波速高有利于向心力的迅速产生，强度高能确保向心力不会因为丝束的断裂的发生卸载。

为了进一步抑制跳飞，还可以在防爆装备的主体结构中可添加一个高波速(波速≥5000m/s)结构材料层。本发明在利用高强度丝束产生足够大且稳定的向心力(拉力)抑制防爆装备跳飞的基础上，对防爆设备的防爆层进行改进，在防爆设备中添加一个高波速结构材料层，防爆丝束与该层直接牢固连接。其中，高波速结构材料层可以设置在防爆层的背爆面，也可以穿插在防爆层里面，更加方便带动其他部分受力。丝束的一端与质量块连接，另一端穿过背爆面上设置的小孔与高波速结构材料层连接。通过该高波速结构材料层，丝束产生的向心力(拉力)能够高速地传播到防爆设备主体结构的各个部分，进而可以将高强度丝束作用在防爆主体结构上的点力迅速地传播到整个结构上，使得整个结构受到向下的拉力，这样子能够更好地抑制结构跳飞。

其中，高波速结构材料层可以是结构级别的纤维-树脂基体复合板，该板具有高速应力波传播特性，可以将高强度丝束向心力提供的向下拉力高速地传播到主体结构的其他部分。

实施例1

如图1所示，本发明的基于动量偏转的爆炸防护设备包括主体结构1和多个质量块2，两者通过高强度丝束3牢固连接，质量块位于主体结构的背爆侧。需要注意的是质量块的形状不限于球形，高度方向有多个分布，同时尽量缩短高强度丝束的长度以提高离心力大小。

图2为本发明防护方法动量偏转与抑制跳飞原理示意图(选取了一个质量块)。当爆炸冲击波作用到防爆装备时，背爆侧的质量块会将一部分爆炸能量转化为自身的平移动量，可削弱爆炸冲击波。由于高强度丝束的存在，质量块的平移运动很快转化成在其牵引下的旋转运动，因此一方面质量块的动量会朝着人员设施无害化方向(上方)偏转，减小二次动能危害。另一方面，高强度丝束在质量块旋转运动过程中形成的向心拉力F_i会作用到防爆装备的主体结构上，其竖直分量F_d向下，因此可以抑制主体结构的向上跳飞。

图3为本发明质量块的一种较优材料结构与约束方法。质量块2具体由易碎材料4和高分子聚合物5组成，易碎材料封装在高分子聚合物之中。每个质量块由高强度纤维镂空网兜6包裹起来，高强度丝束3与高强度纤维镂空网兜可实现高强度牢固连接。这样的结构设计一方面能够有效的实现图2所示的两项功能，另一方面可以进一步有效减少二次危害，提高结构的可靠性与安全性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于动量偏转的爆炸防护结构，其特征在于，包括多个质量块和高波速结构材料层；所述高波速结构材料层设置在防爆层的背爆面或穿插在防爆层内部结构中；所述质量块为内部封装有易碎材料的高分子聚合物；所述质量块设置在纤维镂空网兜内，所述纤维镂空网兜通过丝束与高波速结构材料层连接；所述质量块的总重占防护结构的总重的1/4～1/3，质量块均匀布置在防爆层的背爆面。

2.如权利要求1所述的基于动量偏转的爆炸防护结构，其特征在于，所述易碎材料为颗粒材料、液体或其混合物。

3.如权利要求1所述的基于动量偏转的爆炸防护结构，其特征在于，所述易碎材料为高分子聚合物颗粒、高分子聚合物泡沫、细沙、无机盐粉末、粘度系数低于2MPa·s的液体中的一种或混合物。

4.如权利要求1所述的基于动量偏转的爆炸防护结构，其特征在于，所述丝束为聚合物纤维或碳纤维制成。

5.如权利要求1所述的基于动量偏转的爆炸防护结构，其特征在于，质量块沿着防爆层高度方向分布数目≥5，沿着周向分布≥10。

6.一种基于动量偏转的爆炸防护方法，其特征在于，在防爆层的背爆面设置多个质量块，在防爆层中间或背爆面设置高波速结构材料层；所述质量块为内部封装有易碎材料的高分子聚合物，质量块被纤维镂空网兜包裹；所述纤维镂空网兜通过丝束与高波速结构材料层连接；所述质量块均匀布置在防爆层的背爆面；质量块的总重占防护结构的总重的1/4～1/3。

7.如权利要求6所述的基于动量偏转的爆炸防护方法，其特征在于，所述易碎材料为高分子聚合物颗粒、高分子聚合物泡沫、细沙、无机盐粉末、粘度系数低于2MPa·s的液体中的一种或混合物。

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