CN113405405A - 兼具防侵彻防爆炸冲击波性能的多层防护结构和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构和设计方法，涉及力学领域，高强高硬层为多层防护结构的最外层，具有多层防护结构中最高的模量和强度，变形增强层为多层防护结构的次外层，具有所述多层防护结构中较高的模量和抗拉强度，轻质耗能层为多层防护结构的次内层，具有所述多层防护结构中最低的屈服强度和屈服后较长的应力平台段，软质防护层为多层防护结构的最内层，直接与防护目标接触，具有所述多层防护结构中最小的面内弯曲刚度，易于与所述防护目标贴合。本发明的兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构具有广泛的多场景适应性，以及多元的拓展性，具有很高的实用性价值。

Description

兼具防侵彻防爆炸冲击波性能的多层防护结构和设计方法

技术领域

本发明涉及力学领域，特别是涉及一种兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构和设计方法。

背景技术

在现代战场环境中，子弹或破片的侵彻作用以及爆炸产生的冲击波是造成人员伤亡的两类主要威胁。兼具防侵彻和防爆炸冲击波功能的防护装备的设计是一个具有挑战性的研究方向，用以对人员提供全面有效的保护。

子弹或破片的侵彻一般为集中载荷作用，因此对侵彻威胁的防护需要重点关注局部集中载荷的化解。不同于侵彻载荷具有整体冲击能量较小但集中载荷大的特点，爆炸冲击波一般具有整体冲击能量较大但是分布载荷小的特点。典型的爆炸冲击波载荷包括：陡峭的上升段、相对缓慢的下降段和负压段，作用时间一般为毫秒量级。虽然冲击波载荷压力幅值相对较小，但是相对较长的作用时间使得冲击波压力携带着巨大的能量和冲量，足以将人体抛起。

综上所述，相比于侵彻威胁的集中载荷，数个大气压的冲击波载荷虽然载荷幅值远小于侵彻集中载荷的幅值，但由于其较大的作用面积，作用到人体的能量和冲量往往是更大的。侵彻和爆炸冲击波迥异的载荷特点，使得二者的防护策略往往是不一致的，这也就决定了兼具防侵彻和防爆炸冲击波载荷防护装备设计的复杂性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构和设计方法，解决了上述的问题。

本发明实施例提供一种兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构，所述多层防护结构包括：高强高硬层、变形增强层、轻质耗能层、软质防护层；

所述高强高硬层为所述多层防护结构的最外层，具有所述多层防护结构中最高的模量和强度，用于降低侵彻物的速度并耗散大量能量，同时也减小所述爆炸冲击波的输入能量，以及保持所述多层结构整体的完整性；

所述变形增强层为所述多层防护结构的次外层，具有所述多层防护结构中较高的模量和抗拉强度，为所述高强高硬层提供增强作用，对所述侵彻物进行二次防护，并延长所述爆炸冲击波在所述多层防护结构中的传播时间，以初步耗散所述爆炸冲击波的输入能量；

所述轻质耗能层为所述多层防护结构的次内层，具有所述多层防护结构中最低的屈服强度和屈服后较长的应力平台段，耗散所述爆炸冲击波在所述高强高硬层和所述变形增强层中传播、反射所产生的压缩能量，为耗散所述爆炸冲击波的输入能量的主要材料层；

所述软质防护层为所述多层防护结构的最内层，直接与防护目标接触，具有所述多层防护结构中最小的面内弯曲刚度，易于与所述防护目标贴合，用于进一步降低所述侵彻物的速度，同时进一步耗散所述爆炸冲击波的输入能量；

其中，所述高强高硬层和所述变形增强层之间通过粘接固定，两者之间的界面具有一定的强度，所述高强高硬层和所述变形增强层分别由具有不同波阻抗的材料制成的，存在波阻抗不匹配；

所述变形增强层、所述轻质耗能层以及所述软质防护层之间采用任意固定方式，使得三者之间不存在明显间隙；

所述轻质耗能层的材料波阻抗远小于所述变形增强层的材料波阻抗。

可选的，所述高强高硬层具备隔热的属性，对所述冲击载荷伴随的高热量进行阻隔。

可选的，所述变形增强层通过波阻抗不匹配机制、塑性变形机制、破坏机制对所述侵彻物进行二次防护。

可选的，所述轻质耗能层在所述多层防护结构中具有最大的厚度占比，且所述轻质耗能层的密度小于预设密度。

可选的，所述高强高硬层至少包括：碳化硼陶瓷或碳化硅陶瓷。

可选的，所述变形增强层至少包括：凯夫拉复合材料或超高分子量聚乙烯复合材料。

可选的，所述轻质耗能层至少包括：小尺寸开孔泡沫、微型铝合金蜂窝结构、金蜂窝结构、高耗能结构化材料中的一者。

可选的，所述软质防护层至少包括：软质超高分子量聚乙烯复合材料或软质高性能聚酯纤维复合材料。

本发明实施例还提供一种兼顾防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构的设计方法，用于制备上述任一所述的多层防护结构，所述方法包括：

根据侵彻速度和凹陷深度指标，确定所述多层防护结构中高强高硬层的材料模量、强度，以及确定所述多层防护结构中变形增强层的模量、抗拉强度，选定所述高强高硬层材料和所述变形增强层材料；

根据所述高强高硬层和所述变形增强层的质量，确定在所述爆炸冲击波作用下，所述高强高硬层和所述变形增强层获得的冲击能量，所述冲击能量即为所述多层防护结构中轻质耗能层需要耗散的冲击能量；

初步选定所述轻质耗能层的材料，根据所述冲击能量作用下所述高强高硬层和所述变形增强层对所述轻质耗能层产生的压力，对所述轻质耗能层进行压缩实验，以确定所述轻质耗能层耗散的能量是否等于所述冲击能量；

若所述轻质耗能层耗散的能量等于所述冲击能量，则确定所述轻质耗能层的材料；

若所述轻质耗能层耗散的能量不等于所述冲击能量，则重新选定或者优化所述轻质耗能层的材料；

结合防护目标与所述多层结构相接触的表面的几何轮廓，确定所述轻质防护层的后表面对应的曲面，选择具有一定的防侵彻失效和一定的耗散能量功能的材料作为所述轻质防护层；

根据所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的材料特性、性能以及防护需求，确定所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的厚度；

根据所述防护目标的装备需求，确定所述多层防护结构的使用形式以及所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层的层间连接形式，以得到较优的多层防护结构；

对所述较优的多层防护结构进行兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的测试；

根据测试的结果，对所述较优的多层防护结构进行优化改进，并重复执行以上步骤，直至得到最终的多层防护结构；

其中，根据所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的材料特性、性能以及防护需求，确定所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的厚度，包括：

所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的材料密度越小，相同厚度下其各自的质量越轻；

所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的材料性能越高，发挥相同防护性能的条件下，其各自所需的材料厚度也会越薄；

在主要威胁以侵彻为主，或者需防护的侵彻物的冲击速度较大的情况下，增加所述高强高硬层和所述变形增强层的厚度占比；

在主要威胁以爆炸冲击波为主，或者需防护的爆炸冲击波载荷较大的情况下，增加所述轻质耗能层的厚度占比。

可选的，根据所述防护目标的装备需求，确定所述多层防护结构的使用形式，包括：

根据所述防护目标的装备需求，将所述多层防护结构制成插板形式；

将所述高强高硬层和所述变形增强层粘接，形成防侵彻插板；

以所述轻质耗能层单独形成耗能插板；

以所述软质防护层单独形成软质插板；

将所述防侵彻插板、所述耗能插板以及所述软质插板组合，形成所述多层防护结构，且所述防侵彻插板、所述耗能插板以及所述软质插板中，每一块插板均可单独携带。

本发明提供的兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构，包括：高强高硬层、变形增强层、轻质耗能层、软质防护层；高强高硬层为多层防护结构的最外层，具有多层防护结构中最高的模量和强度，其用于降低侵彻物的速度并耗散大量能量，同时也减小所述爆炸冲击波的输入能量，以及保持所述多层结构整体的完整性；变形增强层为多层防护结构的次外层，具有所述多层防护结构中较高的模量和抗拉强度，为所述高强高硬层提供增强作用，对所述侵彻物进行二次防护，并延长所述爆炸冲击波在所述多层防护结构中的传播时间，以初步耗散所述爆炸冲击波的输入能量；高强高硬层和变形增强层之间通过粘接固定，两者之间的界面具有一定的强度，所述高强高硬层和所述变形增强层分别由具有不同波阻抗的材料制成的，存在波阻抗不匹配。通过这两层的防护，实现对侵彻物的有效防护，使得侵彻物的冲击速度归零；同时延长爆炸冲击波在防护结构内的传播时间，初步耗散输入能量，为后面两层耗散输入能量提供较好基础。

轻质耗能层为多层防护结构的次内层，具有所述多层防护结构中最低的屈服强度和屈服后较长的应力平台段，耗散所述爆炸冲击波在所述高强高硬层和所述变形增强层中传播、反射所产生的压缩能量，为耗散所述爆炸冲击波的输入能量的主要材料层；轻质耗能层的材料波阻抗远小于变形增强层的材料波阻抗。轻质耗能层有效耗散输入能量和压缩能量，最大程度避免防护目标受到爆炸冲击波的伤害。同时，由于变形增强层受到侵彻物的冲击会可能会产生一定的凹陷，轻质耗能层还可以避免变形增强层的凹陷与防护目标接触，避免这一威胁的伤害。

软质防护层为多层防护结构的最内层，直接与防护目标接触，具有多层防护结构中最小的面内弯曲刚度，易于与防护目标贴合，其可以进一步降低侵彻物的速度(假如侵彻物侵彻到该层)，同时进一步耗散爆炸冲击波的输入能量(假如轻质耗能层未能完全耗散输入能量)；防护目标通过软质防护层为整个多层防护结构提供支撑，软质防护层可以避免传递集中载荷，将作用到防护目标的反向载荷分散到各接触面。此外，软质防护层可以具有较高的失效强度，可以对部分穿透前三个防护层的侵彻物进行再一次的防护。

上述除了高强高硬层和变形增强层以外，变形增强层、轻质耗能层以及软质防护层之间采用任意固定方式，只要使得三者之间不存在明显间隙即可，这样就可以方便的对轻质耗能层、软质防护层或者高强高硬层和变形增强层进行替换，从而使得本发明的兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构具有广泛的多场景适应性，以及多元的拓展性，未来具有更高、更好性能的替代材料出现时，可以便捷的替换即可，不需要再重新设计。本发明的具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构，具有很高的实用性价值。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例一种兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构的结构示意图；

图2是本发明实施例中多层防护结构的其中一种层间连接形式。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。

发明人发现，在现代战场环境中，子弹或破片的侵彻作用以及爆炸产生的冲击波是造成人员伤亡的两类主要威胁。兼具防侵彻和防爆炸冲击波功能的防护装备的设计是一个具有挑战性的研究方向，用以对人员提供全面有效的保护。

发明人进一步研究发现，子弹或破片的侵彻一般为集中载荷作用。以子弹侵彻为例，防护手枪弹侵彻的装备需要面对高达500～600m/s的冲击速度，步枪弹的冲击速度会更高，因此对侵彻威胁的防护需要重点关注局部集中载荷的化解。所以高模量、高强度的材料被广泛采用，例如：陶瓷、凯夫拉复合材料、超高分子量聚乙烯复合材料等。在子弹的高速冲击下，防护材料受到冲击作用的局部区域会产生急剧的高应变，并发生塑性屈服和断裂失效。在此过程中，可以消耗大量的冲击能量，并使子弹减速。防护结构的防侵彻速度(如V50等)和冲击破坏区域的凹陷深度是评价其防护侵彻性能的两个重要指标。

而不同于侵彻载荷具有整体冲击能量较小但集中载荷大的特点，爆炸冲击波一般具有整体冲击能量较大但是分布载荷小的特点。典型的爆炸冲击波载荷包括：陡峭的上升段、相对缓慢的下降段和负压段，作用时间一般为毫秒量级。由于空气中爆炸冲击波扩散传播的特性，作用到人体上的冲击波载荷往往是大面积的。虽然冲击波载荷压力幅值相对较小，但是相对较长的作用时间使得冲击波压力携带着巨大的能量和冲量，足以将人体抛起(包括后移和向后倾倒)。基于这个理论，发明人经过研究、测试等发现，防护结构耗散冲击波能量的性能是评价其防护爆炸冲击波性能的重要指标。

上述研究发现，大体可以归纳如下表：

载荷形式	侵彻	爆炸冲击波
			压力幅值	局部极大	相对较小
携带能量	整体相对较小	较大
			作用面积	局部作用	作用区域较大
防护评价指标	侵彻速度、凹陷深度	能量吸收率
			来源	子弹、破片等	爆炸物

对于侵彻物这类的载荷形式，压力幅值在局部极大，其携带能量整体相对较小，作用面积一般也是局部作用，来源一般为子弹、破片等侵彻物，对于这类载荷形式的防护评价指标为：侵彻速度、凹陷深度。对于爆炸冲击波这类的载荷形式，压力幅值相对于侵彻物相对较小，其携带能量相对较大，作用面积一般较大，来源一般为爆炸类物质，对于这类载荷形式的防护评价指标为：能量吸收率，即对因爆炸冲击波产生的能量的耗散。

综上所述，相比于侵彻威胁的集中载荷，数个大气压的冲击波载荷虽然载荷幅值远小于侵彻集中载荷的幅值，但由于其较大的作用面积，作用到人体的能量和冲量往往是更大的。侵彻和爆炸冲击波迥异的载荷特点，使得二者的防护策略往往是不一致的，这也就决定了兼具防侵彻和防爆炸冲击波载荷防护装备设计的复杂性。

基于上述研究发现，对于兼具防侵彻和防爆炸冲击波载荷的防护装备的设计，单一材料往往很难满足设计的需求。这是因为用于防侵彻的高模量、高强度材料在面对载荷较低的爆炸冲击波作用时，往往不具备耗散冲击波能量的性能。而在爆炸冲击波作用下可以耗散能量的材料一般需要具有较低的模量和强度，这类材料用于防侵彻是不合适的。另外，还需要考虑防护装备和防护结构需要尽量满足轻质、便携的要求，以方便人员的穿戴与携带。以及，希望提出的多层防护结构满足可持续应用的条件，以方便后续新研制的结构材料可以方便地应用到本发明所设计的防护装备。经过大量探索、研究、测试，发明人创造性的提出兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构，以下对其进行详细说明。

参照图1，示出了本发明实施例一种兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构的结构示意图，该多层防护结构包括：高强高硬层10、变形增强层20、轻质耗能层30、软质防护层40。

高强高硬层10作为多层防护结构的最外层，其构成材料具有多层防护结构中最高的模量和强度，高强高硬层10直接承受侵彻物产生的冲击载荷的作用，其高强度、高模量的材料属性可以降低侵彻物的速度并耗散大量能量。另外，因为高强高硬层10是多层防护结构最外层，所以该材料层还需要保护整个多层防护结构的完整性，使多层防护结构在冲击载荷作用下可以发挥完整的功能。在子弹或破片等侵彻物的作用下，高强高硬层10的局部载荷集中部位会发生破坏，在此过程中会消耗大量的能量，并伴随着侵彻物速度的降低，以实现对侵彻物的有效防护，自然，可以理解的是，更高的模量和强度可以实现防护具有更高速度的侵彻物。

高强高硬层10作为多层防护结构最外层，自然就是整个多层防护结构的迎波面，在爆炸冲击波载荷作用下，高模量可以实现多层防护结构迎波面更小的变形，以此来减少爆炸冲击波作用到多层防护结构上的能量。此外，高模量、高强度的材料一般很容易具备隔热的属性，当其用作多层防护结构最外层时，还可以很好对特定冲击波载荷伴随的高热量进行有效的阻隔，例如：可以对爆炸物爆炸时产生的火球进行有效的阻隔。本发明实施例中高强高硬层10在材料的选取上可以包括：碳化硼陶瓷或者碳化硅陶瓷等。

变形增强层20作为多层防护结构的次外层，位于高强高硬层10的后侧，具有多层防护结构中较高的模量和抗拉强度，在侵彻物的作用下可以发生明显的变形失效，以更多地吸收能量。其可以为高强高硬层10提供增强作用，并且自身可以通过波阻抗不匹配、塑性变形、破坏等机制进一步发挥防护作用。在侵彻物产生的冲击载荷作用下，高强高硬层10往往会发生局部失效，包括产生裂纹、发生破碎等，而位于高强高硬层10后侧的变形增强层20可以为其提供增强作用，减少高强高硬层10局部失效，以发挥更大的作用。此外，假若侵彻物穿透高强高硬层10进入到变形增强层20，那么变形增强层20也可以通过塑性变形和断裂失效等机制进一步减小侵彻物的速度，提供对侵彻物产生的冲击载荷的二次防护。

再者，由于高强高硬层10和变形增强层20分别是由具有不同的材料波阻抗的材料制成的，所以高强高硬层10和变形增强层20具有不同的材料阻抗，二者之间存在波阻抗不匹配，由爆炸冲击波作用而进入到高强高硬层10的冲击波传播到二者界面时会发生反射。并且随着二者的波阻抗差异越大，该反射作用越明显。反射的冲击波会重新在高强高硬层10内传播，而透射的冲击波会不断进入到变形增强层20。这一过程不仅可以延长冲击波在多层防护结构内的传播时间，而且高强高硬层10和变形增强层20还可以衰减一定的冲击波能量，即，达到初步耗散爆炸冲击波的输入能量的目标。本发明实施例中变形增强层20在材料选取上可以包括：凯夫拉复合材料或者超高分子量聚乙烯复合材料等。

轻质耗能层30为多层防护结构的次内层，位于高强高硬层10和变形增强20的后侧，具有多层防护结构中最低的屈服强度和屈服后较长的应力平台段，以满足高耗能性能，该层在多层防护结构中具有最大的厚度占比。轻质耗能层30材料的选取可以具有极低的密度，经过发明人大量的研究发现，一般情况下轻质耗能层30材料的密度可以低于100mg/cm³，这样即使轻质耗能层30具有较大的厚度，其面密度也较小，这样其整体的质量不会很高。轻质耗能层30所用材料的屈服强度的量级需要与爆炸冲击波载荷幅值相当，这样可以在较小的变形下进入塑性屈服阶段，并且可以发生较大的屈服变形，从而耗散更多的爆炸冲击波的输入能量，为耗散爆炸冲击波的输入能量的主要材料层。

外界侵彻物的冲击载荷作用到高强高硬层10和变形增强层20上，除了使其发生局部失效，也会对高强高硬层10和变形增强层20的材料做功，使其产生运动能量，这部分能量可以有效地被轻质耗能层30所吸收。在爆炸冲击波作用下，由于轻质耗能层30的材料波阻抗远远小于变形增强层20的材料波阻抗，所以当进入变形增强层20的冲击波传播到变形增强层20与轻质耗能层30二者界面时，会发生接近完全的反射。结合冲击波在高强高硬层10和变形增强层20之间的传播情况，可以发现由爆炸冲击波而产生的冲击波不断在高强高硬层10和变形增强层20之间往复传播，能量在这两层内汇聚，最终使这两层产生整体加速度，进而获得速度，压缩轻质耗能层30，产生压缩能量。轻质耗能层30在较小的压缩应变下进入屈服状态，开始耗散该压缩能量，高强高硬层10和变形增强层20的压缩速度也会随之降低。爆炸冲击波作用到多层防护结构上的能量被逐渐耗散。由于轻质耗能层30厚度占比较大，所以其可以产生较大的变形量，相应的耗散能量也将随之增加。轻质耗能层30材料一般需要具有多孔结构，在材料的选取上可以包括：小尺寸开孔泡沫、微型铝合金蜂窝结构、高耗能结构化材料等中的一种。

软质防护层40为多层防护结构的最内层，直接与防护目标接触，具有多层防护结构中最小的面内弯曲刚度，易于与所述防护目标贴合，作为多层防护结构的最后一层材料，软质防护层40具有一定的防侵彻失效和一定的耗散能量功能。假若侵彻物穿过前三层材料，那么软质防护层可以进一步减小侵彻物的速度，实现更有效的防护。而爆炸冲击波载荷作用下，如果前三层材料不能充分耗散冲击能量，以及高强高硬层10和变形增强层20以一定的速度作用到软质防护层40，软质防护层40也可以通过自身的力学响应进一步耗散这些能量。此外，软质防护层40具有最小的面内弯曲刚度，可以避免传递集中载荷，保持防护目标穿戴时的舒适性。软质防护层40在材料选取上可以包括：软质超高分子量聚乙烯复合材料，软质高性能聚酯纤维复合材料等。

基于上述多层防护结构，总结归纳如下表，表中的参考密度以及一种参考结构，是一种较优的选择，并不代表本发明实施例的读出防护结构只能为该种数据。

本发明实施例的多层防护结构，高强高硬层10和变形增强层20之间通过粘接固定，两者界面之间具有一定的强度，而变形增强层20、轻质耗能层30以及软质防护层40之间采用任意固定方式，不做限定，只需要在使用多层防护结构时，使得高强高硬层10和变形增强层20、轻质耗能层30以及软质防护层40这三者之间不存在明显间隙即可。这是因为经过发明人大量研究发现，当多层防护结构内部各层之间存在明显间隙，或者多层防护结构与防护目标之间存在明显间隙时，可能会产生明显的冲击现象，这可能会造成作用到防护目标上的压力显著的增加。图2示出了本发明实施例中多层防护结构的其中一种层间连接形式，高强高硬层10和变形增强层20之间通过粘接固定连接，变形增强层20与轻质耗能层30之间，以及轻质耗能层30与软质防护层40之间不限连接方式，可以固定连接，或者也可以接触性连接，或者也可以完全不接触，当然需要尽量减小间隙。

以下，从多层防护结构整体发挥作用的角度，对上述多层防护结构防侵彻的作用进行分析。当侵彻物作用到高强高硬层10时，后者极高的模量和极高的强度可以通过局部失效有效减小侵彻物的冲击速度。此外，高强、高硬材料往往具有明显的脆性，在其后侧的变形增强层20可以对高强高硬层10进行有效的支撑和增强，以减小高强高硬层10的破碎和失效。当侵彻物穿透高强高硬层10后，变形增强层20自身较高的模量和抗拉强度可以进一步较小侵彻物的速度。此外，变形增强层20在侵彻物作用下会发生局部较大的变形，也即是凹陷，此力学响应可以耗散更多的冲击能量，有利于侵彻物冲击速度的降低。通过这两个材料层，实现侵彻物冲击速度的归零。在侵彻物侵彻这两个材料层时，会对多层防护结构做功，使得前两个材料层获得一定的速度，这个速度相对不是很大，但是也会对防护目标造成一定的威胁。获得冲击速度的高强高硬层10和变形增强层20会压缩轻质耗能层30，后者发生弹性变形或者进入塑性屈服阶段(对应变形增强层20的凹陷部位更易进入塑性阶段)，有效吸收并耗散前者的冲击能量。由于轻质耗能层30具有占比较大的厚度，可以有效避免变形增强层20的凹陷与防护目标接触，避免这一威胁的伤害。防护目标通过软质防护层40为整个多层防护结构提供支撑，软质防护层40可以避免传递集中载荷，将作用到防护目标的反向载荷分散到各接触面。此外，软质防护层40可以具有一定的防侵彻失效性能，假若有侵彻物穿透前三个材料层，软质防护层40可以起到再一次防护的作用，以进一步保障防护目标的安全。

再从多层防护结构整体发挥作用的角度，对本发明实施例多层防护结构防爆炸冲击波的作用进行分析。空气中的爆炸冲击波在物体表面会发生反射，以使得作用到物体上的作用力幅值明显的增加。爆炸冲击波对多层防护结构所做的功取决于该压力幅值和多层防护结构迎波面的变形与位移。在爆炸冲击波作用下，选取模量极高的高强高硬层10作为多层防护结构的最外层材料，可以降低多层防护结构迎波面的变形，这在一定程度上可以减小爆炸冲击波载荷对多层防护结构所做的功，从而部分降低进入到多层防护结构内的冲击能量。爆炸冲击波会在多层防护结构内产生冲击波，由于变形增强层20和轻质防护层30材料之间存在极大的阻抗比，该冲击波不能继续传播，只是在高强高硬层10和变形增强层20之间往复传播。由于高强高硬层10和变形增强层20之间也存在阻抗失配现象，这些冲击波的传播形式是较为复杂的。以这种形式，冲击波的传递时间被显著的延长，也就增加了能量在高强高硬层10和变形增强层20内的衰减。随着冲击波的往复传播，高强高硬层10和变形增强层20将产生整体加速度，获得明显的速度，进而压缩轻质耗能层30。轻质耗能层30的屈服强度小于该压缩应力，所以其可以在较小的变形下进入塑性屈服阶段。随着轻质耗能层30的压缩变形，高强高硬层10和变形增强层20的速度逐渐降低，其冲击能量转化为轻质耗能层30的压缩能量。随后压缩过程进入卸载段，轻质耗能层30的变形会发生一定的恢复。在上述整个过程中，大量的压缩能量会被轻质耗能层30耗散。从上述过程，我们可以知晓，轻质耗能层30的变形量是耗能程度的一个关键指标，所以轻质耗能层30需要具有较大的厚度占比。但是，考虑到其较低的材料密度，轻质耗能层30的面密度是较小的，这对于多层防护结构整体轻质的要求是有利的。从整体的角度来看，多层防护结构中的前三个材料层可以近似构成一个振动系统，高强高硬层10和变形增强层20作为其中的质量层，而轻质耗能层30可以视为具有弹簧和阻尼的缓冲层。同样的，防护目标通过软质防护层40为整个防护结构提供支撑，软质防护层40可以避免传递集中载荷，将作用到防护目标的反向载荷分散到各接触面。需要注意的是，在轻质耗能层30材料的选取时，要考虑其反向作用力可能大于防护目标损伤阈值的情况。这一情况可以通过进一步增加轻质耗能层30的厚度进行避免。特殊情况下，当轻质耗能层30不能完全有效耗散高强高硬层10和变形增强层20的冲击能量时，后者可能会直接对软质防护层40产生冲击力，软质防护层40可以对这部分冲击作用进行再一次的耗散，以进一步减少传递到防护目标上的冲击波能量。

通过上述实施例，本发明提供的兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构，高强高硬层10为多层防护结构的最外层，具有多层防护结构中最高的模量和强度，其用于降低侵彻物的速度并耗散大量能量，同时也减小所述爆炸冲击波的输入能量，以及保持所述多层结构整体的完整性；变形增强层20为多层防护结构的次外层，具有所述多层防护结构中较高的模量和抗拉强度，为所述高强高硬层提供增强作用，对所述侵彻物进行二次防护，并延长所述爆炸冲击波在所述多层防护结构中的传播时间，以初步耗散所述爆炸冲击波的输入能量；高强高硬层10和变形增强层20之间通过粘接固定，两者之间的界面具有一定的强度，所述高强高硬层和所述变形增强层分别由具有不同波阻抗的材料制成的，存在波阻抗不匹配。通过这两层的防护，实现对侵彻物的有效防护，使得侵彻物的冲击速度归零；同时延长爆炸冲击波在防护结构内的传播时间，初步耗散输入能量，为后面两层耗散输入能量提供较好基础。

轻质耗能层30为多层防护结构的次内层，具有所述多层防护结构中最低的屈服强度和屈服后较长的应力平台段，耗散所述爆炸冲击波在所述高强高硬层和所述变形增强层中传播、反射所产生的压缩能量，为耗散所述爆炸冲击波的输入能量的主要材料层；轻质耗能层30在多层防护结构中具有最大的厚度占比，且材料波阻抗远小于变形增强层20的材料波阻抗。轻质耗能层30有效耗散输入能量和压缩能量，最大程度避免防护目标受到爆炸冲击波的伤害。同时，由于变形增强层20受到侵彻物的冲击会可能会产生一定的凹陷，轻质耗能层30还可以避免变形增强层20的凹陷与防护目标接触，避免这一威胁的伤害。

软质防护层40为多层防护结构的最内层，直接与防护目标接触，具有多层防护结构中最小的面内弯曲刚度，易于与防护目标贴合，其可以进一步减小侵彻物的速度(假如侵彻物侵彻到该层)，同时进一步耗散爆炸冲击波的输入能量(假如轻质耗能层30未能完全耗散输入能量)；防护目标通过软质防护层40为整个多层防护结构提供支撑，软质防护层40可以避免传递集中载荷，将作用到防护目标的反向载荷分散到各接触面。此外，软质防护层40可以具有较高的失效强度，可以对部分穿透前三个防护层的侵彻物进行再一次的防护。

上述除了高强高硬层10和变形增强层20以外，变形增强层20、轻质耗能层30以及软质防护层40之间采用任意固定方式，只要使得三者之间不存在明显间隙即可，这样就可以方便的对轻质耗能层30、软质防护层40或者高强高硬层10和变形增强层20进行替换，从而使得本发明的兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构具有广泛的多场景适应性，以及多元的拓展性，未来具有更高、更好性能的替代材料出现时，可以便捷的替换即可，不需要再重新设计。本发明的具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构，具有很高的实用性价值。

基于上述多层防护结构的分析，本发明实施例还提出一种兼顾防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构的设计方法，用于制备上述所述的多层防护结构，所述方法包括：

首先，从多层防护结构整体上考虑，结合防侵彻和防爆炸冲击波的难易程度，可以先设计防侵彻性能、再设计防爆炸冲击波性能、最后考虑与防护目标的适配性问题。轻质、便携等要求是设计多层防护结构时的约束条件。需要说明的时，多层防护结构的设计是一个需要不断迭代的过程，特别是当其兼顾迥异的功能需求时，以诸如仿真分析、预实验等多种方式进行不断迭代优化是必不可少的。

针对防侵彻作用的设计：如前所述，评价多层防护结构防侵彻作用主要的指标为侵彻速度(V50)和凹陷深度。这两个指标的改善更多地是通过高强高硬层10和变形增强层20的配合作用实现的。所以在设计高强高硬层10和变形增强层20时，材料模量、强度、断裂韧性等是关键的力学指标。多层防护结构整体防侵彻的性能一般可以通过V50实验进行测试。

针对防爆炸冲击波性能的设计：如前所述，根据发明人的研究，多层防护结构衰减爆炸冲击波能量的性能可以作为评价其防护性能的关键指标。以下，通过基本的理论分析，对多层防护结构防爆炸冲击波的机理进行说明。

作用到多层防护结构表面的爆炸冲击波可以通过其压力—时间曲线p(t)进行描述。则其伴随的冲量可以通过下式(1)求得：

其中，P为爆炸冲击波的冲量，t₁、t₂分别为爆炸冲击波压力的起始与结束时间。根据前述分析，首先根据防侵彻的需求，确定高强高硬层10和变形增强层20的材料，假设其质量为m。则爆炸冲击波作用下，高强高硬层10和变形增强层20获得的冲击能量可由下式(2)求得：

其中，E_in为高强高硬层10和变形增强层20获得的冲击能量，即，根据高强高硬层10和变形增强层20的质量，确定在爆炸冲击波作用下，高强高硬层10和变形增强层20获得的冲击能量，该冲击能量即为多层防护结构中轻质耗能层30需要耗散的冲击能量。根据这个需要耗散的冲击能量，初步选定轻质耗能层30的材料，评估在此冲击能量作用下，高强高硬层10和变形增强层20对轻质耗能层30的压力。在此压力下，对轻质耗能层30的材料进行压缩实验。

假设在整个压缩循环中，压力和其变形的循环曲线可表示为F(δ)。则在此过程中，轻质耗能层30耗散的能量由下式(3)得到：

其中，E_dis为整个压缩过程中轻质耗能层30耗散的能量，δ_max为轻质耗能层30的最大压缩变形量。式(3)中，等号右侧第一项表示加载能量，第二项表示卸载能量，两项相减即为轻质耗能层30的耗散能量。需要说明的是，此处仅考虑了轻质耗能层30首次压缩循环中，轻质耗能层30耗散的能量，如果考虑多次加载卸载循环的情况，轻质耗能层30耗散的能量会有所增加。但是，主要的能量耗散还是首次循环所耗散的。理想情况下，当轻质耗能层耗散30的能量等于高强高硬层10和变形增强层20的冲击能量时，多层防护结构防爆炸冲击波性能最好，此时有式(4)：

E_dis＝E_in (4)

可以理解的是，若轻质耗能层30耗散的能量不等于冲击能量，则重新选定或者优化轻质耗能层的材料，之后再重复上述压缩试验，直至选取的轻质耗能层30耗散的能量等于冲击能量。

基于多层防护结构轻质、便携的设计要求，以及爆炸冲击波载荷的多样性，轻质耗能层30并不是都能完全耗散爆炸冲击波能量。在这种情况下，轻质耗能层30会被大幅压缩而产生材料密实，高强高硬层10和变形增强层20会将部分的冲击能量传递到软质防护层40。软质防护层40自身也可以耗散一定的冲击能量，以实现进一步的防护。

针对软质防护层的设计：软质防护层40作为多层防护结构直接与防护目标接触的材料层，其主要有两方面的作用。其一，在外界侵彻物产生的冲击载荷和爆炸冲击波产生的冲击载荷作用下，整个多层防护结构是通过软质防护层40提供支撑力的，相应地，软质防护层40也会对防护目标产生反向力。其二，软质防护层40还需要具备一定的防侵彻失效和耗散能量的性能，以为多层防护结构提供最后一道防线。

本发明实施例中，在软质防护层40的选取和设计相对是多样一些的，主要需要考虑两个方面。首先，避免传递集中载荷，这就要求软质防护层40具有较小的面内弯曲刚度。这个可以结合防护目标的几何轮廓，给轻质防护层40的后表面设计出相应的曲面，用以分散其对防护目标的反向作用力。

针对不同材料层的密度和厚度占比：多层防护结构性能的改进是需要依托材料设计性能的提高，相应的也会体现为：在发挥相同防护功能时，高强高硬层10、变形增强层20、轻质耗能层30、软质防护层40各自的材料密度越小，相同厚度下其各自的质量越轻。所以多层防护结构中各材料层的所需的密度和厚度并不是固定的。例如：当更高性能的材料在多层防护结构中使用时，在发挥相同防护性能的条件下，高强高硬层10、变形增强层20、轻质耗能层30、软质防护层40各自所需的材料厚度也会越薄。

针对多层防护结构的应用形式：多层防护结构的应用形式，可以根据具体应用情况对其应用形式做出相应的调整。一种可供参考的应用形式为：考虑到实际多层防护结构的便携性，整个多层防护结构可以采用三部分组合而成，每一部分都可以单独携带，合起来形成整体的多层防护结构。以高强高硬层10、变形增强层20、轻质耗能层30、软质防护层40为例：可以将其制作成插板的形式，根据其主要发挥的作用可以分别成为：防侵彻插板(高强高硬层10和变形增强层20)、耗能插板(轻质耗能层30)、软质插板(软质防护层40)。虽然轻质耗能层30所需的厚度相对较大，但由于其材料密度较小，所以其质量较轻。考虑发挥作用的机制，高强高硬层10和变形增强层20之间的界面在使用时需要粘接固定。

轻质耗能层30选择的材料在初次发挥作用时，其耗能性能较好，后续性能则大幅降低。从发挥完整功能的角度考虑，轻质耗能层30为一次性使用层(当承受较大的载荷，其完全发挥作用时)，采用分组分的形式形成整体多层防护结构，利用方便更换轻质耗能层30。自然对于别的材料层来说，也方便更换、替代。软质防护层40直接与防护目标接触，其设计可以与防护目标相结合，对于人体来说，甚至可以通过人体所穿服装来提供部分软质防护层40的功能，以进一步减少多层防护结构整体的质量。

针对防护结构的优化：多功能防护结构的设计是一个多种因素高度耦合问题，不可能通过一次设计就可以完成，整个过程需要不断的迭代和优化。兼顾防侵彻和防爆炸冲击波这两种迥异性能的多层防护结构的设计，也是很难直接得到其优化结构的。另一方面，考虑使用工况的差异，例如：主要侵彻物的差异、冲击速度的不同、要防护爆炸冲击波的量级等，在设计多层防护结构时都需要做出相应的侧重。一般来说，在主要威胁以侵彻为主，或者说需防护的侵彻物的冲击速度较大的情况下，需要增加高强高硬层10和变形增强层20的厚度占比；同样的，在主要威胁以爆炸冲击波为主，或者说需防护的爆炸冲击波载荷较大的情况下，则需要增加轻质耗能层30的厚度占比。

根据防护目标的装备需求，确定多层防护结构的使用形式以及高强高硬层10、变形增强层20、轻质耗能层30、软质防护层40的层间连接形式，可以得到一种较优的多层防护结构；之后需要对该较优的多层防护结构进行兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的测试；根据测试的结果，对该较优的多层防护结构进行优化改进，例如：调整各个层的厚度，或者改进各个层的材料性能等，改进后重复执行以上方法的步骤，直至得到最终的多层防护结构。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构，其特征在于，所述多层防护结构包括：高强高硬层、变形增强层、轻质耗能层、软质防护层；

所述高强高硬层为所述多层防护结构的最外层，具有所述多层防护结构中最高的模量和强度，用于降低侵彻物的速度并耗散大量能量，同时也减小所述爆炸冲击波的输入能量，以及保持所述多层结构整体的完整性；

所述变形增强层为所述多层防护结构的次外层，具有所述多层防护结构中较高的模量和抗拉强度，为所述高强高硬层提供增强作用，对所述侵彻物进行二次防护，并延长所述爆炸冲击波在所述多层防护结构中的传播时间，以初步耗散所述爆炸冲击波的输入能量；

所述轻质耗能层为所述多层防护结构的次内层，具有所述多层防护结构中最低的屈服强度和屈服后较长的应力平台段，耗散所述爆炸冲击波在所述高强高硬层和所述变形增强层中传播、反射所产生的压缩能量，为耗散所述爆炸冲击波的输入能量的主要材料层；

所述软质防护层为所述多层防护结构的最内层，直接与防护目标接触，具有所述多层防护结构中最小的面内弯曲刚度，易于与所述防护目标贴合，用于进一步降低所述侵彻物的速度，同时进一步耗散所述爆炸冲击波的输入能量；

其中，所述高强高硬层和所述变形增强层之间通过粘接固定，两者之间的界面具有一定的强度，所述高强高硬层和所述变形增强层分别由具有不同波阻抗的材料制成的，存在波阻抗不匹配；

所述变形增强层、所述轻质耗能层以及所述软质防护层之间采用任意固定方式，使得三者之间不存在明显间隙；

所述轻质耗能层的材料波阻抗远小于所述变形增强层的材料波阻抗。

2.根据权利要求1所述的多层防护结构，其特征在于，所述高强高硬层具备隔热的属性，对所述冲击载荷伴随的高热量进行阻隔。

3.根据权利要求1所述的多层防护结构，其特征在于，所述变形增强层通过波阻抗不匹配机制、塑性变形机制、破坏机制对所述侵彻物进行二次防护。

4.根据权利要求1所述的多层防护结构，其特征在于，所述轻质耗能层在所述多层防护结构中具有最大的厚度占比，且所述轻质耗能层的密度小于预设密度。

5.根据权利要求1所述的多层防护结构，其特征在于，所述高强高硬层至少包括：碳化硼陶瓷或碳化硅陶瓷。

6.根据权利要求1所述的多层防护结构，其特征在于，所述变形增强层至少包括：凯夫拉复合材料或超高分子量聚乙烯复合材料。

7.根据权利要求1所述的多层防护结构，其特征在于，所述轻质耗能层至少包括：小尺寸开孔泡沫、微型铝合金蜂窝结构、金蜂窝结构、高耗能结构化材料中的一者。

8.根据权利要求1所述的多层防护结构，其特征在于，所述软质防护层至少包括：软质超高分子量聚乙烯复合材料或软质高性能聚酯纤维复合材料。

9.一种兼顾防侵彻和防爆炸冲击波性能的多层防护结构的设计方法，其特征在于，用于制备权利要求1-8任一所述的多层防护结构，所述方法包括：

根据侵彻速度和凹陷深度指标，确定所述多层防护结构中高强高硬层的材料模量、强度，以及确定所述多层防护结构中变形增强层的模量、抗拉强度，选定所述高强高硬层材料和所述变形增强层材料；

根据所述高强高硬层和所述变形增强层的质量，确定在所述爆炸冲击波作用下，所述高强高硬层和所述变形增强层获得的冲击能量，所述冲击能量即为所述多层防护结构中轻质耗能层需要耗散的冲击能量；

初步选定所述轻质耗能层的材料，根据所述冲击能量作用下所述高强高硬层和所述变形增强层对所述轻质耗能层产生的压力，对所述轻质耗能层进行压缩实验，以确定所述轻质耗能层耗散的能量是否等于所述冲击能量；

若所述轻质耗能层耗散的能量等于所述冲击能量，则确定所述轻质耗能层的材料；

若所述轻质耗能层耗散的能量不等于所述冲击能量，则重新选定或者优化所述轻质耗能层的材料；

结合防护目标与所述多层结构相接触的表面的几何轮廓，确定所述轻质防护层的后表面对应的曲面，选择具有一定的防侵彻失效和一定的耗散能量功能的材料作为所述轻质防护层；

根据所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的材料特性、性能以及防护需求，确定所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的厚度；

根据所述防护目标的装备需求，确定所述多层防护结构的使用形式以及所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层的层间连接形式，以得到较优的多层防护结构；

对所述较优的多层防护结构进行兼具防侵彻和防爆炸冲击波性能的测试；

根据测试的结果，对所述较优的多层防护结构进行优化改进，并重复执行以上步骤，直至得到最终的多层防护结构；

其中，根据所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的材料特性、性能以及防护需求，确定所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的厚度，包括：

所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的材料密度越小，相同厚度下其各自的质量越轻；

所述高强高硬层、所述变形增强层、所述轻质耗能层、所述软质防护层各自的材料性能越高，发挥相同防护性能的条件下，其各自所需的材料厚度也会越薄；

在主要威胁以侵彻为主，或者需防护的侵彻物的冲击速度较大的情况下，增加所述高强高硬层和所述变形增强层的厚度占比；

在主要威胁以爆炸冲击波为主，或者需防护的爆炸冲击波载荷较大的情况下，增加所述轻质耗能层的厚度占比。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，根据所述防护目标的装备需求，确定所述多层防护结构的使用形式，包括：

根据所述防护目标的装备需求，将所述多层防护结构制成插板形式；

将所述高强高硬层和所述变形增强层粘接，形成防侵彻插板；

以所述轻质耗能层单独形成耗能插板；

以所述软质防护层单独形成软质插板；

将所述防侵彻插板、所述耗能插板以及所述软质插板组合，形成所述多层防护结构，且所述防侵彻插板、所述耗能插板以及所述软质插板中，每一块插板均可单独携带。

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