CN115342700A - 非破碎式防爆结构的设计方法及非破碎式防爆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非破碎式防爆结构的设计方法及非破碎式防爆结构，采用该设计方法对防爆结构进行设计，能够保证防爆结构最外层不发生破裂，提高防爆结构的安全性和可靠性。该方法的具体步骤为：首先对防爆结构进行结构设计，得到防爆结构的层数、各层所用防护材料以及各层厚度；并计算冲击波在防爆结构各层材料中的衰减系数；然后计算冲击波作用到防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值；进而判断最外层材料的强度是否大于该应力波峰值；若大于，则认为最外层结构不会发生破碎；若不大于，则认为最外层结构会发生破碎，重新对防爆结构进行结构设计并重新计算冲击波作用到防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值。

Description

非破碎式防爆结构的设计方法及非破碎式防爆结构
技术领域
本发明涉及一种防爆结构设计方法，具体涉及一种非破碎式防爆结构的设计方法，属于警用、军用公共安全防务装备领域。
背景技术
爆炸具有爆发快、破坏广等特点，如何针对爆炸物进行快速应急处置是当前安防和军事领域的重要课题。传统防爆装备主要有金属防爆罐和防爆球，金属防爆罐防爆球重量大，不便于移动。采用柔性复合材料制成的防爆产品是当前防爆领域的一个趋势。柔性复合防爆产品质量轻、过量爆炸不会产生二次伤害，能够将伤害控制在有限的范围内。
对于金属防爆罐的设计来说，其本身采用一定厚度高强度的钢材料，其检测方式一般是爆炸后查看结构是否有穿透性的孔洞来判定是否合格；对于柔性复合材料制成的防爆装备，目前没有通用的测试标准，一般是通过设置在一定安全处的松木靶板来判定是否有破片从柔性防爆装备中飞出。
由于采用复合材料制成，其对于破片的防护主要是通过高强度的多层纤维将破片拦截在其内部，由于不同厂家生产的纤维会有各自不同的特点，有的是防弹能力强，抗撕裂能力弱；有的是抗撕裂能力强，防弹能力弱。当前复合材料的防爆装备在设计时，一般是从破片角度出发，设计多层纤维来进行破片防护，设计方案采用某一特定防弹纤维，不做复合层，只要纤维厚度足够，就能起到防弹的作用。但是对于爆炸冲击波的防护，目前复合材料类产品没有对应的设计方法。一般来说，复合材料类防爆产品主要有三种方案：①通过某一种特定防弹纤维的连续缠绕；②将纤维通过树脂凝固成一个整体；③将纤维缝制堆叠。
对于近场爆炸或者对裸炸药来说，其对结构的主要作用是冲击波，一般来说，冲击波会快速传播，作用在防爆结构中，然后才是破片作用在防爆结构中，如果冲击波提前将结构撕裂，而破片速度较低，结构发生撕裂后，中低速的破片会从撕裂处飞出，造成杀伤。对于上述①和②方案来说，其在爆炸时，纤维会在应力波作用下，最外层会发生撕裂的现象，由存在一定的风险，虽然提高纤维的厚度能够在一定程度上减少此种情况的产生，但是会造成成本的上升和重量的增加，并且，增加纤维的厚度对于冲击波的防护效果并不会有显著的增加。对于③方案来说，其在爆炸瞬间，缝制处容易发生撕裂，整体结构破碎，也具有一定的风险。
综合来看，如何防止最外层纤维结构的撕裂和破碎是当前复合防爆装备设计中的一个难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种非破碎式防爆结构的设计方法，采用该设计方法对防爆结构进行设计，能够保证防爆结构最外层不发生破裂，提高防爆结构的安全性和可靠性。
一种非破碎式防爆结构的设计方法，具体步骤为：
步骤1：对防爆结构进行结构设计，得到防爆结构的层数、各层所用防护材料以及各层厚度；
步骤2：通过仿真计算冲击波在所设计的防爆结构各层材料中的衰减系数；
步骤3：计算冲击波作用到防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值；
步骤4：判断最外层结构材料的强度是否大于步骤3所计算的冲击波在防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值；
若大于，则认为最外层结构不会发生破碎，将当前防爆结构作为非破碎式防爆结构；
若不大于，则认为最外层结构会发生破碎，重新对防爆结构进行结构设计并重新计算冲击波作用到最外层结构边界处的应力波峰值，直至最外层结构不会发生破碎。
作为本发明的一种优选方式，令复合防爆结构有n层，从复合防爆结构的迎爆面至背爆面依次为第1层，第2层…第n层；
则所述复合防爆结构最外层边界处的应力波峰值
Figure BDA0003737736830000021
为：
Figure BDA0003737736830000022
其中：P0为入射到第1层内部的冲击波强度；Ki为第i层所用防护材料的波阻抗；xi为第i层的厚度，αi为第i层的衰减系数。
作为本发明的一种优选方式：当需要重新对防爆结构进行结构设计时，修改各层排布方式或增加防爆结构的层数。
作为本发明的一种优选方式：当需要重新对防爆结构进行结构设计时，增加复合防爆结构中一层以上防护材料的厚度。
作为本发明的一种优选方式：当需要重新对防爆结构进行结构设计时，改变其中一层以上防护材料的类型。
此外，本发明提供一种非破碎式防爆结构：至少为三层结构，且最外层结构材料的强度大于冲击波在防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值。
作为本发明的一种优选方式：该防爆结构为三层结构，第一层为内防护层，第二层为应力波调节层，第三层为外防护层；
其中所述内防护层和所述外防护层的材料为防弹纤维，所述应力波调节层的材料为波阻抗低于防弹纤维的材料；所述外防护层的材料强度大于冲击波在所述外防护层边界处的应力波峰值。
作为本发明的一种优选方式：该防爆结构为四层结构，第一层为内防护层，第二层为应力波调节层，第三层为外防护层，第四层为应力波调节层；
其中所述内防护层和所述外防护层的材料为防弹纤维，所述内应力波调节层和外应力波调节层材料为波阻抗低于防弹纤维的材料；所述外防护层的材料强度大于冲击波在所述外防护层边界处的应力波峰值。
有益效果：
(1)采用本发明的设计方法在对防爆结构进行设计时，考虑冲击波作用到防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值与最外层材料的强度之间的关系，由此能够在设计阶段通过主动设计保证复合防爆结构最外层不发生破裂，提高复合防爆结构的安全性和可靠性；且该设计方法具备通用性。
(2)冲击波在不同介质中传播时会有反射和折射现象，在计算冲击波作用至防爆结构最外层结构应力波峰值时，对反射和折射进行综合考虑，保证计算结果的准确性。
(3)当通过计算认为最外层结构会发生破碎时，根据波阻抗匹配原理设计，修改防爆层排布方式或者增加防爆结构的层数、改变其中一层或多层防护材料、增加其中一层或多层防护材料的厚度；且可以择一改变上述结构参数，也可以同时进行多个结构参数的改变；实现对防爆结构的重新设计，以保证所设计的防爆结构整体的安全性。
(4)所设计的典型非破碎式防爆结构均包括防护层和应力波调节层，其中应力波调节层主要是起到应力波调节作用，能够减少入射到下层的应力波峰值，避免结构最外层发生破碎。
(5)当采用四层结构的非破碎式防爆结构时，在最外层设置外应力波调节层，能够减少应力波反射加载对外防护层造成撕裂；同时采用波阻抗低于外防护层的材料，能够减少反射应力波的强度。
附图说明
图1为本发明的非破碎式防爆结构的设计方法流程图；
图2冲击波在单层防护结构中的传播示意图；
图3为冲击波在多层防护结构中的传播示意图；
图4为典型的四层非破碎式防爆结构的结构示意图。
其中：1-内防护层，2-内应力波调节层，3-外防护层，4-外应力波调节层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
本实施例提供一种非破碎式防爆结构的设计方法，采用该设计方法对防爆结构进行设计，能够保证防爆结构最外层不发生破裂。
本例以非破碎式柔性复合防爆结构为例，对其结构设计过程件详细介绍。
如图1所示，该方法的具体步骤为：
步骤一：依据常规柔性复合防爆结构的设计方法(如现有技术中的非接触式柔性防爆装置设计方法)对柔性复合防爆结构进行结构设计，得到柔性复合防爆结构的层数、各层所用防护材料以及各层厚度；
步骤二：通过仿真计算冲击波在步骤一所设计的柔性复合防爆结构各层材料(即各层介质)中的衰减系数：
一般来说，冲击波在密实介质中的传播呈指数衰减，衰减系数可以通过相应的实验或者仿真进行测试。对于一般的柔性防爆结构来说，典型的密实防护材料有PE纤维、芳纶纤维、橡胶类材料；通过仿真计算可以得到：PE材料内冲击波衰减系数为0.0025(kPa/mm)，芳纶纤维材料内冲击波衰减系数为0.0035(kPa/mm)，橡胶类材料内冲击波衰减系数为0.0112(kPa/mm)。
步骤三：计算冲击波作用至柔性防爆结构最外层结构应力波峰值：
采用该设计方法对防爆结构进行设计时，依据所设计的防爆结构的防护当量以及防护距离，首先计算入射到防护结构内部的冲击波强度，进而进一步计算冲击波作用至柔性防爆结构最外层结构应力波峰值。
冲击波在不同介质中传播时会有反射和折射现象，其反射和折射的计算主要和材料的波阻抗相关(波阻抗＝材料的声速*材料的密度)。
步骤三计算传递到柔性复合防爆结构最外层结构边界处(即最外层结构外表面处)的应力波峰值。
对于单层防护结构，由于空气的波阻抗远远小于一般的固体材料，因此如果采用单层连续材料，材料边界处应力波会发生全部的反射，形成2倍的应力状态。
如图2所示，T0时刻，冲击波进入到防护结构，T1时刻，冲击波到达防护结构外表面并发射；令其厚度为x1，衰减系数α1(步骤二计算得到)，T0时刻入射到防护结构内部的冲击波强度为P0，则其边界处(该单层防护结构的外表面即背爆面)的应力波峰值
Figure BDA0003737736830000051
为：
Figure BDA0003737736830000052
冲击波在不同介质中传播时会遇到透射和反射现象，其反射和折射的计算主要和材料的波阻抗相关(波阻抗＝材料的声速*材料的密度)。对于多层防护结构，由于各层结构采用不同材料，冲击波作用到防爆结构时，也会有同样的现象。如图3所示，入射到防护结构内部的冲击波强度为P0；近似条件下，且在不考虑冲击波衰减的条件下，令相邻两个材料分别为材料I和材料T，其中材料T位于材料I的背爆面所在侧，冲击波到达材料I和材料T的对接面时，会发生透射和反射；令达到该对接面的冲击波即入射冲击波强度为PI，透射至材料T内部的透射冲击波强度为PT(图3中PI′为在该对接面处发生反射的反射冲击波强度)；则根据波在不同介质表面的透射规律有：
Figure BDA0003737736830000053
由此能够得到透射至材料T内部的透射冲击波强度为PT为：
Figure BDA0003737736830000054
其中，KT＝ρTCT为材料T的波阻抗，ρT为材料T的密度，CT为材料T的声速；KI＝ρICI为材料I的波阻抗，ρI为材料I的密度，CI为材料I的声速。
基于此，对于双层防护结构来说，如图3所示，入射到防护结构内部的冲击波强度为P0，到达两层材料对接面处的冲击波强度为：
Figure BDA0003737736830000055
令其第一层(即内层)厚度x1，衰减系数α1，波阻抗K1；第二层(即外层)厚度x2，衰减系数α2，波阻抗为K2；则其最外层边界处的应力波峰值
Figure BDA0003737736830000056
为：
Figure BDA0003737736830000057
同理，对于三层结构来说：令其第一层(即内层)厚度x1，衰减系数α1，波阻抗K1；第二层(即中间层)厚度x2，衰减系数α2，波阻抗为K2；第三层(即最外层)厚度x3，衰减系数α3，波阻抗为K3；则其最外层边界处的应力波峰值
Figure BDA0003737736830000058
为：
Figure BDA0003737736830000059
依次类推，对于n层结构来说，其最外层(即第n层，令n层结构从防爆结构的迎爆面至背爆面依次为第1层，第2层…第n层)边界处的应力波峰值
Figure BDA0003737736830000061
为：
Figure BDA0003737736830000062
步骤四：比较步骤三所计算的冲击波在柔性防爆结构最外层结构边界处的应波峰值与最外层材料的强度，判断最外层结构是否会发生破碎：
对于单层防护结构，最外层不发生破裂的条件：
Figure BDA0003737736830000063
其中
Figure BDA0003737736830000064
为该单层防护结构的材料强度。
如果采用单层连续材料，由于材料边界处应力波会发生全部的反射，形成2倍的应力状态，从而造成在材料边界处的撕裂或者崩落。
基于此，柔性复合防爆结构一般均采用多层结构，柔性复合防爆结构最外层不发生撕裂的一般性条件为传递到柔性复合防爆结构最外层边界处的应力波峰值不超过最外层结构材料的强度。
对于双层防护结构来说，令其最外层材料的强度为
Figure BDA0003737736830000065
则最外层材料不发生破裂的条件：
Figure BDA0003737736830000066
同理，对于三层结构来说，令其最外层材料的强度为
Figure BDA0003737736830000067
则最外层不发生破裂的条件：
Figure BDA0003737736830000068
对于n层结构来说，令其最外层材料的强度为
Figure BDA0003737736830000069
则最外层不发生破裂的条件：
Figure BDA00037377368300000610
依据上述条件判断柔性复合防爆结构最外层材料是否会破碎；若判断最外层材料的强度不大于传递到柔性复合防爆结构最外层边界处的应力波峰值，则认为该最外层材料会发生破碎；此时为保证所设计的柔性复合防爆结构最外层不发生破碎，则返回至步骤一，修改所设计的柔性复合防爆结构的结构参数，如根据波阻抗匹配原理设计，修改复合防爆层排布方式或者增加复合防爆结构的层数、改变其中一层或多层防护材料、增加其中一层或多层防护材料的厚度(即增加缠绕的层数)；可以择一改变上述结构参数，也可以同时进行多个结构参数的改变；由此实现对柔性复合防爆结构的重新设计；修改完结构参数后重新进行上述步骤二至步骤四的计算，直至依据上述条件判断柔性复合防爆结构最外层材料不会破碎(即最外层材料的强度大于传递到柔性复合防爆结构最外层边界处的应力波峰值)。
如果在修改所设计的柔性复合防爆结构的结构参数时，没有新增防护材料，则无需重复步骤二的计算。
对于常用的柔性复合防爆结构的材料来说，如PE、芳纶等复合纤维，在有限的空间内，一般是采用连续缠绕的防护结构，可以近似看成连续介质。对于PE来说，其应用在防弹防爆领域一般是采用PE原丝，通过树脂偶联，形成PE连续织物；PE连续织物再通过热压、树脂粘接、堆叠封装或者连续的缠绕形成防护结构，对于PE原丝来说，其具有非常强的拉伸强度，其抗拉强度一般在2～5Gpa左右，对于PE的固化树脂来说，强度较小，其抗拉强度一般在20～40Mpa左右，在冲击波作用下发生失效，使原丝纤维致密性降低，纤维直接发生位移错动，出现裂解或者破碎的情况，从而造成防护上的风险。
步骤一中所设计的典型的柔性复合防爆结构为如图4所示的四层结构，第一层为内防护层1，第二层为内应力波调节层2，第三层为外防护层3，第四层为外应力波调节层4。
其中内防护层1采用芳纶、PE等高性能纤维材料；其尽量采用抗弹性较好的材料，能够在第一层时，最大程度上对子弹的速度形成衰减，其厚度要小于外防护层2的厚度。
第二层为内应力波调节层2，其波阻抗要低于内防护层1，同时此类结构具有一定的刚度，可以保证结构的直立性。优选的，可以采用泡沫层或者具有纤维强度的橡胶层，主要是起到应力波调节作用，能够减少入射到第三层的应力波峰值，避免结构最外层发生破碎。
第三层为外防护层3，外防护层3是主体防弹和防爆层，可以采用芳纶或者PE等高强度纤维，其要求具有良好的防弹性能的同时，具有良好的抗撕裂能力，其厚度大于内防护层1的厚度，能够在爆炸时尽可能的衰减入射到其外层边界处的应力波峰值，避免其外层发生裂解和破碎。
第四层为外应力波调节层4，主要是减少应力波反射加载对外防护层3造成撕裂，同时具有一定的支撑作用，可以采用泡沫或橡胶，橡胶具有良好的弹性，能够发生大变形也不发生碎裂。同时采用的泡沫或橡胶层波阻抗低于外防护层3，减少了反射应力波的强度。
实例分析1：
这里给出一种单层的柔性复合防爆结构，对其进行分析：
该防爆结构为采用PE纤维层，热压、密度堆叠或者连续紧密缠绕后，形成的单层40mm厚度的防护结构，PE纤维材料的密度为970kg/m3，声速为5300m/s，根据一般的防弹设计经验；40mm厚度的PE层能够达到非常好的防破片性能，但是对于防冲击波，需要通过如下计算：
如针对500g炸药的防护，其距离炸药200mm，通过仿真或者理论计算得到，冲击波入射到PE纤维防护层上的冲击波压力为20Mpa，通过仿真或者实验得到，PE材料的衰减系数为0.0025(kPa/mm)，则在防护结构最外侧的边界处，考虑应力波在边界处发生全反射，则有：
Figure BDA0003737736830000081
即通过计算得到，应力波在防护材料的最外层为36Mpa左右，由此当该单层防爆结构的材料强度低于36Mpa时，有一定损伤风险；而一般的PE纤维的树脂强度可能会低于36Mpa，此时会造成最外层的防护结构裂解破碎。
进一步的，如果增加该防爆结构的厚度，采用60mm厚纤维层，则有：
Figure BDA0003737736830000082
能够看出，增加了20mm厚度，并没有能够显著提高结构的防破碎能力。因此，通常柔性复合防爆结构一般均采用多层结构。
实例分析2：
采用双层纤维的防爆结构，第一层(即内层)材料采用20mm厚度芳纶，第二层(即外层)材料采用20mm厚度PE。芳纶材料密度为1650kg/m3，声速为2860m/s，衰减系数为0.0035(kPa/mm)，PE的密度为970kg/m3，声速为5300m/s，PE衰减系数为0.0025(kPa/mm)。
同样考虑入射到第一层上的冲击波压力为20Mpa，则在第二层的最外侧，考虑应力波在边界处发生反射，则有：
Figure BDA0003737736830000083
通过计算得到，冲击波在防爆结构的最外层的冲击波压力为34Mpa，当最外层的材料强度低于34Mpa时，有一定损伤风险；此种双层结构较单层结构在一定程度上防爆性能有所提高，但提升不大，一般的PE纤维的树脂强度可能会低于30Mpa，此时会造成最外层的防护结构裂解破碎。
实例分析3：
采用三层结构的防爆结构，第一层(即内层)防护层为10mm厚的PE；第二层(即中间层)为10mm的橡胶材料，为应力波调节层；第三层(即最外层)防护层为10mm厚的PE。其中PE的密度为970kg/m3，声速为5300m/s，PE衰减系数为0.0025(kPa/mm),橡胶材料的密度为1000kg/m3，声速为640m/s，橡胶的衰减系数0.0112(kPa/mm)。
同样考虑入射到第一层上的冲击波压力为20Mpa，则在第三层的最外侧，考虑应力波在边界处发生反射，则有：
Figure BDA0003737736830000091
通过计算得到，冲击波在该防爆结构的最外层的冲击波压力为15.5Mpa，一般的树脂能够达到此类强度，此种三层结构具有较好的防护性能。
实例分析4：
采用四层结构的防爆结构，第一层作为内防护层采用10mm厚的PE纤维材料，第二层为应力波调节层，采用10mm厚的橡胶材料，第三层作为外防护层采用30mm厚的PE材料，第四层为应力波调节层采用5mm厚的橡胶材料，其中PE纤维材料的密度为970kg/m3，声速为5300m/s，PE纤维材料的衰减系数为0.0025(kPa/mm),橡胶材料的密度为1000kg/m3，声速为640m/s，橡胶的衰减系数0.0112(kPa/mm)。
同样考虑入射到第一层上的冲击波压力为20Mpa，则在应力波调节层的最外层，考虑应力波在边界处发生反射，则有：
Figure BDA0003737736830000092
通过计算得到，冲击波在该防爆结构的最外层的冲击波压力为2.7Mpa，能够达到一般橡胶抗撕裂的强度。进一步的，应力波在最外层反射后，再次入射到第三层上的应力波为：
Figure BDA0003737736830000093
由此可以看出，采用这种四层结构，能够较好的防止结构的破碎，最外层的应力波小于3Mpa，第三层的应力波为4.5Mpa，一般的树脂类均能达到此种强度。所设计的防护结构能够在满足防弹性能的同时，大幅度提高了防爆炸破碎的防护性能。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.非破碎式防爆结构的设计方法，其特征在于：
步骤1：对防爆结构进行结构设计，得到防爆结构的层数、各层所用防护材料以及各层厚度；
步骤2：计算冲击波在所设计的防爆结构各层材料中的衰减系数；
步骤3：计算冲击波作用到防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值；
步骤4：判断最外层结构材料的强度是否大于步骤3所计算的冲击波在防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值；
若大于，则认为最外层结构不会发生破碎，将当前防爆结构作为非破碎式防爆结构；
若不大于，则认为最外层结构会发生破碎，重新对防爆结构进行结构设计并重新计算冲击波作用到最外层结构边界处的应力波峰值，直至最外层结构不会发生破碎。
2.如权利要求1所述的非破碎式防爆结构的设计方法，其特征在于：令所述防爆结构有n层，从防爆结构的迎爆面至背爆面依次为第1层，第2层…第n层；
则所述防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值
Figure FDA0003737736820000011
为：
Figure FDA0003737736820000012
其中：P0为入射到第1层结构内部的冲击波强度；Ki为第i层结构所用材料的波阻抗；xi为第i层结构的厚度，αi为第i层结构的衰减系数。
3.如权利要求1或2所述的非破碎式防爆结构的设计方法，其特征在于：当需要重新对所述防爆结构进行结构设计时，修改各层排布方式或增加所述防爆结构的层数。
4.如权利要求1或2所述的非破碎式防爆结构的设计方法，其特征在于：当需要重新对所述防爆结构进行结构设计时，增加所述防爆结构中一层以上防护材料的厚度。
5.如权利要求1或2所述的非破碎式防爆结构的设计方法，其特征在于：当需要重新对所述防爆结构进行结构设计时，改变其中一层以上防护材料的类型。
6.非破碎式防爆结构，其特征在于：所述防爆结构至少为三层结构，且最外层结构材料的强度大于冲击波在防爆结构最外层结构边界处的应力波峰值。
7.如权利要求6所述的非破碎式防爆结构，其特征在于：所述防爆结构为三层结构，第一层为内防护层，第二层为应力波调节层，第三层为外防护层；
其中所述内防护层和所述外防护层的材料为防弹纤维，所述应力波调节层的材料为波阻抗低于防弹纤维的材料；
所述外防护层的材料强度大于冲击波在所述外防护层边界处的应力波峰值。
8.如权利要求7所述的非破碎式防爆结构，其特征在于：所述应力波调节层为泡沫层或者具有纤维强度的橡胶层。
9.如权利要求6所述的非破碎式防爆结构，其特征在于：所述防爆结构为四层结构，第一层为内防护层，第二层为内应力波调节层，第三层为外防护层，第四层为外应力波调节层；
其中所述内防护层和所述外防护层的材料为防弹纤维，所述内应力波调节层和外应力波调节层材料为波阻抗低于防弹纤维的材料；
所述外防护层的材料强度大于冲击波在所述外防护层边界处的应力波峰值。
10.如权利要求9所述的非破碎式防爆结构，其特征在于：所述内应力波调节层和外应力波调节层均为泡沫层或者具有纤维强度的橡胶层。
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