CN116733133A - 海洋平台蜂窝芯层防爆墙 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其基本结构包括：第一墙板，立式地遮蔽在被保护对象第一侧；第二墙板，立式地遮蔽在被保护对象的第二侧，该第二侧与所述第一侧为相邻侧；相应地，相互垂直的第一墙板与第二墙板间在相邻的端部处固定连接为一体；所述第一墙板和所述第二墙板均包括相对于被保护对象而位于外侧的前面板和位于内侧的后面板，以及位于前面板和后面板之间的蜂窝芯层。依据本发明的海洋平台蜂窝芯层防爆墙防护性能相对更好。

Description

海洋平台蜂窝芯层防爆墙

技术领域

本发明涉及一种海洋平台蜂窝芯层防爆墙。

背景技术

海洋平台是海上开采油气资源并储存的重要设施，由于其服役于海洋环境中，这就使得平台上的电器设备、油气处理设备和油气储存设备必须紧凑地处在有限的空间中。而一旦发生油气的泄露事故，导管架平台上就有发生爆炸事故的可能，这将严重威胁平台的设备安全及人员安全。防爆墙作为海洋平台的重要防护设施，在抵抗爆炸方面得到了广泛应用。

进一步地，在油气勘探的长期运行过程中，海上导管架平台作为最重要的海上设施类型，经常会遇到突发事件，如气体泄露引起的意外爆炸和碳氢化合物引发的火灾等。由于爆炸引起的超压很大，爆炸事故可能对平台结构或油气设备造成破坏，从而造成巨大损失甚至于危及人员生命安全。因此，应采取各种防爆措施，保护关键设备不受爆炸载荷的影响。其中，防爆墙能够有效吸收爆炸能量和反射爆炸压力波，且具有成本低、安装快、强度高的优点，因此被广泛应用于海上平台结构，成为保证平台结构和人员安全的防护屏障。

波纹板防爆墙作为一种常用的防爆屏障，目前在海洋结构中得到了广泛的应用。已有学者针对防爆墙采用数值模拟和实验方法对其结构响应和抗爆性能进行了研究。Kang等通过CFD模拟了不同荷载对防爆墙的影响，并比较了防爆墙的动力响应。Syed等采用非线性有限元分析的方法给出了油气爆炸产生的各种高冲击压力载荷的真实响应，并与试验进行了对比。Su等利用有限元软件LS-DYNA模拟爆炸冲击波的传播，并与试验进行对比，得到了冲击波的传播规律。但也有学者指出，在实际的防爆设计过程中，现有的波纹板防爆墙结构低估了爆炸荷载的真实影响，导致受保护结构将面临较大的破坏风险。

目前，蜂窝结构作为一种优秀的抗冲击结构，因其优异的能量吸收能力而被广泛应用于安全防护的各个行业。蜂窝芯层结构将蜂窝芯层和两块高强度的层板组合在一起，从而兼具两者刚度和强度的综合优势。因此，若设计出不同蜂窝芯层的夹层防爆墙，则可以获得针对爆炸载荷的更为优越的抗爆性能。

其中的蜂窝结构为夹层防爆墙的内部组织结构，借以提高单体防爆墙的刚度和强度。典型地，如中国专利文献CN112049321A公开了一种蜂窝状夹芯防爆墙板，其包括平行设置的两层钢板和位于两层钢板间的蜂窝状复合层，借以形成三层结构，三层结构间通过连接部件进行连接。使用时，墙板通过立式的方式安装，经过研究发现，爆点产生的冲击波作用于防爆墙上时，会使防爆墙产生变形，具体表现是，例如对于单点爆炸，防爆墙大致与爆点垂直的位置产生内凹，但变形最大值并不必然在此处发生，在于爆炸产生内凹是防爆墙抵抗变形的结果，除内凹部分外，其余部分也必然会受到冲击，并且由于冲击波先与最终的内凹处产生碰撞，其余部分受到的冲击和牵拉，使的其余部分受到复合冲击，防爆墙除了与平台的连接部分外，欠缺其他部分的抑制，使得防爆墙的抗冲击能力相对较弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防护性能相对更好的海洋平台蜂窝芯层防爆墙。

在本发明的实施例中，提供了一种海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其基本结构包括：

第一墙板，立式地遮蔽在被保护对象第一侧；

第二墙板，立式地遮蔽在被保护对象的第二侧，该第二侧与所述第一侧为相邻侧；相应地，相互垂直的第一墙板与第二墙板间在相邻的端部处固定连接为一体；

所述第一墙板和所述第二墙板均包括相对于被保护对象而位于外侧的前面板和位于内侧的后面板，以及位于前面板和后面板之间的蜂窝芯层。

可选地，第一墙板与第二墙板间直角连接或者通过圆角过渡连接。

可选地，若第一墙板与第二墙板间为直角连接，第一墙板与第二墙板间具有：

第一连接方式，该第一连接方式中第二墙板一端部抵靠在第一墙板相应端侧面，第二墙板的前后面板与第一墙板的后面板间焊接或通过角材或翻边的铆接或螺栓连接；

第二连接方式，该第二连接方式中第二墙板与第一墙板的前墙板间为一体折弯板或固定连接，后面板间为一体折弯板或固定连接；固定连接方式为焊接或通过角材或翻边的铆接或螺栓连接；

若第一墙板与第二墙板间为圆弧过渡连接，至少相应两前面板间为圆弧过渡连接，则第一墙板与第二墙板间具有：

第三连接方式，相应两前面板间整体折弯而成，形成前圆弧过渡部；若后面板间也为圆弧过渡连接，则相应两后面板间整体折弯而成，形成后圆弧过渡部；

第四连接方式，相应两前面板间通过前圆弧过渡件固定连接；若后面板间也为圆弧过渡连接，则相应两后面板间通过后圆弧过渡件固定连接。

可选地，所述外圆弧过渡部或所述外圆弧过渡件的半径为蜂窝芯层厚度的0.9~1.5倍。

可选地，第二~第四连接方式中，两蜂窝芯层间为连续蜂窝芯层。

可选地，所述蜂窝芯层为内凹弧形蜂窝芯层。

可选地，蜂窝芯层的层数为4~7层，厚度为0.16m~0.28m。

可选地，内凹弧形蜂窝芯层中蜂窝胞元为内凹蜂窝胞元，该内凹蜂窝胞元的内凹角为40~50度；宽高比为0.9~1.3。

可选地，所述内凹角为45度；宽高比为1.1。

可选地，蜂窝芯层各层间蜂窝胞元的宽高比不同，自前至后成梯度变化。

相对于传统的单体墙板，在本发明的实施例中所提供的防爆墙的主体结构包括相互垂直的第一墙板和第二墙板，而整体上呈L型。经过验证，相对于单体墙板，L型防爆墙具有更好的抗冲击性能，从而具有更佳的防护性能。

附图说明

图1为一实施例中箭形蜂窝胞元结构示意图

图2为一实施例中内凹六边形蜂窝胞元结构示意图。

图3为一实施例中内凹弧形蜂窝胞元结构示意图。

图4为一实施例中蜂窝芯层组织结构示意及尺寸图。

图5为一实施例中部分防爆墙结构示意图，蜂窝胞元为内凹弧形胞元。

图6为一实施例中部分防爆墙结构示意图，蜂窝胞元为箭形胞元。

图7为一实施例中部分防爆墙结构示意图，蜂窝胞元为内凹六边形胞元。

图8为一实施例中不同内凹角θ的内凹弧形蜂窝芯层结构示意图。

图9为一实施例中不同宽高比（l/h）的内凹弧形蜂窝芯层防爆墙结构示意图。

图10为一实施例中L型防爆墙在平台上的布局结构示意图（俯视）。

图11为一实施例中直角拐角L型防爆墙结构示意图。

图12为一实施例中圆弧拐角L型防爆墙结构示意图。

图13为一实施例中直角拐角L型防爆墙验证模型结构示意图。

图14为一实施例中圆弧拐角L型防爆墙验证模型结构示意图。

图15为验证模型中空气域的尺寸与防爆墙的位置示意图。

图16爆炸有限元模型，其中a图为两点爆炸有限元模型；b图为与两点爆炸等当量的单点爆炸有限元模型。

图17为爆炸有限元模型，其中c为单点爆炸模型，d为两点爆炸模型，c为三点爆炸模型。

图18为本发明实施例中构型I-III抗爆性能柱状图。

图19为一实施例中内凹弧形蜂窝夹层防爆墙δ _max -θ曲线。

图20为一实施例中内凹弧形蜂窝夹层防爆墙SEA-θ曲线。

图21为一实施例中内凹弧形蜂窝夹层防爆墙P-θ曲线。

图22为一实施例中内凹弧形蜂窝夹层防爆墙δ _max-宽高比曲线。

图23为一实施例中内凹弧形蜂窝夹层防爆墙SEA-宽高比曲线。

图24为一实施例中内凹弧形蜂窝夹层防爆墙P-宽高比曲线。

图25为一实施例中内凹弧形蜂窝夹层防爆墙最大变形-爆炸间距曲线。

图26为一实施例中不同转角的最大变形柱状图。

图中：h为蜂窝胞元的高度；

l为蜂窝胞元的宽度；

a为蜂窝胞元间连接件的宽度；

t为蜂窝胞元的壁厚；

θ ₁ 和θ ₂ 为蜂窝胞元不同胞壁间的角度；

θ为内凹蜂窝胞元的内凹角度，其中内凹弧形的θ角度定义为圆弧在端点的切线与水平方向之间的夹角；

H为蜂窝芯层高度（竖向）；

T为蜂窝芯层厚度；

1.前面板，2.蜂窝芯层（又称蜂窝夹层），3.后面板，4.生活区，5.L型防爆墙，6.设备区，7.爆点。

实施方式

参照说明书附图10，图中生活区4为被防护对象，设备区6则是可能产生爆炸的对象，因此，传统的防爆墙横列在生活区4与设备区6间，而整体上表现为一个立式的单面墙体。传统的防爆墙主要用来防护来自设备区的迎面冲击，然而，尽管爆炸在绝大多数情况下会在设备区6发生，但也因为例如油气的蔓延，而可能在其他地方引发爆炸，并且爆炸可能在多处发生，单面墙体在面对复杂的事故时难以做到较好的防护。

此外，防爆墙主要依靠墙体的弹性变形或塑性变形来对抗爆炸所产生的冲击，单面墙体所提供的变形能力相对有限，尤其是在两侧。

进一步地，海洋平台上的结构复杂，管线密布，而生活区位于平台上，四周均有可能发生爆炸，传统意义的单面防爆墙明显不能满足这种需求，所以将生活区域全部防护起来就显得尤为重要。将单面防爆墙组合起来防护爆炸等灾害就可以解决这种问题，但是组合防爆墙就面临着转角位置连接的问题。本发明设计了两种不同的L型蜂窝防爆墙，用于转角位置的爆炸防护，如图12~14所示。而且为了更好的检测该型防爆墙的抗爆能力，对两种蜂窝防爆墙在多点爆炸作用的情况进行了详细的数值模拟。

其中，图12~14示出了两种L型蜂窝防爆墙，两种L型蜂窝防爆墙的区别为：一种转角为直角，另一种转角为圆弧。图11和图13所示为直角转角L型蜂窝防爆墙结构示意图，并例示了其一种几何尺寸，图12和图14则示出了圆弧转角L型蜂窝防爆墙的结构，并例示了一种几何尺寸。

如前所述L型蜂窝防爆墙由中心的蜂窝芯层（蜂窝夹层）2和两侧的钢板面板组成。除了转角的区别外，两种L型蜂窝防爆墙的蜂窝芯层参数保持一致，即蜂窝芯层是由内凹弧形蜂窝胞元以3×6的布局排布，而内凹弧形蜂窝胞元按照前面已经优化的结果尺寸，即内凹角取45°，宽高比取1.1。计算出该胞元的几何尺寸为：宽度l=0.0363m，高度h =0.033 m。而蜂窝胞元的厚度取t=0.001 m。

具体地，防爆墙的基本构造表现在墙体上包括相对于生活区4或者说被防护对象而向外的前面板1和面向被防护对象如生活区4的后面板3，前面板1与后面板3间平行设置，且留有一定距离，形成空间，在该空间内设有蜂窝芯层2。依次为参考，而具有确定的前、后，在此参考系下，以被防护对象为基准，前也表现为外，而后也表现为内。

此外，对于防爆墙而言，传统概念下，前后方向也是防爆墙的厚度方向，防爆墙的延展方向为上下延展和左右延展，其中上下延展方向即防爆墙的高度方向，而左右延展方向即防爆墙的高度方向。在本发明的实施例中，除非单独说明，参考系以前述的前后左右上下为基准。

下面结合防爆墙的防爆机理，结合说明书附图详细描述本发明的原理，并以具体实施例的方式阐述本发明的优点和具体效果。

区别于传统的防爆墙，图10所示防爆墙为L型防爆墙5，其包括两个墙体，记为第一墙体和第二墙体，图中可见，其中一个墙体直接面朝设备区6，记为该墙体为第一墙体，另一个墙体则位于图中生活区4的下侧，两个墙体均立式设置，并在图中相邻端，两墙体间固定连接为一体结构。

另外，图10中可见，生活区4在平台上稍向一侧偏置，L型防爆墙5中的第二墙体位于偏置侧的相对侧。

应知，L型防爆墙5示出了一种配置方式，从本发明的实施例中可以看出，借助于L型防爆墙5的基本原理，防爆墙可以具有两面第二墙体，而在第一墙体的左右两端各配置有一面。

下面继续采用部分的模型（如图13和图14）来分析防爆墙的抗爆能力。采用ALE方法对多点炸药爆炸下的L型蜂窝防爆墙的抗爆结果进行模拟。在ALE方法中需要建立欧拉域，而分析的结构和炸药均包含在欧拉域中。欧拉域在本章定义的是空气域，空气域的尺寸和防爆墙的位置如图15所示。采用关键字INITIAL_DETONATION定义方形炸药的中心为起爆点，其当量由其体积决定。为了消除空气域边界反射对防爆墙结构爆炸响应的影响，将空气域的边界设为无反射边界避免反射的发生。考虑到数值模拟的精确性和计算效率，经过网格敏感性分析得到防爆墙结构的蜂窝芯层和面板的网格单元大小均为0.01 m。而为了更精确的计算流固耦合的结果，空气域网格的大小也定义为0.01 m。

为了更好的计算模拟出L型蜂窝防爆墙在多点爆炸下的抗爆性能，在本部分内容中通过改变炸药的位置与数量，设置不同的工况，来达到模拟出不同爆炸场景下防爆墙抗爆性能的目的。在两点爆炸的情况下，分析爆炸间距对于防爆墙抗爆性能的影响，并且与同等当量的单点爆炸进行对比。两点爆炸的炸药在防爆墙竖直方向0.25 m处的两侧分布，其爆炸间距为2L，其位置如图16左图。而与两点爆炸同等当量的单点爆炸的位置如图16右图所示。而不同爆炸间距的两点爆炸的工况如表3。

表3 不同工况

多点爆炸作用于L型蜂窝防爆墙的工况可以分为两种不同L型蜂窝防爆墙的单点、两点和三点爆炸。其中，单点爆炸、两点爆炸和三点爆炸的炸药与L型蜂窝防爆墙的位置和布局如图17。三点爆炸的工况即单点工况与两点工况的结合。不同结构的多点爆炸的工况如表4所示。

表4 不同工况

下面考察单侧多点爆炸模拟结果：

（1）冲击波在蜂窝防爆墙中的传递规律：

为了研究防爆墙在不同爆炸间距的两点爆炸下的损伤变形，改变两点爆炸之间的间距进行数值模拟，并且与等当量的单点爆炸进行对比。在一个实验中，两点爆炸间距为0.18 m时，考察两点爆炸的冲击波的传递云图。可以从传递云图的动态变化中得到，在等当量的两点炸药起爆后，起初压力波的形状与炸药的形状类似，并且压力最大的位置在炸药的内部。随着时间的增加，两冲击波变为圆形并在两点的中心对称面上相遇，并且在中心对称面上两冲击波发生碰撞和叠加，形成新的波阵面向中心两侧继续传播。由于冲击波的叠加，使得在中心对称面的位置的压力明显高于其他位置的压力。原来的两波阵面会提前到达结构处，使结构产生变形。而冲击波在受到防爆墙的阻隔后冲击波会沿着防爆墙传播、扩散，最终作用在整个一侧的防爆墙上。

进一步考察冲击波作用在防爆墙上的压力传播云图，在冲击波传播到防爆墙上，防爆墙上的压力会和两点炸药相对应，并且因为新的波阵面的作用，中心位置的压力高于两侧的压力。而随着压力的传播，会在防爆墙上形成两个负压的位置，最终两负压在中心位置合并成一个负压。压力最高的位置在防爆墙边界的位置。

下面考察不同爆炸间距下防爆墙的变形：

不同爆炸间距的两点爆炸对于单侧防爆墙造成的变形特征具有相同的规律。前文描述了爆炸间距为0.18 m时，以模拟的爆炸云图的方式压力传播情况。对应地，防爆墙变形的情况也基于防爆墙的变形，也采用云图的方式进行模拟。从防爆墙变形云图中可以看出，两点爆炸产生的冲击波传递到防爆墙上，会对防爆墙产生两个明显的变形位置，而随着冲击波在防爆墙上的扩撒，使得中心位置的变形越来越大，最终形成以中心位置为最大变形的单点凹陷。

对不同爆炸间距下的防爆墙的变形图进一步模拟。从模拟的结果中可以看出不同爆炸间距的防爆墙的变形模式基本一致，最终都是在中心位置产生单点的凹陷。而变形的范围随着间距的变大也在不断变大。两点爆炸的结果与单点爆炸的对比可以发现，爆炸间距越小，其变形范围与单点爆炸越一致。根据表5可得，当爆炸间距大于等于0.18 m时，其最大变形δ _max均小于单点爆炸的最大变形。而当爆炸间距小于0.18 m时，其最大变形δ _max大于单点爆炸的最大变形，且间距越小最大变形越大。这说明多点爆炸在等当量的情况且间距小于一定值时，对结构造成的变形大于同等当量的单点变形。

表5 不同爆炸间距的最大变形

根据不同爆炸间距的最大变形绘制了最大变形δ _max与爆炸间距的曲线图，如图25所示。可以发现随着爆炸间距的变大，防爆墙的最大变形δ _max也在不断变小，并且最大变形与爆炸间距的关系可以近似为线性关系。可见同等当量的多点爆炸其间距越大，对结构造成的损伤越小。

另外，通过防爆墙变形云图的模拟，以及界面变形图的模拟可以发现，爆炸冲击波对蜂窝结构造成的变形主要集中在蜂窝夹层的迎爆面。迎爆面附近的蜂窝胞元变形程度最大，而背板以及其附近的蜂窝胞元的变形很小，这表明该型防蜂窝夹层爆墙能够有效的保护防爆墙后的结构。

下面验证5.2 L型蜂窝防爆墙在多点爆炸下的抗爆性能：

为了测试两种不同转角的L型防爆墙在不同爆炸载荷下的抗爆能力，采用三种不同的爆炸荷载即单点爆炸、两点爆炸和三点爆炸分别对L型防爆墙进行爆炸加载。

采用前述同样的方式模拟三种不同爆炸载荷的冲击波云图。通过冲击波云图的直观模拟，可以看出单点爆炸的冲击波遇到L型蜂窝防爆墙的转角会在转角的作用下，分散到两侧。两点爆炸分布在L型蜂窝防爆墙的两侧，而两冲击波会率先与防爆墙发生碰撞，再之后会在转角位置相遇形成新的波阵面，进而与转角发生碰撞。三点爆炸形成的冲击波，由于距离过近，会率先相遇形成新的波阵面。而由于三点爆炸的特殊布局，使得两个新的波阵面之间彼此垂直，再次相遇后又会形成波阵面进而对防爆墙转角作用。

为了能更好的比较出两种防爆墙在转角上的区别，对单点爆炸的防爆墙上压力的传播规律进行对比，采用前述同样的方式模拟两种防爆墙在转交上的变形情况。根据模拟情况可以看出直角转角的L型防爆墙在接触到冲击波后，其压力的最高值基本在转角附近，并且其压力传递到两侧后，压力的范围也仅仅是单侧一半的区域，并不能将压力很好的分散。而圆弧转角的L型防爆墙在一开始接触到冲击波后，就将压力分散到了比较大的范围，而在后续压力传递时，也能更好的覆盖到单侧大部分区域，更好的将压力分散到整个防爆墙上。并且对比两种防爆墙的最大压力，可以发现圆弧转角的压力小于直角转角的压力，这更加能够体现圆弧转角分散压力的能力更强。

进一步地，模拟为两种不同转角的L型蜂窝防爆墙在不同爆炸载荷下的最大变形云图。分析最多变形云图可以发现，在转角位置的单点爆炸对防爆墙造成的损伤明显小于其他位置的爆炸。转角会将爆炸冲击波分散，使得冲击波不会直接垂直冲击防爆墙，减小防爆墙受到的损伤。

从模拟的单点爆炸云图可以发现，单点爆炸对直角转角防爆墙造成的最大变形不在转角位置且距离转角有一定距离。而单点爆炸对圆弧转角防爆墙造成的最大变形位于转角处，而且由于转角位置存在两个方向的支撑，其最大变形小于直角转角防爆墙的最大变形。而一实施例中从模拟的最大变形云图中可以得到，直角转角的防爆墙在单点爆炸、两点爆炸和三点爆炸下的最大变形分别为0.576 mm、16.88 mm和17.71 mm（作为同当量下对比的数据），圆弧转角的最大变形分别是0.2336 mm、0.8693 mm和2.397 mm。根据最大变形绘制出柱状图，如图23所示。对比图23中的最大变形可以得到，圆弧转角的防爆墙的变形明显小于直角转角的防爆墙。由于圆弧转角将垂直的防爆墙连续的连接到一起，并且其中的蜂窝芯层也通过圆弧转角连接到一起，这样就保证了在转角位置也具有蜂窝夹层的抗冲击特性。而直角转角只是单纯的连接表层的面板，蜂窝芯层在转角位置明显的割裂开，不能发挥蜂窝夹层的抗冲击特性。

因此，在一些实施例中，直角转交的前面板1和后面板3可以是钢板折弯而成，也可以是分体的面板通过焊接而成，还可以采用可拆式的结构，例如通过角材，角材上开螺栓孔，前面板和后面板边缘可以设翻边，翻边上对应开螺栓孔，相应例如两块前面板1间通过螺栓连接。

一般而言，铆接作为一种不可拆连接，其抗疲劳性能要远高于螺栓，同时相对于焊接，铆接属于准可拆连接。但应知，对于防爆墙，在大多数情况下其属于长期固定物，因此，采用铆接要优于螺栓连接。

定义L型防爆墙的两个墙板其一为第一墙板，另一为第二墙板，两个墙板连接侧构造为45度斜角，对接形成90度拐角，然后前后面板相应焊接或者以其他方式连接为一体。

在一些实施例中，第一墙板固定后，第二墙板抵靠在第一墙板的后面板3上，第二墙板的前后面板与第一墙板的后面板3间进行固定连接。

在本发明的实施例中，关于板板连接均可以采用通过角材的方式进行连接，此时无需设置翻边，也可以设置翻边。如果板板对应边缘设有翻边时，则不必通过角材作为附件进行板板连接。

关于蜂窝芯层2，在两个墙体上可以是连续芯层，也可以是分体的。如果是分体的，在优选的实施例中，需要对两墙体间的连接部分进行加固。

蜂窝芯层2是防爆墙的主要构成之一，而蜂窝胞元则是蜂窝芯层2的阵列单元，下面先描述蜂窝胞元的几何特征，为利于描述，对于蜂窝胞元，采用不同的参考系，具体参见说明书附图1~3，图中，h为蜂窝胞元的高度；l为蜂窝胞元的宽度；a为蜂窝胞元间连接件的宽度；t为蜂窝胞元的壁厚；θ ₁ 和θ ₂ 为蜂窝胞元不同胞壁间的角度；θ为内凹蜂窝胞元的内凹角度，其中内凹弧形的θ角度定义为圆弧在端点的切线与水平方向之间的夹角。

其中，图1例示的蜂窝胞元为箭形蜂窝胞元，在图中的上下端对应于蜂窝芯层2的厚度方向，即前后方向，对应于蜂窝胞元的高度h；图2和图3中例示的蜂窝胞元同理。

例如图2中的内凹六边形蜂窝胞元，基于垂直于纸面的平面内的四方连续阵列，形成一层蜂窝单元，一个蜂窝芯层2往往由多层蜂窝单元组成，层数一般为4~7层，5层居多。

图4示出了一种蜂窝芯层2的结构示意图，图中可见蜂窝胞元为内凹弧形蜂窝胞元，整体为5层，图中，H表示蜂窝芯层2的高度，即竖向尺寸；T表示蜂窝芯层的厚度，即前后方向的尺寸。

了保证不同蜂窝芯层的质量一致性，采用相对密度对蜂窝芯层进行设计，得到蜂窝胞元的尺寸与排布数量。设N1和N2分别表示蜂窝芯层在高度方向和厚度方向上的胞元数量。因此，箭形蜂窝芯层的相对密度∆ρA，内凹六边形蜂窝芯层的相对密度∆ρCh，内凹弧形蜂窝芯层的相对密度∆ρCa为:

此处，为了便于比较三种蜂窝结构的抗爆性能，三种蜂窝芯层的相对密度∆ρA、∆ ρCh、∆ρCa应为相等。

据此，可以确定蜂窝胞元的数量和每种蜂窝胞元的尺寸。在保持相对密度一致的情况下，计算了三种蜂窝芯层的单元数和尺寸，如表1所示。

表1蜂窝胞元的数量和尺寸

下面以L型防爆墙5中的一面墙板为例进行说明，记为单面蜂窝芯层防爆墙，两面或三面组合后即为L型防爆墙5。

在一个实施例中，单面蜂窝芯层防爆墙由前面板1、后面板3和具有五层蜂窝胞元的蜂窝芯层2组成，两个面板的厚度均为2 mm，蜂窝芯层2的厚度为200 mm，即，蜂窝芯层防爆墙的总厚度为204 mm。由于全尺寸的L型防爆墙5太过复杂，会使得计算效率大大降低，因此，为了分析不同胞元构型对防爆墙的抗爆性能的影响，可采取简化方法，即只建立局部模型，尺寸为1 m×0.8 m×0.204 m，如图5所示。

鉴于各蜂窝胞元构型大致相同，仅蜂窝胞元形状不同，因此，图5~图7示出了三种不同的蜂窝胞元为基本单元的单面防爆墙模型。

在爆炸过程中，巨大的爆炸冲击波通常会导致材料塑性变形甚至断裂。因此，选取合适的材料对于结构分析是至关重要的。在本发明的一个实施例中选择316不锈钢作为面板材料，三种蜂窝芯层均采用A5052铝合金材料制成。

在本发明的实施例中，采用最大挠度(δ _max )和比吸能(SEA)这两项指标来研究蜂窝夹层防爆墙的抗爆性能。

最大挠度(δmax)是评价爆炸荷载作用下结构变形的常用指标。抗爆性能较强的蜂窝夹层结构通常出现较小的δ _max 。比吸能(SEA)是蜂窝芯层结构单位质量所吸收的能量，可以定义为：

式中，σ为结构变形过程中的应变；ε为结构变形过程中的应力；M为蜂窝芯层的质量；TEA为蜂窝芯层的塑性吸收能量。SEA值越高，夹层结构的抗爆性能越好。

从上述两个指标δ _ma x和SEA的定义可以看出，在实际的蜂窝夹层防爆设计中，这两个指标要同时考虑。在此，为了综合评价夹层结构的抗爆性能，将SEA与δ _max 的比值定义为P:

P表示结构单位冲击深度的比吸能。可以看出，P值越高，结构的抗爆性能越好。

下面分析不同蜂窝胞元构型的影响：

最大挠度δ _max 定义为前面板中心点的挠度，即在整个蜂窝夹层防爆墙结构中挠度最大的点。根据模拟的结果计算了三种胞元构型防爆墙的δ _max 值，列在表2中。通过对比δ _max 可以看出，内凹弧形蜂窝夹层防爆墙(构型III)变形最小，为0.0575835 m，而内凹六边形蜂窝夹层防爆墙(构型II)变形最大，为0.1346310 m。由此可见，内凹弧形蜂窝夹层防爆墙(构型III)抗爆变形性能最佳。

表2 三种构型的抗爆指标

另一方面，可以从蜂窝夹层结构的SEA来评价防爆墙的抗爆性能。根据模拟的结果计算了三种构型的SEA值，列在表2中。通过对比SEA可以看出，内凹弧形蜂窝夹层防爆墙(构型III)的SEA最小，为1138.625587 J•kg^-1，而内凹六边形蜂窝夹层防爆墙(构型II)的SEA最大，为1516.538976 J•kg^-1。由此可见，内凹六边形蜂窝(构型II)在抗爆过程中吸能能力最好，这与基于最大变形δ _max指标的评价似乎不一致。

如上文所述，P这一综合指标是评价蜂窝夹层防爆墙抗爆性能的较好选择。因此，计算出P的值，并列在表2中。对比图18中三个指标可以看出，内凹弧形蜂窝夹层防爆墙(构型III)P值最大，为19773.46961 J•(kg•m)^-1，证明构型III在三种蜂窝结构中对爆炸载荷下设备的防护效果最好。

下面描述内凹弧形防爆墙的抗爆性能优选方案：

通过改变蜂窝胞元的几何参数，可以改变蜂窝夹层的力学性能。从上述分析结果和评价结果来看，可以选择内凹弧形蜂窝作为蜂窝夹层防爆墙的基本构造形式。然而，蜂窝胞元不同的几何参数，如内凹角(θ)和宽高比(l/h)，也会对爆炸荷载作用下的抗爆性能产生重要影响。

基于此，在选择了内凹弧形蜂窝作为基本构型之后，下一步将对内凹弧形胞元的不同的几何参数进行优化，从而获得最佳的抗爆性能。

参见图2，先考虑内凹角θ的优选示例：

为了对内凹弧形蜂窝的内凹角θ进行优化，在0°到90°之间取间隔为10°的15°、25°、35°、45°、55°、65°和75°这7个内凹角(θ)分别设计内凹弧形蜂窝夹层防爆墙，改变内凹角时其他参数保持一致。图8为所建立的不同内凹角的内凹弧形蜂窝夹层防爆墙的有限元模型。基于相同的模拟方法，对这些模型进行了数值分析。

图19为δ _max -θ曲线，从中可以看出，蜂窝夹层防爆墙的最大挠度δ _max随内凹弧形蜂窝的内凹角θ的增大而逐渐减小。结果表明，内凹角θ值越大，减小最大变形量的效果越好。图20为SEA-θ曲线，从中可以看出，蜂窝夹层防爆墙的SEA随着θ的增大逐渐减小。结果表明，内凹角越小，吸能效果越好。

另外，我们绘制了综合指标(P)-内凹角(θ)曲线，如图21所示。从曲线可以看出，随着θ的增大，比值P先增大后减小。当θ为45°时，比值P达到最大值。由图18可以看出，当θ增大时，内凹弧线变得越来越直。当内凹角足够大时，内凹弧结构本身将失去负泊松比的特性和能量吸收的优势，从而使P值降低。

下面考虑宽高比(l/h)的优选示例：

图9为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5这6个宽高比(l/h)的内凹弧形蜂窝夹层防爆墙模型。在改变宽高比的情况下，其他几何参数、边界条件和爆炸载荷均与上一节保持一致。在此条件下，研究宽高比对于抗爆性能的影响。

图22为最大挠度(δ _max)–宽高比(l/h)曲线，可以看出，蜂窝夹层防爆墙的最大挠度δ _max随着宽高比l/h的增加而逐渐增大。结果表明，宽高比l/h越小，减小最大变形量的性能越好。图23为SEA-θ曲线，从中可以看出，蜂窝夹层防爆墙的SEA随着宽高比的增大而逐渐增大。结果表明，宽高比l/h越大，能获得更好的抗爆性能，吸收更多的爆炸冲击波产生的能量。

另外，绘制了P–长宽比l/h曲线，如图24所示，由图可以看出，随着宽高比l/h的增加，比值P先增大后减小。当宽高比l/h=1.1时，P达到最大值。此时，内凹角蜂窝夹层防爆墙的抗爆性能最优。

综合以上内容可知，内凹弧形蜂窝胞元为最佳构型，且最优的几何尺寸分别为：内凹角(θ) 取45°，宽高比(l/h) 取1.1。但应知，该两几何参数为最优参数，在优选及可用的范围内本领域的技术人员仍可根据自己的需求而选用不同的参数数值，但应知，最优往往不具有可替换性。

进一步地，如前所述，内凹弧形蜂窝夹层防爆墙的抗爆性能优于箭形蜂窝夹层防爆墙和内凹六边形蜂窝夹层防爆墙，但应知，作为可用的手段，箭形蜂窝夹层防爆墙和内凹六边形蜂窝夹层防爆墙仍有其适用空间。

而作为最优选择的内凹弧形蜂窝夹层防爆墙的最大挠度随着内凹角的增大而减小；然而，它会导致更多的能量吸收。综合来看，凹角为45°时，可获得最佳的抗爆性能。

作为设计参考，例如两点爆炸产生的冲击波会在其蜂窝防爆墙中心对称面的位置在结构上产生一个负压区域，并且在结构上的最高压力围绕着边界分布。

Claims (10)

1.一种海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，包括：

第一墙板，立式地遮蔽在被保护对象第一侧；

第二墙板，立式地遮蔽在被保护对象的第二侧，该第二侧与所述第一侧为相邻侧；相应地，相互垂直的第一墙板与第二墙板间在相邻的端部处固定连接为一体；

所述第一墙板和所述第二墙板均包括相对于被保护对象而位于外侧的前面板和位于内侧的后面板，以及位于前面板和后面板之间的蜂窝芯层。

2.根据权利要求1所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，第一墙板与第二墙板间直角连接或者通过圆角过渡连接。

3.根据权利要求2所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，若第一墙板与第二墙板间为直角连接，第一墙板与第二墙板间具有：

第一连接方式，该第一连接方式中第二墙板一端部抵靠在第一墙板相应端侧面，第二墙板的前后面板与第一墙板的后面板间焊接或通过角材或翻边的铆接或螺栓连接；

第二连接方式，该第二连接方式中第二墙板与第一墙板的前墙板间为一体折弯板或固定连接，后面板间为一体折弯板或固定连接；固定连接方式为焊接或通过角材或翻边的铆接或螺栓连接；

若第一墙板与第二墙板间为圆弧过渡连接，至少相应两前面板间为圆弧过渡连接，则第一墙板与第二墙板间具有：

第三连接方式，相应两前面板间整体折弯而成，形成前圆弧过渡部；若后面板间也为圆弧过渡连接，则相应两后面板间整体折弯而成，形成后圆弧过渡部；

第四连接方式，相应两前面板间通过前圆弧过渡件固定连接；若后面板间也为圆弧过渡连接，则相应两后面板间通过后圆弧过渡件固定连接。

4.根据权利要求3所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，所述外圆弧过渡部或所述外圆弧过渡件的半径为蜂窝芯层厚度的0.9~1.5倍。

5.根据权利要求3所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，第二~第四连接方式中，两蜂窝芯层间为连续蜂窝芯层。

6.根据权利要求1所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，所述蜂窝芯层为内凹弧形蜂窝芯层。

7.根据权利要求1或6所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，蜂窝芯层的层数为4~7层，厚度为0.16m~0.28m。

8.根据权利要求6所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，内凹弧形蜂窝芯层中蜂窝胞元为内凹蜂窝胞元，该内凹蜂窝胞元的内凹角为40~50度；宽高比为0.9~1.3。

9.根据权利要求8所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，所述内凹角为45度；宽高比为1.1。

10.根据权利要求1所述的海洋平台蜂窝芯层防爆墙，其特征在于，蜂窝芯层各层间蜂窝胞元的宽高比不同，自前至后成梯度变化。