固支圆形泡沫铝夹芯板在爆炸作用下变形研究.pdf

第36卷 第4期 2019年12月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 4  Dec. 2019 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2019. 04. 019 固 支 圆 形 泡 沫 铝 夹 芯 板 在 爆 炸 作 用 下 变 形 研 究 * 康 建 功 ， 孙 妙 娟 （ 重 庆 工 商 大 学 融 智 学 院 ， 重 庆401320） 摘 要 为 研 究 泡 沫 铝 夹 芯 板 （简 称 “AFSP”）的 抗 爆 特 性 及 其 与 泡 沫 铝 板 或 实 体 金 属 板 抗 爆 性 能 差 异 ， 对 3种 固 支 圆 形 板 在 钢 管 内 油 气 混 合 物 点 火 产 生 的 爆 炸 荷 载 作 用 下 残 余 变 形 进 行 试 验 研 究 。主 要 分 析 泡 沫 铝 板 在 爆 炸 荷 载 下 破 坏 特 点 、 相 同 荷 载 条 件 下AFSP与 实 体 金 属 板 残 余 变 形 大 小 差 异 、 面 板 材 质 与 芯 材 厚 度 的 变 化 对AFSP残 余 变 形 的 影 响 等 。试 验 结 果 显 示 单 独 泡 沫 铝 板 在 爆 炸 荷 载 作 用 下 易 发 生 整 体 剪 切 破 坏 ； 与 实 体 板 相 比 ， 芯 材 厚 度 为16 mm的AFSP在 质 量 仅 增 加25. 9％的 条 件 下 ， 残 余 变 形 减 小48.5％； 同 载 同 重 的 钢 面 板 较 不 锈 钢 面 板AFSP的 残 余 变 形 量 减 小30. 7％；AFSP的 芯 材 厚 度 由8 mm增 加 至16 mm， 在 荷 载 稍 有 增 加 时 ， 残 余 变 形 反 而 减 少 了51. 6％。AFSP较 相 同 重 量 的 实 体 金 属 板 具 有 更 好 抵 抗 爆 炸 荷 载 的 能 力 ，AFSP 的 芯 材 厚 度 与 面 板 材 料 是 影 响 其 抗 爆 性 能 的 两 个 重 要 因 素 ，AFSP是 一 种 具 有 较 好 抗 爆 性 能 的 复 合 材 料 。 关 键 词 结 构 动 力 响 应 ；油 气 爆 炸 荷 载 ；抗 爆 性 能 ；泡 沫 铝 夹 芯 板 ；残 余 变 形 中 图 分 类 号 O383 ＋ . 2 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1001 －487X（2019）04 －0126 －06 Study on Deation of Clamped Circular Aluminium Foam Sandwich Panels Subjected to Explosion KANG Jian-gong，SUN Miao-juan （Rongzhi College，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 401320，China） Abstract In order to study the blasting resistance characteristics of aluminum foam sandwich panels（AFSP） and its anti-explosion property difference with aluminum foam and solid metal plates，residual deation of three typical clamped circular plates under the explosion loading caused by the ignition of oil and gas mixture in a steel tube was studied. The failure characteristics of the aluminum foam sheet under explosive loading was investigated. The residual deation of AFSP and the solid metal plate under the same load condition was compared. The influ- ence of thickness of panel material and core material on residual deation of AFSP was studied. The test results show that the single foam aluminum plate is prone to shear failure under blasting loading. Compared with the solid plate，the residual deation of the AFSP with a core thickness of 16 mm was reduced by 48. 5％ under the condi- tion that the mass was only 25. 9％. While the residual deation of the steel panel with same weight is reduced by 30. 7％ compared with that of the stainless steel panel. The thickness of AFSP increased from 8 mm to 16 mm，but the residual deation decreased by 51. 6％ when the load increased slightly. AFSP possessed a better ability to re- sist explosive loading than the solid metal plate with same weight. The core thickness and panel material of AFSP are two important factors affecting its explosive resistance，and AFSP has excellent explosive resistance. Key words dynamic response of structure；oil and gas explosion loading；blasting-resistance perances；a- luminum foam sandwich panels（AFSP） ；residual deation 收 稿 日 期 2019 －10 －03 作 者 简 介 康 建 功 （1980 －） ， 男 ， 副 教 授 、 博 士 ， 从 事 新 材 料 新 结 构 抗 冲 击 抗 爆 炸 性 能 研 究 ， （E-mail）13212334313＠ qq. com。 基 金 项 目 重 庆 工 商 大 学 融 智 学 院 博 士 项 目 （20165001） 金 属 泡 沫 夹 芯 板 是 由 金 属 面 板 与 泡 沫 金 属 芯 材 共 同 组 成 的 新 型 复 合 板 。因 其 比 强 度 高 、 吸 能 好 、 质 万方数据 量 轻 等 优 点 ， 被 广 泛 用 于 军 事 、 交 通 、 航 空 及 航 海 等 领 域 ［1］。在 这 些 领 域 中 ， 冲 击 与 爆 炸 荷 载 是 常 见 两 种 典 型 荷 载 ， 故 其 抗 爆 性 能 得 到 国 内 外 学 者 的 重 点 关 注 。泡 沫 金 属 本 身 是 一 种 新 兴 材 料 ， 其 力 学 性 能 研 究 还 未 完 全 成 熟 ， 基 于 其 研 究 基 础 上 的 金 属 泡 沫 夹 芯 抗 爆 性 能 相 应 也 处 于 探 索 研 究 阶 段 。作 为 典 型 泡 沫 金 属-AFSP亦 如 此 。为 此 ， 开 展AFSP抗 爆 性 能 的 试 验 研 究 工 作 。 AFSP的 抗 爆 性 能 是 由Fleck NA等 人 率 先 开 始 研 究 ［2］。研 究 聚 焦 在 爆 炸 荷 载 作 用 下 AFSP的 变 形 模 式 。提 出 三 阶 段 变 形 假 定 模 式 （荷 载 与 结 构 作 用 段 、 芯 材 压 缩 段 及 结 构 本 身 动 力 响 应 段 ） 。Shiqiang Li等 人 在 此 基 础 上 又 做 了 梯 度AFSP抗 爆 性 能 研 究 ， 给 出 了 梯 度AFSP在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 变 形 与 破 坏 模 式 ［3］。指 出 并 非 所 有 的 梯 度 AFSP抗 爆 性 能 均 优 于 单 一AFSP。并 提 出 爆 炸 荷 载 作 用 下AFSP 的 三 种 变 形 模 式 （芯 材 无 压 缩 类 的 塑 性 大 变 形 、 芯 材 全 局 压 缩 类 的 大 变 形 及 芯 材 局 部 压 缩 类 的 大 变 形 ） 。Chengjun Liuat等 人 研 究 结 果 显 示 ［4］， 增 加 芯 材 厚 度 对 夹 芯 板 吸 能 性 能 增 加 缓 慢 ， 而 增 加 面 板 厚 度 与 更 换 面 板 材 料 对AFSP性 能 影 响 显 著 。以 上 研 究 工 作 是AFSP抗 爆 性 能 研 究 的 主 要 内 容 和 焦 点 问 题 。除 此 之 外 ， 王 曦 浩 等 人 、 顾 文 彬 等 人Radford D D、Hanssena A G等 人 、 王 张 建 亮 等 人 均 对AFSP抗 爆 性 能 进 行 了 研 究 ［5-9］， 主 要 聚 焦 于 面 板 、 芯 材 及 外 荷 载 变 化 对AFSP抗 爆 性 能 及 吸 能 性 能 的 影 响 等 。 综 上 ， 面 板 、 芯 材 及 荷 载 变 化 的 影 响 是AFSP抗 爆 性 能 研 究 的 热 点 与 重 点 问 题 ， 但 油 气 爆 炸 荷 载 作 用 下 这 些 因 素 对AFSP抗 爆 性 能 影 响 的 相 关 文 献 鲜 见 报 道 。为 此 ， 以 管 道 内 油 气 爆 炸 荷 载 作 为 加 载 条 件 ， 对AFSP的 抗 爆 性 能 展 开 研 究 ， 主 要 聚 焦 于 面 板 材 料 变 化 、 芯 材 厚 度 变 化 及 荷 载 变 化 对AFSP抗 爆 性 能 的 影 响 。 1 试 验 设 计 1. 1 爆 炸 荷 载 设 备 设 计 为 在 安 全 条 件 下 得 到 比 较 理 想 的 板 面 均 布 爆 炸 荷 载 ， 避 免 在 试 验 中 由 于 荷 载 不 均 匀 导 致 试 验 结 果 的 偏 差 ， 本 试 验 借 签N Jacob等 人 的 加 载 思 想 ［9］， 设 计 出 如 图1所 示 的 爆 炸 加 载 装 置 。该 装 置 由 一 内 径 为365 mm、 厚 度 为30 mm、 长 度 为3300 mm的 圆 形 钢 管 制 成 （ 下 文 简 称 加 载 装 置 ） ， 一 端 开 口 用 法 兰 盘 直 接 封 堵 ， 另 一 端 开 口 安 装 试 件 。在 钢 管 中 间 位 置 安 装 汽 油 添 加 装 置 与 红 外 线 分 析 仪 ， 用 于 给 钢 管 添 加 汽 油 与 测 量 钢 管 中 汽 油 与 空 气 混 合 比 例 。爆 炸 荷 载 由 点 燃 该 装 置 中 的 油 气 混 合 物 爆 炸 产 生 。此 方 式 较 炸 药 加 载 具 有 易 重 复 、 好 控 制 ， 安 全 好 等 特 点 。 图1 测 试 系 统 示 意 图 Fig. 1 Sketch of test system 试 验 步 骤 如 下 在 汽 油 添 加 装 置 里 装 好 一 定 量 的 汽 油 ， 通 过 真 空 循 环 泵 使 得 汽 油 与 空 气 均 匀 混 合 。 当 红 外 线 分 析 仪 采 集 到 的 油 气 混 合 物 比 例 达 到 预 定 稳 定 状 态 时 ， 关 闭 循 环 。然 后 通 过 导 火 索 及 电 子 点 火 器 在 点 火 口 点 火 ， 点 火 产 生 的 爆 炸 荷 载 用 于 试 验 加 载 。每 次 试 验 完 成 后 ， 用 真 空 循 环 泵 把 钢 管 里 的 剩 余 气 体 抽 出 ， 等 装 置 中 的 温 度 及 空 气 成 份 均 恢 复 至 与 室 内 空 气 相 同 时 ， 再 进 行 下 一 次 试 验 。 1. 2 试 验 条 件 及 荷 载 测 量 试 验 基 本 条 件 ， 室 内 温 度20℃， 爆 炸 装 置 内 温 度24℃左 右 ， 装 置 内 混 合 气 体 的 比 例 为 油∶空 气＝ 1∶76. 9， 爆 炸 发 生 后 ， 残 余 混 合 气 体 中 油 与 空 气 的 比 例 为 油∶气＝1∶344. 8。每 次 爆 炸 反 应 后 爆 炸 装 置 内 高 温 为135℃左 右 。 爆 炸 荷 载 通 过 装 置 壁 上 的 压 力 传 感 器 进 行 测 量 ， 并 通 过SDY2105高 速 动 态 应 变 仪 及TST3125动 态 测 试 分 析 仪 联 合 给 出 爆 炸 荷 载 的 时 间 历 程 曲 线 。 试 验 测 得 典 型 爆 炸 荷 载 压 力-时 间 历 程 曲 线 如 图2 所 示 。由 图2可 知 ， 与 炸 药 爆 炸 荷 载 的 时 间 历 程 曲 线 相 比 ， 油 气 爆 炸 荷 载 时 间 历 程 曲 线 也 具 有 典 型 的 峰 值 压 力 ， 形 状 也 为 三 角 形 。但 油 气 爆 炸 荷 载 升 压 速 率 与 炸 药 相 较 为 缓 慢 。 在 本 次 试 验 的 测 试 范 围 内 ， 每 次 试 验 爆 炸 荷 载 的 持 续 时 间 基 本 相 同 ， 故 下 文 分 析 时 只 考 查 峰 值 压 力 大 小 的 影 响 ， 忽 略 了 持 续 时 间 的 影 响 ， 这 种 简 化 对 结 论 不 会 产 生 实 质 的 影 响 。 1. 3 试 件 的 材 料 性 能 试 验 用 泡 沫 铝 为PML_725型 闭 孔 泡 沫 铝 ， 其 密 度 为0. 19 ～0. 48 g／ cm3。泡 孔 的 主 孔 径 约 为3. 0 ～ 4.5 mm， 孔 壁 厚 度 约 为0.3 ～0.6 mm。加 工 试 件 采 用 线 切 割 ， 尽 量 保 证 试 件 截 面 泡 沫 铝 孔 洞 的 原 始 状 态 。 721第36卷 第4期 康 建 功 ， 孙 妙 娟 固 支 圆 形 泡 沫 铝 夹 芯 板 在 爆 炸 作 用 下 变 形 研 究 万方数据 图3为 该 材 料 在 应 变 率 为1000／ s条 件 下 的 动 态 应 力 应 变 关 系 曲 线 。由 图 可 以 看 出 ， 试 验 用 泡 沫 铝 屈 服 强 约 为6 MPa左 右 ， 泡 沫 铝 材 料 具 有 较 好 的 塑 性 变 形 能 力 ， 在 塑 性 变 形 过 程 中 吸 收 能 量 ， 以 延 缓 或 者 减 轻 结 构 本 身 的 破 坏 ， 是 一 种 较 好 的 吸 能 缓 冲 材 料 。 图2 试 验 典 型 压 力 时 程 曲 线 图 Fig. 2 Typical pressure-time curve of test 图3 泡 沫 铝 动 态 应 力 应 变 关 系 曲 线 Fig. 3 Dynamic stress-strain curve of aluminum foam 面 板 与 泡 沫 铝 芯 材 通 过 结 构 胶 粘 合 在 一 起 ， 共 同 形 成AFSP。表1给 出 试 验 中AFSP面 板 的 材 料 性 能 数 据 。 表1 面 板 材 料 性 能 表 Table 1 Material Parameters of face sheet 材 料 单 位304＃不 锈 钢 工 业 纯 铝Q235级 钢 EGPa19472210 ν0. 30. 350. 3 ρkg／ m3800027007856 fyMPa20520235 1. 4 试 件 设 计 关 于 圆 形 泡 沫 金 属 夹 芯 板 在 静 荷 载 作 用 下 的 大 变 形 ， 王 志 华 等 人 给 出 了 单 位 长 度 塑 性 极 限 弯 矩 的 计 算 公 式 ［10］ M0＝ fyhf（Hc＋ hf）＋ σcH2c 4 （1） 式 中 M0为AFSP的 极 限 弯 矩 ；fy、hf分 别 为 面 板 材 料 的 屈 服 强 度 与 厚 度 ；σcHc分 别 为 泡 沫 铝 芯 材 的 屈 服 强 度 与 芯 材 厚 度 。AFSP在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 大 变 形 主 要 是 由 于 板 四 周 及 中 心 位 置 出 现 塑 性 铰 产 生 的 。由 式 （1） 可 以 看 出 ， 影 响AFSP变 形 主 要 因 素 有 以 下 四 个 面 板 的 屈 服 强 度 与 厚 度 、 芯 材 的 屈 服 强 度 与 厚 度 等 。 经 理 论 计 算 与 现 场 实 测 ， 限 于 试 验 条 件 ， 本 文 仅 进 行 了 面 板 材 料 及 芯 材 厚 度 变 化 对AFSP塑 性 变 形 的 试 验 研 究 。试 件 均 采 用500 mm 500 mm的 矩 形 板 。在 板 上 按 照 钢 管 上 固 定 法 兰 的 孔 洞 进 行 开 孔 ， 用 于 固 定AFSP。将 板 通 过 螺 栓 紧 固 在 钢 管 一 端 ， 用 于 模 拟 一 个 周 边 固 定 约 束 的 圆 形 板 。 首 先 考 察AFSP、 实 体 金 属 板 及 泡 沫 铝 板 在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 异 同 。试 件 设 计 表 如 表2所 示 。试 验 中 的 试 件 实 物 如 图4所 示 。 表2 实 体 板 与AFSP试 件 表 Table 2 Test samples of solid panel and AFSP 板 材 种 类 不 锈 钢 板不 锈钢 板不 锈 钢夹 芯 板 不 锈 钢 夹 芯 板 泡 沫 铝 板 试 件 厚 度／ mm 232 ＋102 ＋1610 单 位 面 积 重 量／ （kgm －2） 162419. 521. 63. 5 注 表 中2 ＋10表 示 夹 芯 板 两 面 板 厚 度 为1 mm， 芯 材 厚 10 mm（ 下 同 ） 。 图4 试 件 图 Fig. 4 Samples picture in test 除 表2中 列 出 的 试 件 类 型 外 ， 试 验 还 设 计 了 泡 沫 铝 芯 材 厚 度 为8 mm、10 mm、16 mm， 面 板 为 两 块 1 mm厚 的 不 锈 钢 的AFSP在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 变 形 。用 于 研 究 芯 材 厚 度 对AFSP抗 爆 性 能 的 影 响 。 最 后 ， 设 计 了 芯 材 为10 mm厚 的 泡 沫 铝 与 相 同 质 量 ， 不 同 材 料 面 板 （不 锈 钢 面 板 、 钢 面 板 及 铝 面 板 ）的AFSP在 爆 炸 荷 载 作 用 下 变 形 。用 于 考 察 面 板 材 料 对AFSP抗 爆 性 能 的 影 响 情 况 。 在 试 验 前 ， 预 试 测 了 构 件 在 油 气 爆 炸 下 的 变 形 模 式 ， 结 果 显 示 实 体 金 属 板 与AFSP在 油 气 爆 炸 荷 821爆 破 2019年12月 万方数据 载 作 用 下 的 变 形 均 为 平 底 锅 形 态 。为 减 小 试 验 测 量 误 差 ， 在 预 测 变 形 范 围 内 从 中 心 点 分 别 向 两 边 等 间 距 各 延 伸 两 个 点 ， 作 为 构 件 变 形 测 量 点 ， 构 件 的 变 形 以5个 点 变 形 量 的 平 均 值 作 为 整 个 构 件 变 形 的 最 终 值 。每 个 点 每 次 试 验 测 量 两 次 取 平 均 值 。每 一 工 况 的 试 验 共3个 试 件 ， 结 果 也 取3个 试 件 的 平 均 值 作 为 最 终 结 果 。 试 件 的 塑 性 变 形 是 通 过 游 标 卡 尺 进 行 量 测 。试 验 前 首 先 用 游 标 卡 尺 量 测 每 个 测 点 相 对 固 定 法 兰 外 边 缘 的 相 对 距 离 ， 试 验 结 束 后 ， 再 量 测 各 个 测 量 点 相 对 于 固 定 法 兰 外 边 缘 的 相 对 距 离 。固 定 法 兰 与 管 道 两 者 紧 密 的 通 过 螺 栓 固 定 在 一 起 （如 图5所 示 ） ， 油 气 爆 炸 的 荷 载 不 足 以 使 得 固 定 法 兰 产 生 变 形 ， 故 各 量 测 点 相 对 于 固 定 法 兰 外 边 缘 的 距 离 差 值 既 为 板 发 生 的 塑 性 变 形 值 。 图5 试 件 安 装 示 意 图 Fig. 5 Sample set up in the test 2 试 验 结 果 分 析 2. 1 泡 沫 铝 板 本 身 抗 爆 性 能 首 先 验 证 泡 沫 铝 板 本 身 抗 爆 性 能 。与 测 量 实 体 金 属 板 及AFSP不 同 ， 在 测 试 泡 沫 铝 板 时 ， 在 试 件 后 又 加 装 了 一 段 钢 管 ， 并 进 行 封 闭 ， 主 要 防 止 泡 沫 铝 板 破 坏 时 飞 溅 造 成 人 员 伤 害 或 者 设 备 的 损 伤 。 图6为 泡 沫 铝 板 测 试 前 后 的 对 比 图 。由 图 可 以 看 出 ， 泡 沫 铝 虽 为 金 属 泡 沫 材 料 ， 但 其 在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 变 形 与 破 坏 呈 现 脆 性 性 质 ， 直 接 碎 裂 成 几 块 。 与 铝 的 撕 裂 塑 性 变 形 有 本 质 的 区 别 。试 验 结 果 反 映 泡 沫 铝 板 本 身 抗 爆 性 能 较 弱 ， 不 能 单 独 作 为 抗 爆 材 料 使 用 。 图6 泡 沫 铝 板 在 爆 炸 荷 载 作 用 前 后 对 比 图 Fig. 6 Comparison of foam aluminum sheet before and after blast loading 2. 2 实 体 不 锈 钢 板 与 不 锈 钢 面 板AFSP抗 爆 性 能 对 比 其 次 测 试 了 实 体 金 属 板 与AFSP在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 变 形 对 比 ， 如 图7所 示 。从 左 至 右 分 别 为 实 体 金 属 板 的 变 形 与AFSP的 变 形 对 比 图 。从 图 上 可 以 看 到 ， 两 种 板 的 变 形 模 式 基 本 相 同 ， 均 为 类 平 底 锅 式 变 形 。在 底 部 一 定 范 围 内 板 的 变 形 比 较 接 近 。 图7 AFSP在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 变 形 图 Fig. 7 Deflection of sandwich panel with aluminum foam core under blast load 试 验 结 果 如 表3所 示 。2 mm厚 的 不 锈 钢 实 体 板 在 峰 值 压 力 为0. 59 MPa的 爆 炸 荷 载 作 用 下 ， 其 平 均 位 移 为3. 93 mm， 而10 mm厚 的 泡 沫 铝 板 在 压 力 峰 值 为0. 44 MPa时 ， 却 发 生 了 破 坏 。这 说 明 泡 沫 铝 板 本 身 的 强 度 太 低 ， 不 能 单 独 用 于 抵 抗 爆 炸 荷 载 ， 要 利 用 其 质 量 小 的 特 点 ， 需 要 设 计 为 与 其 他 金 属 材 料 的 组 合 才 行 。 表3 试 验 结 果 对 比 Table 3 Compared with the results of test 试 件 种 类 不 锈 钢 板 泡 沫 铝 板 不 锈 钢 夹 芯 板 试 件 厚 度／ mm2162 ＋16 单 位 面 积 重 量／（kgm －2） 165. 621. 6 峰 值 压 力／ MPa0. 590. 440. 66 板 底 平 均 位 移／ mm3. 93破 坏2. 05 表3的 试 验 结 果 证 实AFSP较 单 独 泡 沫 铝 板 或 者 实 体 金 属 板 具 有 更 好 的 抗 爆 性 能 ， 实 现 了 “1加1 大 于2” 的 效 果 。单 独 泡 沫 铝 试 件 测 得 抗 爆 压 力 偏 小 的 原 因 ， 笔 者 认 为 主 要 是 当 压 力 峰 值 未 达 到 最 大 值 时 ， 泡 沫 铝 已 经 破 碎 ， 压 力 外 泄 导 致 。 分 析 显 示 ， 与 实 体 板 相 比 ， 芯 材 厚 度 为16mm的 AFSP在 质 量 仅 增 加25. 9％的 条 件 下 ，变 形 减 小 48.5％。 增 加 较 小 的 质 量 可 取 得 较 大 抗 爆 性 能 的 提 升 。 在 此 基 础 上 ， 又 考 察 单 位 重 量 基 本 相 同 的 实 体 金 属 板 与AFSP抗 爆 性 能 的 异 同 。由 于 严 格 满 足 单 位 质 量 相 同 条 件 的 构 件 制 作 较 为 困 难 ， 故 用 单 位 质 量 相 差 不 大 的 实 体 板 与AFSP进 行 对 比 。表4给 出 921第36卷 第4期 康 建 功 ， 孙 妙 娟 固 支 圆 形 泡 沫 铝 夹 芯 板 在 爆 炸 作 用 下 变 形 研 究 万方数据 两 者 在 爆 炸 作 用 下 的 变 形 对 比 数 据 。 表4 试 验 结 果 对 比 表 Table 4 Compared with the results of test 试 件 种 类不 锈 钢 板不 锈 钢 夹 芯 板 试 件 厚 度／ mm32 ＋16 单 位 面 积 重 量／（kgm －2） 2421. 6 峰 值 压 力／ MPa0. 620. 66 板 底 平 均 位 移／ mm2. 062. 05 由 表4的 数 据 可 以 看 出 ，AFSP在 重 量 轻 、 荷 载 大 的 条 件 下 ， 变 形 反 而 小 。由 式 （1） 分 析 可 知 ，3 mm 的 不 锈 钢 的 屈 服 弯 矩 为922. 5 Nm，而2 ＋ 16 mmAFSP的 屈 服 弯 矩 为4930 Nm。屈 服 弯 矩 是 相 同 重 量 实 体 金 属 的5. 34倍 。故 在 发 生 塑 性 变 形 情 况 下 抗 爆 性 能 提 升 在 理 论 上 也 获 得 支 撑 。 2. 3 芯 材 厚 度 对AFSP抗 爆 性 能 影 响 分 析AFSP与 实 体 金 属 板 抗 爆 差 异 后 ， 又 考 察 芯 材 厚 度 对AFSP抗 爆 性 能 的 影 响 。表5显 示 不 同 芯 材 厚 度AFSP的 试 验 结 果 。结 果 显 示 ， 在 面 板 材 料 与 厚 度 不 变 的 情 况 下 ， 增 加 芯 材 的 厚 度 可 以 在 少 量 增 加 结 构 质 量 的 前 提 下 ， 能 最 大 限 度 地 利 用 面 板 材 料 的 力 学 性 能 ， 显 著 降 低AFSP在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 变 形 ， 提 高AFSP的 抗 爆 性 能 。 表5 试 验 结 果 对 比 表 Table 5 Compared with the results of test 试 件 种 类 不 锈 钢 夹 芯 板不 锈 钢夹 芯 板 不 锈 钢 夹 芯 板 试 件 厚 度／ mm2 ＋82 ＋102 ＋16 单 位 面 积 重 量／（kgm －2） 18. 819. 521. 6 峰 值 压 力／ MPa0. 470. 680. 66 板 底 平 均 位 移／ mm4. 244. 212. 05 由 表5的 结 果 可 以 看 出 ， 芯 材 厚 度 对AFSP的 变 形 影 响 比 较 显 著 ， 变 形 基 本 相 同 的 情 况 下 ， 芯 材 厚 度 为10 mm较8 mm的AFSP承 受 荷 载 峰 值 压 力 要 大 。AFSP的 芯 材 厚 度 由8 mm增 加 至16 mm， 其 单 位 质 量 增 加 了14. 9％， 在 荷 载 增 加 的 条 件 下 ， 变 形 减 少 了51.6％， 变 形 减 少 的 比 率 较 质 量 增 加 的 比 率 大3. 5倍 ， 显 示 良 好 的 比 刚 度 。综 上 ， 芯 材 厚 度 增 加 对AFSP的 抗 爆 性 能 提 升 作 用 非 常 明 显 。增 加 芯 材 厚 度 ， 不 仅 可 以 提 高 夹 芯 板 的 整 体 刚 度 ， 也 有 更 多 泡 沫 铝 芯 材 参 与 能 量 吸 收 ， 故 使 得 增 加 芯 材 厚 度 后 夹 芯 板 具 有 更 好 的 抗 爆 性 能 。 2. 4 面 板 材 料 对AFSP抗 爆 性 能 影 响 除 芯 材 厚 度 的 影 响 外 ， 面 板 材 料 也 是 影 响AFSP 抗 爆 性 能 的 主 要 因 素 之 一 。因 此 ， 考 察 了 面 板 材 料 对AFSP抗 爆 性 能 的 影 响 情 况 。图8给 出 了 不 同 面 板 材 料AFSP变 形 对 比 图 ， 表6给 出 不 同 面 板 变 形 数 值 对 比 。对 比 显 示 ， 在 单 位 重 量 基 本 相 同 的 情 况 下 ， 钢 面 板 较 不 锈 钢 面 板AFSP的 变 形 量 减 小 30. 7％。 而 铝 面 板AFSP在 峰 值 压 力 减 小20％的 条 件 下 ， 板 底 变 形 增 加 了13. 5％。在 试 验 条 件 内 ， 钢 面 板 、 不 锈 钢 面 板 及 铝 面 板AFSP的 抗 爆 性 能 依 次 降 低 。 图8 不 同 材 料 面 板 夹 芯 板 变 形 图 Fig. 8 Deflection of sandwich panels with different materials face sheet 根 据AFSP塑 性 屈 服 弯 矩 计 算 公 式 可 得 ， 当 面 板 材 料 厚 度 相 同 时 ， 则 面 板 材 料 屈 服 强 度 高 的AFSP 抗 爆 性 能 好 。试 验 研 究 发 现 ， 塑 性 屈 服 弯 矩 与 泡 沫 铝 板 的 变 形 有 正 相 关 性 ， 但 两 者 之 间 的 精 确 量 化 关 系 需 要 通 过 更 多 的 试 验 结 果 及 理 论 分 析 。本 文 数 据 不 足 以 支 撑 得 出 两 者 的 理 论 关 系 ， 需 后 续 进 一 步 深 入 分 析 研 究 此 问 题 。 表6 试 验 结 果 对 比 表 Table 6 Compared with the results of test 试 件 种 类 铝 夹 芯 板 不 锈 钢 夹 芯 板 钢 夹 芯 板 试 件 厚 度／ mm6 ＋102 ＋102 ＋10 单 位 面 积 重 量／（kgm －2） 19. 719. 519. 2 峰 值 压 力／ MPa0. 570. 680. 68 板 底 平 均 位 移／ mm4. 784. 213. 22 3 结 论 利 用 设 计 的 钢 管 加 载 装 置 ， 通 过 油 气 爆 炸 施 加 荷 载 的 方 式 ， 研 究 了 泡 沫 铝 板 、 实 体 金 属 板 及AFSP 三 种 板 的 抗 爆 性 能 及 相 关 影 响 因 素 。研 究 结 论 如 下 （1） 泡 沫 铝 强 度 较 低 ， 虽 然 具 有 良 好 吸 能 性 能 ， 但 单 独 用 于 承 受 爆 炸 荷 载 时 ， 不 能 发 挥 其 良 好 的 吸 能 特 性 。而AFSP可 以 同 时 发 挥 面 板 材 料 良 好 强 度 031爆 破 2019年12月 万方数据 性 能 及 芯 材 的 吸 能 性 能 ， 是 抵 抗 冲 击 、 爆 炸 类 偶 然 荷 载 的 良 好 选 材 。 （2）在 同 等 荷 载 条 件 下 ，AFSP较 相 同 重 量 的 实 体 金 属 板 具 有 更 好 抵 抗 爆 炸 荷 载 的 性 能 。显 示 出 良 好 的 比 强 度 、 比 刚 度 。 （3）AFSP主 要 通 过 芯 材 变 形 吸 收 大 部 分 爆 炸 荷 载 的 能 量 ， 故 芯 材 的 厚 度 对AFSP的 抗 爆 性 能 具 有 较 为 显 著 的 影 响 ， 芯 材 厚 度 越 厚 ， 相 同 条 件 下 抗 爆 能 力 越 强 ， 从 而 使 得 夹 芯 板 总 体 变 形 减 小 。 （4）AFSP面 板 受 力 特 点 与 工 字 钢 翼 缘 类 似 ， 面 板 材 料 的 屈 服 强 度 直 接 影 响AFSP的 抗 爆 性 能 。面 板 材 料 的 屈 服 强 度 越 大 ， 夹 芯 板 抗 爆 荷 载 的 能 力 也 相 应 增 加 。 参 考 文 献 （References） ［1］ MA Xiao-min，LI Xin，LI Shi-qiang，et al. 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