组合式防护结构及其设计方法

1.本发明涉及一种爆炸防护结构，具体涉及一种组合式防护结构及其设计方法，属于警用、军用公共安全防务装备领域。


背景技术：

2.爆炸总体上来说，对周围杀伤最大的有两种：一种是冲击波，冲击波会属于面杀伤的载荷，会对整体结构都造成损伤；另一种是破片，破片属于点杀伤的载荷，会对局部的结构造成损伤。
3.对于特定当量的爆炸物在防护装备内爆炸来说，其作用的先后顺序和防护装备的内径有关：
4.对于金属防爆罐来说，如果其内径较小，冲击波预先加载到防爆罐的内壁面，然后破片再作用到防爆罐的内壁面；由于金属材料具有较强的应变率效应，冲击波的加载使得金属材料强度提升，在一定程度上会提高防破片能力。但金属防爆防冲击有一定限度，尤其时焊接部分，如果冲击波过大，就会导致金属防爆罐炸裂解体。
5.对于复合防爆装备来说，其一般是采用防爆层和防弹层组合而成，如果其内径较小，冲击波率先作用在防爆装备的结构上，然后是破片作用在结构中，对于纤维复合材料来说，其应变率效应不明显，反而会由于有冲击波的预先加载，造成内部的防弹纤维提前断裂，会一定程度上降低了纤维的防破片性能。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一种组合式防护结构，采用双层分离式结构，在使用时进行组合防护，通过组合的作用，内层结构能够衰减冲击波，并且能够有效延长冲击波到达外层结构的时间，避免冲击波预先加载造成外层的防破片能力下降，保证在爆炸载荷冲击波和破片同时作用下，具有较优的防护效能，并且爆炸后外层结构具有一定的完整性。
7.一种组合式防护结构，包括防弹防爆层以及与所述防弹防爆层相互分离、间隔设置，且设置在所述防弹防爆层迎爆面的冲击波阻滞缓冲层；所述冲击波阻滞缓冲层为多孔多阻抗结构。
8.作为本发明的一种优选方式，所述防弹防爆层与冲击波阻滞缓冲层之间的间隔至少为所述冲击波阻滞缓冲层厚度的0.5倍，通常优选为0.5～5倍。
9.作为本发明的一种优选方式，所述冲击波阻滞缓冲层主体结构为多孔阻燃泡沫，所述主体结构内部分布两个以上内部填充有防爆液体的孔。
10.作为本发明的一种优选方式，所述冲击波阻滞缓冲层主体结构为阻燃聚氨酯泡沫，所述主体结构内部沿其厚度方向设置一层以上轴向通孔，所述轴向通孔内部封装防爆液体。
11.作为本发明的一种优选方式，当设置两层以上轴向通孔时，相邻层的轴向通孔交叉分布。
12.作为本发明的一种优选方式，所述防弹防爆层为四层结构，从迎爆面向背爆面依次为：防弹纤维层、应力波调节层、防弹层和弹性层。
13.作为本发明的一种优选方式，所述防弹防爆层和所述冲击波阻滞缓冲层之间可拆卸连接。
14.作为本发明的一种优选方式，所述冲击波阻滞缓冲层的厚度至少为30mm，通常优选为30mm～150mm。
15.作为本发明的一种优选方式，所述冲击波阻滞缓冲层内部开孔部分的体积至少为所述冲击波阻滞缓冲层总体积的1/3，通常优选为冲击波阻滞缓冲层总体积的1/3～2/3。
16.作为本发明的一种优选方式，所述防弹防爆层和所述冲击波阻滞缓冲层均为环形结构，所述冲击波阻滞缓冲层同轴设置在所述防弹防爆层内部。
17.作为本发明的一种优选方式，所述冲击波阻滞缓冲层与内部爆炸物对应高度位置处内径最大，然后向轴向两端内径递减。
18.此外，本发明提供一种上述组合式防护结构的设计方法，对所述组合式防护结构的设计包括对所述冲击波阻滞缓冲层的设计：
19.步骤1：依据破片的平均速度计算破片达到防爆防弹层内壁面的时间：
20.步骤2：初步给定冲击波阻滞缓冲层的内径、厚度以及其内部蜂窝状孔的层数、孔径：
21.步骤3：建立冲击波阻滞缓冲层的仿真模型，仿真得到冲击波阻滞缓冲层的冲击波阻滞系数，然后计算得到有冲击波阻滞缓冲时，冲击波压力到达防爆防弹层的时间；当计算得到的时间不小于步骤1所计算的破片达到防爆防弹层内壁面的时间时，调整所述冲击波阻滞缓冲层的厚度，直至计算的冲击波压力到达防爆防弹层内壁面的时间小于步骤1所计算的破片达到防爆防弹层内壁面的时间。
22.优选的，所述步骤2中，所述冲击波阻滞缓冲层的内径至少为300mm(通常优选为在300mm～700mm之间)；所述冲击波阻滞缓冲层的厚度至少为30mm(通常优选为在30mm～150mm之间)。
23.优选的，：所述步骤2中，对于大当量的爆炸物，所述冲击波阻滞缓冲层内部蜂窝孔采用双层结构排布；开孔部分的体积至少为冲击波阻滞缓冲层总体积的1/3，(通常优选为在1/3～2/3之间)；
24.对于小当量的爆炸物，所述冲击波阻滞缓冲层内部蜂窝孔采用单层排布；蜂窝孔的内径至少为冲击波阻滞缓冲层厚度的1/3(通常优选为在1/3～2/3之间)。
25.优选的：所述步骤1中，以格尼公式预测的自然破片速度vg作为破片的平均速度；
[0026][0027]
其中：为格尼常数；me为炸药质量，mc为破片质量；则破片达到防爆防弹层内壁面的时间为r/vg。
[0028]
有益效果：
[0029]
(1)本发明的组合式防护结构为双层分离式结构，通过设置在内层的冲击波阻滞缓冲层衰减冲击波，并且能够有效的延长冲击波到达外层防弹防爆层的时间，保证在爆炸
载荷冲击波和破片同时作用下，外层防弹防爆层具有较优的防护效能。
[0030]
(2)对于外层防弹防爆层为复合防爆装备而言，本发明的组合式防护结构能够避免由于冲击波的预先加载，使得防爆防弹层防破片效能下降；对于外层防弹防爆层为金属防爆装备而言，本发明的组合式防护结构中的冲击波阻滞缓冲层通过吸收冲击波能量，降低压力峰值，避免冲击波过大导致金属防爆罐炸裂解体。
[0031]
(3)防爆防弹层与冲击波阻滞缓冲层之间的间隔至少为冲击波阻滞缓冲层厚度的0.5倍(通常优选为0.5～5倍)，这样可以让冲击波阻滞缓冲层能够发生一定的形变，避免结构与防爆防弹层接触，产生应力波的直接传播。
[0032]
(4)冲击波阻滞缓冲层采用非均匀介质多阻抗结构，当爆炸物爆炸后，所产生的冲击波在经过不同阻抗材料时，会发生折射和反射的现象，延长了冲击波达到防爆防弹层的时间。
[0033]
(5)冲击波阻滞缓冲层内部的通孔中填充防爆液体，冲击波经过防爆液体时，会进一步与防爆液体作用，发生冲击波弥散现象，从而大大延长了冲击波达到防爆防弹层的时间。此外，对于非均匀介质，冲击波波峰会被不同的介质分割成多个波峰，从而进一步衰减了冲击波压力峰值。
[0034]
(6)对于大当量的爆炸物(1kg及以上)，冲击波阻滞缓冲层内部蜂窝孔采用多层结构排布，能够让冲击波在此结构中多次透射和反射。
[0035]
(7)考虑爆炸瞬间，冲击波以球形波向外传播，将冲击波阻滞缓冲层设计为圆弧状，如冲击波阻滞缓冲层与爆心对应的位置直径最大，然后向轴向两端直径逐渐缩小。
[0036]
(8)为方便运输，将冲击波阻滞缓冲层与防爆防弹层设计为可拆卸连接，运输时，两者连接，使用时，断开其连接，使其相互分离。
附图说明
[0037]
图1为本发明的组合式防护结构的组成示意图；
[0038]
图2为典型冲击波和破片到达时间示意图；
[0039]
图3为1kgtnt爆炸条件下破片与冲击波到达时间示意图；
[0040]
图4为组合式防护结构的一种实施示意图；
[0041]
图5和图6为具有圆弧状冲击波阻滞缓冲层的组合式防护结构示意图。
[0042]
其中：1-爆炸物；2-冲击波阻滞缓冲层；3-防弹防爆层
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
[0044]
实施例1：
[0045]
本实施例提供一种组合式防护结构，通过增设冲击波阻滞缓冲层，能够大大降低冲击波作用到防弹防爆层的时间，避免了冲击波预先加载对于防弹防爆层的结构破坏。
[0046]
冲击波在空气中传播存在着明显的速度衰减，波阵面到达设定位置的时间tb可以表示为：
[0047]
tb＝exp[a b ln rs c(ln rs)2 d(ln rs)3 e(ln rs)4 f(ln rs)5]
ꢀꢀ
(1)
[0048]
其中：rs为比例距离，r为该设定位置距离爆心的距离，me为炸药质量，
a、b、c、d、e和f为拟合参数，一般取a＝-0.7604、b＝1.8058、c＝0.1257、d＝0.0437、e＝-0.0310、f＝-0.00669。
[0049]
对于带壳装药来说，为简化计算，进行如下假设：
[0050]
1.装药结构内的炸药全部瞬时爆轰；
[0051]
2.炸药能量全部转变为壳体动能及爆轰产物动能；
[0052]
3.爆轰产物的膨胀速度沿径向呈线性分布；
[0053]
4.装药结构破片飞散速度与最外层爆轰产物的飞散速度相同；
[0054]
5.装药结构壳体速度周向均匀分布。
[0055]
则破片的平均速度可以表示为：
[0056][0057]
其中：vg为格尼公式预测的自然破片速度，为格尼常数，对于一般的tnt炸药来说，取2.35km/s；me为炸药质量，mc为破片质量。不同工况下，破片速度会有一定的变化，如对于带有预制破片的壳体来说，其速度要低20％左右。当带壳装药的炸药和壳体质量为1:1时，其产生的破片平均速度在1900m/s左右，一般来说，典型常规爆炸物中破片的速度在500～2500m/s。
[0058]
典型的冲击波和破片到达距离爆心设定距离位置时间示意图如图2所示。
[0059]
破片一般在空气中传播衰减速度较慢，考虑到便携性，防护结构的内径一般在1m以内，在防护结构内时，基本可以忽略其速度衰减。
[0060]
所以当破片与冲击波同时达到该设定位置时，有：
[0061][0062]
对于环形防护结构，令防护结构的内径为2r
′
，一般是建议2r
′
》2r(2r此时也为破片和冲击波同时到达防护结构时防护结构的内径)，这样能够保证破片先作用在外层防护结构上，然后冲击波再作用其中，从而避免冲击波预先加载造成了破片防护效能的降低。
[0063]
但是在实际过程中，往往由此得到的环形防护结构内径较大，如典型针对1kg炸药，如果破片初始速度为1000m/s，破片与冲击波同时作用位置为距离爆心约2.5m的位置，由此只有当防护结构的内径大于5m时，才能够最大效能的发挥防护结构中对破片的防护性能。
[0064]
如对于环形防护结构，装药为1kg，壳体为1kg的条件下，通过计算，冲击波压力与破片同时达到防护结构的时间为0.6毫秒，如图3所示；此时对应的防护结构内径为2300mm(即防护结构内壁面距离爆心1150mm)；只有当防护结构的内径大于2300mm时，冲击波才会比破片后达到防护层，此时防护结构的防弹性能才不会因为冲击波预先加载而减弱。
[0065]
但是实际上，对于防护结构，其重量会随着内径增加而增加；而且如果内径过大，操作不灵活便捷。
[0066]
基于此，为保证既能够使破片先于冲击波作用在防护结构上，又能不增大防护结构的内径；本实施例提供一种组合式防护结构，在现有柔性防爆结构(令为防爆防弹层3)的迎爆面增加一个冲击波阻滞缓冲层2，通过冲击波阻滞缓冲层2的多孔多阻抗结构将冲击波
阻滞在一个范围内，延长其到达防爆防弹层3时间，由此对于复合防爆装备而言，能够避免由于冲击波的预先加载，使得防爆防弹层3防破片效能下降；对于金属防爆装备而言，冲击波阻滞缓冲层2通过吸收冲击波能量，降低压力峰值，避免冲击波过大导致金属防爆罐炸裂解体。
[0067]
如图1所示，该组合式防护结构整体为双层防护结构，内层为冲击波阻滞缓冲层2，外层为防爆防弹层3；爆炸物1放置在该组合式防护结构内部中心位置(通常在防护装置内部设定高度位置处设置有网兜，用于放置爆炸物1)。
[0068]
冲击波阻滞缓冲层2可采用多阻抗的蜂窝孔结构，其主体结构为阻燃泡沫(如阻燃聚氨酯泡沫)，其蜂窝孔内填充防爆液体。此种结构为非均匀介质多阻抗结构，当爆炸物1爆炸后，所产生的冲击波在经过不同阻抗材料时，会发生折射和反射的现象；尤其是其经过防爆液体时，会进一步与防爆液体作用，发生冲击波弥散现象，从而大大延长了冲击波达到防爆防弹层3的时间。此外，对于非均匀介质，冲击波波峰会被不同的介质分割成多个波峰，从而进一步衰减了冲击波压力峰值。
[0069]
进一步的，冲击波阻滞缓冲层2的冲击波阻滞系数可以定义为α，阻滞系数与材料性能和材料的结构设计有关(可以通过试验测试或者仿真得到)，阻滞系数越大，说明其阻滞效果越好，令tb为正常状态条件下冲击波到达防爆防弹层3的时间，tb′
为采用了冲击波阻滞衰减层2后，冲击波到达防爆防弹层3的时间，则：
[0070]
tb′
＝α
·
tbꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0071]
同时，防爆防弹层3与冲击波阻滞缓冲层2之间留有一定的间隔，此间隔设置为冲击波阻滞缓冲层2厚度的0.5～5倍，这样可以让冲击波阻滞缓冲层2能够发生一定的形变，避免结构直接与防爆防弹层3接触，产生应力波的直接传播。
[0072]
防爆防弹层3为现有的防爆装备，如环形纤维复合防爆防弹装备。本例中防爆防弹层3采用四层结构，从内向外依次为：高强度纤维防弹层、应力波调节层、抗撕裂防弹层、弹性层。最外层的弹性层具有较强的阻尼，可提供大变形的空间；同时，其波阻抗较抗撕裂防弹层低，反射冲击波压力峰值较小，避免了对纤维本体的破坏作用。
[0073]
本方案中，该组合式防护结构为双层分离式结构，即冲击波阻滞缓冲层2和防爆防弹层3物理分离，两者之间无需连接(或为方便运输，将两者之间设计为可拆卸连接，运输时，两者连接，使用时，断开其连接)；使用时，只需将冲击波阻滞缓冲层2同轴放置在防爆防弹层3内部与防爆防弹层3内表面之间具有设定间隔的位置处即可，通过组合的作用，冲击波阻滞缓冲层2能够衰减冲击波，并且能够有效的延长冲击波到达外层防爆防弹层3的时间，保证在爆炸载荷冲击波和破片同时作用下，复合材料制成的柔性防爆装备具有较优的防护效能。
[0074]
实施例2：
[0075]
在上述实施例1的基础上，给出该组合式防护结构的设计方法。
[0076]
该组合式柔性防护的设计在于对冲击波阻滞缓冲层2的设计，防爆防弹层3可直接采用现有技术中的防爆装备(如柔性防爆装备)；即认为防爆防弹层3的结构参数为已知量，令防爆防弹层3的内半径为r。
[0077]
对该组合式防护结构进行设计时，依据所设计的防护结构的防护当量以及防护距离，分别计算冲击波和破片到达防护结构的时间。
[0078]
步骤1：计算破片达到防爆防弹层3内壁面的时间：
[0079]
首先计算破片的平均速度，以格尼公式预测的自然破片速度vg(即上述公式(2))作为破片的平均速度；
[0080][0081]
其中：vg为格尼公式预测的自然破片速度，为格尼常数，对于一般的tnt炸药来说，取2.35km/s；me为炸药质量，mc为破片质量。
[0082]
则破片达到防爆防弹层3内壁面的时间为r/vg。
[0083]
步骤2：冲击波阻滞缓冲层2结构设计
[0084]
冲击波阻滞缓冲层2用于延长冲击波到达外层防爆防弹层3的时间，使冲击波晚于破片达到防爆防弹层3内壁面。
[0085]
冲击波阻滞缓冲层2的结构设计包括：冲击波阻滞缓冲层2的内径、厚度以及其内部蜂窝状孔的层数、孔径的设计。
[0086]
201：冲击波阻滞缓冲层2的内径：冲击波阻滞缓冲层2的内径越小，其防护作用越好；但是在实际操作过程中，由于爆炸物1需放置在冲击波阻滞缓冲层2内部，爆炸物1带有一定的包装，冲击波阻滞缓冲层2的内径在300mm～700mm之间，对于特殊大当量大尺寸的爆炸物，可适当增加其内径。
[0087]
202：冲击波阻滞缓冲层2的厚度：冲击波阻滞缓冲层2的厚度一般在30mm～150mm之间。
[0088]
203：冲击波阻滞缓冲层2内部蜂窝状孔的层数、孔径：
[0089]
对于大当量的爆炸物(1kg及以上)，内部蜂窝孔采用双层结构排布；进一步的内层蜂窝孔的内径要比外层蜂窝孔的内径小，蜂窝开孔部分的体积为冲击波阻滞缓冲层2体积的1/3～2/3之间，蜂窝孔内部填充防爆液体，组成不同波阻抗结构，能够让冲击波在此结构中多次透射和反射。
[0090]
对于小当量的爆炸物(1kg以下)，内部蜂窝孔采用单层排布，蜂窝孔的内径为厚度的1/3～2/3，蜂窝孔内部填充防爆液体，组成不同波阻抗结构。
[0091]
204：建立冲击波阻滞缓冲层2的仿真模型，仿真得到冲击波阻滞缓冲层2的冲击波阻滞系数，然后利用公式(4)计算得到有冲击波阻滞缓冲层2时，冲击波压力到达防爆防弹层3的时间；当计算得到的时间不小于步骤1所计算的破片达到防爆防弹层3内壁面的时间时，调整冲击波阻滞缓冲层2的厚度，直至计算的冲击波压力到达防爆防弹层3内壁面的时间小于步骤1所计算的破片达到防爆防弹层3内壁面的时间。
[0092]
实施例3：
[0093]
在上述实施例1的基础上，给出该组合式柔性防爆结构的另一种较优实施例。
[0094]
本例中冲击波阻滞缓冲层2内径为400mm，厚度为50mm，采用单层孔结构，即冲击波阻滞缓冲层2内部有一圈多个沿周向均匀间隔分布的轴向通孔(即通孔的轴线与冲击波阻滞缓冲层2的轴线平行)，由此形成蜂窝状；防爆防弹层3与冲击波阻滞层2的间距为100mm；防爆防弹层3内径为700mm。
[0095]
通过仿真可以得到，装药(即爆炸物1)为1kg的条件下，有冲击波阻滞缓冲层2时，
冲击波压力到达防爆防弹层3时间为0.32毫秒；通过理论计算可以得到无冲击波阻滞缓冲层2时，冲击波压力到达防爆防弹层3的时间为0.087毫秒，所以该冲击波阻滞缓冲层2的阻滞系数为3.678；计算的破片平均速度为1900m/s，基本冲击波阻滞缓冲层2不具有破片拦截功能，其破片速度几乎无衰减，因此破片到达防爆防弹层3的时间为0.18毫秒；由此，在此结构中，破片将会比冲击波提前达到防爆防弹层3，在嵌入到防爆防弹层3内部后，冲击波将会作用在防爆防弹层3上，避免了冲击波预先加载减弱防弹层的防护作用。
[0096]
本例中外层防爆防弹层3采用三层结构，最内层为防弹性能较好的pe纤维层，纤维厚度为20mm，中间层为厚度为20mm的抗撕裂能力较好的芳纶材料，最外层为弹性层，弹性体采用喷涂聚脲，喷涂厚度为4mm。
[0097]
对比例：若采用单层防护结构，即仅具有防爆防弹层3，内径为700mm，通过计算可以得到，装药为1kg，壳体为1kg的条件下，冲击波压力到达防爆防弹层3的时间为0.087毫秒，破片计算的平均速度为1900m/s，破片到达防爆防弹层3的时间为0.18毫秒，所以，在此结构中，冲击波会比破片提前达到防弹层，冲击波将部分防爆防弹层3撕裂后，破片再冲击在防爆防弹层3中，此种结构防护效能将会一定程度上降低。
[0098]
实施例4：
[0099]
在上述实施例1的基础上，给出该组合式柔性防爆结构的另一种较优实施例。
[0100]
如图4所示，内层冲击波阻滞缓冲层2采阻燃聚氨酯泡沫为主体结构，内径为400mm，厚度为100mm，内部开有双层蜂窝状的孔，即冲击波阻滞缓冲层2内部沿径向设置有两圈孔，每圈包括多个沿周向均匀间隔分布的轴向通孔(即通孔的轴线与冲击波阻滞缓冲层2的轴线平行)，由此形成蜂窝状；孔直径为30mm；两层孔交叉分布(即两层孔间隔分布)，孔内装有防爆阻燃液体，冲击波阻滞缓冲层2的上下端面用阻燃聚氨酯泡沫封装。
[0101]
防爆防弹层3与冲击波阻滞层2的间距为50mm，防爆防弹层3内径为700mm，通过仿真可以得到，装药(即爆炸物1)为1kg的条件下，有冲击波阻滞缓冲层2时，冲击波压力到达时间为0.625毫秒；通过理论计算可以得到，在1kg炸药作用下，无冲击波阻滞缓冲层2时，冲击波压力到达防爆防弹层3的时间为0.087毫秒，即本例中冲击波阻滞缓冲层2的阻滞系数为7.184；破片如果速度为1000m/s，基本上冲击波阻滞缓冲层2不具有破片拦截功能，其破片速度几乎无衰减，则破片到达防爆防弹层3时间为0.35毫秒。所以，综合来说，破片将会比冲击波提前作用在防爆防弹层3上，避免冲击波对防爆防弹层3的衰减作用。
[0102]
本例中外层防爆防弹层3采用四层结构，最内层为防弹性能较好的pe纤维层，纤维厚度为20mm，与最内层相邻的为泡沫喷涂聚脲，另一个中间层为抗撕裂能力较好的pe材料，厚度为20mm；最外层为弹性体层，弹性体层采用泡沫喷涂聚脲，泡沫厚度为20mm，喷涂厚度为1mm。
[0103]
实施例5：
[0104]
在上述实施例1的基础上，考虑爆炸瞬间，冲击波以球形波向外传播，且通常在防护结构内部设置网兜，使得爆炸物1位于防护结构的中间位置；基于此，将冲击波阻滞缓冲层2设计为圆弧状，如图5和图6所示，即冲击波阻滞缓冲层2中间位置直径最大(与爆心对应的位置)，然后向轴向两端直径逐渐缩小。冲击波阻滞缓冲层2最大处的内径为爆炸物1内径的10倍以上。
[0105]
冲击波阻滞缓冲层2与防弹防爆层3之间留有一定的间隙，当冲击波阻滞缓冲层2
为圆弧状时，该间隙值在中间最小，向轴向两端逐渐增大，该间隙最小值为冲击波阻滞缓冲层2厚度的0.5～5倍；用于预留出冲击波阻滞缓冲层2内部的变形空间。
[0106]
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。