泡沫鋁夾心排爆罐抗爆性能試驗研究

任新見，李廣新，張勝民

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081;2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023)

泡沫鋁夾心排爆罐抗爆性能試驗研究

任新見1，2，李廣新2，張勝民2

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081;2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023)

排爆罐作為常用的公共安全防護裝備，其結構的抗爆性能、機動性等指標對安全保障起到決定性作用。目前國內常用排爆罐結構笨重，質量較大，抗爆性能較差。為研制一種新型便攜式輕質高抗力排爆罐，制作泡沫鋁夾心排爆罐模型，與國內既有排爆罐模型開展相同裝藥量條件下的抗爆性能對比試驗。對結構中應力波的衰減特性進行了分析，探討了影響排爆罐抗爆性能的核心因素。比較表明，泡沫鋁夾心排爆罐抗爆性能遠優于傳統排爆罐。

排爆罐;泡沫鋁;夾心結構;抗爆性能

在常見的恐怖襲擊方式中，爆炸恐怖活動最為猖獗，一直是國際恐怖分子最常用的襲擊手段。隨著恐怖活動的日益加劇，對反爆炸恐怖襲擊工程防護設計理論及技術措施的深入研究是我國目前一個非常現實的重要課題。

排爆罐是確保公共安全的基礎條件，是目前國內外廣泛使用的主要排爆裝備。排爆罐形狀一般為圓筒形或球形，通常置于平板拖車上，由汽車進行機動牽引。當發現可疑爆炸物后，將其放入排爆罐中及時轉移到安全地進行銷毀處理。我國排爆罐的研發與生產均處于起步階段，主要采用厚壁金屬容器等形式。研發可供公安、武警、消防等公共安全部門大規模推廣使用的具有良好機動性能、較高性價比的排爆罐是一項十分緊迫的任務。

多孔材料具有減震和吸收沖擊能量的優點，已引起工程防護領域的普遍重視，國內外廣泛開展了針對泡沫鋁、聚氨酯泡沫等多孔材料的研究。研究表明，泡沫材料對爆炸荷載具有較強的抗沖擊減壓效能，爆炸沖擊波在泡沫鋁中傳播時顯示明顯的衰減特性［1～3］。理想吸能材料須具有較長應力平臺，這樣應力應變曲線圍成的面積較大，吸收的能量較多［4～5］。泡沫鋁密度低而且屈服強度較高，具有高而長的應力平臺，在應力平臺階段能吸收大量能量。為研制輕質高抗力排爆罐，制作泡沫鋁夾心排爆罐模型進行化爆試驗，通過在給定藥量的爆炸荷載下結構內外面板及泡沫夾心的變形壓縮情況、不同層面間的應力波幅值來了解結構的總體性能，對泡沫鋁材料的抗爆吸能特性進行驗證。

1 試件簡介

采用熔體發泡法制備的閉孔泡沫鋁作為吸能材料。泡沫夾心與新型排爆罐模型示意如圖1。

圖1 泡沫夾心與新型排爆罐模型Fig.1 Foam sandwich and explosion-proof pot model with new style

新型排爆罐模型Ⅰ、Ⅱ用線切割方式加工泡沫鋁錠制成，縮尺比分別為1∶4和1∶3，幾何尺寸如表1。

表1 機械加工的泡沫鋁夾心尺寸Tab.1 Machining dimension of aluminium foam sandwich

模型Ⅲ由鋁熔體在鋼筒夾層中直接發泡成型，縮尺比1:1.6，內外面板厚度均為1.8 mm，總高度 H=430 mm，外徑D=500 mm，內徑d=400 mm，夾心厚度Tc=50 mm，泡沫夾心密度0.486 g/cm3。底部由厚度約10 cm的泡沫鋁組成。由于夾心是在鋼板層間直接發泡，夾心厚度在徑向上分布不均勻(如圖2)，面板與夾心之間甚至有縫隙，筒體整體上比較粗糙。

模型Ⅰ～Ⅲ內外面板均采用A3鋼板卷制焊接而成。加工制作與模型Ⅰ～Ⅲ縮尺比對應的多層復合傳統排爆罐各1個以進行爆炸比較。多層復合排爆罐夾層結構和材質如圖3所示。對比試驗中，除鋼板材質與新型排爆罐面板均為普通A3鋼板，其他部分均與實物采用相同材料。標準原型傳統排爆罐重250 kg，相對應的新型泡沫鋁夾心排爆罐重約100kg。傳統排爆罐中2層防彈鋼板主要為防破片侵徹，而新型排爆罐使用泡沫鋁夾心的功效為提高結構抗內爆沖擊波荷載的能力，因此未進行帶殼彈試驗。

2 性能試驗

不同比例的結構模型在對應藥量下產生的效果明顯地驗證了兩類排爆罐抗爆性能的優劣。采用PVDF壓電薄膜測量爆炸作用下介質間壓力［6～7］。

在爆炸測試中采用TST3046動態采集儀進行信號處理，采樣率2 000 kHz，采樣長度1 000 K，采樣延時－64 K。試驗示意如圖4。在周向間隔120°布置3組PVDF壓電傳感器，通過PVDF傳感器了解內面板受到的沖擊波大小和作用時間以及夾芯與面板間的應力波衰減情況。圖5為試驗測量線路。

模型I

圖6為傳統復合排爆罐與新型排爆罐模型I在爆炸后的狀態，前者在23.4 gTNT藥球爆炸作用下，緩沖毛氈和PVC波紋板均被炸碎并沖出罐外，內壁完全破裂成三塊(如圖7)，其中一條裂紋沿焊縫破裂，外面板呈輕微三角形變形;后者在相同藥量作用下，僅內壁發生輕微變形。為進一步驗證新型排爆罐的抗爆能力，用同樣藥量進行第二次爆炸測試。試驗后，內壁中部在沖擊波作用下凹陷，局部產生破裂(圖8)。泡沫夾心產生壓縮，在藥球懸掛高度處，凹陷最大幅度達到19mm(泡沫夾心厚度25 mm)，壓縮較充分，外壁只有輕微的均勻膨脹，整個結構具有優異的抗爆能力。

模型Ⅱ

采用55.5gTNT藥球對傳統排爆罐與新型排爆罐模型II進行測試，在爆炸作用下，傳統排爆罐模型中的緩沖毛氈被炸成碎塊和粉塵，PVC波紋板被炸成碎塊，內層壁板被炸出罐體外，并且發生嚴重破壞(見圖9)。

新型排爆罐模型Ⅱ在同樣藥量下，罐體損毀，內外壁板以及泡沫鋁夾心破裂，測試失敗，原因在于罐體壁板采用對接電焊，強度難以保證，使得外壁焊縫開裂，導致結構失去約束而破壞，泡沫鋁夾心尚未產生可見壓縮就已破裂，沒有發揮出應有的吸能作用。

模型Ⅲ

在排爆罐模型Ⅲ爆炸試驗中，為防止出現之前的焊縫開裂導致的測試失敗，先采用125 gTNT藥球進行爆炸試探。

爆炸過后傳統排爆罐罐口響應見圖11，緩沖毛氈被炸出罐口，PVC波紋板被炸碎，內壁面板底部產生15 mm凹陷，外面板未產生明顯變形。

在125 gTNT作用下新型排爆罐內外壁板及夾心泡沫均未產生明顯變形，但是內壁焊縫產生裂紋，底部鋼板與泡沫鋁夾心開裂，泡沫鋁底板被炸出很多小坑(圖12)。外面板結合方式為搭接焊，強度比之前的對接焊高，未產生明顯變形，焊縫經過檢查也完好無損。

在125 gTNT作用下，新型排爆罐模型Ⅲ結構未發生太大破損，外壁板采用搭接焊能夠保證焊接強度，因此用原抗爆設計藥量366.6 gTNT進行第二次爆炸驗證。

經過第二次爆炸測試，罐體產生嚴重變形，外壁最大變形在距底面10 cm高度處達到2.6 cm，該位置正好對應內壁破裂的焊縫位置，兩層鋼壁板之間的泡沫鋁夾心已經破裂，而且底部的泡沫夾心部分崩裂，飛出罐體，內面板焊縫發生嚴重變形，泡沫鋁夾心被壓碎，內面板具底部10cm處產生凹陷，最大變形為5.4 cm，內面板與筒底泡沫夾心脫開(圖14)。

爆炸產生時，筒底的泡沫鋁部分發生崩落，應力波在泡沫鋁介質中傳播時，反射拉伸波使得崩落的泡沫鋁部分飛離罐體。崩落的泡沫鋁受爆炸沖擊波作用的面產生很多孔洞，并且中間部分塌陷變形，在背面的斷裂帶區域里，泡沫鋁孔隙均被壓實，胞壁被壓潰。

由于罐體內壁焊縫開裂，使得夾心泡沫被壓碎，繼而使對應的外面板產生明顯變形，罐體油漆在拉伸波作用下部分剝落。雖然外面板在爆炸下產生了局部的大變形，但是外壁鋼板的焊接帶并沒有產生開裂等現象，主要原因是使用了搭接焊縫，保證了焊接帶的強度。

圖14 內壁焊接處在原有基礎上產生嚴重開裂Fig.14 Serious crack on weld joint of inwall based on original status

3 數據分析

選取原始信號的波形有效時間段進行分析。在1∶4新型排爆罐模型測試中，選取周向同一位置不同厚度間的沖擊波壓應力進行分析。圖15為內外壁板與泡沫鋁夾心間的電壓信號，內壁處電壓峰值為13.26 V，外壁處電壓峰值為0.77 V，通過對其積分得到電壓積分曲線，如圖16。

在試驗中PVDF壓電薄膜傳感器有效面積為1 cm2，并聯的電阻為510 Ω，從內外壁板與夾心間的電壓積分曲線可得應力峰值P1(t)≈8.0 MPa，P2(t)≈6.8 MPa，沖擊波在25 mm厚度的夾心傳播過程中，衰減幅度為14.7%。

4 結論

爆炸試驗表明，泡沫鋁夾心排爆罐與多層復合傳統排爆罐相比，具備很強的能量吸收能力，且應力波在泡沫夾心結構的傳播過程中有較明顯衰減，因此抗爆性能遠比后者優秀。單一的泡沫鋁材料強度較低，為降低爆炸沖擊荷載對結構的破壞，在泡沫鋁表面附著鋼板構成多層復合抗爆結構，實現防爆和衰減沖擊波的功能。當爆轟產物高速沖擊多層復合結構時，泡沫鋁產生塑性變形被壓實。由于泡沫鋁沖擊波阻抗很低，能夠大大削減應力波的強度。在這個過程中，爆轟產物沖擊能量減小，和單層結構相比，復合抗爆結構抗力顯著提高，“硬－軟－硬”疊合結構是一種合理的抗爆結構形式［8～11］。

在試驗中，線切割加工的泡沫鋁夾心在尺寸上精度很高，然而對結構本身而言，由于制備工藝的影響，在同一結構的不同位置，孔隙率與孔徑分布不均導致能量吸收不均勻。試驗中1:4比例新型排爆罐在23.4 gTNT爆炸作用下，在罐體中部高度處，內壁板凹陷最大達到19 mm，而最小處凹陷不足5mm。

罐體外面板對整個結構起到約束作用，外面板過薄，泡沫鋁夾心壓縮不充分，且會使罐體外壁變形過大;過厚則會使罐體質量增大。內面板須比外面板薄，這樣才能在外面板的約束下，內面板充分壓縮泡沫鋁夾心，達到能量吸收最佳效果。在1∶1.6新型排爆罐模型中，內外面板均為1.8 mm，結果使得外面板變形較大，泡沫鋁夾心壓縮程度也不充分。

由于罐體內外壁板均由不同厚度鋼板加工而成，在罐體制作加工中，需要對內外面板的對接處進行焊接，對于厚度低于1 mm的薄面板須采用二氧化碳保護焊，其他厚度鋼板可采用普通電焊。對接焊雖然外觀整潔，但焊接強度比搭接焊低，在1∶3的新型排爆罐模型試驗中，由于罐體外壁對接焊縫的開裂使得泡沫鋁夾心在沒有產生明顯變形的情況下就已整體破裂，而在1:1.6的新型排爆罐測試中，雖然外壁板變形很大，但是搭接焊的強度保證了外壁的牢固。

［1］盧天健，何德坪，陳常青.超輕多孔金屬材料的多功能特性及應用［J］.力學進展，2006，36(4):274 －276.

［2］何德坪，何思淵，尚金堂.超輕多孔金屬的進展與物理學［J］.物理學進展，2006，26(3):118 －121.

［3］Deshpande V S，Fleck N A.Isotropic constitutive models for metallic foams［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2000(48):1253 －1283.

［4］Hanssena A G，Enstockb L，Langsetha M.Close-range blast loading of aluminium foam panels［J］.International Journal of Impact Engineering，2002(27):593－618.

［5］ Radford D D，McShane G J ，Deshpande V S，et al.The response of clamped sandwich plates with metallicfoam cores to simulated blast loading［J］.International Journal of Solids and Structures，2006(43):2243 －2259.

［6］席道瑛，鄭永來.PVDF壓電計在動態應力測量中的應用［J］.爆炸與沖擊，1995，15(2):174 －179.

［7］劉劍飛，胡時勝.PVDF壓電計在低阻抗介質動態力學性能測試中的應用［J］.爆炸與沖擊，1999，19(3):229－234.

［8］王永剛，胡時勝，王禮立.爆炸荷載下泡沫鋁材料中沖擊波衰減特性的試驗和數值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23(6):259 －264.

［9］王海福，馮順山.爆炸荷載下聚氨酯泡沫材料中沖擊波壓力特性［J］.爆炸與沖擊，1999，19(1):55 －60.

［10］王宇新，顧元憲，孫明兵.沖擊荷載作用下多孔材料復合結構防爆理論計算［J］.兵工學報，2006，27(2):145－149.

［11］黃西成，陳裕澤，蔣家橋.撞擊作用下泡沫鋁填充結構吸能特征［J］.解放軍理工大學學報，2007，8(5):196－199.

Antidetonation property tests for explosion-proof pots made of sandwich structure with aluminium foam

REN Xin-jian1，2，LI Guang-xin2，ZHANG Sheng-min2

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;2.The Third Engineering Scientific Research Institute of the Headquarter of PLA General Staff，Luoyang 471023，China)

An explosion-proof pot is a common protection equipment in poblic safety fields，its antidetonation property and mobility are critical for safety protection.At present，explosion-proof pots made in China are heavy and massive，their performance is worse.In order to make a portable pot with new style and higher antidetonation property，sandwich pot models with aluminium foam were manufactured，and tests were accomplished to verify their antidetonation property compared with domestic traditional explosion-proof pots.Fading characteristic of stress wave in the sandwich structures were analyzed.Key factors influencing the antidetonation ability of explosion-proof pots were discussed.Tests results indicated that antidetonation property of pots with new style is more excellent than that of traditional pots.

explosion-proof pot;aluminium foam;sandwich structure;antidetonation property

O383

A

國家973計劃項目(2006CB601200)

2009－12－15 修改稿收到日期:2010－01－26

任新見 男，博士生，助理研究員，1979年生