多孔聚氨酯基復合削爆屏障的防護性能*

周 穎，黃廣炎,2，王 濤，解亞宸，張旭東

（1. 北京理工大學機電學院，北京 100081；2. 北京理工大學重慶創新中心，重慶 401120；3. 奧卓新材料有限公司，山東 滕州 277599）

安全快速地處置公共場合發現的疑似爆炸物是安全領域的研究熱點和難點，其中先進防爆材料和結構的設計是削弱爆炸危害的關鍵。在重要場合配備或搭建削/防爆屏障是抵御爆炸突襲的常用方法之一。目前的削/防爆屏障主要分為：(1) 基于混凝土、合金等高強度材料制成的剛性防爆結構，如固定式的防爆墻[1]和鋼制防爆桶[2]，這些結構的設計要求其受到爆炸作用后不發生破壞和大變形；(2) 基于液體、細沙、聚合物顆粒、聚合物多孔材料及纖維織物等結構薄弱材料[3]的柔性削/防爆結構，這些結構自重輕而機動性好、造價低廉、幾乎不產生二次殺傷性破片并可在爆炸后發生碎裂。削爆屏障對爆炸沖擊波的削弱效應主要依靠迫使來襲沖擊波發生反射和繞射，進而避免了沖擊波直接傳播并作用到屏障后方脆弱的人員或設備上[4-5]。當面臨超過自身額定防護能力的大當量爆炸時，剛性防爆結構可能會發生破裂和解體，進而產生具有更大威脅的二次殺傷新碎片，即具有潛在附帶傷害威脅。相比之下，柔性削/防爆結構因所用材料質地柔軟，密度低，且不會產生二次殺傷性碎片，因而柔性削/防爆結構具有更高的安全性和工程應用價值。

已有的研究驗證了一些基于柔性削/防爆材料的屏障具有較好的沖擊波削弱性能[6-10]，其中基于純水的防爆結構得到了大量的關注。但是大多數研究中的防爆結構多基于單種材料，即很少研究柔性復合結構，且很少關注基于聚合物泡沫的防爆結構。聚氨酯（polyurethane，PU）泡沫材料因其材質軟、密度低和特有的三維網狀結構，在爆炸及沖擊波防護領域具有比其他材料更出色的性能[11]，多孔聚氨酯材料常作為抗沖擊防護的能量吸收結構的組分而被廣泛應用于軍事領域[12]，例如導彈防護罩、復合裝甲的組成結構[13]、水下兵器沖擊控制器[14]等。相比于液體和細沙等材料，在爆炸沖擊加載作用下，聚氨酯泡沫可發生明顯的壓縮塑性變形直至密實狀態，因此具有可觀的能量吸收性能。同時，聚氨酯泡沫中包含的大量空氣孔隙在爆炸載荷作用下（可視為絕熱壓縮過程）會吸收一部分能量轉換成自身的內能，造成內部溫度的大幅度提升。另外，聚氨酯泡沫具有更低的波阻抗，可能會有效地降低反射沖擊波，進而削弱屏障后方或外部的沖擊波載荷。然而，因為聚氨酯泡沫密度很低，純聚氨酯泡沫的削爆屏障可能需要非常厚的用料才能避免沖擊波直接沖垮防護結構而泄露到其后方。因此，可考慮設計一種基于聚氨酯泡沫和純水的復合結構，用于搭建環形削爆屏障。

本文中首先對多孔聚氨酯進行微觀表征及力學性能測試，然后采用爆炸沖擊平板實驗研究多孔聚氨酯對爆炸沖擊波的防護作用，并通過數值模擬對實驗進行詳細的分析和驗證，隨后利用驗證后的數值模型分析多孔聚氨酯/水雙層環形復合結構對削爆屏障的沖擊波削弱性能，并考察材料排布順序以及聚氨酯泡沫密度對復合結構的防護性能的影響。

1 多孔聚氨酯平板的爆炸沖擊實驗

1.1 多孔聚氨酯的微觀表征及力學性能

采用的多孔聚氨酯試樣由北京理工大學魯南研究院提供，研究表明，聚氨酯的密度及孔隙度對其中形成的初始沖擊波壓力及傳播衰減效應有顯著的影響[13]，因而選取了3 種試樣，密度分別為100、200 和300 kg/m3。利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）掃描不同試樣的微觀結構（圖1）進行對比，觀察試樣內部胞體尺寸，沿著發泡方向L（長軸）較長，垂直于發泡的方向W（短軸）較短，定義孔形系數α=L/W，其中α 會隨著泡沫體密度的增加（100、200 和300 kg/m3）而減小（分別對應1.7、1.2 和1.1），最終趨近于1，即泡孔形狀由橢圓球形轉變為球形。試樣胞孔的尺寸隨密度的提升有降低的趨勢，胞孔平均直徑由142、82 μm 降至22 μm，對應的開孔率分別為8.6%、29.8%、22.1%。如圖2 所示，微觀特征也體現在材料力學性能中，泡沫的平臺應力隨密度增加而提升的效果明顯[15]（壓縮和拉伸實驗對應的工程應變率分別為0.001 0 和0.001 6 s-1），從低密度（100 kg/m3）試樣對應的抗壓強度0.64 MPa 提升至較高密度（300 kg/m3）對應的5.04 MPa。

圖1 多孔聚氨酯試樣及對應的SEM 圖像Fig. 1 Physical pictures and SEM images of porous polyurethane

圖2 聚氨酯泡沫的應力-應變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of polyurethane foam

1.2 實驗設置及結果分析

平面沖擊波對材料的加載行為在材料動態特性的研究、材料的緩沖吸能和防護性能等相關領域有著廣泛的應用。一般平面沖擊波加載技術包括炸藥爆轟加載技術和輕氣炮（激波管）驅動加載技術，為了更接近在實際削/抗爆防護中的應用場景，搭建了炸藥爆轟加載的定向沖擊波流場裝置對聚氨酯材料的防護性能（壓力峰值衰減率）進行探究。

實驗中采用20 g 壓裝炸藥TNT 作為爆炸源（尺寸 ? 25 mm×26 mm，壓藥密度1.58 g/cm3），放置于裝置中心軸上，其中心距離爆炸室鋼板垂直面83 mm，用8#雷管起爆（圖3）。采用的聚氨酯試樣的橫向截面尺寸為405 mm×405 mm，實驗中選取了3 種密度的試樣，分別為100 kg/m3（厚度40 mm）、200 kg/m3（厚度60 mm）、300 kg/m3（厚度20 mm，60 mm）。試樣兩側利用鋼板夾持（邊長405 mm，中心有 ? 300 mm 的圓形缺孔），通過對角線上的4 個螺栓將兩者固定，試樣的沖擊波受載面即為中心處 ? 300 mm 的圓形區域。

圖3 定向流場爆炸沖擊實驗布局示意圖(單位: mm)Fig. 3 Arrangement of a tubular explosive directional flow field device (unit in mm)

在相同藥量的TNT 在爆炸沖擊波定向流場裝置中引起的近似平面沖擊波作用下，通過測量沖擊波經過泡沫板后的靶后壓力值（靶后壓力值可為靶板后方的人員及建筑物的損傷等級評估提供數據支撐[3]），利用高速攝影儀記錄聚氨酯泡沫板的變形破壞形態，對比研究不同密度及厚度的聚氨酯硬質泡沫的削爆隔爆能力。

不同密度下的泡沫試樣受到沖擊的響應形態如圖4 所示：起爆后600 μs 時，3 種密度的聚氨酯試樣都以近似平面的整體形態從試樣端的夾持窗口處向傳感器方向運動，即試樣受到近似平面波的加載作用而做出了相應的響應；對比900 和1 200 μs 的畫面可以觀察到，聚氨酯試樣的受載區域（與定向流場裝置內徑尺寸匹配的部分）除了與夾持邊緣之間發生分離，其在到達傳感器尖端之前幾乎保持了完整的平面形貌，在與傳感器接觸之后，由于應力集中導致試樣表面出現了明顯的徑向裂紋。

圖4 起爆后不同密度的聚氨酯試樣的響應過程Fig. 4 Response process of polyurethane samples with different densities after explosion

密度為100 kg/m3的聚氨酯泡沫試樣在沿著軸向運動的同時，在棱邊中點處的徑向變形也非常明顯，推測這樣的現象是由于沖擊波進入試樣之后，應力波傳播到試樣與空氣的接觸邊界，由于自由面上試樣與空氣2 種介質的密度和波速都有較大的差異，因此造成一部分壓縮應力波在界面處反射為方向相反的拉伸應力波；結合霍金遜現象，可以表述為當反射拉伸應力與入射的壓縮應力疊加之后的拉應力大于材料的抗拉強度時，臨近自由面的試樣會被拉斷破壞[16]；雖然本實驗注意控制試樣的橫向尺寸與縱向尺寸的比值(大于6)，但側面稀疏波對應力波沿縱向傳播的影響仍不可忽略。由此可以推測，聚氨酯試樣沿軸向的運動及破碎現象除了沖擊波加載壓縮、爆轟氣體及產物的驅動，也包括反射拉伸波的影響。考慮到聚氨酯泡沫的抗壓強度遠高于抗拉強度，因而在爆炸防護中，應當盡量減少邊界稀疏波對聚氨酯材料的影響，避免反射的拉應力對泡沫體造成過早的破壞，同時利用其較高的抗壓比強度作為防護材料的優勢，所以一般聚氨酯可用于削/抗爆復合結構的前板或夾芯層[17]；因而在下文中，通過設計聚氨酯與水這2 種典型的易碎性柔性材料的組合方式和性能研究，以達到凸顯聚氨酯優勢、減少稀疏波提前破壞的目的。

實驗中測得的靶后壓力峰值如圖5 所示（x-y中的x表示試樣密度，y表示試樣厚度；其中0-0 表示無泡沫防護）。結果表明，聚氨酯泡沫對沖擊波的削減作用明顯，不同實驗組的壓力峰值衰減率均可達到67%以上。參考沖擊波超壓對有生力量的破壞作用等級（表1），可認為當峰值超壓小于0.02 MPa 時，沖擊波超壓對有生力量幾乎無威脅。結合平板沖擊實驗結果，可以得到空爆對應的靶后超壓峰值（0.42 MPa）遠高于Ⅴ級（0.10 MPa，大部分死亡）的最低閾值，泡沫試樣的加入可以大幅降低靶后超壓的破壞作用等級，除了密度為100 kg/m3試樣以外，其余聚氨酯泡沫試樣均可將靶后超壓破壞等級大幅降至Ⅱ級（輕傷）甚至Ⅰ級（無殺傷作用），實現對沖擊波的有效削減作用。比較可知，200-60 和300-20 這2 種結構對應的靶后壓力峰值相近，但后者的面密度僅為前者的50%，因此可認為泡沫密度對沖擊波削減作用的積極影響較厚度更明顯。對比相同厚度下的試樣200-60 和300-60 以及相同密度下的試樣300-20 和300-60 對應的壓力峰值，可知密度或厚度的提升[18]與結構的削波性能正相關。

表1 沖擊波超壓對有生力量的破壞作用閾值[19]Table 1 Threshold value of destructive effect of shockwave overpressure on effectives[19]

圖5 實驗靶后壓力峰值對比Fig. 5 Comparison of peak pressure behind sample in experiment

2 平板屏障沖擊實驗的數值模擬

2.1 數值模型及材料參數

參照爆炸沖擊平板實驗，建立AUTODYN-2D 的二維軸對稱模型、采用歐拉多物質算法，建立的模型與實驗實物比例為1∶1（圖6）。空氣域完全覆蓋實驗裝置及試樣，尺寸為3 000 mm×500 mm；爆炸定向流場裝置采用與實驗一致的4340 鋼和對應的尺寸；聚氨酯試樣則根據實驗條件建立相應尺寸的幾何模型；考慮到拉格朗日算法對于流體計算時，很可能由于材料的大變形導致網格畸變，造成計算難以維持的問題，所以TNT 炸藥和空氣采用歐拉算法，鋼和聚氨酯泡沫采用拉格朗日算法。考慮到夾持端的螺栓直徑略小于試樣穿孔，夾持主要約束X軸即沖擊方向，基本不會造成試樣的面內預應力，試件與夾持端之間采用Lagrange/Lagrange Interaction 接觸，試件與空氣之間采用Euler/Lagrange Interaction 流固耦合接觸。為了模擬無限的空氣流場（即用有限的空間范圍模擬無限的空間[20]），分別在空氣域的三側添加流出邊界條件，從而允許物質從邊界流出而不發生反射。

圖6 AUTODYN 二維軸對稱數值模型示意圖(單位：mm)Fig. 6 Numerical model of axially symmetric 2D on AUTODYN (unit in mm)

數值模型中的材料包括：TNT 炸藥、空氣、4340 鋼以及聚氨酯泡沫，材料模型均來自AUTODYN 內置材料庫。歐拉域內的材料均采用狀態方程表征其動態響應行為，其中TNT 炸藥的狀態方程采用JWL（Jones-Wilkins-Lee）狀態方程[21]，空氣采用理想氣體狀態方程[10,21]，鋼采用線性狀態方程[22]進行描述。

聚氨酯泡沫采用Crushable foam 模型來模擬泡沫在沖擊波壓縮加載條件下的力學行為。開展了3 種不同密度的聚氨酯泡沫準靜態壓縮、拉伸實驗，獲得了如圖2 所示的工程應力-應變曲線，材料參數如表2 所示。另外考慮到在爆炸沖擊加載條件下，部分材料單元容易發生嚴重的扭曲畸變，造成計算成本急劇增加甚至難以進行，因此采用侵蝕準則，用于刪除一些畸變的拉格朗日單元，即當網格的瞬時幾何應變極限超過2 時[23]，刪除對應的畸變網格。

表2 泡沫材料參數Table 2 Material parameters for PU foams

2.2 模型驗證與結果分析

數值模擬的驗證主要通過實驗和數值模擬測得的壓力峰值差異來定量判斷，如圖7 所示，提取測試信號較完整的4 次實驗數據與數值模擬的壓力時程曲線進行對比。其中需要注意的是，實驗中無法準確地確定起爆時刻，因而將實驗數據沿時間軸進行調整，使得實驗與數值模擬的沖擊波到達觀測點的起始時刻相同。對比結果表明，兩者吻合程度整體較好，數值模擬基本可以再現實驗中沖擊波壓力特征（其中300-20 實驗中的傳感器由于受到振動或撞擊，測得的超壓曲線在3.1 ms 后出現了基線漂移和大幅振動的現象，因而此段數據暫不作為對比依據）。通過比較得到：數值模擬與實驗測得的靶后壓力峰值差異均低于12%（表3）。表3 中列舉的x-y中的x表示試樣密度，y表示試樣厚度。此外，由于數值模擬中的炸藥參數和沖擊波成長過程更為理想，為減少實驗測試引起的系統誤差對數值模型驗證帶來的影響，對比這2 種方式的壓力峰值衰減率也具有參考價值；除去無試樣時靶后壓力的測試實驗（0-0），其余4 次有效實驗的壓力峰值的衰減率差異均在2%以內。這在一定程度上可認為數值模擬方法可以為聚氨酯泡沫試樣在爆炸加載下削波能力的預測提供參考。

表3 實驗與數值模擬的靶后壓力峰值及對比Table 3 Comparison between experimental and numerical simulation on peak pressure behind target

圖7 實驗與數值模擬在觀測點處的壓力時程曲線對比Fig. 7 Comparison of the overpressure–time histories between the experimental data and numerical results on gauge

爆炸沖擊平板實驗揭示了聚氨酯泡沫對沖擊波載荷的有效削弱效果（壓力峰值衰減率均可達67%以上），因而可以進一步考慮將其作為沖擊波防護屏障的組成部分。接下來針對簡易爆炸物的防護，設計了以聚氨酯泡沫為基礎的復合削爆屏障，運用數值模擬進行防護效能評估和參數分析，從而為爆炸沖擊波的區域防護提供參考。

3 聚氨酯基環形屏障內爆炸防護性能

使用單一材料或單純依靠增加防護結構的厚度可能導致成本急劇提高、體積和質量過大，因而目前關于多層復合結構的設計已成為防爆研究的熱點[24-25]。通過聚氨酯平板試樣的爆炸沖擊實驗已明確其具有較優的削波性能，但聚氨酯泡沫作為一種易燃性材料[26]，無法消除爆炸燃燒的高溫火焰會對周圍環境、裝備及人員造成熱輻射、損傷致死等威脅，因而有必要利用復合結構設計來彌補這一劣勢。考慮到水具有較高的比熱容，可通過相變吸收燃燒中的熱量[27]；而且已有研究表明，與聚氨酯泡沫相似，水屏障在沖擊波削弱方面較混凝土等硬質材料有質量輕、無二次傷害等優勢[28]，但為了進一步提升柔性結構的削爆效能，在液體屏障的基礎上，可結合聚氨酯泡沫多孔可壓縮結構特點和高比強度的力學特征，設計聚氨酯-液體復合環形屏障，以期取得削波、熄焰等爆炸防護的綜合優勢。

3.1 結構模型參數

本文中采用的數值計算模型均為軸對稱結構，且對稱軸位于同一直線上，參考Chapman 等[29]運用AUTODYN 二維（2D）軸對稱簡化模型，所預測的沖擊波壓力歷程與實驗測量結果吻合性較好，因此可采用AUTODYN 2D 軸對稱模型進行模擬計算。數值模型示意圖如圖8 所示，其中，TNT 炸藥、空氣以及水采用歐拉算法模擬[30]，聚氨酯泡沫采用拉格朗日算法模擬。歐拉域尺寸為1 100 mm×1 600 mm，底部邊線采用固定邊界，用于模擬剛性地面；側面和頂部邊線采用流出邊界，用于模擬無限大的空氣域。所使用的炸藥為500 g 圓柱狀TNT，尺寸為 ? 80 mm×61 mm，放置于剛性地面上，位于削爆屏障的中心軸處；屏障均為環形，3 種不同結構的具體幾何尺寸見表4。在對比分析PU 泡沫和液體的排布順序對削波性能的影響時，所采用的均為密度200 kg/m3的PU 泡沫；在對比分析PU 泡沫密度影響時，所采用的PU 泡沫密度分別為100、200 和300 kg/m3。在屏障側向和頂部設置沖擊波觀測點，其位置參數見圖8，其中SG表示觀測點與爆炸中心軸的水平距離，HG表示觀測點與剛性地面的豎直距離。觀測點G1～G8距爆心的水平距離與SG相同，均為1 m，用于評估削爆屏障對側向沖擊波的削弱性能。觀測點G9～G13離地高度與HG相同，均為1.5 m，用于評估削爆屏障對頂部沖擊波的削弱性能。選取的觀測點均位于沖擊波穩定傳播的區域內，從而確保觀測點測得的沖擊波壓力可對結構防護性能進行表征。表4 中的屏障名稱：比如PU/水、水/PU 結構中先出現的材料位于屏障內側，即迎爆材料；例如PU/水結構中PU 位于屏障內側。模型中使用的材料參數與2.1 節一致，此外水采用線性狀態方程進行描述[22]。

表4 數值模型中不同防護結構的幾何參數Table 4 Geometrical parameters of different protective structures in the numerical model

圖8 數值模型示意圖(單位: mm)Fig. 8 Schematic of numerical model (unit in mm)

3.2 沖擊波傳播過程分析

基于數值模擬結果，以典型的水屏障（W）作為對比基準，分析聚氨酯與水組成的復合結構PU/水、水/PU（后續簡稱為PW、WP）在特征時刻的沖擊波壓力云圖及結構動態響應（圖9），從而得到環形復合結構的主要爆炸防護機理，提出性能更具優勢的柔性削爆結構。

起爆后0.1 ms：相比于液體位于內側的W 和WP 結構，傳入PW 結構液體層中的爆炸沖擊波載荷范圍和強度都明顯降低。由于PW 結構中的PU 與空氣的阻抗不匹配程度遠低于其他2 種結構中液體與空氣的不匹配度，所以在W 或WP 結構中，從空氣/液體界面上反射回來的沖擊波強度更高，并有逐漸向結構中心軸處傳播進而與對側反射回來的沖擊波相互作用的趨勢。當沖擊波沿豎直方向向上傳播到達防護結構的高度時，開始沿著結構頂部向外側發生繞射。相比之下，同一時刻的PW 結構的內部依然保持一個較大的低壓區，推測因為空氣/泡沫界面處反射回來的沖擊波強度和速度較W、WP 結構更低，從而延長了防護結構對爆炸載荷的約束以及沖擊波與結構相互作用的時間，有利于增強防護效果。

起爆后0.2 ms：W 結構液體底部沿徑向擴展、厚度減小、變形嚴重；部分沖擊波透射至液體層的外側，這是因為炸藥在地面起爆的工況下，爆心與液體屏障根部距離更近，爆炸沖擊波與其接觸時間更早、強度更高并且作用時間更長。WP 結構的響應與之相似，由于其中的液體厚度降為W 結構的1/2，其慣性效應降低、膨脹變形的程度提高，而且外側的PU 層中出現了均勻的透射波。相比之下，PW 結構的整體變形較小，并且幾乎未在結構外側觀測到透射波，分析認為是以下原因導致的：(1) 沖擊波首先對PU 形成壓垮，所以作用到液體的沖擊波被PU 層吸收削弱，并且PU 自身的延展性很低，在受到沖擊壓垮的過程中不會提前破壞液體層的形態位置，為接下來沖擊波與液體的相互作用提供了良好的前提環境；(2) 沖擊波與液體層接觸界面（內徑280 mm）相比于W 結構（內徑180 mm）更遠，可能由于距離的延長造成沖擊波自身的能量和強度衰減。另外，結構內部的低壓區在逐漸減小，一方面是因為反射沖擊波逐漸朝向環形屏障中心軸運動，另一方面是因為PU 層被逐漸壓實，空氣與結構的接觸界面隨之轉變為空氣與壓實的PU 材料，即界面的阻抗不匹配程度有所提高，導致沖擊波反射強度隨之增加。與此同時，3 種結構的繞射沖擊波的輻射區域繼續擴展。

起爆后0.7 ms：W 和WP 結構頂部的沖擊波陣面已經到達觀測點（G9），在中心軸處發生碰撞交匯的沖擊波及爆炸產物相比于兩側的傳播速度更快，并且結構外側的繞射波與結構中部、底部對應的透射波發生交匯及相互作用。以G9～G13 頂部觀測點的高度作為參考，PW 結構的沖擊波陣面的豎直最高點與參考觀測點仍有一定的距離，并且高壓區相比于其他2 種結構明顯減小，位于中心軸兩側的爆炸產物的擴散速度高于中心軸區域。WP 結構中的泡沫大部分變形失效，這是因為泡沫本身的拉伸失效應變十分有限（小于壓縮失效應變的12%），無法承受內側水膨脹引起的環向拉伸以及沿軸向的不均勻載荷引起的彎曲大變形[31]，提前破壞失效，不利于泡沫對爆炸沖擊能量的充分吸收；進而在結構外側泄露了大量沖擊波，這也是3.3 節定量分析中WP 結構對于外側底部區域的削波效應較其他結構較弱的主要原因。另外與W 結構類似，PW 在結構1/2 高度處也逐漸出現透射波并沿徑向傳播，如圖9(c)所示。

結合特征時刻的壓力云圖，總結得到：爆炸沖擊波主要經歷了反射、繞射、透射及相互交匯等模式。比較W、WP 與PW 這3 種結構，主要區別在于沖擊波初始傳播界面從空氣/液體轉變為空氣/聚氨酯，由于阻抗不匹配程度的降低，界面反射的沖擊波速度減小、強度降低，因而在中心軸處與對側反射回來的沖擊波發生匯聚的時刻推遲、相互作用形成的強度也會隨之降低，造成沖擊波陣面沿著遠離地面的豎直方向獲得的上升速度減小，延長了沖擊波到達觀測點之前與周圍介質交換能量的時間。PW 結構內側的PU 泡沫受到沖擊波產生的壓垮變形延遲了沖擊波與液體的作用時刻，使得結構底端由于阻抗不匹配形成透射波的時刻較W、WP 結構更晚、且強度更低；并且在整個分析過程中（0～0.7 ms），其外層的液體除底端變形外仍能保持初始形態。因而，綜合沖擊波削減性能和結構形態變化，PW 屏障的防護能力更具有優勢。

3.3 參數影響分析

以無屏障時的沖擊波壓力峰值作為參考標準，對防護結構的削波能力進行定量評估[10]，首先定義無量綱超壓峰值參數Mp，其為有防護和無防護時對應的壓力峰值的比值：

式中：pb、pno_b分別表示有防護和無屏障時的壓力峰值。

定義無量綱測點位置參數MH、MS，對削爆屏障徑向外側、頂部不同位置的超壓觀測點進行描述：

式中：HG為觀測點距離地面的豎直距離，SG為觀測點距離爆心的水平距離。

3.3.1 聚氨酯相對位置的影響

圖10 對比了純液體W、PW 和WP 復合結構對應的Mp值，以確定聚氨酯的相對位置對屏障的沖擊波削弱性能的影響；其中復合結構中采用的聚氨酯泡沫的密度均為200 kg/m3。基于無量綱的沖擊波峰值參量MP在3 種防護結構下隨MH、MS的變化，可以得到：同體積條件下，PW 結構比其他2 種結構，對爆炸沖擊波超壓峰值的削弱效果更為明顯；相比于W 結構，PW 結構（內側PU 密度為液體的1/5）在總體質量降低32.9%的條件下，其對超壓峰值的削弱程度仍然高于W 結構。與WP 結構相比， PW 結構的Mp隨不同觀測點的變化曲線更為平緩（除在MS趨近于0 時PW 對應Mp高于WP 結構），定量說明了將聚氨酯泡沫放在內側具有更好的沖擊波削弱性能。另外，在側向底部區域（MH=0.1～0.5），WP 結構相比于其他2 種結構出現了明顯的壓力提升、性能削弱的現象。需要注意的是，數值結果表明：3 種結構對應的工況下，均存在較高位置的觀測點對應的無量綱超壓峰值Mp超過1 的現象，即由于沖擊波的繞射作用及遮蔽效應，與無削爆屏障時相比，削爆屏障對應的沖擊波均在較高位置發生了明顯的增強效應[32]。

圖10 3 種防護結構水、PU/水和水/PU 對應的不同測點處的無量綱超壓峰值參數Fig. 10 Dimensionless peak overpressure at different gauges of protective structures of water, PU/water, and water/PU

3.3.2 聚氨酯密度的影響

圖11～12 給出了不同密度（100、200 和300 kg/m3）聚氨酯的PW、WP 復合結構和W 結構對應的Mp結果。如圖11(a)所示，在MH＜0.3 時，PW 復合結構對超壓峰值的削弱性能與PU 密度正相關，并且PU 密度為200 kg/m3時與W 結構達到相同的作用效果，將此作為PU 與W 結構防護能力相當的臨界密度。在MH＞0.3 后，這種削弱性能與PU 密度并不再成簡單正相關的關系，整體上來看，密度200 kg/m3的PU/水結構對超壓峰值削弱性能最為優異。圖11(b)顯示了屏障頂部的沖擊波超壓峰值結果，相比于W 結構，3 種不同密度PU 對應的PW 結構幾乎均能夠明顯改善沖擊波增強的狀況；且PU 密度越大，對沖擊波增強效應的緩解效果更加明顯。因而，兼顧防護屏障自重和削波性能，優選的PW 結構采用密度約200 kg/m3的PU 比較合適。

圖11 防護結構水，PU/水對應的無量綱超壓峰值參數Mp 變化曲線對比Fig. 11 Comparison of dimensionless peak overpressure parameter Mp variation curves corresponding to structures of water, PU/water

相比之下，將聚氨酯置于液體的外側時（圖12(a)～(b)），WP 復合結構相比于相同體積下的純液體(W 結構)對沖擊波削弱效果并不明顯，在0.1 ≤MH≤ 0.5 或者1/15 ≤MS≤ 2/15 時，水/PU 的超壓峰值甚至明顯高于純液體。另外，3 種不同密度PU 對應的WP 結構在MH＞0.5 的區域內的Mp-MH、Mp-MS曲線幾乎重合，即改變PU 的密度對于水/PU 結構的削波能力并無明顯的影響。

圖12 防護結構水、水/PU 對應的無量綱超壓峰值參數Mp 變化曲線對比Fig. 12 Comparison of dimensionless peak overpressure parameter Mp variation curves corresponding to structures of water, water/PU

4 結 論

本文中以安全處置簡易爆炸裝置的設計為研究背景，利用定向沖擊波流場裝置對聚氨酯泡沫平板進行爆炸加載實驗；隨后沿用已驗證的流固耦合方法對環形復合結構在內爆炸沖擊波作用下的響應進行模擬，分析了相對位置、聚氨酯密度對復合結構的沖擊波削弱性能的影響，主要結論如下。

(1) 在聚氨酯泡沫密度和厚度的研究范圍內，聚氨酯平板對爆炸沖擊波壓力峰值的衰減率均在67%以上，密度和厚度與削波能力呈現正相關，其中密度較厚度的提升對沖擊波削弱能力的增益更大。

(2) 對于聚氨酯基復合削爆屏障，PU/水復合環形屏障(聚氨酯泡沫放置于結構內側)優于水/PU 結構，且與同體積的純水結構相比，PU/水結構在總體質量降低32%的前提下，依然具有更優異的沖擊波超壓峰值削弱性能。

(3) 聚氨酯泡沫密度對水/PU 復合環形屏障的沖擊波削弱性能的影響不明顯。相比之下，聚氨酯泡沫密度對PU/水結構的沖擊波削弱性能影響較為明顯；兼顧防護屏障自重和削波性能，優選的PU/水結構采用密度200 kg/m3的PU 較為合適。

通過材料排序、密度擇優等優化設計提出的復合柔性削爆屏障(如PU/水)對內爆炸載荷的削波效應有明顯增益。在對簡易爆炸物處置、彈藥的隔爆與銷毀中，這種復合結構可以發揮其自重輕、削波效能高且無二次殺傷的優勢。