《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Structural Behavior of Aerospace Materials Under Gaseous Hydrogen-Air Explosion Loads: A Combined Experimental and Numerical Approach
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摘要本研究通过实验和数值方法，研究了航空航天材料在氢气-空气爆燃作用下的结构行为。该研究针对未来氢动力飞机面临的关键安全问题展开，即氢气爆炸对飞机结构的影响。研究的主要目标是了解各种板材在遭遇爆炸现象时的变形与破坏情况。实验中使用了带有爆炸试验室的测试台，对铝、钛以及复合材料制成
摘要
本研究通过实验和数值方法，研究了航空航天材料在氢气-空气爆燃作用下的结构行为。该研究针对未来氢动力飞机面临的关键安全问题展开，即氢气爆炸对飞机结构的影响。研究的主要目标是了解各种板材在遭遇爆炸现象时的变形与破坏情况。实验中使用了带有爆炸试验室的测试台，对铝、钛以及复合材料制成的板材进行了测试。实验过程中系统地改变了多种关键参数：材料类型与厚度、氢气浓度以及初始压力。通过压力测量来表征爆炸现象所带来的载荷，同时利用激光测距仪测量板材中心的位移，以评估其结构响应。此外，还通过显式求解器进行了数值模拟，预测结构变形情况。爆炸的严重程度取决于初始压力和氢气浓度：数值越高，爆炸强度越大。就结构响应而言，实验数据显示，在相同厚度下，不同材料的变形程度存在差异，而板材的变形程度与其刚度有关。一些较薄的样品出现了破裂现象。用于模拟观测到的板材变形的数值模型与实验数据初步吻合，效果较好。总体而言，这些研究结果为评估各类航空航天材料抵抗氢气爆燃的能力提供了重要数据，证实了初始条件与材料特性对结构响应的显著影响，同时也有助于确定航空零件的尺寸。
引言
为实现可持续航空发展，研发氢动力飞机已成为该行业的重要目标，空客的ZEROe项目便是典型代表（Airbus，2025）。然而，这一转型也带来了诸多复杂且重要的安全挑战。其中最值得关注的是氢气-空气爆炸的风险，了解这类气体爆炸对飞机结构的影响对于未来的飞机设计至关重要。这类爆炸可能源于封闭空间内的燃料泄漏，也可能来自外部因素对飞机的冲击，这两种情况需要分别进行分析。爆炸造成的损害不仅与爆炸载荷有关，还与结构元件承受载荷的能力密切相关。
虽然已有大量研究探讨了封闭环境与开放环境中氢气爆燃的基本特性，但研究表明，通风口大小、障碍物以及当量比等因素会对爆炸强度和火焰传播产生直接影响，这些因素已被充分研究（Guo等人，2015；Sun等人，2024；Grune等人，2020）。事实上，经验表明，与碳氢化合物爆炸相比，氢气爆炸产生的峰值超压更高，持续时间更短（Liang等人，2024）。
尽管人们对爆炸源的特性已有较为深入的了解，但针对氢气爆燃所导致的结构变形分析的研究却相对匮乏。相比之下，关于固体爆炸物及爆炸作用下的结构响应已有大量研究，Nurick和Martin（1989a，1989b）以及Yuen等人（2017）的综述总结了相关研究成果与典型的破坏模式。压力-脉冲图是评估这类传统爆炸造成损害的重要工具。需要指出的是，虽然也有少量研究探讨了与氢气相关的结构冲击问题，比如Dancelme等人（2023）对遭受氢气/空气爆炸作用的薄板的研究，但这些研究主要聚焦于爆炸现象，而非更为常见的爆燃现象。这两个研究领域之间存在一个重要的研究空白：固体爆炸物会产生单峰压力曲线，而带有通风口的氢气-空气爆炸则会形成更为复杂的、多峰且呈振荡状的压力曲线。这一本质差异意味着，直接套用现有的抗爆数据来分析氢气相关应用是不准确的。
本文旨在通过提供气体爆燃载荷作用下结构变形的实验数据与分析结果，为填补这一研究空白迈出第一步，从而有助于开发并验证能够准确预测这类特殊爆炸事件造成损害的数值分析工具。
章节节选
实验测试台介绍
本次实验是在专门为封闭环境下的爆燃研究设计的测试台上进行的（见图1）。该测试台的核心部分是一个呈T字形的刚性试验室，由主圆柱段和垂直分支组成。主试验室由15毫米厚的高强度聚乙烯制成，容积为47升，能够承受高达10巴的内部压力。为了便于研究结构响应，试验室还进行了相应改造
爆炸：绝热与等容压力计算
绝热压力与等容压力PAICC的计算方法基于燃烧的热力学平衡模型。这一过程是通过Cantera（Goodwin等人，2024）软件库，结合经过广泛验证的燃烧反应数据库GRI-Mech 3.0动力学机制（Smith等人，1999）来模拟的。该计算假设气体混合物在无热量交换、无体积变化的封闭系统中燃烧，从而实现理想的爆燃过程。在确定初始条件后
爆炸特征
本部分主要研究爆炸现象本身的特征，与板材的结构响应无关。尽管所有测试都使用了可变形的样品板，但由于爆破盘完好无损，燃烧试验室实际上属于封闭且无通风的系统。这种恒定体积的特性可以从压力-时间曲线中得到体现（见图5），该曲线显示出了较为平缓的热衰减过程，而非突然的压力下降。这一结论也得到了其他数据的进一步支持
结论
本研究通过全面的实验与数值分析，研究了航空航天材料在氢气-空气爆燃载荷作用下的动态结构响应。大量的实验数据为解决爆炸载荷分析领域现有的研究空白提供了重要依据。
经过47次实验的验证，本研究得出的关键成果为该领域确立了明确的物理原理，并做出了重要贡献。
首先，关于爆燃现象
CRediT作者贡献说明
Romain Le Dortz：撰写原文初稿、数据处理与可视化、实验研究。 Emmanuel Vardelle：参与文章审阅与编辑、数据处理与可视化、研究构思
未引用参考文献
Dassault Systèmes Simulia Corp，2023；Grune等人，2021。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
Romain Le Dortz|Emmanuel Vardelle
Airbus Operations S.A.S.，法国图卢兹Cedex 03，巴约讷路316号，邮编31060
