同步爆炸波与破片冲击试验：一种评估芳纶织物抗爆炸性能的新方法

《International Journal of Impact Engineering》：A Synchronised Blast Wave and Fragment Impact test: a Novel approach for evaluating Aramid Fabric performance against Explosions

　　

摘要
本文探讨了一种一致且可控的测试方法的发展，用于评估材料和结构对爆炸波和破片冲击组合的响应。实验装置能够实现平面爆炸波和单次破片冲击的同步到达，且两种载荷可独立控制。用于产生可重复爆炸载荷的爆炸驱动激波管与加速 1.102g 北约 STANAG 破片模拟弹的武器系统相结合。两种载荷同步进行，以模拟对应于特定装药和目标爆距的爆炸事件。该方法在芳纶织物上进行了演示，以评估其在爆炸波存在下的抗破片冲击性能。总共测试了 55 个样品，每个样品 15 层，涵盖了一系列超压（4–10MPa）、破片速度（396–637m/s）以及爆炸波和破片到达时间间隔（–210 至 +516 μs）。结果与 23 个样品的参考单次冲击测试进行了比较。最初，爆炸波加速织物，同时应力波从其边缘向中心点传播。在短时间间隔内，与弹道单次冲击测试相比，冲击破片需要高 18% 的冲击速度才能穿透，因为破片的相对冲击速度降低了。在较长时间间隔内，受爆炸波载荷的织物达到最大面外位移，这增加了累积应变能并使织物的抗冲击性能降低 14.5%。

引言
防爆炸保护是一个在军事、执法和结构工程领域得到广泛关注的概念。共同目标是减轻人员伤亡、基础设施损坏和运营中断等风险。尽管爆炸是一个涉及能量快速释放、产生爆炸波以及通常将破片加速到高速的单物理现象，但其影响分析受到可用资源和简化假设的限制。鉴于此，爆炸通常被分为两种作用：从爆炸装置传播的爆炸波加上由其破碎外壳形成的破片群或放置在爆炸物周围的金属弹片集合。这种实际的划分在历史上简化了爆炸效应的研究，将分析分为两个不同的研究领域：爆炸工程和弹道学工程。现行标准仅考虑破片保护，这是通过一系列单次冲击测试来评估的，以确定弹道极限或 V50（穿透概率为 50% 时的速度）[1,2]。
2000 年代初，研究表明爆炸与破片之间的相互作用会产生耦合效应和非线性损伤模式 [3,4]。随后几年，开发了许多实验方法来探索结构和材料对爆炸和破片冲击组合效应的响应。这些方法按测试方法、载荷配置以及脉冲载荷之间的动态相互作用进行呈现和结构化。
带壳爆炸装药的野外测试提供了爆炸事件的高度真实再现，其中爆炸波和自然形成的高速破片均与目标相互作用。这些测试通常使用与特定弹药威胁相匹配的较大装药进行。由于破片模式不可控和安全限制，这些测试通常在户外进行。Kazemahvazi 等人 [5] 研究了受钢壳随机散布破片冲击的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层压板的剩余拉伸强度，显示强度降低与移除表面积成正比。Li 等人 [6] 测试了近距圆柱形装药爆轰下的多层复合隔板，并分析了损伤序列和能量耗散模式。Li 等人 [7] 使用钢壳装药进行测试，以评估混凝土块中的剥落和穿透深度。Kong 等人 [8] 评估了海军型多层结构对抗大规模带壳装药的性能，并展示了组合载荷下加劲肋的失效。Lim 等人 [9] 在钢 - 混凝土复合面板上施加了时间相关（120-150μs）的爆炸和多次破片冲击，以研究其在近缩距（0.39-0.78 m/kg?）下的响应。尽管具有真实性，但这些测试对输入参数的控制有限，且无法精确量化施加的载荷，这使系统结论的提取变得复杂。
定向破片装药实验使爆炸能量和破片能够聚焦投射到定义的目标区域。此类测试爆炸装药效率高，因此更可能在实验室中进行。Ranwaha 等人 [10] 使用与小爆炸装药接触的前钢板来模拟自然产生的破片，如野外测试中带壳装药产生的破片，但在受控的实验室环境中。一组研究采用了安装在短爆距圆柱形装药上的方形预制破片：Cai 等人 [11] 和 Li J. 等人 [12] 分别研究了多层泡沫 - 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）夹层板和 S2 玻璃纤维增强复合层压板，揭示了层配置如何影响损伤传播。Zhang 等人 [13,14] 检查了混合波纹和夹层结构的动态响应，显示在暴露于破片 - 爆炸组合时失效模式的转变和核心损伤的增强。Chen 等人 [15] 显示，当聚氨酯涂层层施加在背面时，聚氨酯涂层钢板在组合爆炸 - 破片冲击下表现更好。Sahoo 等人 [16] 使用非支配排序遗传算法优化了泡沫填充钢波纹板对抗组合爆炸 - 破片载荷的设计。Guo 等人 [17] 测试了各种组合载荷条件下的铝板 - 铝泡沫夹层板，观察到不同程度的灾难性失效。
第二组研究采用了球形预制破片（钢基或钨基），以评估复合或涂层金属板对抗爆炸载荷的性能。Liang 等人 [18] 在大规模 TNT 野外测试中使用了 6 毫米球体，并确定了爆炸波和破片到达之间的三种耦合模式，将时间与聚氨酯 -UHMWPE-纤维复合材料的特定失效模式相关联。Zhang 等人 [19] 和 Wu 等人 [20] 测试了聚氨酯涂层钢板，观察到涂层厚度起非线性作用，存在最佳范围，超出该范围保护作用减弱。Suo 等人 [21] 通过将在分析表达式中引入由有限元模拟得出的破片残余速度，评估了爆炸焊接钢/钛板在爆炸/破片下的弹道抗力。Zhang 等人 [22] 和 Zhao 等人 [23] 使用圆柱形装药，并在圆柱周长上放置球形弹丸，以研究钢基圆柱壳的响应。这些实验方法提供了改进的破片尺寸分布和冲击速度，从而产生具有更明确时空分布的组合爆炸和破片载荷。爆炸载荷和破片载荷之间的动态相互作用作为时间依赖现象出现，通常会放大分层目标的失效模式。然而，使用这些方法，爆炸和破片部件的严重程度无法解耦，因为它们都源于同一个爆炸装置。由于不可控的散布，破片的冲击角度和冲击点变化显著，导致测试结果的高变异性。载荷之间的时间间隔只能通过修改装药相对于目标的爆距来间接调整，但这反过来又会影响爆炸载荷的大小。
连续载荷测试通过在受控的、时间分离的顺序下施加破片冲击和爆炸载荷来模拟组合爆炸效应。Jackson 等人 [24] 使 E-玻璃/乙烯基酯层压板经受弹道或落锤冲击，随后进行激波管爆炸，显示先前损伤如何影响爆炸性能。Elveli 等人 [25] 在小武器冲击或预钻孔钢板后将其暴露于空气爆炸中，将预先存在的缺陷与增加的裂纹扩展联系起来。Mouritz 等人 [26] 研究了顺序水下爆炸和弹道载荷下的缝合复合材料，发现破片冲击损伤强烈影响爆炸后的变形。这些方法有助于明确的参数隔离并促进可重复性。然而，它们仅考虑来自连续载荷的损伤累积，而忽略当两个时间相关的动态载荷施加在目标材料上时显现的动态相互作用。
当目标材料承受脉冲载荷时，载荷能量以应力波的形式传播，引发变形并触发材料或目标结构在固有频率下的振荡。如果连续施加多个脉冲载荷，它们的应力波可以叠加，根据事件之间的时间间隔导致相长或相消干涉。材料在后续载荷时刻的动能状态显著影响其响应。当脉冲之间的间隔接近结构的自然周期时，可能会发生共振效应，可能放大变形并降低材料的有效抗冲击性 [27]。Li 等人 [28] 开发了一种新型实验方法，可以使用代表爆炸的大型铝泡沫弹丸和作为破片模拟物的小钢柱来执行模拟组合爆炸和单次破片冲击测试。破片模拟物以不同深度嵌入较大的泡沫弹丸中，实现两者在载荷之间准确定时间间隔范围内的同步冲击。Radford [29] 之前已建立了基于铝泡沫弹丸的材料属性和冲击速度与 TNT 装药模拟爆炸波之间的联系。Zhao 等人 [30] 和 Ni 等人 [31] 使用相同的装置测试 UHMWPE 板和陶瓷增强金属波纹夹层板，结果相似。Li 的实验装置是对之前报道的连续脉冲载荷实验室方法 [24, 25, 26] 的改进。引入两种载荷到达之间的间隔使得能够更深入地研究材料对抗爆炸效应的动态力学行为。然而，该技术的一个限制因素是两种载荷强度之间的依赖性：破片速度受限于泡沫支撑体的速度，这转化为模拟爆炸超压/冲量。因此，至少在某些范围之外，不可能进行具有独立控制爆炸压力/冲量和破片冲击速度的参数分析。此外，两种载荷的到达时间取决于在泡沫支撑体内的放置深度。由于泡沫支撑体的长度是有限的，这限制了载荷之间的时间间隔。最后，使用大型泡沫弹丸模拟爆炸波仅限于测试具有相当弯曲刚度以保持一致泡沫/目标接触力的平面样品。
这些限制强调了对一种实验方法的需求，该方法能够施加组合爆炸和破片效应，并独立控制关键参数：爆炸超压、破片速度和时间间隔。解决每个载荷的影响需要跨越广泛范围进行精确调整。此外，鉴于破片冲击对角度、位置和破片方向的敏感性，必须准确定位冲击，使轨迹垂直于目标。这将能够在不同爆炸场景下对材料和结构进行系统参数分析。
本文描述了一种新型测试方法，能够以高的时空精度模拟爆炸和破片载荷的组合效应。在第 2 节中，详细描述了所提出的方法，并有关于载荷之间时间间隔物理意义的简要理论基础支持。其适用性通过在近同时爆炸和破片载荷下对芳纶织物的测试得到演示。结果在第 3 节中展示和讨论，展示了材料的相位依赖抗冲击性。第 4 节提供了主要发现的总结。

章节片段
载荷之间的时间间隔作为模拟爆距的函数
为了研究爆炸对防护材料和结构的影响，分析促成这些复杂载荷条件的事件序列至关重要。从设计角度来看，定义载荷的输出范围限制了实验装置的技术特性。Kingery-Bulmash 的工作是球面和半球面爆炸波传播实际爆炸载荷计算的关键资源 [32]。

关于单点冲击测试
进行单点冲击测试是为了建立基于凯夫拉 K29 的干织物在不受冲击波影响下的抗碎片性能参考值。测试了 21 个 15 层芳纶织物样品，在单次弹道冲击下，针对 1.102 克碎片模拟抛射体，冲击速度 (VI) 范围为 429-603m/s。每个样品仅射击一次，以避免损伤累积影响结果。在先前的测试中，使用了一种矩形夹持框
结论
本文提出了一种高度可控且一致的测试方法，用于对弹道纺织品施加同步的联合冲击波和碎片冲击。碎片速度、冲击波超压以及载荷之间的时间间隔是独立控制的参数。使用实验室武器系统进行碎片模拟物加速，确保了目标上冲击点的准确定位。爆炸驱动的激波管产生平面冲击波
作者声明 (CREDIT)
Georgios Kechagiadakis：概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、写作 – 初稿
David Lecompte：项目管理、资源、监督、写作 – 审查与编辑
Wim Van Paepegem：监督、写作 – 审查与编辑
CRediT 作者贡献声明
Georgios Kechagiadakis: 写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。
David Lecompte: 写作 – 审查与编辑，监督，资源，项目管理。
Wim Van Paepegem: 写作 – 审查与编辑，监督。
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