内爆炸多场耦合作用下柔性复合结构的动态响应与防护机理

The situation of explosive terrorist attacks is becoming more and more serious. Explosives involved have the characteristics of random placement, unknown explosive trigger mode, indeterminate lethal power and so on. How to deal with them in a noncontact way in emergency is a research hotspot and difficulty in the field of anti-terrorism. In this project, the flexible composite structures consisting of liquid and high performance fiber reinforced composites will be used to study the dynamic response and protection mechanism under multi-field coupling loads by inner explosion based on the liquid cavitation and membrane stretching theories, full-scale numerical simulation and multi-factor explosion experiments. The research focuses on: (1) motion, deformation and failure characteristics of the flexible composite structures under the multi-field coupling loads; (2) laws of temporal and spatial evolution of shock wave, attenuation of fragment velocity and energy dissipation; (3) the effect of different factors on the response of flexible composite structures and dominant parameters and (4) the analytical model of the simplified protection process and critical conditions for effective protection. Through the research in this project, key scientific problems such as the failure mechanism of the flexible composite structures under inner explosion, the critical conditions for effective protection from the multi-field coupling loads and the matching design methods of the protective structure will be solved, and the theoretical basis and method support will be obtained for the flexible composite structures used in the engineering and application fields of new generation of light special anti-explosion equipment.

爆炸恐怖袭击形势日益严峻，所涉及的爆炸物投放位置随机、爆炸触发方式不明且杀伤威力不确定，如何对其非接触式应急处置是爆炸防护领域的研究热点和难点。本项目以由液体和高性能纤维材料等组成的柔性复合结构为研究对象，基于液体空化和纤维复合材料薄膜拉伸理论、全尺度数值仿真分析和多因素爆炸实验等方法，开展复合结构在内爆炸多场耦合作用下的动态响应与防护机理研究。研究重点为：①内爆炸多物理场载荷耦合作用下柔性复合结构的运动、变形和失效破坏；②冲击波时空演化、破片速度衰减及能量耗散分配规律；③多因素对柔性复合结构在耦合作用下的响应特性影响及主控表征参数；④防护历程简化分析模型及有效防护临界条件。通过本项目研究，解决柔性复合防护结构的内爆炸失效机制、多场载荷耦合作用的有效防护临界条件以及防护结构的匹配设计方法等关键科学问题，为柔性复合结构在新一代轻质特种防爆装备领域的工程设计与应用提供理论基础和方法支撑。

爆炸会产生高压冲击波、高速破片和高温火焰等多种危害，如何基于较轻质量的装备对较大当量的爆炸危害进行高效防护，是爆炸应急处置与安全防护领域的难点。本项目聚焦于内爆炸多场耦合作用下柔性复合结构的防护机理等关键科学问题，提取载荷特征、优化柔性材料、揭示主控机理，取得如下成果：①基于爆炸相似律等唯象模型对内爆炸产生的多种载荷和次生危害的时空演化进行了理论分析，针对纤维、液体和泡沫等典型柔性材料特性探究了结构的潜在防护机理。②基于破片速度衰减规律、冲击波反射/绕射及泄漏机制、材料动量提取、纤维薄膜拉伸及泡沫塑形压垮等理论，研制了多维纤维编织结构、剪切增稠液改性织物及多孔吸能聚氨酯泡沫等柔性材料，并实验获得了材料的力学特性与参数。③开展了柔性材料及结构对单一破片冲击防护的弹道冲击实验和对单一冲击波载荷防护的裸药爆炸实验，优选了破片防护性能更强的（改性）纤维材料，揭示了结构削弱冲击波的主导机理，获得了多层柔性结构的优化排序方法。④基于带壳装药爆炸加载实验，获得了冲击波预先加载对柔性材料抗破片侵彻性能的影响规律，提出了一种由液体、高性能纤维和多孔泡沫等复合材料优化排序组成的新型柔性复合防爆结构。通过本项目研究，解决了柔性复合结构削弱爆炸载荷的主导机理、冲击波预先加载对材料破片防护性能的影响规律、以及防护结构的匹配设计方法等关键科学问题，并应用于新型柔性复合防爆装备的工程设计与研制，该装备具备轻质便捷、高效防爆能力、无附带伤害等优势，可实现对0~6kgTNT当量带破片爆炸物的应急处置与安全防护。项目相关成果获2020年公安部科学技术奖一等奖，发表论文15篇，其中SCI论文14篇，获授权发明专利8项和受理发明专利4项，受邀做学术报告15次，并以作价入股方式实施成果转化，研制出柔性防爆桶、柔性防爆毯、柔性防爆挡墙等19型防爆装备与设施，为柔性防爆装备和设施的工程研制提供了理论基础和方法支撑。