冲击波与破片联合作用下梯度泡沫混凝土夹芯结构防护性能研究

Due to lightweight, being designable, exceptional energy absorption capacity, quick replacement after damage, sandwich cladding is promising as a new generation protective structure. Since its protection mechanism against blast has not been fully understood, claddings have not been applied in engineering practice. In this project, the criterion for evaluating the effectiveness of blast mitigation with lightweight sandwich claddings is proposed with energy approach. It is then used to establish the relationship between the load and properties of the cladding and protected structure, subjected to experiment validation. The meso-scale finite element method model of foam concrete will be established based on CT scan, while the deformation characteristics, damage mechanism and load transfer of foam concrete subjected to static and strong dynamic load will be investigated with experimental and numerical methods. The influence of gradient of foam concrete on its response and energy absorption capacity under strong dynamic load will be examined. The sequence of blast and fragment impact on the foam concrete cladding, is taken together with the gradient of the foam core, to optimize the protection capacity. The research findings of this project will make the requirement of effective blast mitigation clear, establish the relationship between the meso-scale structure and macroscopic behavior of foam concrete, and optimize the protection capacity of the cladding with graded foam concrete core against combined effect of blast and fragment impact. This project has scientific significance and is valuable in engineering practice.

轻质夹芯挂板作为新一代爆炸冲击防护结构，由于其轻量化，参数可设计，能量吸收性能优越，损坏后快速替换等优点，具有广泛的应用前景。由于对此类挂板抗爆有效性条件尚需进一步研究，目前尚未应用于工程实际。本项目采用能量方法提出轻质夹芯挂板抗爆有效性的判据，反推在特定载荷下挂板与被保护结构参数需满足的条件，通过试验进行验证；基于CT扫描对泡沫混凝土进行精细化有限元建模，通过试验和数值方法研究其在静态和强动载下的变形特征、损伤破坏机理与载荷传递规律；揭示梯度对泡沫混凝土在强动载下响应与能量吸收性能的影响；研究泡沫混凝土防护结构在冲击波和破片不同加载次序下的响应和防护能力，并与泡沫混凝土层的梯度影响相结合，对防护挂板进行优化。研究成果将阐明轻质夹芯结构抗爆有效性条件，建立泡沫混凝土细观结构与宏观性能的关系，优化梯度泡沫混凝土防护结构对冲击波和破片的防护能力，具有重要科学意义与工程实用价值。

轻质牺牲挂板作为新一代爆炸冲击防护结构，具有参数可设计、能量吸收性能优异、损伤后快速替换即可恢复防护能力等优点，具有广阔的应用前景。然而，使用此类挂板进行结构爆炸防护的概念已提出近三十年，但工程应用一直受限，原因在于试验中观测到有些工况防护有效，有些工况防护无效，甚至出现防护负效果，即安装挂板的效果劣于未安装挂板的情况。在此背景下，本项目从挂板抗爆有效性出发，将泡沫混凝土引入牺牲防护结构，进行了系统研究。取得的研究进展包括：第一，基于能量方法，分析了控制挂板抗爆有效性的竞争因素，提出了判断挂板爆炸防护有效性的判据：在结构构件外安装挂板进行爆炸防护有效的必要条件为芯层吸收的能量需大于安装挂板多引入的能量。根据此判据对载荷-挂板-结构系统的参数进行设计，可避免无效防护。第二，通过CT扫描对泡沫混凝土的真实细观结构进行表征，并通过试验得到其准静态和动态压缩性能，基于真实孔隙结构建立细观数值模型，建立起泡沫混凝土细观结构和宏观性能间的联系。第三，通过将泡沫混凝土填入蜂窝等结构得到泡沫混凝土组合防护结构，结合了两种组分各自的优点。通过静动态试验和数值模拟得到此结构的响应模式、载荷传递和能量吸收。第四，讨论了梯度对泡沫混凝土组合防护结构的影响，并优化了防护效果。最后，将此类牺牲结构应用于典型工程结构，进行爆炸防护分析。本项目为牺牲挂板在结构爆炸冲击防护领域的工程应用提供了理论和技术支持，具有重要的科学价值与工程意义。