一种复合芯体夹心圆筒防爆结构
阅读说明：本技术 一种复合芯体夹心圆筒防爆结构 (Composite core sandwich cylinder explosion-proof structure ) 是由 梁民族 李翔宇 林玉亮 卢芳云 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种复合芯体夹心圆筒防爆结构,目的是解决目前泡沫夹心圆筒防爆结构防护能力不足问题。本发明由外部圆筒、复合芯体、内部圆筒、底部端盖组成,内部圆筒、复合芯体、外部圆筒由内向外同轴装配组成夹心结构,底部端盖焊接在复合芯体下端面。复合芯体由内泡沫芯体、内纤维层、超弹性体芯体、外纤维层、外泡沫芯体同轴装配而成；内部圆筒由圆筒、涂层、内衬、垫块组成,涂层喷涂在圆筒外侧面,内衬侧壁截面为直角三角形的圆筒形。底部端盖由金属盖和盖内芯体组成,盖内芯体同轴嵌套于金属盖内。本发明具有良好的爆炸冲击波能量吸收能力,对高速破片具有很强的吸附能力,在爆炸冲击波和破片联合载荷防护方面性能优越。(The invention discloses a composite core body sandwich cylindrical explosion-proof structure, and aims to solve the problem of insufficient protection capability of the existing foam sandwich cylindrical explosion-proof structure. The composite core comprises an outer cylinder, a composite core body, an inner cylinder and a bottom end cover, wherein the inner cylinder, the composite core body and the outer cylinder are coaxially assembled from inside to outside to form a sandwich structure, and the bottom end cover is welded on the lower end face of the composite core body. The composite core body is formed by coaxially assembling an inner foam core body, an inner fiber layer, a super-elastomer core body, an outer fiber layer and an outer foam core body; the inner cylinder consists of a cylinder, a coating, a lining and a cushion block, wherein the coating is sprayed on the outer side surface of the cylinder, and the section of the side wall of the lining is in a right-angled triangle cylinder shape. The bottom end cover consists of a metal cover and a cover inner core body, and the cover inner core body is coaxially nested in the metal cover. The invention has good absorption capacity of the energy of the explosive shock waves, strong absorption capacity to the high-speed fragments and excellent performance in the aspect of the protection of the combined load of the explosive shock waves and the fragments.)
技术领域
本发明属于一种防爆结构，具体涉及一种金属泡沫、超弹性体、高强纤维三种材料复合芯体的夹心圆筒防爆结构。
背景技术
近年来，世界各地恐怖活动日益频繁，恐怖分子异常猖獗，严重威胁广场、火车站、机场等公共场所的安全。全球恐怖活动屡见不鲜，爆炸袭击是最常见的恐怖活动。据经济与和平研究所(Institute for Economic and Peace,IEP)2020 年11月发布的《全球恐怖主义指数报告》(Global Terrorism Index,GTI)统计， 2019年全球13826人因恐怖主义死亡，63个国家或地区至少有1人死于恐怖主义。自2014年以来，新疆打掉暴恐团伙1588个，抓获暴恐人员12995人，缴获爆炸装置2052枚。为了及时处理爆炸物或可疑爆炸物，车站、机场等公共场所一般布置能够处理紧急情况的防爆罐。防爆罐是指限制结构内部爆炸冲击波、破片和爆轰产物，有效保护人员、设备和环境安全的爆炸防护结构。
新型轻质便携的泡沫夹心防爆结构，便于灵活、机动处理可疑爆炸物和运输危爆品，在民用和军事领域都具有十分重要的现实意义。夹心圆筒质量轻、抗爆能力强，能够满足防爆罐便携性的迫切需求。夹心圆筒通过夹心结构的变形及破坏吸收爆炸产生的动能和内能，同时约束冲击能量，最后上端开口释放剩余爆炸能量减小破坏。传统泡沫夹心圆筒由内外两层金属圆筒壳体和夹在中间的低密度泡沫芯体组成。金属圆筒的抗弯曲和拉伸强度较高，可以承受爆炸冲击波导致的拉压载荷。泡沫芯体的压缩应力-应变曲线中包含一个较长的应力平台，表现出优异的吸能特性。泡沫夹心圆筒的“硬-软-硬”构型的波阻抗设计，具有优良的减缓冲击波的效果。然而，在现实恐怖活动中，爆炸除了会产生爆炸冲击波，往往还会伴随着侵彻性极强的破片。当爆炸物在防护结构内部爆炸时，爆炸冲击波和高速破片作用于结构的时序基本一致，爆炸冲击波和高速破片形成联合载荷。爆炸冲击波和高速破片联合载荷之间存在明显的协同效应，对结构的耦合作用效果远大于单独作用效果的简单叠加。目前，传统泡沫夹心圆筒主要侧重于爆炸冲击波的防护，很难实现对高速破片的防护，对爆炸冲击波和破片联合载荷的防护能力更弱。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前泡沫夹心圆筒防爆结构对爆炸冲击波和高速破片联合载荷防护能力不足问题，提供一种复合芯体夹心圆筒防爆结构，提高结构的抗爆炸冲击波和破片联合载荷的性能。
本发明的技术方案是：
本发明整体为带底圆筒，由外部圆筒、复合芯体、内部圆筒、底部端盖组成，外部圆筒、复合芯体、内部圆筒组成本发明带底圆筒的侧壁面，底部端盖为带底圆筒的底部。定义本发明安装底部端盖的一端为下端(即封闭端)，未安装底部端盖的一端为上端(即开口端)，内部圆筒的内部为本发明的内部，用于存储爆炸物。本发明外直径为D，D根据抗爆需求来定，满足0.1m<D<2m，高度为H，满足D<H<3D。
内部圆筒、复合芯体、外部圆筒由内向外同轴装配，底部端盖焊接在复合芯体下端面，且外部圆筒套在复合芯体和底部端盖侧壁，外部圆筒上端面与复合芯体上端面平齐，外部圆筒下端面和底部端盖的下端面平齐。外部圆筒、复合芯体、内部圆筒组成夹心结构，外部圆筒和内部圆筒是夹心结构的面板，复合芯体是夹心结构的芯体。
外部圆筒为圆筒形，高度等于H，外直径等于D，内直径为d，满足0.9D<d<0.98D。外部圆筒材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。外部圆筒用于包裹复合芯体和底部端盖。复合芯体在内部圆筒和破片作用下获得整体运动速度，与剩余一定速度的破片冲击外部圆筒。当内部圆筒与外部圆筒速度相等时，内部圆筒开始与复合芯体分离，同时外部圆筒在环向应力的作用下速度开始逐渐降低，直至动能完全耗散。
复合芯体为圆筒形，外直径等于d，内直径为d1，满足0.6d<d1<0.9d，高度为h，满足0.85H<h<0.95H。复合芯体由外泡沫芯体、外纤维层、超弹性体芯体、内纤维层、内泡沫芯体组成。内泡沫芯体、内纤维层、超弹性体芯体、外纤维层、外泡沫芯体，由内向外同轴装配，且上下端面齐平，高度均等于h。外泡沫芯体、外纤维层、超弹性体芯体、内纤维层、内泡沫芯体均为圆筒形，壁厚分别为t1、t2、t3、t4、t5，满足0.05D<t1<0.2D，0.01D<t2<0.03D，0.05D<t3<0.2D， 0.01D<t4<0.03D，0.05D<t5<0.2D。外泡沫芯体材料为金属泡沫，密度在0.3g/cm3至0.6g/cm3之间，屈服应力不小于30MPa。外纤维层材料为高强碳纤维或玻璃纤维，密度在1.0g/cm3至3.0g/cm3之间，抗拉强度大于400MPa。超弹性体芯体材料为聚脲超弹性体材料，密度在1.0g/cm3至1.6g/cm3之间，拉伸强度大于 30MPa，断裂伸长率大于500％。内纤维层材料为高强碳纤维或高强玻璃纤维，密度在1.0g/cm3至3.0g/cm3之间，抗拉强度大于800MPa。内泡沫芯体为金属泡沫，密度在0.3g/cm3至0.6g/cm3之间，屈服应力不小于30MPa。内泡沫芯体位于复合芯体最内侧，承受爆炸冲击波和高速破片联合载荷的冲击，依靠外泡沫芯体材料的微观结构的不均匀性，干扰联合载荷原有的冲击方向，吸收部分联合载荷动能，同时大幅降低冲击波载荷的幅值。外泡沫芯体位于复合芯体最外侧，当外纤维层、超弹性体芯体、内纤维层承受载荷向外整体膨胀时，外泡沫芯体减缓复合芯体整体外移，吸收复合芯体部分的动能。内纤维层、超弹性体芯体、外纤维层是防护爆炸冲击波和高速破片的重要部件。内纤维层和外纤维层将超弹性体芯体夹在中间。当爆炸冲击波和高速破片与内纤维层作用时，内纤维层能够拦截部分高速破片，部分速度破片穿透内纤维层进入超弹性体芯体，部分冲击波从破片穿孔处进入超弹性体芯体。超弹性体芯体的材料为聚脲超弹性体，受到冲击载荷时出现玻璃态，缓冲吸能和抗冲击性能优越，对冲击波和破片载荷均有很好的防护作用。同时聚脲超弹性体具有很强的自愈能力(即修复失效部位的裂纹)，能够有效阻止联合载荷导致的失效扩展。外纤维层对极少穿透超弹性体芯体的高速破片进一步防护。
内部圆筒为带底圆筒形，高度等于h，外直径等于d1，内直径为d2，满足 0.8d1<d2<0.95d1。内部圆筒由圆筒、涂层、内衬、垫块组成，涂层为喷涂在圆筒外侧面的超弹性体，垫块的上端面与圆筒底面和涂层底部粘接，垫块的下端面与底部端盖粘接。圆筒是有一个底面的圆筒，内直径等于d2，侧壁和筒底厚度均为e，满足0.02D<e<0.2D。圆筒材料为玻璃纤维增强塑料，是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺制作的一种新型功能材料，密度在1.0g/cm3至1.6g/cm3之间，熔点2000摄氏度以上。涂层为聚脲超弹性体涂层，厚度为f，满足0.1e<f<0.5e。内衬为侧壁截面为直角三角形的圆筒形，同轴嵌套于圆筒内，内衬的底面与垫块之间隔着圆筒的底面。内衬外直径等于d2，高度为h2，满足0.2h<h2<0.4h，侧壁截面直角三角形顶角的角度为w，满足5°<w<45°，这种侧壁截面使得内衬上面的侧壁薄，下面的侧壁厚，使得爆炸物从本发明开口端进入后，爆炸物直接滑入内部圆筒底部中心部位。内衬为金属泡沫，密度在0.3g/cm3至0.6g/cm3之间，屈服应力大于30MPa。垫块为圆柱状，直径等于d2，高度为h1，满足 0.2h<h1<0.4h。垫块为金属泡沫，密度在0.3g/cm3至0.6g/cm3之间，屈服应力大于30MPa。圆筒为玻璃纤维增强塑料材料，抵挡高温高压的爆轰产物气体，有效衰减冲击波和破片速度。涂层能够提高内部圆筒的变形能力，在内部圆筒发生剪切破坏时能够有效地抑制失效处的扩孔。垫块的上端面与圆筒和涂层底部粘接，下端面与底部端盖粘接。垫块支撑内部圆筒，使得内部圆筒的底部处于本发明高度方向的中间部位，为爆炸物与底部端盖之间预留空间，提高底部端盖的抗爆能力。
底部端盖为圆饼状，是本发明带底圆筒的筒底，位于复合芯体下方，底部端盖的下端面与外部圆筒下端面平齐，外直径等于d，高度为h3，h3＝H-h。底部端盖由金属盖和盖内芯体组成。金属盖呈带底圆筒形，外直径等于d，内直径为g，满足0.9d2<g<d2，高度等于h3，筒内深为h4，满足0.4h3<h4<0.6h3。金属盖材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。盖内芯体为圆饼形，外直径等于g，高度等于h4。盖内芯体材料为金属泡沫，密度在0.5g/cm3至2.0g/cm3之间，屈服应力大于30MPa。盖内芯体同轴嵌套于金属盖内，并粘接在金属盖内部圆筒底面上，盖内芯体上端面与金属盖上端面平齐。金属盖能防止爆炸冲击波从底部泄露，造成本发明整体倾倒。盖内芯体可防止联合载荷同时作用于金属盖，造成金属盖不稳定或解体。本发明使用时，爆炸物从本发明开口端进入后，通过内部的内衬和垫块，爆炸物直接滑入本发明抗爆结构中心部位(即内部圆筒中)，提高结构周向承受爆炸的均匀性。当爆炸物在本发明内部圆筒发生爆炸时，爆炸除了会产生爆炸冲击波，往往还会伴随着侵彻性极强的破片。内部爆炸冲击波和破片联合载荷下本发明的变形破坏及能量耗散过程主要包括三个主要阶段：
第一阶段，爆炸冲击波和高速破片作用于内部圆筒，内部圆筒吸收冲击波动能和部分破片冲击、侵彻过程中耗散的动能，获得一个初始速度开始向外膨胀运动。内部圆筒的涂层能够提高内部圆筒整体变形能力，抑制破片穿孔处产生大面积剪切破坏。内部圆筒的垫块为爆炸物与本发明的底部端盖之间预留了一定的缓冲空间，提高本发明底部缓冲能力和稳定性。
第二阶段，内泡沫芯体承受爆炸冲击波和高速破片联合载荷的冲击，依靠外泡沫芯体材料的不均匀性，干扰联合载荷原有的冲击方向，吸收部分联合载荷动能，同时大幅降低冲击波载荷的幅值。当爆炸冲击波和高速破片与内纤维层作用时，内纤维层能够拦截部分高速破片，部分速度破片穿透内纤维层进入超弹性体芯体，部分冲击波从破片穿孔处进入超弹性体芯体。超弹性体芯体的材料为聚脲超弹性体，受到冲击载荷时出现玻璃态，缓冲吸能和抗冲击性能优越，对冲击波和破片载荷均有很好的防护作用。同时聚脲超弹性体具有很强的自愈能力，能够有效阻止联合载荷导致的失效扩展。外纤维层对极少穿透超弹性体芯体的高速破片进一步防护。当外纤维层、超弹性体芯体、内纤维层承受载荷向外整体膨胀时，外泡沫芯体减缓复合芯体整体外移，吸收复合芯体部分的动能。
第三阶段，复合芯体在内部圆筒和破片作用下获得整体运动速度，与剩余一定速度的破片冲击外部圆筒。当内部圆筒与外部圆筒速度相等时，内部圆筒开始与复合芯体分离，同时外部圆筒在环向应力的作用下速度开始逐渐降低，直至动能完全耗散。
与现有技术相比，采用本发明可以达到以下有益效果：
(1)本发明采用金属泡沫、聚脲超弹性体、高强纤维三种材料构成的复合芯体设计，具有质量轻、强度优异、吸能效率高等良好的力学性能，不仅具有良好的爆炸冲击波能量吸收能力，而且对高速破片具有很强的吸附能力，在爆炸冲击波和破片联合载荷防护方面性能优越；
(2)本发明内部圆筒的聚脲超弹性体涂层，能够提高内部圆筒的变形能力，在内部圆筒发生剪切破坏时能够有效地抑制失效处的扩孔，内衬和垫块能够提高本发明对爆炸载荷承受的均匀性，提高本发明各部件爆炸载荷防护的利用率，同时增加爆炸物到圆筒底部的缓冲距离。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图；
图2是图1A-A’方向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明整体为带底圆筒，由外部圆筒1、复合芯体2、内部圆筒3、底部端盖4组成，外部圆筒1、复合芯体2、内部圆筒3组成本发明带底圆筒的侧壁面，底部端盖4为带底圆筒的底部。定义本发明安装底部端盖4的一端为下端(即封闭端)，未安装底部端盖4的一端为上端(即开口端)，内部圆筒3的内部为本发明的内部，用于存储爆炸物。本发明外直径为D，D根据抗爆需求来定，满足0.1m<D<2m，高度为H，满足D<H<3D。
如图2所示，内部圆筒3、复合芯体2、外部圆筒1由内向外同轴装配，底部端盖4焊接在复合芯体2下端面，且外部圆筒1套在复合芯体2和底部端盖4 侧壁，外部圆筒1上端面与复合芯体2上端面平齐，外部圆筒1下端面和底部端盖4的下端面平齐。外部圆筒1、复合芯体2、内部圆筒3组成夹心结构，外部圆筒1和内部圆筒3是夹心结构的面板，复合芯体2是夹心结构的芯体。
外部圆筒1为圆筒形，高度等于H，外直径等于D，内直径为d，满足 0.9D<d<0.98D。外部圆筒1材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。外部圆筒1用于包裹复合芯体2和底部端盖4。复合芯体2在内部圆筒3和破片作用下获得整体运动速度，与剩余一定速度的破片冲击外部圆筒1。当内部圆筒3与外部圆筒1速度相等时，内部圆筒3开始与复合芯体2分离，同时外部圆筒 1在环向应力的作用下速度开始逐渐降低，直至动能完全耗散。
复合芯体2为圆筒形，外直径等于d，内直径为d1，满足0.6d<d1<0.9d，高度为h，满足0.85H<h<0.95H。复合芯体2由外泡沫芯体21、外纤维层22、超弹性体芯体23、内纤维层24、内泡沫芯体25组成。内泡沫芯体25、内纤维层 24、超弹性体芯体23、外纤维层22、外泡沫芯体21，由内向外同轴装配，且上下端面齐平，高度均等于h。外泡沫芯体21、外纤维层22、超弹性体芯体23、内纤维层24、内泡沫芯体25均为圆筒形，壁厚分别为t1、t2、t3、t4、t5，满足 0.05D<t1<0.2D，0.01D<t2<0.03D，0.05D<t3<0.2D，0.01D<t4<0.03D，0.05D<t5<0.2D。外泡沫芯体21材料为金属泡沫，密度在0.3g/cm3至0.6g/cm3之间，屈服应力不小于30MPa。外纤维层22材料为高强碳纤维或玻璃纤维，密度在1.0g/cm3至 3.0g/cm3之间，抗拉强度大于400MPa。超弹性体芯体23材料为聚脲超弹性体材料，密度在1.0g/cm3至1.6g/cm3之间，拉伸强度大于30MPa，断裂伸长率大于 500％。内纤维层24材料为高强碳纤维或高强玻璃纤维，密度在1.0g/cm3至 3.0g/cm3之间，抗拉强度大于800MPa。内泡沫芯体25为金属泡沫，密度在 0.3g/cm3至0.6g/cm3之间，屈服应力不小于30MPa。内泡沫芯体25位于复合芯体2最内侧，承受爆炸冲击波和高速破片联合载荷的冲击，依靠外泡沫芯体21 材料的微观结构的不均匀性，干扰联合载荷原有的冲击方向，吸收部分联合载荷动能，同时大幅降低冲击波载荷的幅值。外泡沫芯体21位于复合芯体2最外侧，当外纤维层22、超弹性体芯体23、内纤维层24承受载荷向外整体膨胀时，外泡沫芯体21减缓复合芯体2整体外移，吸收复合芯体2部分的动能。内纤维层24、超弹性体芯体23、外纤维层22是防护爆炸冲击波和高速破片的重要部件。内纤维层24和外纤维层22将超弹性体芯体23夹在中间。当爆炸冲击波和高速破片与内纤维层24作用时，内纤维层24能够拦截部分高速破片，部分速度破片穿透内纤维层24进入超弹性体芯体23，部分冲击波从破片穿孔处进入超弹性体芯体23。超弹性体芯体23的材料为聚脲超弹性体，受到冲击载荷时出现玻璃态，缓冲吸能和抗冲击性能优越，对冲击波和破片载荷均有很好的防护作用。同时聚脲超弹性体具有很强的自愈能力，能够有效阻止联合载荷导致的失效扩展。外纤维层22对极少穿透超弹性体芯体23的高速破片进一步防护。
内部圆筒3为带底圆筒形，高度等于h，外直径等于d1，内直径为d2，满足 0.8d1<d2<0.95d1。内部圆筒3由圆筒31、涂层32、内衬33、垫块34组成，涂层 32为喷涂在圆筒31外侧面的超弹性体涂层，垫块34的上端面与圆筒31底面和涂层32底部粘接，垫块34的下端面与底部端盖4粘接。圆筒31是有一个底面的圆筒，内直径等于d2，侧壁和筒底厚度均为e，满足0.02D<e<0.2D。圆筒31 材料为玻璃纤维增强塑料，是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺制作的一种新型功能材料，密度在1.0g/cm3至1.6g/cm3之间，熔点2000摄氏度以上。涂层32 为聚脲超弹性体涂层，厚度为f，满足0.1e<f<0.5e。内衬33为侧壁截面为直角三角形的圆筒形，同轴嵌套于圆筒31内，内衬33的底面与垫块34之间隔着圆筒31的底面。内衬33外直径等于d2，高度为h2，满足0.2h<h2<0.4h，侧壁截面直角三角形顶角的角度为w，满足5°<w<45°，这种侧壁截面使得内衬33上面的侧壁薄，下面的侧壁厚，使得爆炸物从本发明开口端进入后，爆炸物直接滑入内部圆筒3底部中心部位。内衬33为金属泡沫，密度在0.3g/cm3至0.6g/cm3之间，屈服应力大于30MPa。垫块34为圆柱状，直径等于d2，高度为h1，满足 0.2h<h1<0.4h。垫块34为金属泡沫，密度在0.3g/cm3至0.6g/cm3之间，屈服应力大于30MPa。圆筒31为玻璃纤维增强塑料材料，抵挡高温高压的爆轰产物气体，有效衰减冲击波和破片速度。圆筒31外侧的涂层32为聚脲超弹性体涂层，能够提高内部圆筒3的变形能力，在内部圆筒发生剪切破坏时能够有效地抑制失效处的扩孔。垫块34的上端面与圆筒31和涂层32底部粘接，下端面与底部端盖4粘接。垫块34支撑内部圆筒3，使得内部圆筒3的底部处于本发明高度方向的中间部位，为爆炸物与底部端盖4之间预留空间，提高底部端盖4的抗爆能力。
底部端盖4为圆饼状，是本发明带底圆筒的筒底，位于复合芯体2下方，底部端盖4的下端面与外部圆筒1下端面平齐，外直径等于d，高度为h3，h3＝H-h。底部端盖4由金属盖41和盖内芯体42组成。金属盖41呈带底圆筒形，外直径等于d，内直径为g，满足0.9d2<g<d2，高度等于h3，筒内深为h4，满足 0.4h3<h4<0.6h3。金属盖41材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。盖内芯体42为圆饼形，外直径等于g，高度等于h4。盖内芯体42材料为金属泡沫，密度在0.5g/cm3至2.0g/cm3之间，屈服应力大于30MPa。盖内芯体42同轴嵌套于金属盖41内，并粘接在金属盖41内部圆筒底面上，盖内芯体42上端面与金属盖41上端面平齐。金属盖41能防止爆炸冲击波从底部泄露，造成本发明整体倾倒。盖内芯体42可防止联合载荷同时作用于金属盖41，造成金属盖 41不稳定或解体。
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