基于微分弥散弱化的爆炸冲击载荷防护方法及系统与流程

本发明涉及一种防护方法，具体涉及一种基于微分弥散弱化的爆炸冲击载荷防护方法，属于警用、军用、公共安全防护领域。

背景技术：

目前爆炸冲击波防护主要分以下五个策略：(1)动量提取(交换)：即将爆炸能量转换为防护结构的动量；(2)能量吸收：即通过防护结构的塑性变形等方式(比如泡沫材料的压缩)来吸收爆炸能量；(3)能量导向：即利用防护结构迫使冲击波发生反射与绕射，进而将部分爆炸能量引导至无害方向；(4)冲击波正压时间的延长；(5)粘弹性材料多次震荡耗能。

基于以上第(1)和第(2)种策略的防护方法的防护效率都取决于防护结构的质量，即防护结构质量越大，防护效果越好。但由于目前的爆炸冲击载荷防护结构趋向于轻量化设计，因此基于以上第(1)和第(2)种策略的防护方法存在一定瓶颈，尤其是对于近场超高载荷情况。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种基于微分弥散弱化的爆炸冲击载荷防护方法，采用该方法能够在降低防护结构自重的同时有效地削弱冲击波，为轻质爆炸防护结构的设计提供一种可靠的指导。

所述的基于微分弥散弱化的爆炸冲击载荷防护方法为：在迎爆面采用面内波阻抗设计将爆炸冲击波分成两个以上先后达到后一防护层的子冲击波，所述面内波阻抗设计指迎爆面由不同波阻抗材料制备的防护单元拼接形成；后一防护层通过粘弹性材料对到达的子冲击波进行弥散弱化。

作为本发明的一种优选方式，所述后一防护层采用多谐振子弹性超材料。

作为本发明的一种优选方式，迎爆面各所述防护单元采用不同波速的材料。

作为本发明的一种优选方式，当爆炸冲击波为非平面波时，迎爆面各所述防护单元的波速按所述爆炸冲击波达到各所述防护单元的先后顺序递减。

作为本发明的一种优选方式，所述后一防护层由不同特征频率的粘弹性材料制备的防护单元拼接，且后一防护层中各防护单元与第一防护层中各防护单元的位置一一对应，其中后一防护层中防护单元特征频率的取值范围为：0.5f1～1.5f1；其中：f1＝c1/2l1，c1为第一防护层中与之对应的防护单元的波速，l1为第一防护层中与之对应的防护单元的厚度。

此外，本发明提供一种基于微分弥散弱化的爆炸冲击载荷防护系统，包括：第一防护层和第二防护层；所述第一防护层包括两个以上防护单元，用于制备各防护单元的材料的波阻抗不同；所述第二防护层采用粘弹性材料制备；使用时，所述第一防护层作为迎爆面。

作为本发明的一种优选方式，所述第一防护层采用从一端至其相对端，防护单元波阻抗高低间隔搭配的形式。

作为本发明的一种优选方式，所述第一防护层由三种不同波阻抗的材料制备的防护单元拼装而成，其中第一防护层中心位置采用高波阻抗材料制备的防护单元a，防护单元a上下对称设置低波阻抗材料制备的防护单元b，两个防护单元b的另一侧采用较高波阻抗材料的防护单元c。

作为本发明的一种优选方式，所述防护单元a、防护单元b、防护单元c所用材料的波速依次降低。

作为本发明的一种优选方式，所述第二防护层由三种不同特征频率的粘弹性材料拼装而成，其中与所述防护单元a对应位置采用特征频率取值范围为0.5fa～1.5fa的高频粘弹性材料制备的防护单元d，与所述防护单元b对应位置采用特征频率取值范围为0.5fb～1.5fb的中频粘弹性材料制备的防护单元e，与所述防护单元c对应位置采用特征频率取值范围为0.5fc～1.5fc的低频粘弹性材料制备的防护单元f；

其中：fa＝ca/2la，其中ca为第一防护层中防护单元a的波速，la为第一防护层中防护单元a的厚度；fb＝cb/2lb，其中cb为第一防护层中防护单元b的波速，lb为第一防护层中防护单元b的厚度；fc＝cc/2lc，其中cc为第一防护层中防护单元c的波速，lc为第一防护层中防护单元c的厚度。

有益效果

(1)本发明采用基于面内波阻抗匹配的微分理念将爆炸冲击波微分成多个先后到达后一防护层的子冲击波；并进一步基于粘弹性材料的弥散理念延长子冲击波的作用时间，实现了冲击波的弱化。

(2)对于非平面波，为了提高分时效果，通过对第一防护层各防护单元材料的选择使得越后到达防护层的冲击波穿过防护层的时间过程也越长，则最终到达该防护层背面的时间就越迟，由此使各个子波峰值时间间距越大。

(3)第二防护层中与第一防护层对应的部分选择不同特征频率的粘弹性材料，能够提高第二防护层的冲击波削弱性能，促进其耗能效果，通过面外频率匹配促进吸能的方式使冲击波进一步削弱。

附图说明

图1为冲击波微分原理示意图；

图2为冲击波弥散原理示意图；

图3为基于本发明的方法设计的两层防护系统的结构示意图。

其中：1-第一防护层，2-第二防护层，3-来袭爆炸冲击波，4-防护单元a，5-防护单元b，6-防护单元c，7-防护单元d，8-防护单元e，9-防护单元f

具体实施方式

下面结合发明实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下结构实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

本实施例提供一种基于微分弥散弱化的爆炸冲击载荷防护方法，采用该方法能够为轻质爆炸防护结构的设计提供一种可靠的指导。

基于微分弥散弱化的爆炸冲击载荷防护方法的原理为：将来袭的一个高峰值、短正压时间的爆炸冲击波拆分成n个低峰值(n为大于等于2的整数)、长正压时间的爆炸冲击波，并利用粘弹性材料使得拆分后的冲击波按照傅里叶频率进一步弥散(散布)。假设无防护条件下，单峰冲击波的超压峰值为p0，正压作用时间为t0；防护后的多峰冲击波的第i个峰的超压峰值为pi，i＝1…n，正压作用时间为ti；则且pi<p0。冲击波作用时间越长(相同冲量前提下)，峰值越低，危害越小；由此便实现了冲击波的弱化。

为了实现冲击波导向分时的微分弥散弱化效果，提出了以下两个防爆结构设计理念：

(1)基于面内波阻抗匹配的微分理念

面外波阻抗匹配原则常被用于防爆结构的设计，即多层之间采用“硬-软-硬”的搭配形式，硬材料指高波阻抗材料(比如钢)，软材料指低波阻抗材料(比如泡沫多孔材料)，这里的高波阻抗和低波阻抗是相对而言的，即多层之间波阻抗的比较；这种结构形式可在一定程度上降低透射冲击波大小，但往往也需要较重的防护结构。

本方法采用面内波阻抗匹配理念，用于单峰冲击波的微分，在防爆结构设计时，迎爆面的防护层(令为第一防护层)在同一平面内采用“硬-软-硬”搭配形式(这里硬材料和软材料也是相对而言的，即同一面内包括波阻抗不同的材料)，即高低波阻抗材料在面内交替铺设；当冲击波碰到高波阻抗材料时，绝大部分会发生反射，一部分会沿着高波阻抗材料表面沿着面内绕射，少部分发生透射；当冲击波直接接触或绕射接触到低波阻抗材料时，会很容易透射至其背面。由此迎爆面的防护层前方一个完整的初始冲击波，经该防护层后会被分割成两个以上先后到达后一防护层的子波阵面(或者理解为一个多峰冲击波)。如图1所示，初始冲击波为一个高峰值的冲击波，通过第一防护层(分时结构)，形成了两个子冲击波，作用时间增长；且每个子冲击波的峰值都低于初始冲击波峰值，即初始冲击波被微分成多个先后到达后一防护层的子冲击波。

对于平面爆炸冲击波(当防护结构距离爆心很远时，冲击波近似平面波)，直接将迎爆面的防护层设计为在同一平面内采用不同波阻抗材料搭配的形式即可。

对于爆炸物位置已知且爆炸冲击波为近似球面波的防爆系统(当防护结构距离爆心很近时，冲击波近似球面波)，比如用于处置爆炸物的防爆容器，可通过以下方式进一步提高分时效果：对于球面波，爆炸冲击波会先后达到防爆系统的不同位置，由此迎爆面内，爆炸冲击波最先达到位置的防护层(令为防护单元a)选用高波阻抗高波速材料，使得绝大部分冲击波发生反射与绕射，少部分发生透射，且发生透射的冲击波快速透射至其背面；迎爆面内与防护单元a相邻的部分(令为防护单元b)选用低波阻抗中波速材料，使得延迟到达(相对到达防护单元a的爆炸冲击波延迟达到)的冲击波绝大部分中速透射其背面；进一步地，迎爆面内与防护单元b另一侧相邻的部分(令为防护单元c，爆炸冲击波最后达到的位置)选用较高波阻抗低波速材料，使得到达该防护部分冲击波部分发生反射与绕射，部分发生透射，并慢速到达其背面。由此，越后到达防护层的冲击波穿过防护层的时间过程也越长，则最终到达该防护层背面的时间就越迟，这样各个子波峰值时间间距就越大。比如，防护单元a可以选取均质金属，防护单元b可以选取非金属泡沫，防护单元c可以选取气泡液体。上述记载中的高、较高、中、低均为相对概率，即防护单元a、防护单元b和防护单元c中，防护单元a所用材料的波阻抗最高，防护单元b所用材料的波阻抗最低，防护单元c所用材料的波阻抗介于防护单元a和防护单元b之间；防护单元a所用材料的波速最高，防护单元c所用材料的波速最低，防护单元b所用材料的波速介于防护单元a和防护单元c之间。

(2)基于粘弹性材料的弥散理念

为了进一步削弱透射或者泄露至第一防护层背面的冲击波载荷，延长冲击波作用时间，第二防护层采用粘弹性材料，实现冲击波的弥散。一个冲击波具有一个较宽的傅里叶频率范围，当冲击波在粘弹性材料中传播时，会出现弥散效应：即一个冲击波弥散成很多频率不同谐波，这些谐波趋向以自身的相速向前传播，由此可以实现冲击波作用时间的二次延长。

对于经第一防护层分时后的一个子冲击波，粘弹性材料可以实现如图2所示的弥散效应，即冲击波逐渐分散成诸多不同频率的冲击波向前传播，作用时间延长，则大部分冲击波幅值会下降。

为了提高耗能效果，实现更好的频率匹配，可以将普通的粘弹性材料，换成具有多个特征频率的超材料(即多谐振子弹性超材料,dual-resonatorelasticmetamterials)。

在利用粘弹性材料对冲击波进行弥散的同时利用粘弹性材料的耗能效应，载荷频率与粘弹性材料特征频率越接近，耗能效果越好。对于一个爆炸空气冲击波(未透射过任何防护材料)，其频谱具有较宽的范围。但是经过第一防护层的冲击波，其频率范围的得到了一定调节，主要落在f＝c/2l附近(其中c为第一防护层材料的波速，l为第一防护层厚度)。经过第一防护层分时处理后，越高波速材料防护单元后面的子冲击波主要频率越高。因此，可通过冲击波主要频率范围与特征频率对应地选择第二防护层各部分的粘弹性材料，从而使得第二防护层每部分粘弹性材料具有良好的冲击波削弱效率，优选的，第二防护层中各防护单元与第一防护层中的各防护单元一一对应，且第二防护层中防护单元所选用的粘弹性材料的特征频率为f1＝c1/2l1，其中c1为第一防护层中与之对应的防护单元的波速，l1为第一防护层中与之对应的防护单元的厚度。由此，高波速材料后方对应采用高频粘弹性材料，低波速材料后方对应采用低频粘弹性材料，较高波阻抗材料后方对应采用中频粘弹性材料，其中高、中、低为相对概率。

综上，分时处理和弥散效应能够相继实现冲击波的弱化。

实施例2：

本实施例提供一种基于上述实施例1的爆炸冲击载荷防护方法所设计的爆炸冲击载荷防护系统。

如图3所示，该防护系统包括两个防护层，分别为第一防护层1和第二防护层2，使用时，第一防护层1作为迎爆面，与来袭爆炸冲击波3相对。

第一防护层1采用面内波阻抗设计原则，用于实现冲击波的分时微分，将一个高峰值的冲击波分成两个以上先后达到第二防护层2的子冲击波。

第一防护层1包括两个以上防护单元，用于制备各防护单元的材料的波阻抗不同；可以采用从第一防护层1的一侧至另一侧防护单元波阻抗高低搭配的结构形式，如高波阻抗材料-低波阻抗材料-高波阻抗材料-低波阻抗材料…或高波阻抗材料-低波阻抗材料-较高波阻抗材料-较低波阻抗材料…。

对于用于处置爆炸物的防爆装备，爆心的位置往往已知，则防护系统先后接触冲击波的部分也可知，由此设计如图3所示的防护系统，第一防护层1为沿最先冲击波达到位置上下对称的结构，具体为：第一防护层1由三种不同波阻抗的材料排列形成，其中第一防护层1中心位置(爆炸冲击波最先达到的位置)采用高波阻抗材料制备的防护单元a4，防护单元a4上下对称设置低波阻抗材料制备的防护单元b5，两个防护单元b5的另一侧采用较高波阻抗材料的防护单元c6，由此所形成的第一防护层1在迎爆面内从上往下材料依次为：较高波阻抗材料-低波阻抗材料-高波阻抗材料-低波阻抗材料-较高波阻抗材料。当来袭爆炸冲击波3到达第一防护层1时，按高波阻抗材料-低波阻抗材料-较高波阻抗材料的顺序依次遭遇冲击波载荷。遇到防护单元b5(低波阻抗材料)的冲击波绝大部分发生透射；遇到防护单元a4(高波阻抗材料)的冲击波绝小部分透射，绝大部分冲击波会发生反射以及沿着壁面绕射，再次到达低波阻抗材料和较高波阻抗材料部分，再次发生透射，由此经过第一防护层1后，来袭爆炸冲击波3会被拆分成先后到达的几个子冲击波，实现分时与峰值下降。

为了提高分时效果，防护单元a4、防护单元b5、防护单元c6所用材料的波速依次降低，即延长后到达第一防护层1的冲击波的透射时间，以进一步拉开到达第二层的子冲击波时间差异。从应用角度出发，防护单元a4选取均质金属，防护单元b5可以选取非金属泡沫，防护单元c6可以选取气泡液体。

可以根据第一防护层1迎爆面尺寸继续在外围重复高低交错的波阻抗结构。

第二防护层2采用粘弹性材料，当分时后的子冲击波到达第二防护层2时，会在粘弹性材料中进一步发生弥散；由于冲击波在傅里叶域是由一系列不同频率的谐波叠加而成，而粘弹性性材料会促使这些波按照自身的相速往前传播，因此波形无法保持原形而在传播过程中散开来。弥散效应会进一步增长波的作用时间，对应地基本也会降低谐波的峰值。

当载荷频率与粘弹性材料特征频率接近或相同时，粘弹性具有较好的耗能效果，通过高防护单元a4、防护单元b5、防护单元c6透射后的子冲击波主要频率依次降低。因此，为了提高第二防护层2的冲击波削弱性能，即促进其耗能效果，相应地，第二防护层2中与第一防护层1对应的部分选择特征频率匹配的不同粘弹性材料，即第二防护层2中与防护单元a对应位置采用特征频率取值范围为0.5fa～1.5fa的高频粘弹性材料制备的防护单元d，与防护单元b对应位置采用特征频率取值范围为0.5fb～1.5fb的中频粘弹性材料制备的防护单元e，与防护单元c对应位置采用特征频率取值范围为0.5fc～1.5fc的低频粘弹性材料制备的防护单元f；其中：fa＝ca/2la，其中ca为第一防护层中防护单元a的波速，la为第一防护层中防护单元a的厚度；fb＝cb/2lb，其中cb为第一防护层中防护单元b的波速，lb为第一防护层中防护单元b的厚度；fc＝cc/2lc，其中cc为第一防护层中防护单元c的波速，lc为第一防护层中防护单元c的厚度。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。