恒定质量AL-6XN钢与CFRP复合高效防护结构在空气爆炸载荷下的设计与性能研究

针对恐怖袭击和事故爆炸对建筑与人员的破坏问题，研究人员通过数值模拟对比了等面密度下AL-6XN钢制实体板(SP)、加筋板(STP)和蜂窝夹层板(SWP)的抗爆性能，发现SWP能量吸收能力提升32-87%，并通过CFRP(碳纤维增强聚合物)杂交进一步降低背板变形58%。该研究为轻量化抗爆结构设计提供了重要依据。

　　

在恐怖袭击和工业事故频发的背景下，爆炸冲击波对建筑结构和人员安全造成严重威胁。传统防护结构如实体钢板(SP)虽能抵御冲击，但重量大、耗材多；而加筋板(STP)和蜂窝夹层板(SWP)虽能减轻重量，但其在等质量条件下的抗爆性能对比尚不明确。更关键的是，现有研究往往忽略核心参数（如蜂窝高度、胞元尺寸）对恒定质量夹层板性能的影响，且缺乏CFRP(碳纤维增强聚合物)杂交方案的优化研究。这些空白使得防护结构设计难以兼顾轻量化与高效抗爆的需求。

为回答这些问题，Murlidhar Patel和Shivdayal Patel团队在《Next Materials》发表研究，采用动态显式有限元方法，系统比较了等质量(8.97kg)AL-6XN钢制SP、STP和SWP在1-3kg TNT爆炸载荷下的响应。关键技术包括：1) 基于CONWEP模块的爆炸载荷模拟；2) Johnson-Cook本构模型描述AL-6XN钢的应变率效应；3) 结合Hashin和Puck-Schurmann准则的CFRP损伤模型；4) 零厚度粘聚力单元模拟层间分层。研究还考察了51mm/40mm/30mm三种蜂窝高度和10×10/8×8/6×6三种胞元网格的影响。

1. 冲击压力分析

通过Friedlander方程量化爆炸压力时程曲线，发现峰值压力随TNT质量增加而升高，且面板中心区域承受最高压力（3kg TNT时达172MPa），这解释了后续变形集中于中心区域的现象。

2. 能量响应对比

SWP展现出最优的能量吸收特性：在3kg TNT爆炸时吸收107.9kJ能量，比SP高32%，主要归因于蜂窝芯层塑性耗散（占97%）。其动能峰值(61.16kJ)也低于SP(64.7kJ)，表明更多能量被结构耗散而非传递。

3. 变形行为差异

SWP背板最大挠度仅49.03mm，较SP降低49%，且径向变形分布更均匀。STP虽比SP减少7.2mm挠度，但 stiffener（加强筋）与面板交界处出现203%的等效塑性应变(PEEQ)，预示局部断裂风险。

4. 蜂窝参数影响

恒定芯层质量(1.67kg)下，51mm高蜂窝(SWP-H51)通过更薄的胞壁(0.76mm)实现719%的芯层平均PEEQ，比30mm高版本(SWP-H30)提升103%，且背板挠度降低40%。而减小胞元尺寸(SWP-C10→C06)仅使背板挠度增加3.8mm，说明高度调整比胞元优化更有效。

5. CFRP杂交效应

将SWP前板替换为[0°/90°]铺层的CFRP/钢混杂结构后，背板挠度骤降至7.78mm（降幅84%）。损伤分析显示，分层破坏和基体拉伸损伤吸收了38%的冲击能量，而芯层塑性耗散提升12%，形成多级耗能机制。

该研究证实，在等质量约束下，高蜂窝芯(51mm)与CFRP杂交的SWP具有最优抗爆效率(BEI达0.2282kJ/mm²)，其科学价值在于：1) 量化了芯层几何参数对恒定质量结构性能的影响规律；2) 揭示了CFRP通过分层损伤调控能量分配的机制；3) 提出的BEI指标为抗爆结构多目标优化提供了新标准。实际应用中，该设计可应用于军事掩体、化工厂防爆墙等场景，在保持轻量化(8.97kg/m²)的同时显著提升防护等级。未来研究需结合实验验证AL-6XN钢的断裂行为，并探索其他纤维增强体系(如KFRP)的杂交效果。