الاستجابة الديناميكية للألواح الدائرية الساندويتش ذات التدرج ثنائي الاتجاه تحت تحميلات تفجيرية متكررة

لماذا حماية الهياكل الرقيقة من الانفجارات مهمة

من المدرعات والسفن الحربية إلى القطارات فائقة السرعة والمركبات الفضائية، تعتمد العديد من الآلات الحرجة على أغلفة معدنية رقيقة للحفاظ على سلامة الأشخاص. تُبنى هذه الأغلفة غالبًا كألواح «ساندويتش»، مع صفائح خارجية قوية ونواة خفيفة الوزن في المنتصف. بينما يركز المصممون عادةً على النجاة من انفجار قوي واحد، نادرًا ما تحدث التهديدات الحقيقية مرة واحدة فقط. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لتصميم ساندويتش جديد مستوحى من الطبيعة أن يتحمّل الانفجارات المتكررة بشكل أفضل دون إضافة وزن زائد.

ورقة زهرة كنموذج للحماية

استلهم الباحثون فكرتهم من زنبق الماء الملكي، الذي تستطيع أوراقه العملاقة حمل أحمال كبيرة بفضل شبكة ذكية من العروق. نقلوا هذا النمط الطبيعي إلى لوحة دائرية معدنية ساندويتش: صفحتان رقيقتان من الألمنيوم مفصولة بنواة شبيهة بخلايا النحل. والأهم أن النواة ليست موحدة. تزداد أو تقل سماكة جدران الخلايا تدريجيًا في اتجاهين — عبر اللوحة ومن خلال سمكها — مكونة ما يسميه المؤلفون التدرج ثنائي الاتجاه. صُممت أربعة تخطيطات تدرج مختلفة بتغيير سماكة جدران الخلايا قرب المركز مقابل الحافة، وبالقرب من السطح المواجه للانفجار مقابل الخلفي.

محاكاة الانفجارات المتكررة على الحاسوب

بدلاً من اختبارات الانفجار الفيزيائية، استخدم الفريق محاكاة عددية متقدمة بواسطة رمز العناصر المحددة ABAQUS/Explicit. نمذجوا لوحة دائرية مثبتة على بعد 200 مليمتر من شحنات تي إن تي كروية صغيرة بكتل 15 و25 و35 غرامًا. حوّلت صيغة موجة التفجير القياسية كل كتلة تي إن تي والمسافة إلى ضغط متغير مع الزمن على الصفيحة الأمامية، مقلدة الموجات الصدمية الحقيقية. تعرّضت كل لوحة افتراضية لما يصل إلى ستة انفجارات منفصلة. بعد كل انفجار، أصبحت التشوهات المتبقية والأضرار الداخلية نقطة البداية للتفجير التالي، مما سمح للباحثين بتتبع الضرر التراكمي وكيف يتصلب اللوح تدريجيًا مع انضغاط النواة.

كيف ينحني اللوح ويمتص الطاقة

أكدت المحاكاة استجابة ذات ثلاث مراحل: أولًا، تتعرض الصفيحة الأمامية للصدمة وتسارع بسرعة؛ ثانيًا، تُضغط النواة بين الصفيحة الأمامية المتحركة والصفيحة الخلفية الساكنة؛ ثالثًا، تتحرك اللوحة بأكملها معًا وتتباطأ تدريجيًا بينما ينحني المعدن ويجري تمدده بشكل دائم. مع كل انفجار جديد، يزداد انحراف الصفيحة الخلفية، لكن كمية الانحناء الإضافي التي يضيفها كل انفجار تقل. يحدث هذا لأن نواة خلية النحل تنهار وتتكاثف تدريجيًا، فتتحول إلى طبقة أكثر صلابة تمتص جزءًا أكبر من الطاقة الواردة قبل أن تصل إلى الخلف. أظهرت الألواح التي زادت فيها كثافة النواة نحو الحافة ومن جهة الانفجار نحو الخلف انحرافات خلفية أصغر عمومًا، مما يعني مقاومة أفضل للانفجار تحت أحمال متكررة.

مقايضات التصميم في التدرجات وسماكة الصفائح

تبين أن التدرج ثنائي الاتجاه في النواة يشكل رافعة تصميمية قوية. دون تغيير الكتلة الإجمالية، أدت إعادة ترتيب أماكن المواد الأثخن أو الأرفع للنواة إلى تغيير ملحوظ في كل من أعلى انحراف وامتصاص الطاقة الكلي. قللت بعض التخطيطات من انحناء الوجه الخلفي، بينما زادت أخرى مقدار طاقة التفجير التي يمكن للهيكل امتصاصها، خاصة بعد عدة انفجارات. كما اختبر المؤلفون إعادة توزيع السماكة بين الصفائح الأمامية والخلفية مع الحفاظ على نفس كتلة المعدن الكلية. حالة واعدة بشكل خاص خفّضت سماكة الصفيحة الأمامية وزادت سماكة الخلفية. عزز هذا التعديل امتصاص الطاقة الإجمالي بنحو 30% بعد ستة انفجارات، مع ترك الانحراف النهائي للوجه الخلفي تقريبًا دون تغيير، مقدمة حماية أفضل دون وزن إضافي.

ما يعنيه هذا لمركبات وهياكل أكثر أمانًا

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن طريقة «ترتيب المعدن» داخل لوحة الساندويتش تهم بقدر كمية المعدن المستخدمة. من خلال تدرج نواة خلية النحل في اتجاهين وضبط سماكة الألواح الخارجية بعناية، يمكن للمهندسين بناء ألواح تتحمّل العديد من الانفجارات، لا انفجارًا واحدًا فقط. يمكن أن تمنع التركيبة الصحيحة الجانب المحمي من الانحناء المفرط بينما تجبر النواة على العمل كأسفنجة طاقية تضحية. تقدّم هذه الرؤى إرشادات عملية لتصميم أغلفة أخف وأكثر متانة مقاومة للانفجار للمركبات العسكرية والمباني الواقية والسفن والمركبات الفضائية المعرضة للصدمات والضربات المتكررة.

الاستشهاد: Wang, H., Liu, Y., Lei, J. et al. Dynamic response of bi-directional gradient sandwich circular plates under multiple explosive loading. Sci Rep 16, 6056 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36360-1

الكلمات المفتاحية: ألواح ساندويتش مقاومة للانفجار, نواة قرصية متدرجة على شكل خلية النحل, تحميل انفجار متكرر, هياكل امتصاص الطاقة, تصميم هيكلي مستوحى من الطبيعة