多重爆発荷重下における双方向勾配サンドイッチ円板の動的応答

薄い構造を爆風から守ることが重要な理由

装甲車や軍艦から高速列車、宇宙船に至るまで、多くの重要な機械は薄い金属皮膜に依存して人命を守っています。これらの皮膜はしばしば、外側に強い面板を、内側に軽量のコアを挟んだ“サンドイッチ”板として構成されます。設計者は通常、単発の強力な爆発に耐えることに注力しますが、現実の脅威はめったに一度きりとは限りません。本研究は、自然に着想を得た新しいサンドイッチ設計が、重量を増やすことなく繰り返しの爆発にどのように耐えうるかを探ります。

保護の設計図としての花の葉

研究者たちは、巨大な葉が強い荷重を支えるために巧妙な葉脈ネットワークを持つロータス（王蓮）に着想を得ました。この自然のパターンを円形の金属サンドイッチ板に翻訳し、二枚の薄いアルミニウムの面板でハニカム状のコアを挟んだ構造を作りました。重要なのはコアが一様でない点です。セルの壁厚が板面内と板厚方向の二方向で徐々に太くなったり薄くなったりしており、著者らはこれを双方向勾配と呼んでいます。中心部と縁部、そして爆風に面する前面と背面側でハニカム壁の厚さを変えることで、4種類の異なる勾配配置が設計されました。

コンピュータ上での繰り返し爆発のシミュレーション

物理的な爆風試験の代わりに、チームはABAQUS/Explicit有限要素ソフトを用いた高度な数値シミュレーションを行いました。固定支持された円板を、15、25、35グラムの小型球状TNT爆薬から200ミリメートル離してモデル化しました。標準的な爆風波形式により、各TNT質量と距離を前面の面板に作用する時間変動圧力に変換し、実際の衝撃波を模倣しました。各仮想板は最大6回の個別爆発を受け、その都度残存変形と内部損傷が次の爆発の初期状態となることで、累積損傷とコアが圧縮されるにつれて板が徐々に剛性化する過程を追跡できました。

板はどう曲がりエネルギーを吸収するか

シミュレーションは三段階の応答を確認しました。まず前面の面板が衝撃を受け迅速に加速され、次に前面の動く面板とまだ静止している背面の間でコアが圧縮され、最後に板全体が一体となって移動し、金属が塑性変形してゆっくりと停止します。爆発が進むごとに背面のたわみは大きくなりますが、各爆発で追加されるたわみ量は次第に小さくなります。これはハニカムコアが徐々に破砕・高密化してより剛性の高い層となり、背面に到達する前に入力エネルギーを多く吸収するようになるためです。コア密度が中心から縁へ、そして爆風側から背面側へ増す配置を持つ板は、繰り返し荷重下で一般に背面のたわみが小さく、耐爆性が高いことが示されました。

勾配と面板厚さに関する設計上のトレードオフ

双方向コア勾配は強力な設計パラメータであることが分かりました。総質量を変えずに、より厚いあるいは薄いコア材をどこに配置するかを入れ替えるだけで、最大たわみや総エネルギー吸収量が顕著に変化しました。ある配置は背面のたわみを最小化し、別の配置は特に複数回の爆発後に構造が吸収できる爆風エネルギーを最大化しました。著者らはまた、前面と背面の面板厚さの配分を総金属質量を保ったまま変える試験も行いました。前面を薄くして背面を厚くする構成は有望で、6回の爆発後の総エネルギー吸収がほぼ30%向上しながら最終的な背面たわみはほとんど変わらず、重量を増やさずに保護性能を高めることが示されました。

より安全な車両や構造物への示唆

要するに、本研究はサンドイッチ板内部の「金属の積み方」が使用する金属量と同じくらい重要であることを示しています。ハニカムコアを二方向に勾配付けし、前後の面板厚さを賢く調整することで、単発の爆発だけでなく複数回の爆発に耐えるパネルを設計できます。適切な組み合わせにより、保護側の過度なたわみを抑えつつ、コアを犠牲にしてエネルギーを吸収させることが可能です。これらの知見は、軍用車両、保護建築、船舶、繰り返し衝撃を受ける可能性のある宇宙機など向けの、より軽くて頑丈な耐爆皮膜設計に実用的な指針を提供します。

引用: 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

キーワード: 爆風に強いサンドイッチパネル, 勾配ハニカムコア, 繰り返し爆発荷重, エネルギー吸収構造, 生物由来の構造設計