Динамическая реакция круговых сэндвич-пластин с двунаправленным градиентом при многократных взрывных нагрузках

Почему важно защищать тонкие конструкции от взрывов

От бронеавтомобилей и военных кораблей до высокоскоростных поездов и космических аппаратов — многие критические машины полагаются на тонкие металлические обшивки для обеспечения безопасности людей. Такие обшивки часто выполняют в виде «сэндвич»-пластин, с прочными наружными листами и лёгким сердечником между ними. Если проектировщики обычно сосредоточены на выживании при одном мощном взрыве, в реальности угрозы редко возникают только единожды. В этом исследовании рассматривается, как новая, вдохновлённая природой сэндвич-конструкция может лучше противостоять повторным взрывам без увеличения массы.

Лист цветка как образец защиты

Авторы черпали вдохновение из королевской кувшинки, чьи гигантские листья выдерживают большие нагрузки за счёт продуманной сети жилок. Они перенесли этот природный узор в круглую металлическую сэндвич-пластину: два тонких алюминиевых наружных листа, разделённые ядром, напоминающим соты. Важный момент — ядро не однородно. Толщина стенок ячеек постепенно изменяется в двух направлениях — по радиусу пластины и по её толщине — создавая то, что авторы называют двунаправленным градиентом. Были разработаны четыре варианта градиента путём изменения толщины стенок сотовой структуры у центра и у кромки, а также у лицевой (обращённой к взрыву) и тыльной поверхностей.

Моделирование повторных взрывов в компьютере

Вместо физических взрывных испытаний команда использовала продвинутые численные симуляции в ABAQUS/Explicit с методом конечных элементов. Они моделировали защемлённую круглую пластину, расположенную в 200 мм от небольших сферических зарядов тротила массой 15, 25 и 35 г. Стандартная формула для ударной волны переводила каждую массу и расстояние в переменное по времени давление на лицевой лист, имитируя реальные волны давления. Каждую виртуальную пластину подвергали до шести отдельных взрывов. После каждого взрыва оставшаяся деформация и внутренние повреждения становились исходным состоянием для следующего испытания, что позволяло отслеживать накопление повреждений и то, как пластина постепенно уплотняется и жёстче становится по мере смятия ядра.

Как плита прогибается и поглощает энергию

Симуляции подтвердили трёхфазную реакцию: сначала ударяет по лицевому листу и он быстро ускоряется; затем ядро сжимается между движущимся лицевым листом и ещё неподвижным тыльным листом; затем вся плита движется как единое целое и медленно останавливается по мере того, как металл деформируется и пластически вытягивается. С каждым новым взрывом прогиб тыльного листа возрастал, но прирост дополнительного изгиба от каждого следующего удара уменьшался. Это происходит потому, что сотовое ядро постепенно разрушается и плотнеет, превращаясь в более жёсткий слой, который поглощает больше входящей энергии прежде, чем она достигнет тыльной стороны. Пластины, у которых плотность ядра увеличивалась к краю и в направлении от лицевой стороны к тыльной, в целом демонстрировали меньшие прогибы тыльной поверхности, то есть лучшую защиту при повторных нагрузках.

Компромиссы в выборе градиента и толщины листов

Двунаправленный градиент ядра оказался мощным инструментом проектирования. Не меняя общей массы, простое перераспределение участков с более толстыми или более тонкими стенками заметно влияло как на пик прогиба, так и на общее поглощение энергии. Некоторые раскладки минимизировали изгиб тыльной поверхности, тогда как другие максимально увеличивали объём поглощаемой взрывной энергии, особенно после нескольких взрывов. Авторы также исследовали перераспределение толщины между лицевым и тыльным листами при сохранении общей массы металла. Особенно перспективным оказался вариант с уменьшенной толщиной лицевого листа и утолщением тыльного. Такое изменение увеличивало суммарное поглощение энергии почти на 30% после шести взрывов, при этом конечный прогиб тыльной поверхности оставался практически без изменений — то есть обеспечивалась лучшая защита без увеличения веса.

Что это значит для более безопасных транспортных средств и конструкций

Проще говоря, эта работа показывает: важно не только сколько металла вы используете в сэндвич-плите, но и как вы его «слоите». Градиентирование сотового ядра в двух направлениях и разумная настройка толщин лицевых листов позволяют создавать панели, способные выдерживать множество взрывов, а не только один. Правильная комбинация сохраняет защищаемую сторону от чрезмерного изгиба и заставляет ядро работать как жертвенный губчатый поглотитель энергии. Эти выводы дают практические рекомендации по проектированию более лёгких и прочных взрывозащитных обшивок для машин, защитных сооружений, кораблей и космических аппаратов, подверженных повторным ударам и шоковым нагрузкам.

Цитирование: 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

Ключевые слова: взрывозащитные сэндвич-панели, градиентное сотовое ядро, повторные взрывные нагрузки, структуры поглощения энергии, биомиметический конструктивный дизайн