双向梯度夹层圆板在多次爆炸荷载下的动态响应

为何保护薄型结构免受爆炸至关重要

从装甲车辆和军舰到高速列车和航天器，许多关键装备依靠薄金属外壳保障人员安全。这些外壳通常采用“夹层”板结构，外层为坚固的面板，中间为轻质芯材。设计者通常关注单次强爆的生存能力，但现实威胁很少仅发生一次。本研究探讨了一种新型仿生夹层设计如何在不增加额外重量的情况下，更好地抵御重复爆炸。

以花叶为保护蓝图

研究者从王莲（Royal Water Lily）的巨大叶片获得灵感，其通过巧妙的脉络网络支撑较大载荷。他们将这一自然结构转化为圆形金属夹层板：两片薄铝面板由类似蜂窝的芯材分隔。关键在于芯材并非均匀：蜂窝壁厚在两个方向上逐渐增厚或变薄——沿板面平面和沿厚度方向——构成作者所称的双向梯度。通过改变蜂窝壁在中心与边缘、面向爆炸的一侧与背侧之间的厚度分布，设计出四种不同的梯度布局。

在计算机中模拟重复爆炸

研究团队没有进行物理爆炸试验，而是使用 ABAQUS/Explicit 显式有限元代码进行了先进的数值模拟。他们模拟了一个夹持边界的圆板，距小型球形TNT炸药（15、25 和 35 克）200 毫米。采用标准爆风公式将每种 TNT 质量与距离转换为作用于前面板的时变压力，模拟真实冲击波。每个虚拟板承受最多六次独立爆炸。每次爆炸后，残余变形和内部损伤成为下一次爆炸的初始状态，使研究者能够追踪累积损伤以及随芯材压缩板逐渐增刚的过程。

板的弯曲与能量吸收机制

模拟结果证实了三阶段响应：首先，前面板受击并迅速加速；其次，芯材在移动的前板与静止的后板之间被挤压；第三，整块板整体运动并随着金属的永久弯曲和拉伸逐渐停下。随着每次新爆炸，后板的位移增大，但每次爆炸所增加的额外弯曲量逐步减小。这是因为蜂窝芯被逐步压碎并致密化，转变为更刚的层，在冲击到达后侧前吸收更多能量。那些芯密度向边缘递增且从爆炸侧向背侧递增的板通常表现出较小的后侧位移，意味着在重复荷载下具有更好的抗爆性能。

梯度与面板厚度的设计权衡

双向芯梯度被证明是一个强有力的设计杠杆。在不改变总体质量的情况下，仅通过重新配置厚实或稀薄芯材的位置，就能明显改变峰值位移和总能量吸收。有些布局能将后侧弯曲降到最低，而另一些则在多次爆炸后最大化结构所能吸收的爆能。作者还在保持金属总量不变的前提下，测试了前后面板厚度的重新分配。一个特别有前景的方案是减薄前面板并加厚后面板。该调整在六次爆炸后将总能量吸收提高了近30%，但最终后侧位移几乎不变，从而在不增加重量的情况下提供了更好的防护。

对更安全车辆与结构的意义

简而言之，这项工作表明，夹层板内部“如何堆叠金属”与使用多少金属同样重要。通过在两方向上对蜂窝芯进行梯度设计并巧妙调整前后护皮厚度，工程师可以制造出能抵御多次爆炸而非仅一次的面板。合适的组合能防止被保护侧过度弯曲，同时使芯材作为牺牲性的能量海绵吸收冲击。这些见解为设计更轻、更坚固、耐重复冲击的防爆外壳提供了实用指导，适用于军用车辆、防护建筑、舰船和暴露于重复冲击的航天器。

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

关键词: 抗爆夹层面板, 梯度蜂窝芯, 重复爆炸荷载, 能量吸收结构, 仿生结构设计