使用具有可变碎片形状的梯度泡沫复合弹丸定制组合冲击载荷

为何更安全的爆炸试验很重要

来自炸弹、导弹或简易装置的爆炸不仅会发出高温气体的压力波，还会以高速度抛射出金属碎片。这种冲击波与碎片的组合比任一效应单独作用更能严重破坏建筑、车辆和防护墙。然而，在实验室中重现这种复杂威胁既危险又昂贵，且常难以控制。本研究提出了一种更安全且可调的方法，用经过特别设计的“泡沫弹”来模仿这些严苛条件——弹体内部携带金属碎片，为工程师提供了一个用于设计更好装甲和防护结构的新工具。

将泡沫弹转变为实验室爆破模拟

研究人员基于这样一个想法：一块高速移动的金属泡沫撞击板材时，可以模拟爆炸的压力脉冲。金属泡沫类似于铝制的固体海绵：重量轻、可压缩并能吸收能量。通过发射这样的泡沫弹撞击钢板，冲击会产生短促而强烈的压力激增，类似冲击波。在泡沫内部，团队嵌入了一块实体金属碎片，用以代替真实弹体壳体产生的弹片。通过精心选择泡沫的密度、碎片的形状及其在泡沫中的埋入深度，他们可以控制“冲击波”和“碎片”到达目标的时序以及二者协同作用的强度。

塑造隐藏的弹片

真实爆炸产生的金属块状物形状不规则，但大多数实验室研究将其简化为钝头圆柱体。在本研究中，作者比较了三种简单的嵌入件形状：平端圆柱体、半球体和截顶圆锥（顶端被切掉的圆锥）。这些碎片都被制成相同质量并以相同速度发射，因此任何差异都源于形状本身。利用经实验数据校核的精细计算机模拟，他们追踪每种碎片减速的速度、其对钢板的弯曲或穿透能力，以及由此产生的裂纹或孔洞类型。

形状如何改变破坏方式

模拟结果显示，金属碎片的形状对板材失效方式有出乎意料的强烈影响。平端圆柱碎片将载荷分布到较大区域，使应力波在板材中更广泛传播。这往往导致金属“插块”被剪切脱落并引起大的总体弯曲，但碎片自身减速更多，剩余速度最低。半球形碎片由于初始接触面积小，会将力集中在极小点上。它们快速穿透，形成围绕孔洞的瓣状撕裂，并保持较高的残余速度，但与泡沫驱动的冲击波之间的组合效应较小。截顶圆锥则介于两者之间，产生剪切与撕裂的混合效应，并导致适中的总体破坏程度。

通过叠层泡沫调整冲击特性

除了碎片形状外，研究者还对泡沫本身进行了定制。他们沿泡沫长度将其分为三层，并改变各层的密度，形成从重到轻或反向的“梯度”。较密的前层行为像更硬的缓冲：它对板材施加更尖锐、更高的初始冲击但持续时间更短；较轻的前层则使初始打击变软，将能量在更长时间内释放。通过比较不同梯度下、有无嵌入碎片的情况，研究表明这些分层泡沫可用于塑造接触力的时程——即在每一时刻冲击有多强——并调节碎片在穿透板材前损失多少能量。

对现实世界防护的意义

简单来说，研究表明，隐藏金属碎片的头部形状与前方泡沫密度的排列方式都可以作为调节旋钮，在实验室中实现不同类型的冲击波与碎片组合威胁。平坦的前端与致密的前层泡沫使板材承担更大工作量并吸收更多能量，而尖锐或圆形的碎片配合较轻的泡沫则更容易导致快速穿透。这个可调的“泡沫弹”概念提供了一种更安全、可重复的方法来研究墙体、面板和装甲在现实组合载荷下的表现，从而为未来更好地保护人员和关键基础设施提供设计指导。

引用: Jiang, P., Wu, C., Wang, X. et al. Tailoring combined impact loading using gradient foam composite projectiles with variable fragment shapes. Sci Rep 16, 7226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38606-4

关键词: 防爆防护, 金属泡沫, 复合弹丸, 碎片冲击, 防护结构