固液耦合芯体夹心圆筒抗爆结构

1.本发明属于一种抗爆结构，具体涉及一种固液耦合芯体夹心圆筒抗爆结构。


背景技术：

2.防爆罐是一种临时存放、运输爆炸物或可疑爆炸物的罐状装置，是确保公共安全的重要基础设施，在抗爆领域应用最为广泛。防爆罐可以将爆炸物与外界隔离，通过自身材料的缓冲吸能特性和结构的抗冲击能力来削弱冲击波的强度和阻挡破片向外飞散，有效削弱爆炸冲击波和碎片对周围环境和人员的杀伤效应。当在火车站、机场等公共场所发现可疑爆炸物后，将其迅速放入防爆罐内，然后运输至空旷或预定地点将其引爆。即使可疑爆炸物在运输途中发生爆炸，防爆罐也可以将冲击波和破片限制在罐体内，有效保护人员和财产安全。
3.在现实恐怖活动中，爆炸除了会产生爆炸冲击波，往往还会伴随着侵彻性极强的破片。为了迅速处置可疑爆炸物，管控爆炸袭击对社会安全的危害，对防爆罐的复杂载荷防护，特别是对冲击波和破片联合载荷防护，提出了更高要求，传统轻质防爆结构难以满足需求。申请号为201710483227.x的专利文献公开了一种变壁厚复合防爆结构，采用防爆液(如水、甘油)在爆炸条件下解体，形成无数液体颗粒，对冲击波产生很大阻力，在很短距离衰减破片速度。虽然该专利采用了防爆液(液体)解体后形成的液体颗粒作为爆炸冲击波和破片防护的主要介质。但是该专利采用的防爆液直接封装在结构壁面内，在运输和存储过程中防爆液的晃动易产生水锤效应和冲击效应等不利因素，不利于整体结构的安全性。另外爆炸液解体后，该专利形成的防爆液墙均匀性不好，影响抗爆结构整体防护效果。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对传统轻质防爆结构爆炸冲击波和破片联合载荷防护能力差、防爆液储存的安全性不高、爆炸防护效果不好等问题，提供一种固液耦合芯体夹芯圆筒抗爆结构，确保结构稳定存储和可靠使用，提高防爆结构的综合防护性能。
5.本发明的技术方案是：
6.本发明整体呈带底圆筒形，由外部圆筒、中部缓冲层、内部圆筒、底部缓冲层组成。内部圆筒、中部缓冲层、外部圆筒由内向外无间隙同轴嵌套装配，组成侧壁带夹心的圆筒(简称带夹心圆筒)，内部圆筒、中部缓冲层、外部圆筒之间为胶粘连接。外部圆筒的侧壁和内部圆筒的侧壁是带夹心圆筒的侧壁，中部缓冲层是带夹心圆筒的芯体。底部缓冲层位于带夹心圆筒的底部。定义本发明安装底部缓冲层的一端为下端(即封闭端)，定义未安装底部缓冲层的一端为上端(即开口端)。本发明外直径为d，d根据抗爆需求来定，满足0.1m<d<2m，高度为h，满足d<h<2d。
7.内部圆筒、中部缓冲层、外部圆筒由内向外同轴装配，外部圆筒的开口端与中部缓冲层、内部圆筒上端齐平。底部缓冲层安装在外部圆筒的内部下端，与中部缓冲层和内部圆筒下端面粘接。
8.外部圆筒为一端带底圆筒形，外直径等于d，内直径为d1，满足0.8d<d1<0.95d，高度等于h，侧壁厚度和底部厚度均等于(d
‑
d1)/2。外部圆筒由外筒和外涂层组成。外筒为带底圆筒，外直径为d，满足d1<d<0.98d，内直径等于d1，壁厚和底部厚度等于(d
‑
d1)/2。外筒材料为纤维增强塑料，密度在1.0g/cm3到3.0g/cm3之间，抗拉强度大于400mpa。外筒的底面上垫有底部缓冲层。外涂层为喷涂在外筒外壁面和底部的弹性体涂层(如聚脲弹性体涂层)，厚度等于(d
‑
d)/2。外涂层拉伸强度大于30mpa，断裂伸长率大于500％。外部圆筒对中部缓冲层有约束作用，促进中部缓冲层解体后产生防爆液墙，提高本发明的防护能力；外涂层为聚脲弹性体涂层，能够提高外筒的变形能力，在外筒发生剪切破坏时能够有效地抑制失效处的扩孔。
9.中部缓冲层为圆筒形，外直径等于d1，内直径为d4，满足0.4d1<d4<0.8d1，高度为h，满足0.6h<h<0.9h。中部缓冲层同轴嵌套在外筒内并置于底部缓冲层之上。中部缓冲层由侧芯体和侧封装组成。侧芯体被完全包裹在侧封装内部，与外界隔离。中部缓冲层组装时先制作侧芯体，然后将侧封装套在侧芯体外表面。侧芯体为圆筒形，外直径为d2，满足0.65d1<d2<0.95d1，内直径为d3，满足0.5d2<d3<0.9d2，高度为h1，满足0.7h<h1<0.95h。侧芯体由高吸水率泡沫和防爆液两种材料固液耦合而成，制作时将高吸水率泡沫浸泡在防爆液中，高吸水率泡沫材料充分吸收防爆液，防爆液存储在高吸水率泡沫内部大量胞元的孔隙内。高吸水率泡沫为高聚物泡沫，密度在0.3g/cm3到1.0g/cm3之间，抗拉强度不小于20mpa，孔隙率不小于85％，吸水率在50％到95％之间。防爆液为一种水基材料，密度在1.0g/cm3到1.2g/cm3之间。侧封装为圆筒形，外直径等于d1，内直径等于d4，高度等于h。侧芯体这样设计将液态的防爆液存储在高吸水率泡沫的内部大量胞元的孔隙内，提高防爆液运输和使用时的稳定性和可靠性。侧封装侧壁面内部空心，空心处几何尺寸与侧芯体外轮廓几何尺寸完全吻合，使得侧封装紧紧包裹侧芯体，以密封侧芯体。侧封装材料为低密度高聚物材料，密度在0.5g/cm3到2.0g/cm3之间。当爆炸载荷作用于中部缓冲层，导致中部缓冲层解体，形成厚度均匀的防爆液墙。爆炸冲击波遇到防爆液墙，大部分沿爆炸冲击波来的方向反射回去，只有少数强度很低的冲击波从防爆液墙透射出去，使得破坏力大大降低。防爆液可利用自身惯性对高速破片产生很大的阻力，在很短的距离内极大衰减破片飞散速度，以减小破坏力。
10.内部圆筒为圆筒形，同轴嵌套在中部缓冲层内并置于底部缓冲层之上，由内筒、内筒涂层和垫块组成，内筒和垫块同轴装配，且底部端面平齐，内筒涂层为喷涂在内筒外侧壁面的弹性体涂层。内筒为圆筒形，外直径为d5，满足0.8d4<d5<0.95d4，内直径为d6，满足0.6d5<d6<0.9d5，高度等于h。内筒材料为玻璃纤维增强塑料，密度在1.0g/cm3到3.0g/cm3之间，抗拉强度大于400mpa。内筒涂层为喷涂在内筒外侧壁的弹性体涂层，材料与外涂层相同，厚度等于(d4‑
d5)/2。垫块为圆柱状，外直径等于d6，高度等于h2，满足0.2h<h2<0.5h。垫块为泡沫材料，密度在0.3g/cm3到0.6g/cm3之间，平台应力不小于20mpa。内筒为玻璃纤维增强塑料，能抵挡高温高压的爆轰产物气体，有效衰减冲击波和破片速度。内筒外侧的内筒涂层为聚脲超弹性体涂层，能够提高内筒的变形能力，在内筒发生剪切破坏时能够有效地抑制失效处的扩孔。垫块用于在防爆时支撑爆炸物，为爆炸物与底部缓冲层之间预留空间，提高底部缓冲层的抗爆能力。
11.底部缓冲层4为圆饼状，外直径等于d1，高度为h3，h3＝h
‑
h
‑
(d
‑
d1)/2。底部缓冲层由底芯体和底封装组成。底芯体被完全包裹在底封装内部，与外界隔离。底部缓冲层组装时
先制作底芯体，然后将底封装套在底芯体外表面。底芯体为圆饼状，外直径为d7，满足0.6d1<d7<0.9d1，厚度为h4，满足0.75h3<h4<0.95h3。底芯体由高吸水率泡沫和防爆液两种材料固液耦合而成，材料与侧芯体的材料相同。底封装42为圆饼状，外直径等于d1，高度等于h3。底封装内部为空心，空心处为圆饼状，且空心处几何尺寸与底芯体完全吻合，使得底封装紧紧包裹底芯体，以密封底芯体。底封装材料为低密度高聚物材料，密度在0.5g/cm3到2.0g/cm3之间。当爆炸载荷作用于底部缓冲层，导致底芯体解体，形成厚度均匀的防爆液墙，将大部分冲击波沿爆炸冲击波来的方向反射回去，并极大衰减破片飞散速度，防止爆炸载荷从本发明底部泄露出去。
12.本发明使用时，将爆炸物从开口处放入内部圆筒空腔内，若爆炸物发生爆炸，内部圆筒承受爆炸载荷向外膨胀。当爆炸载荷超出内部圆筒的拉伸强度时，内部圆筒发生破裂，进而爆炸载荷作用于中部缓冲层，导致中部缓冲层解体，并且侧芯体、底芯体形成防爆液墙。爆炸冲击波遇到防爆液墙，大部分反射回去，只有少数强度很低的冲击波能从防爆液墙透射出去。防爆液可利用自身惯性对高速破片产生很大的阻力，在很短的距离内极大衰减破片飞散速度。若衰减后的冲击波和破片穿出防爆液层，外部圆筒依靠自身强度最终抵御住衰减后冲击波和破片，实现对爆炸冲击波和破片联合载荷的有效防护。
13.与现有技术相比，采用本发明可以达到以下有益效果：
14.(1)本发明侧芯体和底芯体采用的固液耦合芯体设计，高吸水率泡沫内大量胞元存储防爆液，外部采用高聚物材料封装，相比于单纯液体芯体，存储和运输稳定性高，形成的防爆液墙厚度均匀，对冲击波的弥散效果更好，提高结构抗爆能力；
15.(2)本发明内部圆筒和外部圆筒使用玻璃纤维增强塑料，相对于传统钢制材料，具有密度低、抗拉强度高等特点，内部圆筒和外部圆筒外部的聚脲弹性体涂层，在发生剪切破坏时能够有效地抑制失效处的扩孔，抑制结构失效后产生二次碎片，提高结构综合防护性能。
附图说明
16.图1是本发明总体结构示意图；
17.图2是图1a
‑
a’方向剖视图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明作进一步说明。
19.如图1所示，本发明整体呈带底圆筒形，由外部圆筒1、中部缓冲层2、内部圆筒3、底部缓冲层4组成。内部圆筒3、中部缓冲层2、外部圆筒1由内向外无间隙同轴嵌套装配，组成侧壁带夹心的圆筒(简称带夹心圆筒)，内部圆筒3、中部缓冲层2、外部圆筒1之间为胶粘连接。外部圆筒1的侧壁和内部圆筒3的侧壁是带夹心圆筒的侧壁，中部缓冲层2是带夹心圆筒的芯体。底部缓冲层4位于带夹心圆筒的底部。定义本发明安装底部缓冲层4的一端为下端(即封闭端)，定义未安装底部缓冲层4的一端为上端(即图1中的开口端)。本发明外直径为d，d根据抗爆需求来定，满足0.1m<d<2m，高度为h，满足d<h<2d。
20.如图2所示，内部圆筒3、中部缓冲层2、外部圆筒1由内向外同轴装配，外部圆筒1的开口端与中部缓冲层2、内部圆筒3上端齐平。底部缓冲层4安装在外部圆筒1的内部下端，与
中部缓冲层2和内部圆筒3下端面粘接。
21.外部圆筒1为一端带底圆筒形，外直径等于d，内直径为d1，满足0.8d<d1<0.95d，高度等于h，侧壁厚度和底部厚度均等于(d
‑
d1)/2。外部圆筒1由外筒11和外涂层12组成。外筒11为带底圆筒，外直径为d，满足d1<d<0.98d，内直径等于d1，壁厚和底部厚度等于(d
‑
d1)/2。外筒11材料为纤维增强塑料，密度在1.0g/cm3到3.0g/cm3之间，抗拉强度大于400mpa。外筒11的底面上垫有底部缓冲层4。外涂层12为喷涂在外筒11外壁面和底部的弹性体涂层(如聚脲弹性体涂层)，厚度等于(d
‑
d)/2。外涂层12拉伸强度大于30mpa，断裂伸长率大于500％。外部圆筒1对中部缓冲层2有约束作用，促进中部缓冲层2解体后产生防爆液墙，提高本发明的防护能力；外涂层12为聚脲弹性体涂层，能够提高外筒11的变形能力，在外筒11发生剪切破坏时能够有效地抑制失效处的扩孔。
22.中部缓冲层2为圆筒形，外直径等于d1，内直径为d4，满足0.4d1<d4<0.8d1，高度为h，满足0.6h<h<0.9h。中部缓冲层2同轴嵌套在外筒11内并置于底部缓冲层4之上。中部缓冲层2由侧芯体21和侧封装22组成。侧芯体21被完全包裹在侧封装22内部，与外界隔离。中部缓冲层2组装时先制作侧芯体21，然后将侧封装22套在侧芯体21外表面。侧芯体21为圆筒形，外直径为d2，满足0.65d1<d2<0.95d1，内直径为d3，满足0.5d2<d3<0.9d2，高度为h1，满足0.7h<h1<0.95h。侧芯体21由高吸水率泡沫和防爆液两种材料固液耦合而成，制作时将高吸水率泡沫浸泡在防爆液中，高吸水率泡沫材料充分吸收防爆液，防爆液存储在高吸水率泡沫内部大量胞元的孔隙内。高吸水率泡沫为高聚物泡沫，密度在0.3g/cm3到1.0g/cm3之间，抗拉强度不小于20mpa，孔隙率不小于85％，吸水率在50％到95％之间。防爆液为一种水基材料，密度在1.0g/cm3到1.2g/cm3之间。侧封装22为圆筒形，外直径等于d1，内直径等于d4，高度等于h。侧芯体21这样设计将液态的防爆液存储在高吸水率泡沫的内部大量胞元的孔隙内，提高防爆液运输和使用时的稳定性和可靠性。侧封装22侧壁面内部空心，空心处几何尺寸与侧芯体21外轮廓几何尺寸完全吻合，使得侧封装22紧紧包裹侧芯体21，以密封侧芯体21。侧封装22材料为低密度高聚物材料，密度在0.5g/cm3到2.0g/cm3之间。当爆炸载荷作用于中部缓冲层2，导致中部缓冲层2解体，形成厚度均匀的防爆液墙。爆炸冲击波遇到防爆液墙，大部分沿爆炸冲击波来的方向反射回去，只有少数强度很低的冲击波从防爆液墙透射出去，使得破坏力大大降低。防爆液可利用自身惯性对高速破片产生很大的阻力，在很短的距离内极大衰减破片飞散速度，以减小破坏力。
23.内部圆筒3为圆筒形，同轴嵌套在中部缓冲层2内并置于底部缓冲层4之上，由内筒31、内筒涂层32和垫块33组成，内筒31和垫块33同轴装配，且底部端面平齐，内筒涂层32为喷涂在内筒31外侧壁面的弹性体涂层。内筒31为圆筒形，外直径为d5，满足0.8d4<d5<0.95d4，内直径为d6，满足0.6d5<d6<0.9d5，高度等于h。内筒31材料为玻璃纤维增强塑料，密度在1.0g/cm3到3.0g/cm3之间，抗拉强度大于400mpa。内筒涂层32为喷涂在内筒31外侧壁的弹性体涂层，材料与外涂层12相同，厚度等于(d4‑
d5)/2。垫块33为圆柱状，外直径等于d6，高度等于h2，满足0.2h<h2<0.5h。垫块33为泡沫材料，密度在0.3g/cm3到0.6g/cm3之间，平台应力不小于20mpa。内筒31为玻璃纤维增强塑料，能抵挡高温高压的爆轰产物气体，有效衰减冲击波和破片速度。内筒31外侧的内筒涂层32为聚脲超弹性体涂层，能够提高内筒31的变形能力，在内筒31发生剪切破坏时能够有效地抑制失效处的扩孔。垫块33用于在防爆时支撑爆炸物，为爆炸物与底部缓冲层4之间预留空间，提高底部缓冲层4的抗爆能力。
24.底部缓冲层4为圆饼状，外直径等于d1，高度为h3，h3＝h
‑
h
‑
(d
‑
d1)/2。底部缓冲层4由底芯体41和底封装42组成。底芯体41被完全包裹在底封装42内部，与外界隔离。底部缓冲层4组装时先制作底芯体41，然后将底封装42套在底芯体41外表面。底芯体41为圆饼状，外直径为d7，满足0.6d1<d7<0.9d1，厚度为h4，满足0.75h3<h4<0.95h3。底芯体41由高吸水率泡沫和防爆液两种材料固液耦合而成，材料与侧芯体21的材料相同。底封装42为圆饼状，外直径等于d1，高度等于h3。底封装42内部为空心，空心处为圆饼状，且空心处几何尺寸与底芯体41完全吻合，使得底封装42紧紧包裹底芯体41，以密封底芯体41。底封装42材料为低密度高聚物材料，密度在0.5g/cm3到2.0g/cm3之间。当爆炸载荷作用于底部缓冲层4，导致底芯体41解体，形成厚度均匀的防爆液墙，将大部分冲击波沿爆炸冲击波来的方向反射回去，并极大衰减破片飞散速度，防止爆炸载荷从本发明底部泄露出去。