折叠式防爆围栏的设计、制作方法及其产品

1.本发明涉及防爆围栏的技术领域，特别涉及折叠式防爆围栏的设计、制作方法及其产品。


背景技术：

2.爆炸恐怖是当前恐怖袭击中最具有杀伤力的方式，爆炸物的形式多样，起爆方式不定，杀伤威力不明。各国在编写爆炸物的处置手册的时候，一般都要求处置时间尽量短，尽量采取非接触处置方式。
3.传统的爆炸处置装置包括有防爆毯、防爆罐和防爆球装置。防爆毯一般针对1个82
‑
2手雷，同时其内径一般为400mm，一般处置爆炸物的大小为1个书包。防爆毯在使用的过程中，首先需要用内围栏和外围栏遮罩住爆炸物，然后盖上盖毯，平时一般收纳在角落处。防爆罐/球一般重量在500
‑
2000吨，一般需要配合拖车、机器人等进行处置，需要操作机器人夹取爆炸物进防爆球内，无法针对爆炸物进行非接触的处置。
4.传统的装备基于钢制防护结构，可以通过加工成相应的球形或者环形结构达到最优的防护效能，针对爆炸防护，有较为成熟的设计方案，但是对于复合材料来说，加工成球形或者圆环柱形，在工艺上实现较为困难。通过防爆围栏将爆炸物进行围挡是当前防爆技术领域的新方向，防爆围栏在设计的过程中，目前主要是通过加工
‑
试验
‑
改进
‑
再加工
‑
试验，最终完成装备的设计。在此设计的过程中需要不断的进行相应的试验进行设计，成本高昂，时间耗费长。目前没有相应的设计方法可以进行参考，一般是根据经验进行相应的设计，很多的设计是参考相应的围栏结构在子弹设计下的防护能力，这种设计方式中未考虑实际爆炸过程中存在的爆炸冲击波和破片的作用。目前虽无防爆围栏的设计方法专利，但是也有一些防爆围栏的公开设计结构方案，如cn201621149158.6设计的防爆围栏，该围栏采用多块防爆单元板现场组装而成，在实际的排爆过程中，由于需要现场组装，处置时间长，并且组装的时候需要通过螺栓金属物件，有崩落飞散的危险，容易造成更大程度的伤害，在一定程度上限制了其应用。


技术实现要素：

5.发明的目的在于提供折叠式防爆围栏的设计、制作方法及其产品，解决了子弹防护和爆炸防护问题以及没有考虑实际爆炸过程中存在的爆炸冲击波、破片综合防护以及组装时间长的问题。
6.折叠式防爆围栏本发明是这样实现的，折叠式防爆围栏的设计，所述设计包括以下步骤：
7.步骤一、根据爆炸物的当量和类型，结合需要防护的产品的安全距离，设计所述防爆围栏的基本信息；所述防爆围栏的基本信息包括：围栏的内切圆直径x、围栏高度y以及围栏板材数量m；
8.步骤二、设计防爆能力，从而确定所述防爆围栏用的板材的厚度：防爆能力主要分
为：防爆炸不解体能力以及防破片不穿透能力。通过步骤一和二得到防爆围栏的相关设计数据，所述相关设计数据包括围栏的内切圆直径x、围栏高度y、围栏板材数量m以及板材的厚度。
9.本发明的进一步技术方案是：根据爆炸物的当量及类型，结合产品的安全距离，设计尺寸，对于标准炸药(tnt)，爆炸的膨胀体积为初始体积的800
‑
1600倍，由此可确定产物的作用区。对于非标准炸药，需要换算成标准炸药tnt的当量。
10.表1常见爆炸物换算
[0011][0012][0013]
爆炸主要有两种伤害模式，一种是冲击波，一种是破片。对于炸药来说，在近场爆炸时，对于标准炸药(tnt)，爆炸的膨胀体积为初始体积的800
‑
1600倍，由此可确定产物的作用区。在球形爆炸时，爆炸产物容积的极限半径，为原装药半径的10倍。因此可以判定爆炸产物的作用场局限于非常小的距离内。为此认为：当r≤10re时为爆炸产物做作用区，大概r＝(10
‑
20)re时，为爆炸产物和冲击波联合作用区，当r>20re时，是冲击波为主的作用区。大量实验证明，在爆炸装药附近即r≤10re时，其压力下降与距离的立方成反比，当r>10re时，压力下降和距离平方成反比，说明压力下降缓慢，在远距离时，压力下降和距离成反比，说明压力下降更缓慢。不同装药爆炸的等压面的形状不一样。在炸药爆炸时，爆炸产物容积的极限半径为原装药半径的10倍。一般来说，当半径达到炸药10倍半径以上，炸药的形状对于冲击波的计算影响较小，所以可以等效炸药为球形装药。首先针对当量为m的tnt炸药的防护要求，通过计算炸药的直径d，然后确定爆炸产物的直径为d＝10d，一般来说，防爆围栏的内切圆直径x至少应大于爆轰产物的直径，一般x可根据爆炸物的总体大小进行设计，一般来说，爆炸物及其附带的伪装结构的尺寸应大于等于300mm(一般的背包尺寸)，所以x的设计应综合考虑爆炸物爆轰产物作用直径和处置的爆炸物的直径。
[0014]
本发明的进一步技术方案是：围栏直径设计：内切圆直径x的设计为：
[0015][0016]
x≥x
d
[0017]
其中，m是爆炸物的tnt当量，ρ为爆炸物的密度，x
d
为爆炸物的外包装尺寸，一般取
外包装尺寸大于等于300mm。
[0018]
本发明的进一步技术方案是：围栏高度设计。对于内切圆直径为x的围栏，考虑到安全距离为l，如果高度为h的物体需要防护，则围栏的高度设计为：
[0019][0020]
其中n为安全系数，针对爆炸的极端问题，可以取n为2
‑
5，避免极端条件下破片从围栏顶部飞出撞击到安全距离处的物体上。
[0021]
本发明的进一步技术方案是：板材数量设计。防爆围栏一般采用对称式设计，为保证结构的稳定性，围成防爆围栏的板材数量一般在6块以上较好。实际板材的数量需要结合压机压制能力进行设计。如压机最大可压制的长度为a，选择板材的数量为m，围栏内切圆半径为r。
[0022][0023]
本发明的进一步技术方案是：防爆能力设计。
[0024]
在空气中爆炸时，根据henrych的空气中冲击波超压计算公式：
[0025][0026]
式中，为比例距离，其计算为：
[0027][0028]
计算得到的边缘处的抗拉强度至少保证：
[0029][0030]
其中，t为围栏的厚度。
[0031]
当m较大时(m≥6)，围栏可近似看做圆柱形，其边缘处的抗拉强度可简化计算和设计：
[0032][0033]
当满足上述条件时，即可满足在此冲击波条件下结构的完整性，不会因为冲击波撕裂连接处。考虑到动载荷下的材料的动态响应，可以取安全系数为2，然后可以使用拉伸试验机针对连接处的材料力学性能进行测试。
[0034]
本发明的进一步技术方案是：防破片能力设计：
[0035]
针对带破片的爆炸物，如果破片为封闭金属壳体结构(如水管炸弹、制式榴弹等)其破片的速度可以根据格尼公式进行计算：
[0036][0037]
其中，为炸药的参数，对于tnt炸药，β为炸药重量与金属壳体重
量的比值，一般来说，针对制式弹药或者自制爆炸物，炸药与金属壳体重量的比值在0.1
‑
1之间。
[0038]
针对破片的质量，可以通过以下的经验公式进行求解：
[0039][0040]
其中，k一般取0.2，u为材料的泊松比。
[0041][0042][0043]
ρ
e
为炸药密度，对于tnt炸药为1630kg/m3，ρ
m
为壳体金属密度，对于钢一般为7800kg/m3，d
e
为炸药爆速(m/s)，对于tnt炸药，爆速为6500m/s，δ为壳体壁厚，l为战斗部长度，c
e
为炸药中弹性波传播速度，对于tnt炸药，一般为1600m/s，c
p
为壳体材料的弹性波传播速度，对于钢一般为5000m/s，ak为材料的冲击韧性(kg/cm3)。
[0044]
或者采用以下公式进行评估：
[0045][0046]
其中r为壳体的外半径，r为壳体的内半径，δ为壳体的壁厚。
[0047]
如果是针对带有预制破片的爆炸物，一般预制破片的速度要较封闭结构的破片尺寸低10％～20％，预制破片一般采用钢珠、钉子等形式，破片的重量在1
‑
10g左右。
[0048]
通过计算后能够得到所需防护的爆炸物的破片飞散速度，破片的质量，得到破片的最大动能，然后选择相应的防护材料进行弹道实验，，根据实际打靶结果，可以达到合理的防护层厚度设计。如采用纤维复合材料，将其压制成不同厚度的板材后进行打靶试验，得到对应的板材厚度。
[0049]
折叠式防爆围栏，包括以下步骤：
[0050]
s1、确定所述防爆围栏的制作工艺；根据步骤一、二得到的防爆围栏的基本信息和厚度的参数，按照裁剪、缝制、压制的工艺进行；
[0051]
s2、对所述防爆围栏进行实爆测试，确定围栏是否满足设计需要；
[0052]
s3、完成所述防爆围栏的制作。
[0053]
本发明的进一步技术方案是：进行围栏板材制作：
[0054]
选择高强度的纤维布如(pe布，芳纶布、pbo布、玻璃纤维布)中的一种或多种混合。
[0055]
根据得到的防爆围栏的基本信息和层数的参数，首先是通过裁剪纤维布，使之满足尺寸设计要求；
[0056]
将纤维布用高强度缝合线进行缝制(缝合线采用pe、芳纶、pbo、玻璃纤维布等纤维组成的缝制线的一种或混合)，缝制的尺寸为靶板的设计尺寸，所述靶板为后续压制的区域形成的板材，缝制后可避免在压制过程中多层纤维布层之间的错位或者移动，这一步的主
要目的是将多个纤维布进行初步的固定，避免压机压制过程中出现偏移或者错乱开的情况；在折叠部分，根据厚度需求，一般留出板材之间的间距为板材厚度的3
‑
5倍间隙，该折叠部分不需要进行压制处理，保证板材之间可折叠。其中纤维布的头尾处，将偶数层(或者奇数层)抽取出，便于方便最后将头尾部进行压制。
[0057]
制定压制工艺，按照压制工艺进行压制，首先压制设计的第二块板，顺序压制，在压制最后一块板材时，将缝制线进行拆除，交叉排布后进行压制。
[0058]
交叉排布压制工艺，将压制设计的第一块板与最后一块板的每一层交叉排布铺层，交叉排布铺层过程中层与层间均匀涂抹双组份聚氨酯胶黏剂。铺层结束后上下两面固定压制模具，并使用螺栓紧固，常温条件下固化12小时，形成一体式的防爆围栏结构；如图5所示。
[0059]
本发明的进一步技术方案是：如果压机条件不允许采用交叉排布压制的工艺时(可能由于压机整体结构过大，围栏无法进行首尾相结合的压制方案)，可以单独将首尾的pe板材进行压制，然后采用组分胶将首尾压制好的板材进行胶粘，最后可以通过现将首尾连接处的pe板材进行打孔，然后采用高强度纤维绳进行连接；如图6和7所示。通过2防爆能力强度校核后，确认结构的安全性。
[0060]
本发明的进一步技术方案是：实爆测试，一般采用对应当量的爆炸物实爆后，通过查看围栏是否发生解体，围栏的板材是否有破片穿透判定防爆围栏的设计是否满足。如果通过了实爆测试，则完成围栏的设计制作，如果没有通过实爆测试，则再次调整围栏的防爆性能。
[0061]
所述制作方法制备得到的产品，所述产品为一体式且可折叠的防爆围栏，所述产品包括通过多层纤维层压制成型的板材以及置于所述板材之间的折叠区，所述板材之间通过所述折叠区可折叠，首尾板材之间固定连接。
[0062]
本发明的有益效果：(1)提供的防爆围栏的设计方法，可以针对不同当量的爆炸物进行设计制作，得到防护性能满足要求的设计方案；
[0063]
(2)该折叠式防爆围栏由多个方形可折叠板组成，便携性好，围栏采用高强度pe、芳纶、pbo、玻纤中的一种或多种热压而成，结构轻质，具有良好的抗弹能力，结构中无金属物件，二次伤害小；
[0064]
(3)围栏采用多段分别折叠热压，结构完整，一致性好；
[0065]
本发明提供折叠式防爆围栏制作方法，能够满足子弹防护要求和爆炸防护需求，同时可以折叠成一体式的结构，能够减少布置时间，为排爆决策和处置提供了基础条件。
附图说明
[0066]
图1是本发明提供的折叠式防爆围栏的流程图；
[0067]
图2是本发明提供的防爆围栏展开图；
[0068]
图3是本发明提供的顺序压制板材时的结构示意图；
[0069]
图4是本发明提供的头尾部板材压制的结构示意图；
[0070]
图5是本发明提供的实施例二中一体式防爆围栏的结构示意图；
[0071]
图6是本发明提供的实施例三中防爆围栏的结构示意图；
[0072]
图7是本发明提供的实施例三中防爆围栏的结构示意图；
[0073]
图8是本发明提供的板材折叠处的状态示意图。
[0074]
附图标记：
[0075]
a
‑
已经压制的板材，b
‑
待压制状态板材，c
‑
板材连接处，d
‑
未压制状态板材，e
‑
压机；
[0076]1‑
地面，2
‑
下压机，3
‑
首尾处压制板材，4
‑
上压机，5
‑
已压制的板材。
具体实施方式
[0077]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0078]
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0079]
如图1
‑
8所示的折叠式防爆围栏的设计，所述设计包括以下步骤：
[0080]
步骤一、根据爆炸物的当量和类型，结合需要防护的产品的安全距离，设计所述防爆围栏的基本信息；所述防爆围栏的基本信息包括：围栏的内切圆直径x、围栏高度y以及围栏板材数量m；
[0081]
步骤二、设计防爆能力，从而确定所述防爆围栏用的板材的厚度：防爆能力主要分为：防爆炸不解体能力以及防破片不穿透能力；得到防爆围栏的相关设计数据。
[0082]
所述围栏内切圆直径x的设计为：
[0083][0084]
x≥x
d
[0085]
其中，m是爆炸物的tnt当量，ρ为爆炸物的密度，x
d
为爆炸物的外包装尺寸，一般取外包装尺寸大于等于300mm；
[0086]
所述围栏高度y设计：对于内切圆直径为x的围栏，考虑到安全距离为l，如果高度为h的物体需要防护，则围栏的高度y设计为：
[0087][0088]
其中n为安全系数，针对爆炸的极端问题，可以取n为2
‑
5，避免极端条件下破片从围栏顶部飞出撞击到安全距离处的物体上；
[0089]
板材数量m设计：实际板材的数量需要结合压机压制能力进行设计，选择板材的数量为m：
[0090][0091]
其中：压机最大可压制的长度为a，围栏内切圆半径为r。
[0092]
所述步骤二中防爆炸不解体能力：设计防爆围栏边缘处的抗拉强度，满足在冲击波条件下结构的完整性，不会因为冲击波撕裂连接处；防破片不穿透能力：计算所需防护的爆炸物的破片飞散速度以及破片的质量，得到破片的最大动能，然后选择相应的防护材料进行弹道实验，根据实际打靶结果，达到合理的防护层厚度设计。
[0093]
所述防爆炸不解体能力：
[0094]
在空气中爆炸时，根据henrych的空气中冲击波超压计算公式：
[0095][0096]
式中，为比例距离，其计算为：
[0097][0098]
计算得到的边缘处的抗拉强度至少保证：
[0099][0100]
其中，t为围栏的厚度；
[0101]
当m较大时(m≥6)，围栏可近似看做圆柱形，其边缘处的抗拉强度可简化计算和设计：
[0102][0103]
所述防破片不穿透能力：
[0104]
针对带破片的爆炸物，如果破片为封闭金属壳体结构(如水管炸弹、制式榴弹等)其破片的速度v0可以根据格尼公式进行计算：
[0105][0106]
其中，为炸药的参数，对于tnt炸药，β为炸药重量与金属壳体重量的比值；一般对于预制破片的爆炸物，其速度一般会比计算速度低20％～30％。预制破片一般采用钢珠、钉子等形式，破片的重量在1
‑
10g左右。
[0107]
针对随机破片的质量，可以通过以下的公式进行求解：
[0108][0109]
其中，k一般取0.2，u为材料的泊松比。
[0110][0111][0112]
ρ
e
为炸药密度，ρ
m
为壳体金属密度，d
e
为炸药爆速(m/s)，δ为壳体壁厚，l为战斗部长度，c
e
为炸药中弹性波传播速度，c
p
为壳体材料的弹性波传播速度。
[0113]
所述破片的质量或采用以下公式进行评估：
[0114][0115]
其中r为壳体的外半径，r为壳体的内半径，δ为壳体的壁厚。
[0116]
折叠式防爆围栏，包括以下步骤：
[0117]
s1、确定所述防爆围栏的制作工艺；根据得到的防爆围栏的基本信息和厚度的参数，按照裁剪、缝制、压制的工艺进行；
[0118]
s2、对所述防爆围栏进行实爆测试，确定围栏是否满足设计需要；
[0119]
s3、完成所述防爆围栏的制作。
[0120]
所述s1中根据步骤一、二得到的防爆围栏的基本信息和厚度的参数，首先是通过裁剪纤维布，使之满足防爆围栏的设计要求；
[0121]
纤维布用高强度缝合线进行缝制，缝制的尺寸为靶板的设计尺寸，如图2所示在折叠部分，根据厚度需求，留出间距为板材厚度的3
‑
5倍间隙，且折叠处不压制处理，如图8所示；其中纤维布的头尾处，将偶数层或者奇数层抽取出，便于方便最后将头尾部进行压制；
[0122]
按照压制工艺进行压制，首先压制设计的第二块板，如图3所示；顺序压制，在压制最后一块板材时，将缝制线进行拆除，交叉排布后进行压制；如图4所示；
[0123]
交叉排布压制工艺，将压制设计的第一块板与最后一块板的每一层交叉排布铺层，交叉排布铺层过程中层与层间均匀涂抹双组份聚氨酯胶黏剂，铺层结束后上下两面固定压制模具，并使用螺栓紧固，常温条件下固化，形成一体式的防爆围栏结构，如图5所示。
[0124]
所述压制工艺中如果压机条件不允许采用交叉排布压制的工艺时，可以单独将首尾的pe板材进行压制，然后采用组分胶将首尾压制好的板材进行胶粘，最后可以通过现将首尾连接处的pe板材进行打孔，然后采用高强度纤维绳进行连接，如图6和图7所示。
[0125]
所述纤维布包括pe布、芳纶布、玻璃纤维布以及pbo布中的至少一种，所述高强度缝合线为pe、芳纶、玻璃纤维以及pbo材质纤维组成的缝制线中的至少一种。
[0126]
所述制作方法制备得到的产品，所述产品为一体式且可折叠的防爆围栏，所述产品包括通过多层纤维层压制成型的板材以及置于所述板材之间的折叠区，所述板材之间通过所述折叠区可折叠，首尾板材之间固定连接。
[0127]
实施例一：如防爆能力为1kgtnt当量的带有1kgφ8钢珠的预制破片的爆炸物，安全距离为5m的围栏。其设计如下：
[0128]
例如1kgtnt的球形爆炸物，炸药密度为1.63g/cm3，其半径为53mm。由此可以确定防爆围栏的最小内径为1060mm，综合考虑一定的冗余量，按照1.5倍的设计冗余，防爆围栏的内径设计为1600mm。
[0129]
如果要求的安全距离是5m，防护目标为人体，人体的等效高度为1.8m，取安全系数
为3，综合计算可以得到，围栏的高度为1.0m。综合考虑成本及加工工艺性，取围栏的块数为10块。
[0130]
通过计算，
[0131][0132]
考虑到预制破片的速度会有20％～30％左右的下降，所以取v0＝1.264(km/s)，按照φ8破片的重量为2g，则防护的动能标准为：e＝1598j，采用的防护材料需要满足此种状态下防护能力，通过弹道实验或者仿真实验可以得到此种状态下防护破片的pe布层数为80层，综合考虑2倍的安全系数，pe布的层数为160层(一般pe布压制成板材后防弹能力会有一定的提升)。
[0133]
1kg的爆炸物在0.8m处的冲击波超压为1.33mpa，计算可以得到其边缘处的连接强度需要达到1.33mpa。按照安全系数为2进行计算后得到材料的抗拉强度为106.4mpa，所以综合考虑，如果连接处采用高强度绳索进行连接，连接孔采用10个。(绳索采用uhmwpe线或芳纶线，此类绳索的抗拉强度可以达到此类要求)。
[0134]
综合可以得到，在1kg爆炸物作用下，防护围栏的设计为内径1.6m，高度为1.0m，靶板采用密度为150g/m2的pe材料，其需要的pe布的层数为160层。
[0135]
实施例二：
[0136]
进行围栏板材制作：
[0137]
选择高强度的纤维布如pe布。根据实施例一中得到的防爆围栏的基本信息和层数的参数，首先是通过裁剪纤维布，使之满足尺寸设计要求；
[0138]
将纤维布用高强度缝合线进行缝制，缝合线采用pe纤维组成的缝制线，缝制的尺寸为靶板的设计尺寸。这一步的主要目的是将多个纤维布进行初步的固定，避免压机压制过程中出现偏移或者错乱开的情况，在折叠部分，根据厚度需求，一般留出厚度为板材厚度的3
‑
5倍间隙。其中纤维布的头尾处，将偶数层或者奇数层抽取出，便于方便最后将头尾部进行压制，如图4所示。
[0139]
制定压制工艺，按照压制工艺进行压制，首先压制设计的第二块板，顺序压制，如图3所示，在压制最后一块板材时，将缝制线进行拆除，交叉排布后进行压制，如图4所示。
[0140]
交叉排布压制工艺，将压制设计的第一块板与最后一块板的每一层交叉排布铺层，交叉排布铺层过程中层与层间均匀涂抹双组份聚氨酯胶黏剂。铺层结束后上下两面固定压制模具，并使用螺栓紧固，常温条件下固化12小时，形成一体式的防爆围栏结构；如图5所示。
[0141]
实施例三：
[0142]
进行围栏板材制作：
[0143]
选择高强度的纤维布如pe布。根据实施例一中得到的防爆围栏的基本信息和层数的参数，首先是通过裁剪纤维布，使之满足尺寸设计要求；
[0144]
将纤维布用高强度缝合线进行缝制，缝合线采用pe纤维组成的缝制线，缝制的尺寸为靶板的设计尺寸。这一步的主要目的是将多个纤维布进行初步的固定，避免压机压制过程中出现偏移或者错乱开的情况，在折叠部分，根据厚度需求，一般留出厚度为板材厚度的3
‑
5倍间隙。其中纤维布的头尾处，将偶数层或者奇数层抽取出，便于方便最后将头尾部
进行压制，如图4所示。
[0145]
制定压制工艺，按照压制工艺进行压制，首先压制设计的第二块板，顺序压制，如图3所示，在压制最后一块板材时，将缝制线进行拆除，如果压机条件不允许采用交叉排布压制的工艺时(可能由于压机整体结构过大，围栏无法进行首尾相结合的压制方案)，可以单独将首尾的pe板材进行压制，然后采用组分胶将首尾压制好的板材进行胶粘，最后可以通过现将首尾连接处的pe板材进行打孔，然后采用高强度纤维绳进行连接；如图6和7所示。通过防爆能力强度校核后，确认结构的安全性。
[0146]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。