Page 108 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 王宇相，等： 近爆条件下高强钢板的抗爆性能与几何参数影响规律研究 第 5 期

thickness is the decisive factor to determine the failure mode of steel plates under near-field explosions. For high-strength steel

plates with large deformation, the increase of thickness and decrease of width will improve the ability of resistance to near-field
explosions. In addition, there is a positive correlation between the ability of shock resistance of the high-strength steel plate and
the width-thickness ratio. When the proportional distance is 0.13, a model can be provided to predict the maximum
displacement range of the high-strength steel plate according to the steel plate size. The above conclusions can provide some
guiding significance for the optimal design and engineering application of high-strength steel structures.
Keywords: high strength steel plate; Johnson-Cook model; short-range explosion load; geometrical parameter
在现代工程结构设计中，钢板作为一种关键的防护和承载部件，在桥梁、建筑、军事防御以及海洋
平台等众多领域发挥着至关重要的作用 [1-3] 。在军事领域中，这些结构经常面临着爆炸载荷的严峻考
验 [4-6] ，且爆炸所产生的瞬时高压冲击波 [7] 对钢板结构完整性的影响极为显著，可能导致结构破坏和功能
失效 ，甚至危及人员安全、造成重大经济损失。因此，研究钢板在爆炸载荷作用下的动态响应和破坏机
[8]
制，将有利于优化防护结构的设计并预测材料在极端载荷下的行为。
目前，大量学者对普通强度钢板的抗爆性能进行了广泛的研究，系统分析了普通钢板受爆炸冲击波
[9]
作用后的动态响应以及毁伤模式。汪维等 探讨了近爆条件下冲击波与方形钢板的相互作用，并提出了
预测爆炸载荷分布的函数。Gan 等 [10] 比较了不同形状炸药对钢板响应的影响，强调了立方体炸药引起
的变形和损伤更显著。施龙等 [11] 和杨锐等 [12] 分别通过实验和数值模拟揭示了爆炸载荷下板壳结构的塑
性响应特性和固支钢板的动态响应。Wierzbicki 等 [13] 和 Zhou 等 [14] 则从理论和微观层面分析了钢板在爆
炸载荷下的撕裂和缺陷特性。
然而，随着工程环境对材料性能要求的不断提高，普通强度钢结构在面对特定爆炸载荷时或许不
能满足防护要求，因此相关学者尝试以复合结构的方式来增强钢板的抗爆性能。赵春风等 [15] 研究了钢
板-混凝土组合板的损伤模式及动态响应。Gan 等 [16] 对增加 U 形加劲肋的钢板进行了抗爆载荷研究。
侯晓萌等 [17] 提出利用活性粉末混凝土提高钢抗爆门强度的方法。此外，高强钢作为一种具有优异力学
性能的材料，在爆炸荷载作用下的动态力学特征逐渐受到广泛关注。高强钢不仅拥有更高的屈服强度
和极限抗拉强度，还表现出良好的加工硬化能力和韧性，这些特性使高强钢在极端载荷条件下拥有很大
的应用潜力 [18] 。当前，已有学者对高强钢的动态力学性能以及抗爆性能进行了初步探索，例如：王蕾 [19]
研究了 S690QL 高强度钢材的断裂行为；Alabi 等 [20] 对 S690QL 和 S960QL 两种高强度结构钢在不同应变
速率下的拉伸性能进行了研究；Cai 等 [21] 研究了 Q690 高强钢在高温下的极限强度；张秀华等 [22] 通过建
立 Q460 高强钢柱有限元模型，模拟了高强钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应；Langdon 等 [23] 对近爆载
荷作用下低碳钢、装甲钢、铝合金等不同材料类型平板的破坏模式进行了研究，发现不同材料平板的失
效模式存在明显差别；常笑康等 [24] 通过研究高韧钢和高强钢的抗爆性能，表明近距空爆载荷作用下高韧
钢和高强钢的抗爆优势。上述研究为高强度钢结构在防护结构中的应用提供了一定的科学依据。
尽管已有研究为抗爆构件的设计提供了宝贵的参考，但目前关于高强钢在高应变率条件下的动态
力学行为及抗爆性能的研究尚不充分，尤其是在爆炸载荷作用下的动态响应和破坏机制方面，仍存在诸
多待解决的问题。因此，本文通过模拟高强钢的 SHPB（split Hopkinson pressure bar）冲击试验，标定表征
高强钢的动态本构模型参数，进一步开展近爆条件下高强钢板的爆炸模拟，分析爆炸冲击波与钢板的相
互作用过程，探究钢板的几何参数对其变形特征和破坏模式的影响。

1 高强钢板爆炸数值模型

1.1 数值模型的建立
基于非线性有限元分析软件 ANSYS/LS-DYNA，建立 S690 高强钢板在近爆载荷作用下的数值计算
模型，如图 1 所示：模型由钢板、空气和炸药 3 部分组成，且钢板、空气域和炸药均采用 SOLID164 3D 显

053302-2