Page 182 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 孙 勇，等： 动态海缆抗多次冲击复合防护层设计及力学性能研究 第 12 期

两个方向：一是材料改性 [1-2] ，通过提升动态海缆的铠装层和护套层材料的力学性能，增强其抗冲击能力；
二是结构改进 [3-7] ，采用弯曲限制器、加强筋等设计，限制动态海缆在风机平台处的位移，降低其与风机平
台之间的碰撞和摩擦频率。从工程实践来看，仅针对动态海缆自身进行加强来进行防护是不够的。
事实上，无论是摩擦还是碰撞导致的动态海缆断裂失效，其根本原因均源于动态海缆与风机平台之
间的相互作用。因此，为了更有效地保护动态海缆，亟需对风机平台采取有效的防护措施，特别是在动
态海缆易发生碰撞的风机平台表面进行局部包覆防护层。防护层需要具备双重功能：首先，应具有优异
的缓冲吸能特性，能够显著降低动态海缆与风机平台之间的碰撞力，并具备抗多次冲击的能力；其次，应
具备卓越的耐磨和耐腐蚀性能，能够大幅减少动态海缆与风机平台接触时的磨损，同时具有良好的耐海
水腐蚀能力。
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（ethylene vinyl acetate，EVA）泡沫材料作为防护层的核心材料，其力学性能
和缓冲吸能特性已受到学术界的关注。Rumianek 等 [8] 研究发现，加载应变率、材料密度、微观结构以及
环境温度等因素均会显著影响闭孔聚合物泡沫的抗压强度和能量吸收能力。Chen 等 [9] 通过静态和动态
压缩实验，系统分析了密度和应变率对 EVA 泡沫应力-应变曲线、弹性模量及屈服应力的影响规律。
Liu 等 [10] 则通过准静态压缩实验和落锤冲击实验，揭示了 EVA 泡沫材料在不同应变率下的应力-应变行
为特征。此外，Lam 等 [11] 将 EVA 泡沫与聚脲相结合形成三明治缓冲结构，将之作为抗泥石流刚性屏障
的缓冲层，并研究了摆锤冲击下泡沫层厚度对缓冲性能的影响机制。然而，针对动态海缆防护的特殊需
求，EVA 泡沫材料需在多次冲击载荷下保持性能稳定，因此，深入研究多次加载条件下 EVA 泡沫材料的
力学特性及其能量吸收规律具有重要意义。目前相关研究仍较为匮乏。
为了实现上述功能，本文中提出了一种三明治结构复合防护层设计方案。该方案以乙烯-醋酸乙烯
酯共聚物（ethylene vinyl acetate，EVA）泡沫材料作为冲击缓冲层，并在其表面覆盖橡胶防护层，结合
EVA 泡沫优异的缓冲吸能性能和橡胶材料的高抗冲击性及耐磨性。首先对不同密度的 EVA 泡沫材料
进行系统的静态和动态单轴压缩力学性能实验，重点探究相对密度、应变率以及多次加载对其能量吸收
特性的影响规律。在此基础上，结合工程实际需求，对动态海缆与风机平台的碰撞能量进行评估，并提
出以 EVA 泡沫和橡胶材料为主体的复合防护层结构设计方案，完成实验样品的制备。最后，通过落锤
加载系统开展不同加载条件下复合防护层缓冲吸能特性的实验研究，评估其对动态海缆的实际防护效果。

1 EVA 泡沫材料力学性能实验

1.1 实验方案
实验选取密度为 70、80、90 和 130 kg/m 的 3 4 种 EVA 泡沫材料，采用直径为 20.0 mm、高度为
22.0 mm 的圆柱形试样，其典型微观结构如图 3 所示，孔隙为闭孔结构，分布较规律且胞孔间有明确界
−1
限。采用 Instron 5966 万能试验机开展准静态压缩实验，应变率分别为 0.001、0.005 和 0.025 s ，压缩应
变控制为 80%。采用 Instron 9350 落锤试验机开展动态压缩实验，应变率为 38 和 50 s ，落锤质量为 5.718 kg。图 4
−1
给出了动态压缩实验仪器及相关细节。为确保实验数据的准确性，每种应变率下均开展 3 次重复性实验。

20.0 mm

22.0 mm
500 μm

图 3 试样尺寸及其 SEM 图像
Fig. 3 Specimen sizes and their SEM images

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