爆炸碎片撞擊下受保護(hù)層防護(hù)的儲(chǔ)罐易損性規(guī)律分析

陳國華，趙一新，周利興，楊棚，曾濤，趙遠(yuǎn)飛

（1 華南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程研究所，廣東廣州510641；2 廣東省安全生產(chǎn)科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東廣州510641；3廣東省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究院，廣東廣州510060）

化工設(shè)備發(fā)生爆炸產(chǎn)生的拋射碎片具有非常大的破壞作用，在設(shè)備集聚的化工園區(qū)中容易擊中附近的設(shè)備或設(shè)施，使目標(biāo)發(fā)生穿孔或破壞失效，并觸發(fā)“爆炸碎片多米諾效應(yīng)事故”[1]。1984年墨西哥城連鎖爆炸事故即為典型爆炸碎片多米諾效應(yīng)事故，此次事故中共發(fā)生了12～20次連鎖爆炸，造成650人死亡，1800多人受傷[2]。江蘇響水“3·21”特別重大爆炸事故造成78人死亡、76人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失19.86億元[3]。在以上事故中，爆炸碎片是誘導(dǎo)事故升級(jí)的重要致?lián)p因子?；?chǔ)罐受到碎片沖擊后會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中、大范圍變形或破裂失效等現(xiàn)象，儲(chǔ)罐保護(hù)層作為防護(hù)此類侵徹?fù)p傷的一道被動(dòng)安全屏障，可最大限度避免罐體本身與碎片的接觸，吸收碎片動(dòng)能，顯著減少目標(biāo)儲(chǔ)罐破壞的可能性[4]。

儲(chǔ)罐保護(hù)層技術(shù)還處于起步階段，孫東亮等對(duì)隔板及保護(hù)層[5]的概念進(jìn)行了區(qū)分，通過數(shù)據(jù)擬合得到了聚氯乙烯樹脂保護(hù)層[6]及ABS 樹脂保護(hù)層[7]存在條件下，碎片拋射與破壞目標(biāo)儲(chǔ)罐的概率隨保護(hù)層厚度變化的指數(shù)關(guān)系式，指出目標(biāo)儲(chǔ)罐破壞概率隨保護(hù)層厚度的增加呈急劇衰減的趨勢。Sun等[8]通過彈道實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同面密度、不同結(jié)構(gòu)（單向構(gòu)造、平紋構(gòu)造、三層正交構(gòu)造）的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維保護(hù)層受碎片撞擊的場景，結(jié)果表明，3種結(jié)構(gòu)的保護(hù)層吸能作用從高到低依次為單向構(gòu)造、三層正交構(gòu)造、平紋構(gòu)造?，F(xiàn)研究僅針對(duì)單一材料單層儲(chǔ)罐保護(hù)層性能，多種材料耦合或多層保護(hù)層技術(shù)在爆炸碎片多米諾效應(yīng)事故風(fēng)險(xiǎn)防控方面的應(yīng)用還有待探討。而軍事裝甲作為艦艇、坦克防護(hù)的最后一道被動(dòng)防線，其抗侵徹技術(shù)研究及工藝流程較為成熟，能夠?yàn)榫哂蓄愃票粍?dòng)防護(hù)功能的儲(chǔ)罐保護(hù)層的研究提供重要的參考[4]。目前應(yīng)用較為廣泛的抗侵徹材料主要有防彈陶瓷如氧化鋁陶瓷[9-10]、防彈金屬如鋁[11-12]、防彈纖維如UHMWPE 纖維[10,13]及碳纖維[14]等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，Almohandes等[15]通過彈道實(shí)驗(yàn)研究了靶板厚度、層數(shù)等對(duì)單/多層靶板抗侵徹性能的影響：單層靶板的彈道極限高于多層靶板，多層靶板的彈道極限與靶板層數(shù)成反比，與靶板厚度成正比。Babaei 等[16]對(duì)雙層裝甲的材料疊層順序進(jìn)行了探究，并得出鋼-鋼、鋼-鋁、鋁-鋼、鋁-鋁4種結(jié)構(gòu)的裝甲抗侵徹性能依次降低。Deng等[17-19]采用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相互驗(yàn)證的方法系統(tǒng)研究了靶體厚度、靶板層數(shù)、靶板疊層順序等對(duì)靶體抗侵徹性能的影響：對(duì)于薄鋼靶，分層將降低其抗侵徹性能，不同強(qiáng)度的靶板疊層順序?qū)ζ湔w抗侵徹性能的影響隨彈體初速度增加而減小?；谲娛卵b甲研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合化工儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)特性，考慮到儲(chǔ)罐外壁為曲面，金屬及纖維在工藝加工方面可操作性較高且造價(jià)便宜，本文選取Al及UHMWPE纖維作為儲(chǔ)罐保護(hù)層材料進(jìn)行研究。

目標(biāo)儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的破壞失效問題可界定為儲(chǔ)罐受碎片撞擊的易損性問題[20]，在易損性分析過程中，儲(chǔ)罐的破壞失效概率越低則表明保護(hù)層防護(hù)性能越優(yōu)良。本文建立了保護(hù)層防護(hù)條件下目標(biāo)儲(chǔ)罐受碎片撞擊的失效概率模型，采用蒙特卡洛模擬分析設(shè)備失效概率，通過繪制儲(chǔ)罐易損性圖形來表征保護(hù)層風(fēng)險(xiǎn)防控程度，為評(píng)估不同厚度、材料、層數(shù)及耦合方式的儲(chǔ)罐保護(hù)層防護(hù)性能提供了理論參考。

1 目標(biāo)儲(chǔ)罐破壞失效概率模型

爆炸碎片拋射引發(fā)多米諾效應(yīng)事故的過程包括碎片產(chǎn)生、拋射及沖擊三個(gè)階段，儲(chǔ)罐保護(hù)層主要在碎片沖擊目標(biāo)儲(chǔ)罐階段發(fā)揮防護(hù)作用，因此，僅研究目標(biāo)儲(chǔ)罐受到碎片沖擊后的破壞失效概率。在沖擊目標(biāo)設(shè)備階段，碎片首先接觸到儲(chǔ)罐外部保護(hù)層，若已知碎片初始動(dòng)能E0，則可根據(jù)塑性理論[21-22]計(jì)算碎片穿透這層保護(hù)層的厚度h1及消耗的動(dòng)能Ep1［式(1)、式(2)］。

此時(shí)，碎片剩余動(dòng)能為E1=E0-Ep1。對(duì)于碎片沖擊單層保護(hù)層防護(hù)下目標(biāo)儲(chǔ)罐的事故場景，若碎片穿透保護(hù)層的厚度小于其總厚度，將停止飛行，碎片動(dòng)能被完全耗散；反之，碎片將繼續(xù)沖擊目標(biāo)儲(chǔ)罐并破壞罐壁。對(duì)于碎片沖擊多層保護(hù)層防護(hù)下目標(biāo)儲(chǔ)罐的事故場景，碎片穿過首層保護(hù)層的分析過程與上述分析相同，若h1＞δ1，碎片穿過首層保護(hù)層后剩余的動(dòng)能E1即為作用于剩余保護(hù)層上的沖擊動(dòng)能。碎片穿過第i層保護(hù)層后的剩余動(dòng)能為Ei=Ei-1-Epi，若全部保護(hù)層被穿透，碎片將以此剩余動(dòng)能沖擊目標(biāo)儲(chǔ)罐。結(jié)合文獻(xiàn)[2]中碎片直接撞擊目標(biāo)儲(chǔ)罐的極限狀態(tài)方程，可以通過式(3)判斷目標(biāo)儲(chǔ)罐是否會(huì)發(fā)生破壞失效。

Z=0 為目標(biāo)儲(chǔ)罐破壞失效的極限狀態(tài)；Z＞0時(shí)，載荷作用在罐壁上的單位面積瞬時(shí)沖量小于臨界瞬時(shí)沖量，儲(chǔ)罐不發(fā)生破裂失效；Z＜0，目標(biāo)儲(chǔ)罐破裂失效。以上公式中涉及的參數(shù)及其意義見符號(hào)說明。

2 蒙特卡洛模擬

選取大型拱頂儲(chǔ)罐受端蓋型爆炸碎片撞擊影響下的易損性進(jìn)行研究。爆炸碎片模型來源于實(shí)際工況中容積為150m3的半球形封頭臥式儲(chǔ)罐，筒體長度為1.65m，封頭曲面高度為1.6m，材料為16MnR；儲(chǔ)罐模型來源于實(shí)際工況中容積為104m3的大型拱頂立式儲(chǔ)罐，內(nèi)徑為31m，罐壁高度為14.58m，儲(chǔ)罐各圈板厚度從0.007m 至0.02m 不等，罐壁厚度δt取值為0.012m，材料為20R；儲(chǔ)罐保護(hù)層材料為Al 及UHMWPE 纖維，由于UHMWPE 纖維復(fù)合材料一般采用疊層方式，對(duì)UHMWPE 纖維保護(hù)層進(jìn)行分層意義不大，本文僅討論單層UHMWPE 纖維保護(hù)層及不同層數(shù)的鋁質(zhì)保護(hù)層。考慮到材料成本及加工工藝等工程實(shí)踐因素，兩種材質(zhì)的保護(hù)層總厚度設(shè)置為0.006～0.02m，均不超過儲(chǔ)罐圈板厚度最大值。

根據(jù)Mebarki 等[22]提出的爆炸碎片速度計(jì)算方法，文中端蓋型碎片的最小拋射速度vmin=59.7m/s，最大拋射速度vmax=96.1m/s，因此將初速度設(shè)定在59.7～96.1m/s 范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，通過改變碎片入射速度以獲取更豐富的數(shù)據(jù)作為支撐。碎片、儲(chǔ)罐及保護(hù)層的其他隨機(jī)參數(shù)分布可根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50153—2008）相關(guān)規(guī)定及已有文獻(xiàn)[20,23-25]確定。

采用MATLAB軟件編寫Monte-Carlo計(jì)算程序，綜合考慮計(jì)算精度及運(yùn)行時(shí)長，取抽樣循環(huán)次數(shù)為105次。對(duì)于爆炸碎片撞擊n層保護(hù)層防護(hù)下的目標(biāo)儲(chǔ)罐的分析過程如圖1所示，首先判斷保護(hù)層是否被穿透，所有保護(hù)層均被穿透后，通過式(3)來判斷目標(biāo)儲(chǔ)罐是否發(fā)生破裂失效，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)儲(chǔ)罐發(fā)生破裂失效的次數(shù)，計(jì)算得到失效概率。

圖1 蒙特卡洛計(jì)算模型

3 易損性分析

3.1 有/無保護(hù)層對(duì)比分析

儲(chǔ)罐在有、無保護(hù)層防護(hù)條件下受碎片撞擊的易損性曲線如圖2所示，儲(chǔ)罐破壞失效概率隨爆炸碎片初速度增大呈整體上升趨勢，其增速為先增加后減小。在未設(shè)置儲(chǔ)罐保護(hù)層情況下，碎片速度小于67.5m/s 時(shí)，儲(chǔ)罐不發(fā)生失效；速度為82.5m/s時(shí)，儲(chǔ)罐破壞失效概率約為15.3027%，超過這一值后，儲(chǔ)罐破壞失效概率的增長趨勢漸緩；速度達(dá)到95m/s 時(shí)，儲(chǔ)罐破壞失效概率，最大為26.5268%。

圖2 有/無保護(hù)層時(shí)目標(biāo)儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的易損性曲線

對(duì)10 種規(guī)格保護(hù)層防護(hù)下儲(chǔ)罐受碎片撞擊的場景進(jìn)行編號(hào)（表1）。為分析保護(hù)層設(shè)置后儲(chǔ)罐破壞失效可降低的最低程度，將10 種規(guī)格的保護(hù)層總厚度均設(shè)置為最小0.006m 進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，儲(chǔ)罐破壞失效概率在保護(hù)層防護(hù)情況下均顯著降低，保護(hù)層總厚度為0.006m 時(shí)，儲(chǔ)罐最大破壞失效概率僅為4.6630%，降低程度約為82.42%，這表明設(shè)置保護(hù)層能有效抵抗爆炸碎片對(duì)儲(chǔ)罐的沖擊作用。但由于爆炸碎片升級(jí)而引發(fā)的多米諾效應(yīng)事故后果往往十分嚴(yán)重，儲(chǔ)罐破壞失效概率為4.6630%時(shí)仍有可能帶來較高的風(fēng)險(xiǎn)水平，為將此類事故風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受水平，應(yīng)進(jìn)一步提高保護(hù)層防護(hù)性能，盡量將事故發(fā)生概率降至最低，探究關(guān)鍵影響參數(shù)對(duì)優(yōu)化保護(hù)層防護(hù)性能的作用。

3.2 保護(hù)層影響參數(shù)分析

為直觀反映保護(hù)層隨機(jī)參數(shù)對(duì)儲(chǔ)罐易損性的影響，以表征不同規(guī)格的儲(chǔ)罐保護(hù)層防護(hù)性能差異，繪制儲(chǔ)罐在不同厚度、材料、層數(shù)及耦合方式的保護(hù)層防護(hù)下的易損性曲線或曲面。

3.2.1 保護(hù)層厚度的影響

圖3(a)為場景①的儲(chǔ)罐易損性曲面，整體來說，儲(chǔ)罐破壞失效概率隨保護(hù)層厚度增加呈遞減趨勢。在某一厚度范圍內(nèi)，增加保護(hù)層厚度可以顯著降低目標(biāo)儲(chǔ)罐破壞失效概率，超過這一范圍后，保護(hù)層厚度變化對(duì)儲(chǔ)罐破壞失效概率的影響減小。此厚度范圍不是定值，隨碎片初速度變化有所差異，可通過易損性曲線的拐點(diǎn)判斷這一范圍。為直觀對(duì)比儲(chǔ)罐在受不同初速度的碎片撞擊時(shí)破壞失效概率隨保護(hù)層厚度的變化，并判斷易損性曲線拐點(diǎn)位置，繪制易損性曲線如圖3(b)。以碎片初速度95m/s為例，保護(hù)層厚度取值為最小0.006m，儲(chǔ)罐最大破壞失效概率為3.9104%，取值為0.02m 時(shí)，概率僅為0.0210%，這是由于保護(hù)層厚度越大，發(fā)生變形或拉伸等行為需求的能量越多，所耗散掉的碎片動(dòng)能越多，儲(chǔ)罐發(fā)生破裂失效的概率就越低。對(duì)于初速度為95m/s的碎片，儲(chǔ)罐易損性曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在（12，1.098）處，即當(dāng)保護(hù)層厚度大于0.012m后，厚度的影響能力減弱。隨速度逐漸降低，拐點(diǎn)向坐標(biāo)軸左下方偏移。當(dāng)場景①的保護(hù)層厚度大于0.013m 時(shí)儲(chǔ)罐破壞失效概率均低于1%，厚度大于0.018m時(shí)儲(chǔ)罐破壞失效概率均低于0.1%。

在工程實(shí)踐應(yīng)用中，應(yīng)考慮目標(biāo)設(shè)備的實(shí)際防護(hù)需求范圍，在滿足工藝條件、經(jīng)濟(jì)預(yù)算及正常運(yùn)行條件的前提下，盡量選用厚度較大的防護(hù)材料，以降低儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的破壞失效概率。

圖3 單層鋁質(zhì)保護(hù)層防護(hù)下目標(biāo)儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的易損性圖形

3.2.2 保護(hù)層材料的影響

鋁質(zhì)保護(hù)層在受到碎片沖擊時(shí)發(fā)生塑性凹陷變形，以變形能的形式耗散碎片部分動(dòng)能。UHMWPE 纖維具有較高的韌性和延伸率，受沖擊后纖維發(fā)生拉伸變形，伴隨出現(xiàn)四邊局部收縮的現(xiàn)象，而后開始回彈，碎片的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為自身的變形能、纖維的彈性勢能以及儲(chǔ)罐的變形能。為探究兩種材料防護(hù)性能差異，包括對(duì)碎片動(dòng)能的吸收能力及對(duì)沖擊作用能量敏感性等，選取場景①、④的儲(chǔ)罐易損性進(jìn)行對(duì)比。

由圖4可知，兩種材料的保護(hù)層防護(hù)下儲(chǔ)罐失效概率隨碎片初速度、保護(hù)層厚度等的變化趨勢整體相同。但隨著厚度的增加，鋁質(zhì)保護(hù)層防護(hù)下儲(chǔ)罐破壞失效概率的降低速度較UHMWPE 纖維保護(hù)層變化快：當(dāng)保護(hù)層厚度為0.006m 時(shí)，場景①的儲(chǔ)罐破壞失效概率整體高于場景④；厚度為0.007m 時(shí)，兩者之間的差距隨初速度的增加逐漸縮至0.0195%；厚度為0.008～0.015m 時(shí)，在一定的碎片初速度范圍內(nèi)，場景①的儲(chǔ)罐破壞失效概率高于場景④，超過這一范圍，場景①的儲(chǔ)罐破壞失效概率將低于場景④；厚度為0.016～0.02m時(shí)，場景①的儲(chǔ)罐破壞失效概率整體低于場景④。以上分析表明鋁質(zhì)保護(hù)層對(duì)厚度變化的敏感性要高于UHMWPE 纖維保護(hù)層，且當(dāng)保護(hù)層厚度較大時(shí)，其防護(hù)性能略優(yōu)于UHMWPE纖維保護(hù)層。

圖4 兩種材料保護(hù)層防護(hù)下目標(biāo)儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的易損性曲線

3.2.3 保護(hù)層層數(shù)的影響

將總厚度相同的鋁質(zhì)保護(hù)層分別設(shè)置為單層、雙層及三層，盡量控制每層保護(hù)層厚度平均以避免厚度比引起誤差，場景①、②、③的儲(chǔ)罐失效概率對(duì)比如圖5所示。圖中場景①、②、③的儲(chǔ)罐易損性曲面依次升高，最大值分別為3.9104%、4.4910%、4.6630%，且曲面僅在坐標(biāo)軸XOY面上發(fā)生部分重疊，即儲(chǔ)罐破壞失效概率由低到高依次為場景①＜②＜③。結(jié)果表明，總厚度相同時(shí)，隨著層數(shù)的增加，保護(hù)層的防護(hù)性能呈下降趨勢。保護(hù)層防護(hù)性能差異的主要原因是分層使保護(hù)層材料性能參數(shù)和破壞失效模式發(fā)生改變。同時(shí)分層會(huì)將主要破壞模式由整體厚板局部剪切轉(zhuǎn)變?yōu)檎w薄板變形。此外，保護(hù)層層數(shù)的變化引起保護(hù)層整體彎曲剛度發(fā)生變化，單層保護(hù)層彎曲剛度可由式(4)[26]計(jì)算得到。

圖5 不同層數(shù)保護(hù)層防護(hù)下目標(biāo)儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的易損性曲面

式中，Et為材料彈性模量；μ為泊松比。分層后，保護(hù)層每層彎曲剛度降低程度為厚度降低程度的立方，因此保護(hù)層整體剛度將大大降低，其抗沖擊性能也隨之降低。

當(dāng)鋁質(zhì)保護(hù)層單層厚度較大時(shí)，制造加工工藝及運(yùn)輸安裝過程均存在一定困難，但在滿足投資預(yù)算及防護(hù)需求的前提下應(yīng)避免分層以獲得防護(hù)性能更優(yōu)的鋁質(zhì)保護(hù)層。

3.2.4 保護(hù)層耦合方式的影響

由于不同材料對(duì)碎片動(dòng)能的吸收能力不同，對(duì)沖擊能量敏感性也有差異，對(duì)多層保護(hù)層來說，改變材料耦合方式對(duì)其防護(hù)性能產(chǎn)生一定影響。分別對(duì)不同耦合方式的雙層保護(hù)層（場景②/⑤/⑥）及三層保護(hù)層（場景③/⑦/⑧/⑨/⑩）防護(hù)下碎片沖擊儲(chǔ)罐過程進(jìn)行蒙特卡洛模擬分析。由于分層對(duì)保護(hù)層性能造成影響，僅對(duì)層數(shù)相同的保護(hù)層防護(hù)性能進(jìn)行對(duì)比，且控制保護(hù)層總厚度相同。

對(duì)于雙層保護(hù)層，由圖6(a)，場景②的儲(chǔ)罐易損性曲面總體高于場景⑤/⑥，3種場景的儲(chǔ)罐失效概率最大值分別為4.4910%、4.3148%、4.3414%，與無保護(hù)層防護(hù)的儲(chǔ)罐相比，失效概率降低程度分別 為83.07%、 83.73%、 83.63%。 雖 然Al 與UHMWPE 纖維耦合保護(hù)層（場景⑤/⑥）防護(hù)性能仍低于單層鋁質(zhì)保護(hù)層（降低程度約為85.26%），但卻略優(yōu)于雙層鋁質(zhì)保護(hù)層。由圖6(a)、(b)，場景⑤/⑥的儲(chǔ)罐失效概率數(shù)值僅有細(xì)微差異，表明交換兩種不同材料的順序?qū)?chǔ)罐失效概率的影響不大。

圖6 材料耦合的雙層保護(hù)層防護(hù)下目標(biāo)儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的易損性圖形

對(duì)于三層保護(hù)層，由圖7(a)，場景③的儲(chǔ)罐易損性曲面總體高于場景⑦/⑧/⑨/⑩，5 種場景的儲(chǔ)罐失效概率最大值分別為4.6630%、4.4975%、4.4857%、4.5424%、4.5469%，與無保護(hù)層防護(hù)的儲(chǔ)罐相比，失效概率降低程度分別為82.42%、83.05%、83.09%、82.88%、82.86%，兩種材料耦合的三層保護(hù)層防護(hù)性能均略優(yōu)于三層鋁質(zhì)保護(hù)層。為直觀對(duì)比不同材料耦合的保護(hù)層防護(hù)性能，繪制易損性曲線如圖7(b)，場景⑦/⑧以及場景⑨/⑩中兩組易損性曲線都十分接近，且場景⑦/⑧的儲(chǔ)罐失效概率數(shù)值整體上低于場景⑨/⑩，表明交換材料的順序?qū)?chǔ)罐失效概率的影響不大，且雙層Al 與單層UHMWPE 纖維耦合的保護(hù)層防護(hù)性能略優(yōu)于雙層UHMWPE纖維與單層Al耦合的保護(hù)層。

圖7 材料耦合的三層保護(hù)層防護(hù)下目標(biāo)儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的易損性圖形

根據(jù)以上結(jié)論，在儲(chǔ)罐工程應(yīng)用中，可以考慮將兩種材料耦合使用。一方面，Al 與UHMWPE 纖維耦合保護(hù)層防護(hù)性能略優(yōu)于同等厚度的鋁質(zhì)保護(hù)層；另一方面，與兩種材料耦合保護(hù)層對(duì)比，同等厚度的鋁質(zhì)保護(hù)層在原材料、加工、運(yùn)輸及安裝工藝等方面都需要較高成本。

4 結(jié)論

（1）基于塑性理論，分析了不同速度的碎片撞擊保護(hù)層及目標(biāo)儲(chǔ)罐的能量變化過程，建立了保護(hù)層防護(hù)下儲(chǔ)罐受爆炸碎片撞擊的破壞失效概率模型，并用蒙特卡洛方法對(duì)多種場景進(jìn)行模擬，得到儲(chǔ)罐破壞失效的概率分布，繪制了易損性曲線及曲面。

（2）10 種規(guī)格的保護(hù)層均能顯著減弱碎片對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)罐的破壞。與無保護(hù)層場景對(duì)比，不同層數(shù)的鋁質(zhì)保護(hù)層、單層UHMWPE 纖維保護(hù)層及兩種材料耦合的保護(hù)層對(duì)儲(chǔ)罐破壞失效概率的降低程度均超過80%。

（3）保護(hù)層的厚度、材料、層數(shù)及耦合方式均對(duì)儲(chǔ)罐的易損性有一定影響。保護(hù)層厚度與儲(chǔ)罐破壞失效概率呈負(fù)相關(guān)；鋁質(zhì)保護(hù)層對(duì)厚度變化的敏感性高于UHMWPE 纖維保護(hù)層；對(duì)于總厚度相同的鋁質(zhì)保護(hù)層，減少分層將降低儲(chǔ)罐破壞失效概率；與多層鋁質(zhì)保護(hù)層相比，兩種材料耦合的保護(hù)層防護(hù)下儲(chǔ)罐的破壞失效概率更低。

（4）研究可為實(shí)際工況中儲(chǔ)罐保護(hù)層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。為了提升儲(chǔ)罐抗沖擊韌性，應(yīng)在滿足工藝可行性及經(jīng)濟(jì)預(yù)算的前提下，盡量增大保護(hù)層厚度，減少鋁質(zhì)保護(hù)層分層，并考慮兩種材料耦合設(shè)計(jì)等。本文側(cè)重研究保護(hù)層自身因素對(duì)防護(hù)性能的影響，外界不確定性參數(shù)如碎片形狀、質(zhì)量、入射角等對(duì)保護(hù)層防護(hù)下儲(chǔ)罐失效概率的影響可作為進(jìn)一步研究方向，以期獲得更為全面準(zhǔn)確的失效概率值。

符號(hào)說明

D—— 彎曲剛度，N/m

df—— 碎片直徑，m

E—— 容器爆炸能量，J

Ei—— 碎片穿透第i層保護(hù)層后剩余動(dòng)能，J

Epi—— 碎片穿透第i層（由外向內(nèi)）保護(hù)層消耗的動(dòng)能，J

Et—— 保護(hù)層材料彈性模量，Pa

fi—— 第i層保護(hù)層極限應(yīng)力，N/m2

hi—— 碎片穿透第i層保護(hù)層的厚度，m

I0—— 罐壁單位面積瞬時(shí)沖量，N·s/m2

I0c—— 罐壁發(fā)生破裂的單位面積臨界瞬時(shí)沖量，N·s/m2

mf—— 碎片質(zhì)量，kg

St—— 碎片在罐壁面上的投影面積，m2

v0—— 碎片初始速度，m/s

α，ω—— 分別為碎片豎直、水平撞擊角，rad

δi—— 保護(hù)層第i層厚度，m

δt—— 目標(biāo)儲(chǔ)罐厚度，m

εi—— 第i層保護(hù)層極限應(yīng)變

εt—— 目標(biāo)儲(chǔ)罐極限應(yīng)變

μ—— 保護(hù)層材料泊松比

ρt—— 目標(biāo)儲(chǔ)罐密度，kg/m3

σt—— 目標(biāo)儲(chǔ)罐材料屈服強(qiáng)度，Pa

Ψ—— 動(dòng)能比例因子