在全球海洋领土争端频发的背景下，水下爆炸对舰船生存能力构成严重威胁，传统防护结构难以兼顾轻量化与抗爆性能。南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构团队与中国船舶及海洋工程设计研究院首次系统开展全金属方形蜂窝夹芯板水下爆炸抗破口性能研究，揭示了其优于传统加筋板的核心力学机制，为舰船防护结构轻量化设计提供了关键技术支撑。相关成果以“Rupture resistance of metallic sandwich panels under underwater blast”为题发表于国际机械工程权威期刊《International Journal of Mechanical Sciences》。
水下爆炸产生的冲击波、气泡脉动等复杂载荷易导致舰船结构局部破口，引发舱室进水、船体强度下降等连锁风险。传统加筋板结构虽广泛应用于舰船建造，但存在应力集中明显、裂纹易扩展等固有缺陷，而金属夹芯板的水下抗裂性能此前缺乏系统的实验验证与机制解析。研究团队采用“实验测试+数值模拟”相结合的方法，设计了与传统加筋板等面密度的全金属方形蜂窝夹芯板试件，选用Q235钢和304不锈钢两种常用金属材料，在定制化水下爆炸试验装置中开展1 kg TNT当量、0.5m爆距的全尺度爆炸测试。通过三维扫描与压力传感技术，精准捕获了结构破裂形态与动态响应数据，同时基于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法建立有限元模型，成功复现了水下爆炸载荷下的结构损伤演化过程。
试验布置
实验结果显示，Q235钢夹芯板的破口面积较同等面密度加筋板降低57.5%，而304不锈钢夹芯板实现了前板完全无破口的理想防护效果。这一显著优势源于夹芯板独特的“分层协同”机制：前板率先响应载荷，蜂窝芯体传递应力并提供均匀约束，后板主导能量吸收，形成差异化能量耗散模式，有效避免单一构件能量过载。同时，蜂窝芯体作为连续三维结构，对前后板形成持续约束，显著抑制裂纹扩展，而传统加筋板因刚度不连续导致应力集中，裂纹易沿加筋方向快速蔓延。
不同工况下加筋板与夹芯板破口面积对比
该研究首次实现了金属夹芯板与传统加筋板的等面密度水下抗破口性能直接对比，创新揭示了分层协同变形与连续约束的双重抗破口机制。研究成果不仅为舰船船体、舱室等关键部位的防护升级提供了新方案，还可拓展应用于海洋平台、水下航行器等装备的抗爆结构设计，具有重要的工程应用价值。
论文第一作者为南京航空航天大学博士生高辉遥，卢天健教授和赵振宇副研究员为共同通讯作者，研究工作得到国家自然科学基金、江苏省研究生科研创新计划等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2026.111440
