一種新型手性周期結構覆蓋層抗沖擊性能研究

任憲奔，趙鵬鐸，李曉彬，張　磊，李　營

（1.海軍裝備研究院，北京 100161；　2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063）

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一種新型手性周期結構覆蓋層抗沖擊性能研究

任憲奔1，2，趙鵬鐸1，李曉彬2，張磊1，李營1，2

（1.海軍裝備研究院，北京 100161；2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063）

通過在傳統手性周期結構中的空心圓柱內添加芯體，得到一種新型手性周期結構形式。采用SHPB試驗研究其抗沖擊性能，得到以下結論：廣義SHPB試驗技術能夠評估不同手性周期結構的抗沖擊性能；在不同工況相同的初始條件下，覆蓋層的透射系數有較大差別；新型手性周期結構抗沖擊性能相較傳統結構并沒有提高，需要進一步進行優化設計。

振動與波；沖擊動力學；手性周期結構；SHPB；抗沖擊性能

根據艦船遭受水下爆炸時爆源距離船體的距離可將水下爆炸分為水下接觸爆炸和非接觸爆炸。水下接觸爆炸通常造成船體的局部破壞，例如船殼的凹陷甚至孔洞的產生，嚴重時大量進水而沉沒。水下非接觸爆炸時沖擊波壓力通過水介質作用在船體濕表面上，往往引起船體的鞭狀效應以及艦上設備的大量損壞。針對水下遠場爆炸沖擊波及氣泡脈動毀傷，在艦艇舷側水線以下外板敷設彈性覆蓋層是一種有效的提高其生命力的方法。

手性周期結構覆蓋層是彈性覆蓋層的一種形式，如圖1所示。因其具有特殊的力學性能得到了抗沖擊領域越來越多研究者的關注。2004年Paulac［1］等人的研究結果表明相對于傳統的中心對稱蜂窩結構，在相同的相對密度情況下手性結構具有更高的抗剪剛度。2012年章振華［2］等對手性結構覆蓋層模型進行了沖擊響應分析，并對其進行優化設計改善了其抗沖擊性能。此外，手性周期結構在振動與噪聲控制方面同樣表現出優良的性能，2006年Spadoni［3］對一種具有手性結構的梁的聲學特性進行了初步的研究，2013年陳斌等［4］借助仿真并使用Bloch理論對三韌帶手性胞元的能帶特性進行分析，驗證了手性周期結構帶隙對于振動衰減的有效性。

針對船體濕表面覆蓋層抗水下爆炸沖擊與隔離機械噪聲的要求，提出一種新型手性周期結構形式，如圖2所示。

圖2　新型手性周期結構模型示意圖

新型手性周期結構是在原有結構中的空心圓柱中添加了芯體，即包覆層和軟金屬，并通過霍普金森壓桿試驗技術對其抗沖擊性能進行研究，新型手性周期結構在艦船水下爆炸抗沖擊與設備隔振減噪領域具有一定應用價值。

2　試驗研究

2.1試驗思路

開展手性周期結構水下爆炸抗沖擊性能試驗研究成本較高、難度較大，文中借助廣義霍普金森壓桿（SHPB）試驗技術開展改進前后的手性周期結構抗沖擊性能研究。分離式霍普金森桿實驗技術是研究中高應變率下材料力學性能的最主要、最可靠的實驗方法，是爆炸與沖擊動力學實驗技術的重要組成部分。傳統分離式普金森桿壓桿裝置原理如圖3所示。

圖3　SHPB試驗原理圖

SHPB試驗利用發射系統控制高壓氣體推動子彈加速撞擊入射桿，在入射桿中形成向右傳播的壓縮加載波，利用貼于桿表面的應變片記錄入射信號、反射信號和透射信號。根據測得的三個波形，基于桿中一維應力波假設和試樣中應力、應變沿軸向均勻性假設，可導出試樣中的應力應變關系。SHPB試驗中傳統試樣的尺寸一般小于桿徑，由于手性周期結構覆蓋層結構不同于SHPB傳統力學材料性能試樣，其尺寸較大，因此難以達到應力平衡，但通過入射桿與透射桿上的應變片可以記錄桿中能量的大小及變化過程，對比改進手性周期結構前后透射桿上的能量可以衡量手性周期結構的抗沖擊性能。

SHPB試驗屬高速動態加載問題，傳統意義上，入射桿需要足夠長來滿足保證初始入射波形的完整性，但在本文的研究中入射桿僅起到動態加載的作用，對其長度并沒有嚴格要求。入射桿與透射桿桿徑?均為38 mm，子彈直徑?為38 mm，初始速度為2 m/s，手性周期結構尺寸如表1所示。

表1　手性周期結構模型參數

2.2試驗設計

制作改進前后的手性周期結構試樣，試樣如圖4所示。

圖4　手性周期結構試樣

其中嵌入金屬為鋼，半徑為1 mm。試驗選擇直徑?為38 mm的鋁制入射桿及透射桿，長度分別為2 000 mm及1 500 mm，鋼制子彈直徑?為38 mm，長為200 mm，注氣壓力均為0.200 MPa。實際試驗中手性周期結構試樣的定位圖如圖5所示。

圖5　SHPB試驗裝置定位圖

為便于均勻加載，在手性周期結構兩側各粘貼一塊130 mm×60 mm×60 mm的均質鋁板夾具，鋁板通過502膠與入射桿及透射桿連接，如圖6所示。

圖6　試樣定位圖

為有效增加入射應力脈沖的上升時間，采用4 mm×4 mm×1 mm軟橡皮整形器過濾加載波中由于直接碰撞引起的高頻分量，并借助高速攝影對手性周期結構的響應進行實時記錄。試驗中主要用到的硬件設備主要包括KD 6009應變放大器、DPO 4104示波器、Photorn-SA1.1高速攝影系統、高壓鈉燈光源、計算機存儲系統等。試驗分3階段進行，第1階段對測試系統進行全反、全透標定，第2階段采用入射/透射（500 mV/200 mV）量程進行試驗，對應1#-5#工況，第3階段根據前1階段透射信號弱的問題調節量程，采用入射/透射（500 mV/50 mV）量程進行試驗，對應6#-11#工況，并采用高速攝影捕捉手性周期結構動態響應過程，試驗工況如表2所示。

3　試驗結果

3.1試驗原始數據

對試驗測試系統進行標定，全反狀態下，入射桿受子彈撞擊后產生入射壓縮脈沖，到達入射桿另一端后產生反射拉伸脈沖，此過程依次循環；全透狀態下，入射壓縮脈沖大部分能量傳遞至透射桿中繼續傳遞，只有很小部分反射拉伸脈沖傳遞回入射桿中。圖7為不同量程下典型工況原始數據，從圖7（a）可以看出，當透射桿中應變片對應的通道量程為200 mV時，透射信號相對入射信號較弱，基本位于零線附近，對信號處理引起的誤差較大；從圖7（b）可以看出，當透射桿中應變片對應的通道量程為50 mV時，透射信號相對零線有很大的偏移，即零漂現象。另外，量程為50 mV時，透射信號相對于200 mV時有了很大改善，可以有效減小數據處理中產生的誤差。

圖7　典型原始數據

3.2試驗數據處理

圖8所示為經數據處理后的典型工況的入射桿及透射桿上的波形圖，透射波的脈寬及峰值與入射波有較大差距，推測是由于試樣厚度較大，入射波在試樣中多次反射衰減后傳遞到透射桿的結果。

為獲得經過試樣的能量透射率，可采用高速攝影記錄各桿速度的方式獲得其能量，或采用應變片記錄的應力波進行積分得到其能量，由這兩種方法得到的結果基本一致［7］。試驗數據處理時同樣不考慮反復加載的影響，只計算第一個完整的入射波和對應的透射波對應的能量。圖9（a）、圖9（b）是2#及5#工況下采集到的入射信號及透射信號。從圖9（a）可以看出，5#工況對應的入射信號峰值高于2#工況，作用脈寬基本相同，說明5#工況對應的入射能量水平比2#工況高。從圖9（b）可以看出，5#工況對應的透射信號平均水平略低于2#工況，即5#工況對應的透射能量小于2#工況。綜合圖9（a）、（b）可以看出，5#工況入射能量大、透射能量小，說明5#工況對應的結構隔離吸收能量的效果好，即傳統手性周期結構表現出較好的抗沖擊性能。

為定量研究其抗沖擊性能，根據桿件應變能的計算公式υε=σε/2=Eε2/2，可知桿中應變能與應變ε2成正比，以ε2為縱坐標，時間t為橫坐標，對ε2隨時間t變化曲線進行積分，即其中，入射桿中的ε2積分后記為Ei，透射桿中的ε2積分后記為Et，經試樣傳遞到透射桿上的能量透射系數為n=Et/Ei，顯然，n越大，透射過去的能量越多，周期結構的抗沖擊效果越差，反之亦然，各工況能量透射系數如表3所示。

表2　試驗工況

圖8　試驗典型波形圖

通過表3可以得出，雖然所有工況注氣壓力相同，但每次入射能量Ei均有差異，傳統試樣的能量透射系數均值為7.37‰，新型試樣的能量透射系數為10.12‰，即經過傳統試樣傳遞到透射桿中的初始能量少于新型試樣。

由于試樣制備比較復雜，僅制備一種尺寸的試樣進行試驗，通過試驗研究得到基于以上尺寸的新型手性周期結構抗沖擊性能相較傳統結構并沒有提高。但是，尺寸及材料對其性能的影響是至關重要的，通過合理設計新型手性周期結構的參數，可以提高其性能，尤其在聲學方面具有廣泛的應用價值。

4　結語

通過SHPB試驗研究了傳統手性周期結構和新型手性周期結構的抗沖擊性能，并做了對比，研究表明：

（1）采用廣義SHPB試驗技術能夠評估不同手性周期結構的抗沖擊性能。

（2）由于試件的結構和變形較為復雜，試驗時試件受力情況較為復雜，相同的注氣壓力下，覆蓋層的透射系數有較大差別。

（3）相對于傳統手性周期結構，新型手性周期結構抗沖擊性能并沒有提高，但尺寸及材料對其性

圖9　試驗典型入射信號及透射信號

表3　各工況能量透射數

能的影響至關重要，可以對新型手性周期結構的參數進行優化，以提高其抗沖擊性能。

［1］PAULAC A，SCARPA F，PERROTT D，et al.Transverse shear strength of chiral cellular core［C］.Proceedings of ICEM12.Bari，Italy，2004:49-57.

［2］章振華，諶勇，華宏星，等.抗沖瓦的結構研究及創新設計［J］.噪聲與振動控制，2012，32（6）：100-104.

［3］ SPADONI A，RUZZENE M.Structural and acoustic behavior of chiral truss core beams［J］.Journal of vibration and acoustics，2006，128:616-621.

［4］陳斌，徐時吟.三韌帶手形結構的振動帶隙特性［J］.噪聲與振動控制，2013，33（4）：75-78.

［5］GRIMA J N，GATT R，RAVIRALA N，et al.Negative Poisson's ratios in cellular foam materials［J］.Materials Science and EngineeringA，2006，423:214-218.

［6］ BEZAZI A，SCARPA F.Mechanicalbehaviourof conventional and negative Poisson's ratio thermoplastic polyurethane foams under compressive cyclic loading［J］. International Journal of Fatigue，2007，29:922-930.

［7］趙凱，沈建虎，劉凱欣，等.圓環列系統吸能特性研究［J］.北京大學學報（自然科學版），2007，43（3）：312-316.

Study on Shock Resistance Performance of a New Chiral Periodic Structure

REN Xian-ben1，2，ZHAO Peng-duo1，LI Xiao-bin2，ZHANGLei1，LIYing1，2

（1.NavalAcademy ofArmament，Beijing 100161，China；

2.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

By adding a core to the traditional chiral periodic structure，a new chiral periodic structure is obtained.Its shock resistance property is studied through SHPB experiment.The experimental results show that the generalized SHPB experiment technique can estimate the performance of the new structure.In the same initial condition but different test states，the transmission energy coefficients of the new chiral periodic structure layer are quite different.Unfortunately，comparing with the traditional chiral periodic structure，shock resistance property of the new chiral periodic structure has not been improved，it needs further optimum design.

vibration and wave；shock dynamics；chiral periodic structure；SHPB；shock resistance performance

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.009

1006-1355（2016）04-0044-04+62

2016-01-29

國家自然科學基金資助項目（11302259）

任憲奔（1991-），山東省菏澤市人，碩士研究生，主要研究方向為艦船抗爆與抗沖擊分析。E-mail:renxb0012@163.com

趙鵬鐸（1983-），工程師，博士。E-mail:zhaopengduo@163.com