改進型手性周期結構覆蓋層的抗沖擊性能研究

任憲奔, 趙鵬鐸, 李曉彬, 張 磊, 李 營

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

改進型手性周期結構覆蓋層的抗沖擊性能研究

任憲奔1,2, 趙鵬鐸2, 李曉彬1, 張 磊2, 李 營1,2

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

針對一種改進型手性周期結構覆蓋層進行分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗，并通過SHPB試驗及數值仿真研究其抗沖擊性能，分析其能量吸收性能及變形特征。得到以下結論：在沖擊作用下改進型手性周期結構的芯體由于自身慣性效應在結構中作受迫振動；改進型手性周期結構覆蓋層具有良好的抗沖擊性能，覆蓋層及嵌入芯體可通過自身變形和運動來吸收沖擊能量；可以利用有限元軟件ABAQUS模擬SHPB試驗來評估不同手性周期結構的抗沖擊性能，通過數值仿真可以對結構尺寸與材料參數進行優化，得到抗沖擊性能更好的手性周期結構。

改進型手性周期結構；抗沖擊性能；SHPB

水下非接觸爆炸是艦艇面臨的主要威脅之一。水下非接觸爆炸一般不會使船體結構出現局部大破口而喪失不沉性，但因爆炸引起的沖擊作用遍及整船，因此會造成大范圍的艦船設備破壞和人員受傷，嚴重影響艦船的生命力和戰斗力。因此，提高艦船的抗沖擊水平，降低作用于船體的沖擊輸入載荷，改善艦船的整體沖擊環境是提高艦船生命力和保持戰斗力的主要方法。針對水下非接觸爆炸沖擊波及氣泡脈動毀傷，在艦艇外板敷設彈性覆蓋層是一種有效的提高艦艇生命力的方法。

Paulac等[1]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強度。章振華等[2]研究了圓孔結構、手性結構與反蜂窩結構三種覆蓋層模型，進行了沖擊響應分析，并對其進行了優化設計。姚熊亮等[3]對敷設聲學覆蓋層的板架結構的抗沖擊性能進行了數值計算研究，并對聲學覆蓋層結構進行了優化。Liu等[4]利用Bloch理論對嵌有芯體的手性結構的帶隙進行了分析，結果表明：改進型的手性結構的帶隙低于相同條件下未改進的手性結構。

本文在傳統手性周期結構覆蓋層的圓柱空腔中嵌入芯體，得到一種改進型手性周期結構，如圖1所示。通過廣義SHPB技術[5]對改進型手性周期結構進行試驗研究，并借助ABAQUS對其抗沖擊機理進行數值研究，揭示了改進型手性周期結構的變形機制與能量轉化規律。

圖1 改進型手性周期結構的示意圖

1 改進型手性周期結構的試驗研究

1.1 試驗設計

改進型手性周期結構的基體為120 mm×50 mm×50 mm的橡膠空腔結構，橡膠材料是邵氏硬度為65的氯丁膠，嵌入芯體的軟包覆層材料為橡膠，嵌入金屬為鋼，φ=2 mm。手性周期結構的試樣如圖2所示。

圖2 手性周期結構的試樣

由于開展水下爆炸作用下手性周期結構的抗沖擊性能的試驗研究難度較大，本文采用國防科技大學輕氣炮實驗室分離式Hopkinson壓拉通用實驗裝置(SHPB)對改進型手性周期結構進行動態加載試驗。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以及試樣中應力和應變沿軸向的均勻性假設，可導出試樣中的應力-應變關系。由于手性周期結構試樣的尺寸較大，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，對比改進前后透射桿上的能量可以得到手性周期結構的能量透射系數，通過分析能量透射系數可以衡量手性周期結構的抗沖擊性能。

試驗選擇φ38 mm的鋁制入射桿及透射桿，鋼制子彈φ38 mm，長200 mm。試驗中手性周期結構試樣的位置如圖3所示，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×10 mm的均質鋁板夾具，鋁板通過502膠與入射桿及透射桿連接。為有效增加入射應力脈沖的上升時間，采用軟橡皮材料整形器過濾加載波中由于直接碰撞引起的高頻分量。

1.2 試驗結果

圖4所示為典型工況下測得的入射桿及透射桿上的波形圖，可以看出有別于傳統力學性能試樣得到的波形圖，透射波的脈寬及峰值與入射波有較大差距。

圖3 試樣定位圖

圖4 典型的原始波形圖

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來獲得其能量，或采用對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]。此外，試驗中入射桿對手性周期結構存在多次加載，導致后期透射波形趨于復雜，因此，對試驗數據處理時不考慮反復加載的影響，只計算第一個完整的入射波和相應的透射波對應的能量。

根據桿件應變能的計算公式υε=σε/2=Eε2/2，其中，入射桿中的應變能記為Ei，透射桿中的應變能記為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，手性周期結構的抗沖擊效果越差。各試件能量透射系數，如表1所示。

表1 各試件能量透射系數

通過表1可以得出，雖然所有試件的注氣壓力相同，但每次入射能量Ei均有差異，試樣的能量透射系數的平均值為10.06‰。

2 改進型手性周期結構的數值模擬

2.1 改進型手性周期結構的計算模型

利用有限元軟件ABAQUS建立改進型手性周期結構的計算模型，如圖5所示。手性周期結構長度方向為X向，高度方向為Y向，厚度方向為Z向。入射桿和透射桿的長度均為2 m，軸向為Y向。計算模型中單元類型均為C3D8R，模型共966 488個單元，其中手性周期結構的單元數量為556 910個。為避免反射波干擾，仿真計算時所選測點分別位于入射桿和透射桿中間。

圖5 手性周期結構的計算模型

在理想一維應力條件下，入射波形應為矩形波，但是由于入射桿的橫向慣性效應引起的彌散振蕩，其應力波形會發生明顯改變。由于壓桿在試驗過程中必須始終處于彈性狀態，所以可以推斷壓桿中的應力波傳播始終保持動量守恒。在數值模擬中，可以將試驗測得的波形信號換算成理想一維應力條件下的矩形信號，對入射桿進行加載[6]。按照這種思路，可以得到相應的矩形波應力的幅值

(1)

根據試驗測得的入射波形，不考慮反復加載的影響，只計算第1個完整的入射波對應的矩形應力波幅值。表2為計算得到的各試件的矩形應力波幅值。在數值仿真計算中加載應力取矩形入射應力的平均值99.4 MPa，加載脈寬取0.15 ms。

表2 各試件下矩形入射應力

2.2 計算結果

SHPB試驗的仿真計算得到的第一個完整的入射波如圖6所示，由于仿真計算中沒有考慮軟橡皮整形器的作用，所以得到的波形與試驗波形差別較大。圖7為仿真計算及試驗得到的第一個完整的透射波經濾波處理后的結果。由于仿真計算時矩形入射應力波幅值相對偏大，因此計算所得到的透射應力波脈寬及峰值與試驗測得的透射應力相比都偏大。

圖6 仿真計算得到的入射應力波

圖7 仿真計算和試驗得到的透射應力波

圖8所示為數值仿真得到的入射桿、透射桿、改進型手性周期結構對應的總能量曲線。從圖8可以看出，系統的總能量約為55 J；任意時刻入射桿和手性周期結構中的能量之和約等于總能量的值，遠大于透射桿中的能量的值；沖擊作用過后透射桿上的能量會多次震蕩；改進型手性周期結構有良好的能量吸收效果，可吸收大部分沖擊能量。在第一個完整的透射波信號范圍內，透射桿上的能量約為0.9 J，計算得到改進型手性周期結構的透射系數為16.36‰。

圖8 能量曲線

2.3 變形特性

在改進型手性周期結構中芯體通過嵌入的方式分布在基體中，當基體變形時，嵌入芯體可以在一定范圍內自由運動并與基體短暫分離，利用ABAQUS仿真時可通過Surface-to-Surface-Interaction模擬芯體和基體的相互作用。改進型手性周期結構在沖擊作用下的局部變形如圖9所示。

(a)t=0.45ms(b)t=0.6ms(c)t=1.45ms(d)t=1.6ms(e)t=1.75ms(f)t=2.1ms

圖9 沖擊作用下手性周期結構的變形

Fig.9 Deformation of the chiral periodic structure

從圖9可以看出，對于嵌入芯體的新型手性周期結構，因芯體、包覆層及手性周期結構的材料不同，芯體的運動與手性周期結構的變形不完全一致，芯體在手性周期結構基體中作受迫振動。當入射應力波到達覆蓋層上表面時，上表面首先發生壓縮，如圖9(a)所示；隨著應力波的繼續傳遞，下層結構開始發生變形并且產生向下運動的趨勢，當應力波作用過后，手性周期結構在自身彈性作用下迅速恢復變形，但芯體具有慣性效應，會使得整個芯體繼續向下運動，同時受到周圍手性結構的制約，此時芯體與手性周期結構部分接觸面分離，圖9(c)～9(e)所示依次為第一、二、三層芯體與手性周期結構產生分離時的狀態；如圖9(d)所示，當應力波到達覆蓋層的下表面時，下表面發生壓縮，之后應力波發生反射，覆蓋層整體發生回彈。在芯體向下運動過程中，手性周期結構變形逐漸恢復制約芯體的運動趨勢，如圖9(f)所示；當基體回彈至最大位置時，芯體與基體間的接觸面積最小。

3 結 論

本文針對一種改進型手性周期結構覆蓋層分別進行了SHPB試驗及仿真計算，研究了其能量吸收性能、變形特性及芯體運動特性，得到以下結論：

(1) 改進型手性周期結構覆蓋層具有良好的抗沖擊性能，SHPB試驗得到的其能量透射率約為10‰，覆蓋層及嵌入芯體可通過自身變形來吸收沖擊能量；

(2) 可以通過數值仿真來評估不同手性周期結構的抗沖擊性能，因此可通過數值仿真對結構尺寸與材料參數進行優化，進一步得到抗沖擊性能更好的手性周期結構；

(3) 在沖擊作用下，改進型手性周期結構的芯體在自身慣性效應下在結構中作受迫振動并通過自身運動來吸收部分沖擊能量。

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Shock-resistant performance of cover layer on a new chiral periodic structure

REN Xianben1,2, ZHAO Pengduo2, LI Xiaobin1, ZHANG Lei2, LI Ying1,2

(1. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Tests with split Hopkinson pressure bar (SHPB) were conducted for cover layer on a new chiral periodic structure. Through tests and numerical simulation, the cover layer’s shock-resistant performance was studied, its energy absorption performance and deformation features were analyzed. It was shown that the core of the new chiral periodic structure is forced to vibrate in the structure due to its own inertia effect under the action of shock; the cover layer on the new chiral periodic structure has a good shock-resistant performance, the cover layer and the embedded core can absorb the shock energy through their own deformations and movements; the finite element software ABAQUS can be used to simulate SHPB tests and evaluate shock-resistant performances of various chiral periodic structures; structural sizes and material parameters are optimized through numerical simulation to get chiral periodic structures with better shock-resistant performances.

new chiral periodic structure; shock-resistant performance; SHPB

國家自然科學基金(11302259)

2016-01-19 修改稿收到日期：2016-05-23

任憲奔 男，碩士，1991年生

趙鵬鐸 男，博士，工程師，1983年生

TH113

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.021