一種新型手性周期結(jié)構(gòu)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(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063）

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一種新型手性周期結(jié)構(gòu)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(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063）

通過在傳統(tǒng)手性周期結(jié)構(gòu)中的空心圓柱內(nèi)添加芯體，得到一種新型手性周期結(jié)構(gòu)形式。采用SHPB試驗(yàn)研究其抗沖擊性能，得到以下結(jié)論：廣義SHPB試驗(yàn)技術(shù)能夠評(píng)估不同手性周期結(jié)構(gòu)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(shù)有較大差別；新型手性周期結(jié)構(gòu)抗沖擊性能相較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)并沒有提高，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

振動(dòng)與波；沖擊動(dòng)力學(xué)；手性周期結(jié)構(gòu)；SHPB；抗沖擊性能

根據(jù)艦船遭受水下爆炸時(shí)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(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)大量進(jìn)水而沉沒。水下非接觸爆炸時(shí)沖擊波壓力通過水介質(zhì)作用在船體濕表面上，往往引起船體的鞭狀效應(yīng)以及艦上設(shè)備的大量損壞。針對(duì)水下遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸沖擊波及氣泡脈動(dòng)毀傷，在艦艇舷側(cè)水線以下外板敷設(shè)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(jié)構(gòu)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(xué)性能得到了抗沖擊領(lǐng)域越來越多研究者的關(guān)注。2004年P(guān)aulac［1］等人的研究結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)的中心對(duì)稱蜂窩結(jié)構(gòu)，在相同的相對(duì)密度情況下手性結(jié)構(gòu)具有更高的抗剪剛度。2012年章振華［2］等對(duì)手性結(jié)構(gòu)覆蓋層模型進(jìn)行了沖擊響應(yīng)分析，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了其抗沖擊性能。此外，手性周期結(jié)構(gòu)在振動(dòng)與噪聲控制方面同樣表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，2006年Spadoni［3］對(duì)一種具有手性結(jié)構(gòu)的梁的聲學(xué)特性進(jìn)行了初步的研究，2013年陳斌等［4］借助仿真并使用Bloch理論對(duì)三韌帶手性胞元的能帶特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了手性周期結(jié)構(gòu)帶隙對(duì)于振動(dòng)衰減的有效性。

針對(duì)船體濕表面覆蓋層抗水下爆炸沖擊與隔離機(jī)械噪聲的要求，提出一種新型手性周期結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

圖2　新型手性周期結(jié)構(gòu)模型示意圖

新型手性周期結(jié)構(gòu)是在原有結(jié)構(gòu)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(yàn)技術(shù)對(duì)其抗沖擊性能進(jìn)行研究，新型手性周期結(jié)構(gòu)在艦船水下爆炸抗沖擊與設(shè)備隔振減噪領(lǐng)域具有一定應(yīng)用價(jià)值。

2　試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)思路

開展手性周期結(jié)構(gòu)水下爆炸抗沖擊性能試驗(yàn)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(yàn)技術(shù)開展改進(jìn)前后的手性周期結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究。分離式霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)是研究中高應(yīng)變率下材料力學(xué)性能的最主要、最可靠的實(shí)驗(yàn)方法，是爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的重要組成部分。傳統(tǒng)分離式普金森桿壓桿裝置原理如圖3所示。

圖3　SHPB試驗(yàn)原理圖

SHPB試驗(yàn)利用發(fā)射系統(tǒng)控制高壓氣體推動(dòng)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(yīng)變片記錄入射信號(hào)、反射信號(hào)和透射信號(hào)。根據(jù)測(cè)得的三個(gè)波形，基于桿中一維應(yīng)力波假設(shè)和試樣中應(yīng)力、應(yīng)變沿軸向均勻性假設(shè)，可導(dǎo)出試樣中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。SHPB試驗(yàn)中傳統(tǒng)試樣的尺寸一般小于桿徑，由于手性周期結(jié)構(gòu)覆蓋層結(jié)構(gòu)不同于SHPB傳統(tǒng)力學(xué)材料性能試樣，其尺寸較大，因此難以達(dá)到應(yīng)力平衡，但通過入射桿與透射桿上的應(yīng)變片可以記錄桿中能量的大小及變化過程，對(duì)比改進(jìn)手性周期結(jié)構(gòu)前后透射桿上的能量可以衡量手性周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

SHPB試驗(yàn)屬高速動(dòng)態(tài)加載問題，傳統(tǒng)意義上，入射桿需要足夠長(zhǎng)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(dòng)態(tài)加載的作用，對(duì)其長(zhǎng)度并沒有嚴(yán)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(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1　手性周期結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制作改進(jìn)前后的手性周期結(jié)構(gòu)試樣，試樣如圖4所示。

圖4　手性周期結(jié)構(gòu)試樣

其中嵌入金屬為鋼，半徑為1 mm。試驗(yàn)選擇直徑?為38 mm的鋁制入射桿及透射桿，長(zhǎng)度分別為2 000 mm及1 500 mm，鋼制子彈直徑?為38 mm，長(zhǎng)為200 mm，注氣壓力均為0.200 MPa。實(shí)際試驗(yàn)中手性周期結(jié)構(gòu)試樣的定位圖如圖5所示。

圖5　SHPB試驗(yàn)裝置定位圖

為便于均勻加載，在手性周期結(jié)構(gòu)兩側(cè)各粘貼一塊130 mm×60 mm×60 mm的均質(zhì)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(yīng)力脈沖的上升時(shí)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(duì)手性周期結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。試驗(yàn)中主要用到的硬件設(shè)備主要包括KD 6009應(yīng)變放大器、DPO 4104示波器、Photorn-SA1.1高速攝影系統(tǒng)、高壓鈉燈光源、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)等。試驗(yàn)分3階段進(jìn)行，第1階段對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行全反、全透標(biāo)定，第2階段采用入射/透射（500 mV/200 mV）量程進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)1#-5#工況，第3階段根據(jù)前1階段透射信號(hào)弱的問題調(diào)節(jié)量程，采用入射/透射（500 mV/50 mV）量程進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)6#-11#工況，并采用高速攝影捕捉手性周期結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，試驗(yàn)工況如表2所示。

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

對(duì)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，全反狀態(tài)下，入射桿受子彈撞擊后產(chǎn)生入射壓縮脈沖，到達(dá)入射桿另一端后產(chǎn)生反射拉伸脈沖，此過程依次循環(huán)；全透狀態(tài)下，入射壓縮脈沖大部分能量傳遞至透射桿中繼續(xù)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(shù)據(jù)，從圖7（a）可以看出，當(dāng)透射桿中應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的通道量程為200 mV時(shí)，透射信號(hào)相對(duì)入射信號(hào)較弱，基本位于零線附近，對(duì)信號(hào)處理引起的誤差較大；從圖7（b）可以看出，當(dāng)透射桿中應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的通道量程為50 mV時(shí)，透射信號(hào)相對(duì)零線有很大的偏移，即零漂現(xiàn)象。另外，量程為50 mV時(shí)，透射信號(hào)相對(duì)于200 mV時(shí)有了很大改善，可以有效減小數(shù)據(jù)處理中產(chǎn)生的誤差。

圖7　典型原始數(shù)據(jù)

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖8所示為經(jīng)數(shù)據(jù)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(cè)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(jié)果。

為獲得經(jīng)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(yīng)變片記錄的應(yīng)力波進(jìn)行積分得到其能量，由這兩種方法得到的結(jié)果基本一致［7］。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)同樣不考慮反復(fù)加載的影響，只計(jì)算第一個(gè)完整的入射波和對(duì)應(yīng)的透射波對(duì)應(yīng)的能量。圖9（a）、圖9（b）是2#及5#工況下采集到的入射信號(hào)及透射信號(hào)。從圖9（a）可以看出，5#工況對(duì)應(yīng)的入射信號(hào)峰值高于2#工況，作用脈寬基本相同，說明5#工況對(duì)應(yīng)的入射能量水平比2#工況高。從圖9（b）可以看出，5#工況對(duì)應(yīng)的透射信號(hào)平均水平略低于2#工況，即5#工況對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)隔離吸收能量的效果好，即傳統(tǒng)手性周期結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的抗沖擊性能。

為定量研究其抗沖擊性能，根據(jù)桿件應(yīng)變能的計(jì)算公式υε=σε/2=Eε2/2，可知桿中應(yīng)變能與應(yīng)變?chǔ)?成正比，以ε2為縱坐標(biāo)，時(shí)間t為橫坐標(biāo)，對(duì)ε2隨時(shí)間t變化曲線進(jìn)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(jīng)試樣傳遞到透射桿上的能量透射系數(shù)為n=Et/Ei，顯然，n越大，透射過去的能量越多，周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊效果越差，反之亦然，各工況能量透射系數(shù)如表3所示。

表2　試驗(yàn)工況

圖8　試驗(yàn)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(tǒng)試樣的能量透射系數(shù)均值為7.37‰，新型試樣的能量透射系數(shù)為10.12‰，即經(jīng)過傳統(tǒng)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(fù)雜，僅制備一種尺寸的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究得到基于以上尺寸的新型手性周期結(jié)構(gòu)抗沖擊性能相較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)并沒有提高。但是，尺寸及材料對(duì)其性能的影響是至關(guān)重要的，通過合理設(shè)計(jì)新型手性周期結(jié)構(gòu)的參數(shù)，可以提高其性能，尤其在聲學(xué)方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

4　結(jié)語

通過SHPB試驗(yàn)研究了傳統(tǒng)手性周期結(jié)構(gòu)和新型手性周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，并做了對(duì)比，研究表明：

（1）采用廣義SHPB試驗(yàn)技術(shù)能夠評(píng)估不同手性周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

（2）由于試件的結(jié)構(gòu)和變形較為復(fù)雜，試驗(yàn)時(shí)試件受力情況較為復(fù)雜，相同的注氣壓力下，覆蓋層的透射系數(shù)有較大差別。

（3）相對(duì)于傳統(tǒng)手性周期結(jié)構(gòu)，新型手性周期結(jié)構(gòu)抗沖擊性能并沒有提高，但尺寸及材料對(duì)其性

圖9　試驗(yàn)典型入射信號(hào)及透射信號(hào)

表3　各工況能量透射數(shù)

能的影響至關(guān)重要，可以對(duì)新型手性周期結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)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(jié)構(gòu)研究及創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.噪聲與振動(dòng)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(shí)吟.三韌帶手形結(jié)構(gòu)的振動(dòng)帶隙特性［J］.噪聲與振動(dòng)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(huán)列系統(tǒng)吸能特性研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(xué)基金資助項(xiàng)目（11302259）

任憲奔（1991-），山東省菏澤市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕灤贡c抗沖擊分析。E-mail:renxb0012@163.com

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