改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)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(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063；2．海軍裝備研究院，北京 100161)

改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)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(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063；2．海軍裝備研究院，北京 100161)

針對(duì)一種改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)覆蓋層進(jìn)行分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)，并通過SHPB試驗(yàn)及數(shù)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(jié)論：在沖擊作用下改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的芯體由于自身慣性效應(yīng)在結(jié)構(gòu)中作受迫振動(dòng)；改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)來吸收沖擊能量；可以利用有限元軟件ABAQUS模擬SHPB試驗(yàn)來評(píng)估不同手性周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，通過數(shù)值仿真可以對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸與材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到抗沖擊性能更好的手性周期結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)；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(huì)使船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(huì)造成大范圍的艦船設(shè)備破壞和人員受傷，嚴(yán)重影響艦船的生命力和戰(zhàn)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(huán)境是提高艦船生命力和保持戰(zhàn)斗力的主要方法。針對(duì)水下非接觸爆炸沖擊波及氣泡脈動(dòng)毀傷，在艦艇外板敷設(shè)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(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)具有更高的抗剪強(qiáng)度。章振華等[2]研究了圓孔結(jié)構(gòu)、手性結(jié)構(gòu)與反蜂窩結(jié)構(gòu)三種覆蓋層模型，進(jìn)行了沖擊響應(yīng)分析，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。姚熊亮等[3]對(duì)敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層的板架結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，并對(duì)聲學(xué)覆蓋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。Liu等[4]利用Bloch理論對(duì)嵌有芯體的手性結(jié)構(gòu)的帶隙進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：改進(jìn)型的手性結(jié)構(gòu)的帶隙低于相同條件下未改進(jìn)的手性結(jié)構(gòu)。

本文在傳統(tǒng)手性周期結(jié)構(gòu)覆蓋層的圓柱空腔中嵌入芯體，得到一種改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過廣義SHPB技術(shù)[5]對(duì)改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并借助ABAQUS對(duì)其抗沖擊機(jī)理進(jìn)行數(shù)值研究，揭示了改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制與能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。

圖1 改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的示意圖

1 改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的基體為120 mm×50 mm×50 mm的橡膠空腔結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的試樣如圖2所示。

圖2 手性周期結(jié)構(gòu)的試樣

由于開展水下爆炸作用下手性周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能的試驗(yàn)研究難度較大，本文采用國防科技大學(xué)輕氣炮實(shí)驗(yàn)室分離式Hopkinson壓拉通用實(shí)驗(yàn)裝置(SHPB)對(duì)改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)。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)以及試樣中應(yīng)力和應(yīng)變沿軸向的均勻性假設(shè)，可導(dǎo)出試樣中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。由于手性周期結(jié)構(gòu)試樣的尺寸較大，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)前后透射桿上的能量可以得到手性周期結(jié)構(gòu)的能量透射系數(shù)，通過分析能量透射系數(shù)可以衡量手性周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

試驗(yàn)選擇φ38 mm的鋁制入射桿及透射桿，鋼制子彈φ38 mm，長(zhǎng)200 mm。試驗(yàn)中手性周期結(jié)構(gòu)試樣的位置如圖3所示，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×10 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。為有效增加入射應(yīng)力脈沖的上升時(shí)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(yàn)結(jié)果

圖4所示為典型工況下測(cè)得的入射桿及透射桿上的波形圖，可以看出有別于傳統(tǒng)力學(xué)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(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來獲得其能量，或采用對(duì)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]。此外，試驗(yàn)中入射桿對(duì)手性周期結(jié)構(gòu)存在多次加載，導(dǎo)致后期透射波形趨于復(fù)雜，因此，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)不考慮反復(fù)加載的影響，只計(jì)算第一個(gè)完整的入射波和相應(yīng)的透射波對(duì)應(yīng)的能量。

根據(jù)桿件應(yīng)變能的計(jì)算公式υε=σε/2=Eε2/2，其中，入射桿中的應(yīng)變能記為Ei，透射桿中的應(yīng)變能記為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，手性周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊效果越差。各試件能量透射系數(shù)，如表1所示。

表1 各試件能量透射系數(shù)

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(shù)的平均值為10.06‰。

2 改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

2.1 改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

利用有限元軟件ABAQUS建立改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，如圖5所示。手性周期結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向?yàn)閄向，高度方向?yàn)閅向，厚度方向?yàn)閆向。入射桿和透射桿的長(zhǎng)度均為2 m，軸向?yàn)閅向。計(jì)算模型中單元類型均為C3D8R，模型共966 488個(gè)單元，其中手性周期結(jié)構(gòu)的單元數(shù)量為556 910個(gè)。為避免反射波干擾，仿真計(jì)算時(shí)所選測(cè)點(diǎn)分別位于入射桿和透射桿中間。

圖5 手性周期結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

在理想一維應(yīng)力條件下，入射波形應(yīng)為矩形波，但是由于入射桿的橫向慣性效應(yīng)引起的彌散振蕩，其應(yīng)力波形會(huì)發(fā)生明顯改變。由于壓桿在試驗(yàn)過程中必須始終處于彈性狀態(tài)，所以可以推斷壓桿中的應(yīng)力波傳播始終保持動(dòng)量守恒。在數(shù)值模擬中，可以將試驗(yàn)測(cè)得的波形信號(hào)換算成理想一維應(yīng)力條件下的矩形信號(hào)，對(duì)入射桿進(jìn)行加載[6]。按照這種思路，可以得到相應(yīng)的矩形波應(yīng)力的幅值

(1)

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的入射波形，不考慮反復(fù)加載的影響，只計(jì)算第1個(gè)完整的入射波對(duì)應(yīng)的矩形應(yīng)力波幅值。表2為計(jì)算得到的各試件的矩形應(yīng)力波幅值。在數(shù)值仿真計(jì)算中加載應(yīng)力取矩形入射應(yīng)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(yīng)力

2.2 計(jì)算結(jié)果

SHPB試驗(yàn)的仿真計(jì)算得到的第一個(gè)完整的入射波如圖6所示，由于仿真計(jì)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(yàn)波形差別較大。圖7為仿真計(jì)算及試驗(yàn)得到的第一個(gè)完整的透射波經(jīng)濾波處理后的結(jié)果。由于仿真計(jì)算時(shí)矩形入射應(yīng)力波幅值相對(duì)偏大，因此計(jì)算所得到的透射應(yīng)力波脈寬及峰值與試驗(yàn)測(cè)得的透射應(yīng)力相比都偏大。

圖6 仿真計(jì)算得到的入射應(yīng)力波

圖7 仿真計(jì)算和試驗(yàn)得到的透射應(yīng)力波

圖8所示為數(shù)值仿真得到的入射桿、透射桿、改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的總能量曲線。從圖8可以看出，系統(tǒng)的總能量約為55 J；任意時(shí)刻入射桿和手性周期結(jié)構(gòu)中的能量之和約等于總能量的值，遠(yuǎn)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(huì)多次震蕩；改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)有良好的能量吸收效果，可吸收大部分沖擊能量。在第一個(gè)完整的透射波信號(hào)范圍內(nèi)，透射桿上的能量約為0.9 J，計(jì)算得到改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)為16.36‰。

圖8 能量曲線

2.3 變形特性

在改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)中芯體通過嵌入的方式分布在基體中，當(dāng)基體變形時(shí)，嵌入芯體可以在一定范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)并與基體短暫分離，利用ABAQUS仿真時(shí)可通過Surface-to-Surface-Interaction模擬芯體和基體的相互作用。改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的變形

Fig.9 Deformation of the chiral periodic structure

從圖9可以看出，對(duì)于嵌入芯體的新型手性周期結(jié)構(gòu)，因芯體、包覆層及手性周期結(jié)構(gòu)的材料不同，芯體的運(yùn)動(dòng)與手性周期結(jié)構(gòu)的變形不完全一致，芯體在手性周期結(jié)構(gòu)基體中作受迫振動(dòng)。當(dāng)入射應(yīng)力波到達(dá)覆蓋層上表面時(shí)，上表面首先發(fā)生壓縮，如圖9(a)所示；隨著應(yīng)力波的繼續(xù)傳遞，下層結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變形并且產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)應(yīng)力波作用過后，手性周期結(jié)構(gòu)在自身彈性作用下迅速恢復(fù)變形，但芯體具有慣性效應(yīng)，會(huì)使得整個(gè)芯體繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到周圍手性結(jié)構(gòu)的制約，此時(shí)芯體與手性周期結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生分離時(shí)的狀態(tài)；如圖9(d)所示，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)覆蓋層的下表面時(shí)，下表面發(fā)生壓縮，之后應(yīng)力波發(fā)生反射，覆蓋層整體發(fā)生回彈。在芯體向下運(yùn)動(dòng)過程中，手性周期結(jié)構(gòu)變形逐漸恢復(fù)制約芯體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，如圖9(f)所示；當(dāng)基體回彈至最大位置時(shí)，芯體與基體間的接觸面積最小。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)一種改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)覆蓋層分別進(jìn)行了SHPB試驗(yàn)及仿真計(jì)算，研究了其能量吸收性能、變形特性及芯體運(yùn)動(dòng)特性，得到以下結(jié)論：

(1) 改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)覆蓋層具有良好的抗沖擊性能，SHPB試驗(yàn)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(shù)值仿真來評(píng)估不同手性周期結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，因此可通過數(shù)值仿真對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸與材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步得到抗沖擊性能更好的手性周期結(jié)構(gòu)；

(3) 在沖擊作用下，改進(jìn)型手性周期結(jié)構(gòu)的芯體在自身慣性效應(yīng)下在結(jié)構(gòu)中作受迫振動(dòng)并通過自身運(yùn)動(dòng)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(xué)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