一种新型手性周期结构覆盖层抗冲击性能研究

任宪奔，赵鹏铎，李晓彬，张　磊，李　营

（1.海军装备研究院，北京 100161；　2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063）



一种新型手性周期结构覆盖层抗冲击性能研究

任宪奔1，2，赵鹏铎1，李晓彬2，张磊1，李营1，2

（1.海军装备研究院，北京 100161；2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063）

通过在传统手性周期结构中的空心圆柱内添加芯体，得到一种新型手性周期结构形式。采用SHPB试验研究其抗冲击性能，得到以下结论：广义SHPB试验技术能够评估不同手性周期结构的抗冲击性能；在不同工况相同的初始条件下，覆盖层的透射系数有较大差别；新型手性周期结构抗冲击性能相较传统结构并没有提高，需要进一步进行优化设计。

振动与波；冲击动力学；手性周期结构；SHPB；抗冲击性能

根据舰船遭受水下爆炸时爆源距离船体的距离可将水下爆炸分为水下接触爆炸和非接触爆炸。水下接触爆炸通常造成船体的局部破坏，例如船壳的凹陷甚至孔洞的产生，严重时大量进水而沉没。水下非接触爆炸时冲击波压力通过水介质作用在船体湿表面上，往往引起船体的鞭状效应以及舰上设备的大量损坏。针对水下远场爆炸冲击波及气泡脉动毁伤，在舰艇舷侧水线以下外板敷设弹性覆盖层是一种有效的提高其生命力的方法。

手性周期结构覆盖层是弹性覆盖层的一种形式，如图1所示。因其具有特殊的力学性能得到了抗冲击领域越来越多研究者的关注。2004年Paulac［1］等人的研究结果表明相对于传统的中心对称蜂窝结构，在相同的相对密度情况下手性结构具有更高的抗剪刚度。2012年章振华［2］等对手性结构覆盖层模型进行了冲击响应分析，并对其进行优化设计改善了其抗冲击性能。此外，手性周期结构在振动与噪声控制方面同样表现出优良的性能，2006年Spadoni［3］对一种具有手性结构的梁的声学特性进行了初步的研究，2013年陈斌等［4］借助仿真并使用Bloch理论对三韧带手性胞元的能带特性进行分析，验证了手性周期结构带隙对于振动衰减的有效性。

针对船体湿表面覆盖层抗水下爆炸冲击与隔离机械噪声的要求，提出一种新型手性周期结构形式，如图2所示。

图2　新型手性周期结构模型示意图

新型手性周期结构是在原有结构中的空心圆柱中添加了芯体，即包覆层和软金属，并通过霍普金森压杆试验技术对其抗冲击性能进行研究，新型手性周期结构在舰船水下爆炸抗冲击与设备隔振减噪领域具有一定应用价值。

2　试验研究

2.1试验思路

开展手性周期结构水下爆炸抗冲击性能试验研究成本较高、难度较大，文中借助广义霍普金森压杆（SHPB）试验技术开展改进前后的手性周期结构抗冲击性能研究。分离式霍普金森杆实验技术是研究中高应变率下材料力学性能的最主要、最可靠的实验方法，是爆炸与冲击动力学实验技术的重要组成部分。传统分离式普金森杆压杆装置原理如图3所示。

图3　SHPB试验原理图

SHPB试验利用发射系统控制高压气体推动子弹加速撞击入射杆，在入射杆中形成向右传播的压缩加载波，利用贴于杆表面的应变片记录入射信号、反射信号和透射信号。根据测得的三个波形，基于杆中一维应力波假设和试样中应力、应变沿轴向均匀性假设，可导出试样中的应力应变关系。SHPB试验中传统试样的尺寸一般小于杆径，由于手性周期结构覆盖层结构不同于SHPB传统力学材料性能试样，其尺寸较大，因此难以达到应力平衡，但通过入射杆与透射杆上的应变片可以记录杆中能量的大小及变化过程，对比改进手性周期结构前后透射杆上的能量可以衡量手性周期结构的抗冲击性能。

SHPB试验属高速动态加载问题，传统意义上，入射杆需要足够长来满足保证初始入射波形的完整性，但在本文的研究中入射杆仅起到动态加载的作用，对其长度并没有严格要求。入射杆与透射杆杆径ϕ均为38 mm，子弹直径ϕ为38 mm，初始速度为2 m/s，手性周期结构尺寸如表1所示。

表1　手性周期结构模型参数

2.2试验设计

制作改进前后的手性周期结构试样，试样如图4所示。

图4　手性周期结构试样

其中嵌入金属为钢，半径为1 mm。试验选择直径ϕ为38 mm的铝制入射杆及透射杆，长度分别为2 000 mm及1 500 mm，钢制子弹直径ϕ为38 mm，长为200 mm，注气压力均为0.200 MPa。实际试验中手性周期结构试样的定位图如图5所示。

图5　SHPB试验装置定位图

为便于均匀加载，在手性周期结构两侧各粘贴一块130 mm×60 mm×60 mm的均质铝板夹具，铝板通过502胶与入射杆及透射杆连接，如图6所示。

图6　试样定位图

为有效增加入射应力脉冲的上升时间，采用4 mm×4 mm×1 mm软橡皮整形器过滤加载波中由于直接碰撞引起的高频分量，并借助高速摄影对手性周期结构的响应进行实时记录。试验中主要用到的硬件设备主要包括KD 6009应变放大器、DPO 4104示波器、Photorn-SA1.1高速摄影系统、高压钠灯光源、计算机存储系统等。试验分3阶段进行，第1阶段对测试系统进行全反、全透标定，第2阶段采用入射/透射（500 mV/200 mV）量程进行试验，对应1#-5#工况，第3阶段根据前1阶段透射信号弱的问题调节量程，采用入射/透射（500 mV/50 mV）量程进行试验，对应6#-11#工况，并采用高速摄影捕捉手性周期结构动态响应过程，试验工况如表2所示。

3　试验结果

3.1试验原始数据

对试验测试系统进行标定，全反状态下，入射杆受子弹撞击后产生入射压缩脉冲，到达入射杆另一端后产生反射拉伸脉冲，此过程依次循环；全透状态下，入射压缩脉冲大部分能量传递至透射杆中继续传递，只有很小部分反射拉伸脉冲传递回入射杆中。图7为不同量程下典型工况原始数据，从图7（a）可以看出，当透射杆中应变片对应的通道量程为200 mV时，透射信号相对入射信号较弱，基本位于零线附近，对信号处理引起的误差较大；从图7（b）可以看出，当透射杆中应变片对应的通道量程为50 mV时，透射信号相对零线有很大的偏移，即零漂现象。另外，量程为50 mV时，透射信号相对于200 mV时有了很大改善，可以有效减小数据处理中产生的误差。

图7　典型原始数据

3.2试验数据处理

图8所示为经数据处理后的典型工况的入射杆及透射杆上的波形图，透射波的脉宽及峰值与入射波有较大差距，推测是由于试样厚度较大，入射波在试样中多次反射衰减后传递到透射杆的结果。

为获得经过试样的能量透射率，可采用高速摄影记录各杆速度的方式获得其能量，或采用应变片记录的应力波进行积分得到其能量，由这两种方法得到的结果基本一致［7］。试验数据处理时同样不考虑反复加载的影响，只计算第一个完整的入射波和对应的透射波对应的能量。图9（a）、图9（b）是2#及5#工况下采集到的入射信号及透射信号。从图9（a）可以看出，5#工况对应的入射信号峰值高于2#工况，作用脉宽基本相同，说明5#工况对应的入射能量水平比2#工况高。从图9（b）可以看出，5#工况对应的透射信号平均水平略低于2#工况，即5#工况对应的透射能量小于2#工况。综合图9（a）、（b）可以看出，5#工况入射能量大、透射能量小，说明5#工况对应的结构隔离吸收能量的效果好，即传统手性周期结构表现出较好的抗冲击性能。

为定量研究其抗冲击性能，根据杆件应变能的计算公式υε=σε/2=Eε2/2，可知杆中应变能与应变ε2成正比，以ε2为纵坐标，时间t为横坐标，对ε2随时间t变化曲线进行积分，即其中，入射杆中的ε2积分后记为Ei，透射杆中的ε2积分后记为Et，经试样传递到透射杆上的能量透射系数为n=Et/Ei，显然，n越大，透射过去的能量越多，周期结构的抗冲击效果越差，反之亦然，各工况能量透射系数如表3所示。

表2　试验工况

图8　试验典型波形图

通过表3可以得出，虽然所有工况注气压力相同，但每次入射能量Ei均有差异，传统试样的能量透射系数均值为7.37‰，新型试样的能量透射系数为10.12‰，即经过传统试样传递到透射杆中的初始能量少于新型试样。

由于试样制备比较复杂，仅制备一种尺寸的试样进行试验，通过试验研究得到基于以上尺寸的新型手性周期结构抗冲击性能相较传统结构并没有提高。但是，尺寸及材料对其性能的影响是至关重要的，通过合理设计新型手性周期结构的参数，可以提高其性能，尤其在声学方面具有广泛的应用价值。

4　结语

通过SHPB试验研究了传统手性周期结构和新型手性周期结构的抗冲击性能，并做了对比，研究表明：

（1）采用广义SHPB试验技术能够评估不同手性周期结构的抗冲击性能。

（2）由于试件的结构和变形较为复杂，试验时试件受力情况较为复杂，相同的注气压力下，覆盖层的透射系数有较大差别。

（3）相对于传统手性周期结构，新型手性周期结构抗冲击性能并没有提高，但尺寸及材料对其性

图9　试验典型入射信号及透射信号

表3　各工况能量透射数

能的影响至关重要，可以对新型手性周期结构的参数进行优化，以提高其抗冲击性能。

［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］章振华，谌勇，华宏星，等.抗冲瓦的结构研究及创新设计［J］.噪声与振动控制，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］陈斌，徐时吟.三韧带手形结构的振动带隙特性［J］.噪声与振动控制，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］赵凯，沈建虎，刘凯欣，等.圆环列系统吸能特性研究［J］.北京大学学报（自然科学版），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编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.009

1006-1355（2016）04-0044-04+62

2016-01-29

国家自然科学基金资助项目（11302259）

任宪奔（1991-），山东省菏泽市人，硕士研究生，主要研究方向为舰船抗爆与抗冲击分析。E-mail:renxb0012@163.com

赵鹏铎（1983-），工程师，博士。E-mail:zhaopengduo@163.com