發布時間：2021-05-14所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:隨著結構防護設計理念的發展，眾多新興的填充多胞元抗沖擊防護結構不斷涌現。國內外的研究表明，填充多胞元抗沖擊防護結構的綜合特性相對傳統結構有較大改善，其結構的整體優化方向也由傳統的線性設計方法衍生出各類非線性及多材料復合設計方法。針對各
摘要:隨著結構防護設計理念的發展，眾多新興的填充多胞元抗沖擊防護結構不斷涌現。國內外的研究表明，填充多胞元抗沖擊防護結構的綜合特性相對傳統結構有較大改善，其結構的整體優化方向也由傳統的線性設計方法衍生出各類非線性及多材料復合設計方法。針對各類填充多胞元結構，從力學性能、破壞模式與防護特性等方面進行論述，歸納各類填充多胞元結構的基礎力學理論計算方法和結構響應特性，并對填充多胞元抗沖擊防護結構的發展予以展望。所做研究可為填充多胞元抗沖擊防護結構的結構形式、優化設計與應用方向等提供參考。
關鍵詞：填充多胞元結構;抗沖擊防護結構;力學特性;吸能特性;防護性能
0引 言
抵御沖擊載荷的防護思想主要包括2個方面[1-2]：一是載荷耗散，即從空間和時間上降低載荷的集中程度，空間上，將點分布集中的沖擊載荷耗散為面分布沖擊載荷，降低載荷的集中程度，時間上，將作用峰值大、作用時間短的強瞬態沖擊載荷耗散為峰值相對較小、作用時間相對較長的沖擊載荷或準靜態載荷;二是能量吸收，即將沖擊載荷的能量轉化為結構的變形能。
憑借良好的結構特性和多樣的組合方法，各類多胞元結構逐漸受到重視。在此基礎上，利用多胞元結構中彈塑性波的傳播特性和壓縮坍塌變形吸能特性，結合梯度功能[3]、負泊松比[4]、多功能材料[5]等新興設計理念，對傳統的板殼防護結構進行區域優化及合理填充，可以得到理想的整體靜、動力學性能的填充多胞元抗沖擊防護結構，并實現結構的輕質化設計。
由于胞元基材和填充物質的多樣化，以及各級胞元布置方法的差異化，各種填充胞元的模量、強度、泊松比、相對密度等力學、物理性能有所區別，各類填充多胞元抗沖擊防護結構在不同速度尺度和邊界條件下的變形及吸能機理不盡相同，其沖擊動力學特性差異較大[6-7]，以此組成的填充多胞元抗沖擊防護結構的防護性能也各不相同，有著很好的可設計性，可以按照不同的沖擊載荷特性和防護需求對胞元結構、填充材料、填充方式等進行合理設計，從而達到理想的防護性能。
本文擬選取3類典型的胞元結構，對其填充類別、靜/動態力學性能、破壞模式、應變率效應以及波的傳播特性等進行綜述，論述爆炸沖擊波、高速破片及其聯合載荷作用下填充多胞元結構的防護性能，總結給出填充多胞元防護結構的幾個發展方向。
1基礎力學性能
由于填充多胞元抗沖擊防護結構大都可以視為諸多單胞元的有機組合，故其基礎力學性能存在著一定的一般性規律。在此基礎上，針對該類結構的諸多理論分析方法得以提出和運用。
1.1宏觀性能
ρ¯在低速和高速沖擊時，相對密度是影響填充多胞元結構密實應變的重要指標[8]。對于宏觀填充多胞元結構，相對密度一般為結構截面積與結構外輪廓截面積的比值。
1.2靜態力學性能
彈性模量、泊松比、剪切模量等是填充多胞元結構強度設計的重要參數。由于填充多胞元結構的復合性，需要使用等效彈性參數這一概念來描述其類似的性能。對于六角形蜂窩單胞元結構，Gibson等[17]提出通過胞元的長度、厚度和內角等來表示二維等效彈性參數。
然而，對于宏觀填充時結構中的每個單胞元來說，其外側胞元壁的伸縮剛度不可忽略。富明慧等[18]針對該問題對Gibson公式進行精確化，提高了理論計算時芯層彈性矩陣的穩定性。朱秀芳等[19]使用修正后的Gibson公式得到了負泊松比單胞元的等效彈性參數。
針對宏觀填充多胞元結構等效參數的研究大多以單胞元理論為基礎，然后在宏觀層面進行歐拉–伯努利梁簡化。Kim等[20]在此基礎上提出了適用于不均勻支撐狀態的蜂窩胞元力學模型，減小了不同計算方向上因胞元壁厚不一致所帶來的誤差。梁森等[21]進一步通過數值模擬，對Gibson等[17]提出的等效彈性參數進行了簡化，結果顯示，胞元的材料剛度直接影響了結構面內剛度，但結構面內等效泊松比則只與填充胞元的規格參數有關;而對于細觀和多重填充多胞元結構，由于填充物的不均勻性，其整體結構等效彈性參數計算較為復雜。Silva等[22]提出了適用于非周期性不均勻填充多胞元結構的結構特性方程，為解決該類問題提供了一大方案。
此外，平臺應力對結構的吸能特性分析來說也尤為重要。填充多胞元結構的本構關系可等效為如圖1所示，其曲線分為3個區域：線彈性區、應力平臺區和密實區。在應力平臺區，結構內各層胞元會相互擠壓變形，隨后，完成壓實、應力急劇上升直至結構破壞。
1.3動態力學性能
1.3.1應變率效應
區別于準靜態載荷，在填充多胞元結構動態力學行為研究中，材料的應變率效應較為突出。結構的應變率效應一般分為2個部分：一是基材本身的應變率效應，即隨著應變率的提高，材料會從韌性破壞變為脆性破壞，從而提升結構的抗沖擊強度[29];二是對于整體結構來說，隨著動載荷下應變率的增加，其平臺應力和能量吸收量會有所提高[30-31]。研究發現[30，32-34]，環境溫度、單胞元結構參數、相對密度、沖擊速度、結構梯度設置等都會對應變率效應產生影響。
1.3.2動強度特性
當結構慣性不能忽略時，填充多胞元結構在高應變率加載下的響應與靜載荷作用下相比差異較大，因此，針對其動強度，特別是固有頻率問題的研究尤為重要。
Lim[40]和Scarpa等[41]分別利用一階變形理論研究板殼結構的固有頻率問題后發現，單胞元的幾何單元參數與結構頻率有著匹配關系，可通過改變單胞元的幾何參數來改善結構的振動特性。但由于類似的低階理論多采用小撓度理論，即垂直于中面的直線在變形中保持不變形[42]，而對于胞元內填充柔性填充物的多胞元結構來說其變形又不可忽略，因此，對于此情況應采用高階理論來進行分析。Reddy[43]基于Rayleigh-Ritz法與Navier法提出了三階剪切變形理論。邸馗等[42]在此基礎上將芯層等效為正交異性層進行分析后認為，固有頻率參數與邊界條件亦有關。朱秀芳等[19]結合Hamilton原理推導出了四邊簡支的負泊松比多胞元夾層板的偏微分運動方程，發現負泊松比蜂窩夾芯板的固有頻率要小于正泊松比蜂窩夾芯板。董寶娟等[44]考慮了蜂窩芯層梯度沿面內方向變化時多胞元夾層板的振動特性，比較了各類梯度填充多胞元結構的振動特性。
綜上可以看出，填充多胞元結構的動強度特性主要與其單胞元構型、梯度設置和邊界條件有關。同時，固有模態、頻率等動強度參數分析也是證明各類填充多胞元結構優良結構特性的一個較好方法。
1.3.3波的傳播與振動特性
衰減入射應力波是填充多胞元結構的一大防護思想。由于多胞元壁面和填充物材質的區別，應力波在每個突變面都會發生反射和透射，并且在在特定的頻段內會因無法傳播而形成阻帶(帶隙)，而通過結構設計對阻帶進行調整可以達到削減應力波、保護結構的目的。
阻帶的形成受胞元材料、構型、排列方式、約束模式等多因素的影響，其機理研究主要可以分為局域共振理論和布拉格散射理論[45]，即分別通過周期結構和散射體對入射應力波進行衰減。贠昊等[46]通過帶隙研究證實了負泊松比結構優良的阻帶特性。孫修展[47]和陳紹婷[48]分別從應力波傳播及阻帶形成機理方面研究了點陣結構和蜂窩結構內應力波的頻散特性，發現胞元規格和相對密度對阻帶的產生具有重要作用。Ruzzene等[49]發現周期性放置在板上的不同形狀的負泊松比型材會引入適當的阻抗失配，可阻止波在指定頻段以及特定方向上的傳播。Liu等[50]討論了面板厚度和材料性能以及芯中夾雜物的填充率對阻帶的影響。孟俊苗[51]則發現結構頻率是隨著邊界條件約束的增強而增高的。
另外，一維應力波理論、波陣面上的質量守恒及動量守恒定律也是研究填充多胞元結構應力波傳播特性的常用方法。Lim等[52]針對波紋夾芯板中應力波的傳播及振動模態進行了理論分析。趙轉等[53]以一維應力波傳播理論為基礎，運用動量守恒定律提出了剛性質量塊撞擊固定泡沫圓桿的理論模型，求得了各界面速度隨時間變化的規律的數值解。
2填充多胞元抗沖擊防護結構
在沖擊防護領域，填充多胞元抗沖擊防護結構一般由外側板殼類壁板以及內部芯層的諸多胞元組成，其胞元種類繁雜且分類方法較多。從固體力學研究的角度出發，填充多胞元抗沖擊防護結構可以分為宏觀填充多胞元結構、細觀填充多胞元結構和多重填充多胞元結構3類。
2.1宏觀填充多胞元結構
對于宏觀填充多胞元結構，其內部胞元的構型及排布較為明顯和直觀。從厘米到米的宏觀尺度上來看，其內部填充芯層一般由以各類金屬、塑料或復合材料為基材的板殼面、桁架、節點等組成(圖3)，代表的結構類型有各類夾層結構、類蜂窩結構及點陣結構。
夾層結構的芯層填充部分主要由板材構成，其整體性質受芯層的材料、形狀、結構參數，以及其與外側面板的聯結方式等因素影響。Dayyani等[54]針對該類夾層結構的力學性質及應用進行了綜述。相對于傳統結構，由于有著天然的空隙分布和定向剛度優勢，夾層結構在特定方向上有著更好的抗壓、抗彎和減振性能。
類蜂窩結構的芯層主要由種類眾多且性質各異的類蜂窩單胞元組成。從局部單胞元看，同材料不同幾何構型，如常規構型[55]、負泊松比構型[16]、手型構型[56]、拉脹構型[57]等結構的性質不一[58]，而同材料同幾何構型的蜂窩單胞元的特性則會受壁厚、角度、比例長度等參數的影響[59]。從整體結構看，胞元的組合方式對多胞元類蜂窩結構的整體性質也有著較大影響，其排列設置以胞元壁厚度、胞元體高度、比例距離等規格參數變化[44，60]或胞元材料屈服強度、基材復合配置等力學性質變化[61]為主。另外，對稱布置概念[6]和梯度復合布置概念[62]在多胞元類蜂窩結構中的運用也較為廣泛。
此外，胞元缺陷或隨機無序填充對整體結構的力學行為也有一定影響。Guo等[63]和Silva等[64]研究發現，蜂窩結構的彈性和屈服特性以及失效模式等與初始缺陷的位置、密度和排列有關。Chen等[65]分析了胞元壁缺陷對屈服強度的量化影響，發現缺陷的增加會降低整體強度。同時，也有研究[66-67]發現，無序填充多胞元結構各向異性變形形態會隨著不規則性的增加而減弱，缺陷分布不均勻性也會隨著缺陷量的增加而弱化，從而提高結構的能量吸收能力。所以，胞元空缺和不均勻排列帶來的性能影響存在著邊界，應根據實際工況分析。
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相比傳統結構，點陣結構在保持剛度和強度的同時還大大減小了質量。從結構特點上來說，點陣夾芯結構芯層中桁架和點的構造是對波紋夾層結構芯層面的簡化，這在該類結構的嵌鎖制備方法(圖4)中有所體現，其胞元輪廓構型特點與蜂窩結構相似，區別在于胞元構型的組合趨于多方向和多維度，組合方式也更為多樣[68]。隨著3D打印等技術的發展，復雜點陣結構的制備更加便捷，相應的模塊點陣優化方法也不斷出現[69]。然而，受制備水平的限制，復雜點陣結構的缺陷變得更突出，有必要予以重視。
2.2細觀填充多胞元結構
在結構內填充各類泡沫、陶瓷、混凝土等物質，即形成細觀填充多胞元結構。從微米到毫米級的細觀尺度上看，這一類填充物由多個胞元組成(圖5)，并可簡化形成相應的多胞有限元模型[71-72]。細觀填充多胞元結構的力學特性主要受填充材料性質的影響，根據防護機理，填充材料可以分為剛性和柔性2類。
剛性填充材料，如金屬泡沫、陶瓷、混凝土等[73-75]的剛度和硬度較大，在受到外部沖擊時可以通過撞擊破碎來減小沖擊物的動能，從而對結構進行保護。Santosa等[74]研究發現，在等質量條件下，結構填充泡沫鋁與增加壁厚相比有著更好的抗沖擊能力。但該類填充材料受沖擊時易與外側壁板產生滑移失效，故填充物的選擇需結合外側壁板綜合予以考慮，并適當加入黏結層進行聯結。陳智勇等[75]提出，當填充陶瓷材料時，纖維材料壁板與填充物間有著較傳統金屬壁板更好的粘結強度。何煌等[76]針對黏結層對結構抗彈性能的影響做了進一步研究。
柔性填充材料為剛度較小的聚氨酯、聚脲彈性體等[77-79]。由于自身良好的韌性和應力擴散性質，通過該類材料優化后的結構能量吸收值和比吸能值得到了有效提高[77]。薛啟超[78]和翟文等[79]分別討論了該類彈性填充物對準靜態載荷作用下外側壁板塑性開裂的約束作用，和沖擊載荷下結構擴孔效應的弱化作用，結果證明，該類填充多胞元結構具有良好的靜、動態力學特性。
2.3多重填充多胞元結構
多重填充多胞元結構(圖6)是指在宏觀填充多胞元結構的基礎上，對其內部空隙適當填入細觀填充多胞元材料的結構，其綜合了兩類結構的特點，整體性質受填充物類別和填充方式的影響較大。
從填充物類別來看，對于剛性材料填充的多重填充多胞元結構，周宏元等[80]和Wadley等[81]分別證實了混凝土填充材料的強化能量吸收能力和陶瓷填充材料的弱化沖塞剪切效應;對于柔性材料填充的多重填充多胞元結構，聚氨酯泡沫、聚脲彈性體、橡膠、粘彈性阻尼材料等物質均展現出了良好的填充優化性能[77，82-83]。此外，復合材料填充的復合填充多胞元結構概念也較為新穎，這一類材料的結構壁板和填充物質一般由多種材料復合而成[27]，使結構的局部防護性能得到了進一步提高。
從填充方法來看，多重填充多胞元結構的填充方法可以分為均勻填充法、不均勻填充法和隨機填充法3種。其中均勻填充法是指對結構的特定面進行均勻劃分后對劃分區域進行選擇性填充[84-85];不均勻填充法一般是對結構的輪廓面進行不規則劃分并進行選擇性填充，其在不規則輪廓結構設計及結構力學響應針對性設計中使用較多[86-87];隨機填充法則是進行經驗性或隨機數式的區域填充設計，這一類方法引入了線性同余等隨機算法，已被證實擁有較好的填充效果[88]。填充方法的選擇與填充材料的性質關系很大[86]，需要根據具體的防護方向進行恰當選擇。——論文作者：趙著杰，侯海量*，李典
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