[实用新型]多层曲面柱胞作为爆炸冲击吸能层的防护结构

说明书

本实用新型公开了多层曲面柱胞作为爆炸冲击吸能层的防护结构，包括结构基层，其特征在于：在结构基层面向冲击波传递方向的正面，设置有吸能防护功能层，所述吸能防护功能层，包括面板和柱胞结构单元，若干个柱胞结构单元设置在面板内面；柱胞结构单元为曲面体。本实用新型的防护结构，同厚度尺寸条件下，多级变形吸能，吸能密度高；多层叠加曲面体结构在同样厚度范围内，具备更多的可变形结构体，在冲击荷载下，通过面板的荷载传递，多层曲面体渐次变形吸收能量，吸能效能比单层结构显著增大，同等厚度下的吸能密度高；结构基层正面含高效吸能柱胞结构，增强抗爆炸冲击性能，显著增强对工程的防护作用；相向球壳的组装可以采用焊接、铆接、粘结、嵌固等方式，易于进行工业化生产。

技术领域

本实用新型涉及工程防护结构，尤其是含高效吸能柱胞结构以增强抗爆炸冲击性能的多层曲面柱胞作为爆炸冲击吸能层的防护结构。

背景技术

防护结构位于工程口部，如防护门等，是防止爆炸冲击波传到工程内部最重要的防护设备。与核爆炸荷载不同，常规爆炸荷载在介质中衰减比核爆炸荷载要快得多（与距离的三次方成正比），且作用时间短，一般作用时间在几毫秒到十几毫秒之间，具有早期加载迅速、高频成分丰富、爆炸波波长短等特点。在《防护工程防核武器结构设计规范》规定，防护结构的反弹按0.03-0.05MPa反向静荷载计算。分析表明，常规武器爆炸冲击波作用下的防护结构反弹力远大于此。提高防护结构防护能力一般是提高结构基层的结构强度与刚度，从而获得对冲击波荷载更高的抗力。但这一方法也增加了结构基层的重量，开启难度加大，同时对反弹作用抑制并不理想。而在传统的高强度结构基层结构中增设能够消耗冲击波能量的吸能层，也是一种有效的加固方法，原理是通过吸能层中吸能材料自身不可逆的塑性变形有效地耗散爆炸冲击能量，从而显著地降低冲击波荷载的峰值，缓解冲击波反弹效应对结构基层的破坏，保护防护结构的结构安全。

柱胞结构吸能功能层由数个柱胞结构单元排列成阵列，并在其表面设置较高强度面板构成。柱胞单元是采用薄壁金属等制作成的空心曲面体，是一种适用于爆炸冲击波等高应变率荷载的低成本、高效率的吸能结构。柱胞结构吸能功能层是由按一定规律排列的柱胞单元组成，并在上下复合一层薄面板。面板材料具有较高的抗弯曲强度和拉伸强度，能够承受由弯矩引起的面内拉压载荷，保证复合材料具有较高的承载强度。柱胞结构单元在冲击荷载作用下，通过显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度，从而达到吸能缓冲的效果。其在爆炸荷载作用下具有大变形承载稳定、变形时间长、压缩量程长等优点，且可通过填充聚氨酯泡沫、泡沫铝等多孔材料显著提高吸能性能。

上述方管、圆管、多胞/蜂窝结构的柱胞单元完全变形吸能值高，但是存在一个变形荷载“阈值”——即对于某一确定的柱胞单元，外加冲击荷载必须达到一定数值之上，该柱胞单元才会发生塑性变形，从而实现对冲击能量的吸收。否则该柱胞单元对外加冲击荷载只能起到承力、传力作用，基本不能发挥吸能作用。但其峰值可能不能达到圆管变形吸能“阈值”，导致圆管并不变形吸能，从而使得整体吸能结构吸能效率不能得到充分发挥，吸能效率显著降低。

将方管和圆管等与空心圆椎体、球壳相组合柱胞单元一般称为几何构型单元。目前研究较多的是金属空心圆柱体+空心锥体+球壳结构相结合的吸能单元。研究表明，在轴向冲击荷载作用下这种组合几何构型的吸能性能要高于所组成的两部分构型各自吸能性能之和，且随着轴向冲击速度增大，组合几何构型的吸能性能也不断提高。

这种结构能够在很大程度上克服柱胞单元变形吸能对冲击荷载“阈值”的局限。但是存在难题在于：一是空间几何形状较复杂，制备工艺复杂，加工困难，成本较高；二是任然存在较大的荷载“阈值”限制：如果是半球壳+圆管组合方式，完全变形状态下吸能值很大，但在实际工程中，由于冲击荷载的特点是作用时间短，初期荷载大而后迅速衰减。因此，当半球壳首先变形吸能后，由于冲击荷载能量的迅速降低，荷载峰值可能不能达到圆管变形吸能“阈值”，导致圆管并不变形吸能，从而使得整体吸能结构吸能效率不能得到充分发挥，吸能效率显著降低。

发明内容