Research progress on dynamic characteristics and protective performance of multicellular filled impact resistant protective structure

College of Naval Architecture and Ocean Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China

Abstract: With the development of structural protection design concepts, numerous multicellular filled impact resistant protection structures have gradually emerged. As many studies at home and abroad show, great progress has been made in the strength and vibration characteristics of multicellular filled impact resistant protective structures compared with traditional structures. Meanwhile, the overall optimization direction of such structures has also progressed from traditional linear studies to various nonlinear and multi-material design methods. In this paper, the exposition of various multicellular filled impact resistant protective structures is carried out in terms of mechanical properties, failure modes and protection characteristics. By generalizing the theoretical calculation methods and response characteristics of various multicellular filled impact resistant protective structures, this paper puts forward the development prospects of such structures for use as references in the study of structural forms, optimal design and application directions. Key words: multicellular filled structure； impact resistant protective structure； mechanical characteristics； energy absorption characteristics；protection performance

0 引 言

抵御冲击载荷的防护思想主要包括2 个方面[1-2]：一是载荷耗散，即从空间和时间上降低载荷的集中程度，空间上，将点分布集中的冲击载荷

耗散为面分布冲击载荷，降低载荷的集中程度，时间上，将作用峰值大、作用时间短的强瞬态冲击载荷耗散为峰值相对较小、作用时间相对较长的冲击载荷或准静态载荷；二是能量吸收，即将冲击载荷的能量转化为结构的变形能。

收稿日期: 2020–08–01 修回日期: 2020–10–21 网络首发时间: 2021–05–08 17:03基金项目:国家自然科学基金资助项目（51979277）作者简介:赵著杰，男，1997 年生，硕士生。研究方向：舰船防护结构研究。E-mail：zhaozhujie@163.com侯海量，男，1977 年生，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：舰船抗爆抗冲击。E-mail：hou9611104@163.com李典，男，1990 年生，博士，讲师。研究方向：舰船抗爆抗冲击。E-mail：lidian916@163.com *通信作者:侯海量

凭借良好的结构特性和多样的组合方法，各类多胞元结构逐渐受到重视。在此基础上，利用多胞元结构中弹塑性波的传播特性和压缩坍塌变形吸能特性，结合梯度功能[3]、负泊松比[4]、多功能材料[5] 等新兴设计理念，对传统的板壳防护结构进行区域优化及合理填充，可以得到理想的整体静、动力学性能的填充多胞元抗冲击防护结构，并实现结构的轻质化设计。由于胞元基材和填充物质的多样化，以及各级胞元布置方法的差异化，各种填充胞元的模量、强度、泊松比、相对密度等力学、物理性能有所区别，各类填充多胞元抗冲击防护结构在不同速度尺度和边界条件下的变形及吸能机理不尽相同，其冲击动力学特性差异较大[6-7]，以此组成的填充多胞元抗冲击防护结构的防护性能也各不相同，有着很好的可设计性，可以按照不同的冲击载荷特性和防护需求对胞元结构、填充材料、填充方式等进行合理设计，从而达到理想的防护性能。本文拟选取3类典型的胞元结构，对其填充类别、静/动态力学性能、破坏模式、应变率效应以及波的传播特性等进行综述，论述爆炸冲击波、高速破片及其联合载荷作用下填充多胞元结构的防护性能，总结给出填充多胞元防护结构的几个发展方向。由于填充多胞元抗冲击防护结构大都可以视为诸多单胞元的有机组合，故其基础力学性能存在着一定的一般性规律。在此基础上，针对该类结构的诸多理论分析方法得以提出和运用。

1.1宏观性能

在低速和高速冲击时，相对密度是影响填充多胞元结构密实应变的重要指标[8]。对于宏观填充多胞元结构，相对密度一般为结构截面积与结构外轮廓截面积的比值。Gibson 等[9] 对宏观填充多胞元结构的相对密度¯定义如下：

∑N li ti

⋆ (1) ¯ = s = L1 L2 i=1式中：ρ*为多孔材料的密度；ρs为制造其固体材料的密度；li，ti 分别为相应胞元壁的长度和厚度；L1， L2分别为结构整体的宽度和高度。当结构由不同类的宏观填充多胞元结构复合而成时，可以参考张新春等[10] 提出的三角形和六角形多部分填充复合结构材料相对密度ΔρC 的计算方法： ∆ C = nT∆ T + nH∆ H (2)

式中：ΔρT，ΔρH 分别为三角形和六角形填充多胞元结构的相对密度；nT，nH分别为三角形和六角形填充多胞元结构填充层的面积比。对于多重填充多胞元结构，填充物和胞元壁的种类不一，其相对密度一般根据实际填充方法进行计算。对于胞元壁复合填充结构，可取胞元的微小段并参照等效密度计算方法[11] 进行计算；对于胞元芯层复合填充结构或细观多胞元填充结构，则一般不考虑整体相对密度，只考虑细观填充物密度的影响。单胞元和整体结构的负泊松比效应也是填充多胞元结构力学性能的一个研究要点。负泊松比材料早在19世纪便被提出[12]，该材料在受拉伸和压缩时会分别发生横向膨胀与回缩。Lakes[13]提出将负泊松比材料宏观化为负泊松比效应的设计方法，通过类似的概念，可以设计出具有负泊松比效应的单胞元结构，或对多胞元结构进行负泊松比优化。众多的研究表明[4， 14-15] ，负泊松比效应带来的较好应力扩散使结构的力学性能有了大幅提高。此外，秦浩星等[16] 还提出了功能基元拓扑优化法，该方法将单胞元与整体结构泊松比进行双向关联，为填充多胞元结构的负泊松比设计提供了新的思路。

1.2静态力学性能

弹性模量、泊松比、剪切模量等是填充多胞元结构强度设计的重要参数。由于填充多胞元结构的复合性，需要使用等效弹性参数这一概念来描述其类似的性能。对于六角形蜂窝单胞元结构，Gibson 等[17] 提出通过胞元的长度、厚度和内角等来表示二维等效弹性参数。然而，对于宏观填充时结构中的每个单胞元来说，其外侧胞元壁的伸缩刚度不可忽略。富明慧等[18] 针对该问题对 Gibson 公式进行精确化，提高了理论计算时芯层弹性矩阵的稳定性。朱秀芳等[19] 使用修正后的 Gibson 公式得到了负泊松比单胞元的等效弹性参数。针对宏观填充多胞元结构等效参数的研究大多以单胞元理论为基础，然后在宏观层面进行欧拉–伯努利梁简化。Kim 等[20] 在此基础上提出了适用于不均匀支撑状态的蜂窝胞元力学模型，减小了不同计算方向上因胞元壁厚不一致所带来的误差。梁森等[21] 进一步通过数值模拟，对Gibson等[17] 提出的等效弹性参数进行了简化，结果显示，胞元的材料刚度直接影响了结构面内刚度，