利用分離式霍普金森壓桿試驗裝置（SHPB）開展了周期性層狀管結構的動態(tài)沖擊試驗,結合有限元數(shù)值仿真研究了沖擊載荷作用下周期性層狀管結構中瞬態(tài)應力波傳播與衰減特性。基于固體晶格能帶理論,研究了周期性層狀管結構的帶隙特性,闡明了能帶結構與應力波頻譜衰減區(qū)域的對應關系,分析了層狀管的材料和結構參數(shù)對帶隙的影響。研究結果表明,周期性層狀管結構具有良好的沖擊應力波衰減特性和抗沖擊性能,其應力波衰減特性主要由其帶隙引起,層狀管的材料和結構參數(shù)對帶隙的頻率范圍和寬度具有有效的調節(jié)作用。該研究工作可以為工程抗爆抗沖擊提供新思路。 

【文章來源】：振動與沖擊. 2019,38(05)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

周期性層狀管結構動態(tài)沖擊試驗(d)

干涓說某ざ任?2000mm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由黏貼在入射桿和透射桿上的應變片、惠斯通橋路(應變片接線橋盒)以及動態(tài)應變儀以及高速采集系統(tǒng)組成。本試驗采用TMＲ-200動態(tài)應變采集儀，PC端配備配套軟件TMＲ-7200，最高采樣頻率高達100kHz。應變片為單向應變片，分別貼在入射桿和透射桿的中間位置。周期性層狀管結構動態(tài)沖擊試驗測試平臺如圖1(d)所示。同時，在動態(tài)沖擊試驗測試基礎上，利用有限元軟件ABAQUS建立沖擊載荷作用下周期性層狀管結構中瞬態(tài)應力波傳播有限元數(shù)值模型如圖2所示。數(shù)值模型中入射桿、試件、透射桿尺寸及邊界條件按實驗情況設定，入射桿和透射桿的長度均為2m，試件總長0．14m，撞擊桿、入射桿和透射桿均為鋁合金材質，其彈性模量E=70GPa，密度ρ=2700kg/m3，泊松比μ=0．35。入射桿、試件以及透射桿均能沿軸向移動或繞軸轉動，以試驗測得的入射應力波作為輸入條件加載到入射桿端面，試件與入射桿和透射桿定義面面自動接觸，單個試件之間采用綁定連接。由于計算模型形狀規(guī)整，采用六面體網(wǎng)格(Hex)對模型進行劃分，單元類型均為C3D8Ｒ，并對周期性層狀管結構進行網(wǎng)格細化，最終模型共87104個單元，其中試件的單元數(shù)量為44900個，求解器采用動態(tài)顯示求解，數(shù)值計算所選測點與試驗測點相同，分別位于入射桿和透射桿中間。圖2瞬態(tài)應力波有限元數(shù)值計算模型Fig．2Numericalmodelofstresswavepropagation周期性層狀管結構動態(tài)沖擊試驗與有限元數(shù)值模型得到入射應力波、透射應力波結果如圖3所示。從圖中可以看到，由SHPB裝置產生的入射應力波近似為矩形脈沖，當入射應力波經過周期性層狀管

期性層狀管結構的應力波衰減特性和抗沖擊性能。圖3沖擊應力波衰減特性Fig．3Impactstresswaveattenuationcharacteristics2周期性層狀管結構中應力波衰減機理為了進一步深入揭示周期性層狀管結構中應力波衰減機理，本節(jié)基于固體晶格能帶理論，研究周期性層狀管結構的帶隙特性，闡明能帶結構與應力波頻譜衰減區(qū)域的對應關系。為了研究層狀周期管結構的禁帶特性，建立由鋼和環(huán)氧樹脂組成的層狀周期管結構的原胞模型如圖4所示。選取結構參數(shù)如下:晶格常數(shù)a=40mm，其中鋼管和環(huán)氧樹脂管長分別為a1=a2=20mm，管外徑D=30mm，管壁厚t=5mm。圖4周期性層狀管結構的原胞模型Fig．4Unitcellofperiodiclayeredtubes基于固體晶格能帶理論，一維周期性層狀管結構晶格具有周期性和點群對稱性。通過在原胞模型左右兩端施加周期性，并沿著波矢方向進行參數(shù)掃描，求解各個波矢下結構的本征模式和本征頻率，得到周期性層狀管結構的能帶結構［13-14］如圖5所示。從圖中可以看到，周期性層狀管結構能帶結構在0～25kHz頻率范圍內共有七條能帶，形成了兩個完全禁帶(圖5填充區(qū)域)。第一禁帶位于第四條能帶和第五條能帶之間，禁帶范圍為12．5～17．5kHz，第二禁帶位于第五條能帶和第六條能帶之間，禁帶范圍為18～22．5kHz。為了研究應力波衰減的頻域特性，對入射和透射應力波時間歷程曲線進行傅里葉變換得到應力波頻譜圖如圖6所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，周期性層狀管結構的透射應力波在12kHz到25kHz范圍內相對于入射應圖5周期性層狀管結構的帶隙特性Fig．5Bandstructuresofperiodiclayeredtubes力波具有明顯的衰減，頻譜衰減區(qū)間正好對應于周期性層狀

【參考文獻】：
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本文編號：3568531