CN114636360B - 五模冲击隐身复合点阵环状结构及其参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构抗冲击技术领域，尤其涉及一种五模冲击隐身复合点阵环状结构及其参数优化方法。基于五模超材料的冲击隐身复合点阵环状结构胞元包括六边形骨架、弹性包覆体、加强杆；所述六边形骨架为六边形镂空结构；所述弹性包覆体包覆加强杆固定连接于空腔中；所述弹性包覆体包括上包覆体和下包覆体；所述加强杆是指被弹性包覆体包覆固定连接于空腔中的杆结构。基于本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构形式用于圆柱结构的抗冲击，设置于圆柱结构外侧表面，通过计算胞元频散曲线，获得胞元主方向的群速度波速，通过合理排布波速各向异性，实现对冲击应力波能量的有效调控。
Description
技术领域
本发明属于结构抗冲击技术领域，尤其涉及一种五模冲击隐身复合点阵环状结构及其参数优化方法。
背景技术
冲击波广泛存在于日常生活和工业生产中，冲击波具有短时、高强的特点，局部的冲击波作用经常会对结构产生一定的影响，使结构发生较大的晃动和变形，严重时甚至使结构发生局部破坏。对于潜艇而言，敌方攻击手段主要为爆炸冲击波的杀伤作用。目前，调控冲击波的方法较为单一，多基于能量耗散理论，即通过结构的变形耗散掉冲击波的能量，就常规材料而言存在着防护层厚重、防护效果不佳的缺点。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种可有效调控冲击应力波能量传播路径的五模冲击隐身复合点阵环状结构，同时提供其参数优化方法。
本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构及其参数优化方法，主要通过获取冲击应力波频谱特性和胞元频散特性，确定冲击应力波在结构中的能流矢量，以调控冲击应力波能量的传播路径。
为实现前述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种五模冲击隐身复合点阵环状结构，用于圆柱结构的抗冲击，设置于圆柱结构外侧表面，复合点阵环状结构由多层环结构组合形成，每层环结构包括多个环形阵列排布的五模冲击隐身防护胞元；五模冲击隐身防护胞元包括六边形骨架1、弹性包覆体2、加强杆3；
所述六边形骨架1是指：六边形镂空结构；所述六边形镂空结构由两侧的短连接边1a以及对称设置在短连接边1a间的四个等长的长连接边1b构成；所述六边形镂空结构相邻长连接边1b间夹角范围为120°-180°，短连接边1a同长连接边1b间的夹角范围为90°-120°。
所述六边形骨架1的空腔10内固定连接加强杆3和弹性包覆体2；
所述弹性包覆体2包覆加强杆3固定连接于空腔10中；
所述弹性包覆体2包括：上包覆体21、下包覆体22；所述上包覆体21、下包覆体22均同时与短连接边1a、长连接边1b连接；
所述加强杆3是指被弹性包覆体2包覆固定连接于空腔10中的杆结构。
对前述五模冲击隐身复合点阵环状结构的进一步改进或优选实施方案，所述弹性包覆体2端面为六边形结构，且其中五边与加强杆3、短连接边1a、长连接边1b连接，剩余朝向两个长连接边1b夹角一侧的边为凹型边缘，其对应的曲线函数为：
其中a＝0.5ay-nt2，ay是胞元y方向长度，t2为加强杆厚度，n≥1，曲线中心位于长连接边1b外侧交点处。
对前述五模冲击隐身复合点阵环状结构的进一步改进或优选实施方案，所述六边形骨架1的短连接边1a同长连接边1b截面宽度相等。
对前述五模冲击隐身复合点阵环状结构的进一步改进或优选实施方案，所述六边形骨架1由合金钢制成，该材料具有较高的刚度，可有效提升本发明的承载能力；所述弹性包覆体2由硅橡胶材料制成，该材料具有良好的弹性，可强化加强杆3同六边形骨架1连接的稳定性；所述加强杆3由氧化铝陶瓷材料制成，该材料具有比合金钢更高的刚度，可有效增强环状结构切向刚度的同时使环状结构径向刚度不变。
对前述五模冲击隐身复合点阵环状结构的进一步改进或优选实施方案，所述环状结构包括多个依次连接呈环形的多胞结构，多层多胞结构叠加组合形成套筒状结构设置于圆柱基础外部。
本发明还提供一种五模冲击隐身复合点阵环状结构的参数优化方法，包括如下步骤：
步骤1.分析冲击应力波频率成分，包括：
采集冲击应力波信号，对信号进行频谱分析，获得需要进行调控的冲击应力波的频率范围；
步骤2.获取五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的本征频率，包括：
设定初始参数和初始材料，在二维多物理场建模环境下建立物理模型，获取五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的本征频率；
步骤3.计算五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的频散曲线；包括：
利用覆盖不可约布里渊区的波矢对周期性胞元进行单独分析；
设置波矢k在不可约布里渊区的分段函数，所述波矢k用于对不可约布里渊区进行扫略以获取所有波的信息，其中波矢k是在扫掠不可约布里渊区边界时以s为自变量的分段函数；
选定需要的材料参数，需要使用的胞元的尺寸，设定周期性条件；基于前述步骤2获得的模型进行有限元网格划分，对自变量s进行参数化扫描以实现对胞元的第一不可约布里渊区边界的波矢扫描，获得胞元的频散曲线；
步骤4.分析频散曲线的纵波曲线和横波曲线，确定各层胞元在圆环切向和径向的横波群速度Csq、Csj和纵波群速度Cpq、Cpj，以及临界频率f，即纵波曲线上切线斜率发生明显变化的点所对应的频率；
步骤5.根据步骤2的预设参数确定胞元是否满足以下条件：
1.
2.临界频率f大于需要进行调控的冲击应力波的频率；
3.Cpq>5Cpj；
4.由外层向内层逐渐增大；
若不是，则回到步骤2，重新设定初始参数和材料；
步骤6.将所设计的各层胞元周期性布置于圆柱结构上，对冲击应力波的传播进行调控。
对前述五模冲击隐身复合点阵环状结构的参数优化方法进一步改进或具体实施方案，所述步骤2中，模型维度设置为二维，物理场设置为固体力学物理场，研究模块设置为特征频率。
对前述五模冲击隐身复合点阵环状结构的参数优化方法的进一步改进或具体实施方案，所述设置波矢k在扫掠不可约布里渊区边界的路线为Γ-X-M-Y-Γ，其中波矢k在x方向的分量kx在Γ-X区间的函数为在X-M区间的函数为/> 在M-Y区间的函数为/>在Y-Γ区间的函数为0；波矢k在y方向的分量ky在Γ-X区间的函数为0，在X-M区间的函数为2π*(s-1)/a0,在M-Y区间的函数为2π/a0,在Y-Γ区间的函数为2π*(4-s)/a0；其中a0＝ay+l，ax为胞元x方向长度，ay为胞元y方向长度，l为胞元y方向竖杆长度。
分段函数的自变量s的范围为0～4，其中0～1定义为覆盖不可约布里渊区Γ-X边缘的波数，1～2定义为覆盖X-M边缘的波数，2～3定义为M-Y边缘的波数，3～4定义为Y-Γ边缘的波数；
所述步骤3中胞元3组对边均设置为Floquet周期性条件，每组对边选取1条边采用边网格，并网格其复制到对边，有限元网格划分采用自由三角形网格进行自动网格划分，所述网格划分应保证色散曲线中每个频率对应的波长至少包含有5～6个网格单元。
本发明具有良好的物理特性与广泛应用前景，包括：
本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构的结构形式可用于不同大小的圆柱结构或扇形结构，在获取了冲击应力波频谱特性后，通过设计胞元结构参数，可引导冲击应力波的能量沿圆环切向传播，从而对内部空间进行有效保护避免冲击应力波直接作用于内部结构上；
相较于传统的抗冲击设备，本发明具有全新的抗冲击机理，以及多变的设计应用方案，包括：
本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构的结构形式，可通过调节胞元六边形骨尺寸、加强杆厚度快速增大x和y方向群速度的差异，进而增强对冲击应力波的调控性能；可通过调节六边形骨架壁厚，来调节临界频率f的大小，进而对冲击应力波主要作用频率进行更加精准的调控。
附图说明
图1是实施例中五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的平面图；
图2是实施例中五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的装配图；
图3是实施例中五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的布里渊区；
图4是实施例中五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的有限元网格划分图；
图5是实施例中五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的频散曲线图；
图6是实施例中外附有冲击隐身复合点阵环状结构的圆柱结构在冲击载荷作用下的示意图；
图7是实施例中外附有冲击隐身复合点阵环状结构的圆柱结构在冲击载荷作用下的应力分布图；
图8是实施例中外附有均质壳结构的圆柱结构在冲击载荷作用下的应力分布图；
图9是六边形骨架壁厚t1对群速度波速的影响示意图；
图10是斜杆间夹角β对群速度波速的影响示意图；
图11是加强杆厚度t2对群速度波速的影响示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
五模材料是一种新兴的超材料，具有轻质、调控范围广、尺寸设计性强的特点，通过对五模材料的设计，可以引导弹性波沿预定的方向传播，在此背景下针对五模材料的研究逐渐展开，五模超材料，是一种退化的固体弹性介质，传统固体材料的弹性矩阵对应有6个特征值和相应的6个特征向量，分别对应材料的每一种变形模式。如果某个特征值退化为零，则其对应的变形模式为易变形模式。五模材料仅保留一个非零特征值，包含五个易变形模式，只能承受与非零特征值对应的特征应力成比例的应力模式，从而解除了剪切与形变的耦合，呈现出“固态水”的特性。五模超材料主要应用在声学领域，且设计复杂，结构复杂，应用成本高。
本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构，包括六边形骨架1、弹性包覆体2、加强杆3；所述六边形骨架1是指：六边形镂空结构；所述弹性包覆体2包覆加强杆3固定连接于空腔10中；所述弹性包覆体2包括：上包覆体21、下包覆体22；所述上包覆体21和下包覆体22的长直边同加强杆3相固定连接；所述加强杆3是指被弹性包覆体2包覆固定连接于空腔10中的杆结构。
所述六边形骨架1是指：六边形镂空结构；所述六边形镂空结构由两侧的短连接边1a以及对称设置在短连接边1a的四个等长的长连接边1b构成；所述六边形镂空结构相邻长连接边1b间夹角范围为120°-180°，短连接边1a同长连接边1b间的夹角范围为90°-120°；
所述六边形骨架1的空腔10内固定连接加强杆3和弹性包覆体2；
所述弹性包覆体2包覆加强杆3固定连接于空腔10中；
所述弹性包覆体2包括：上包覆体21、下包覆体22；所述上包覆体21、下包覆体22均同时与短连接边1a、长连接边1b连接；
所述加强杆3是指被弹性包覆体2包覆固定连接于空腔10中的杆结构。
以下结合具体结构设计来对其结构特点、参数设计方法及其工作模式进行详细说明，本实施例中，如图1与图2所示，胞元中六边形骨架1的斜杆边长为l，竖杆边长为h，斜杆间夹角为β，总高度为ay，总宽度为ax，壁厚为t1；加强杆3厚度为t2；弹性包覆体2为六边形结构，且其中五边与加强杆3、短连接边1a、长连接边1b连接，剩余朝向两个长连接边1b夹角一侧的边为凹型边缘，其对应的曲线函数为：其中a＝0.5ay-nt2，n≥1。在具体实施时，在确定斜杆边长l，竖杆边长h，斜杆间夹角β，六边形骨架1壁厚t1，加强杆3厚度t2，参数n的具体数值即可确定整个胞元结构。具体实施时，共有12层胞元布置于圆柱外侧环形区域，各层胞元参数如表1所示：
表1各层胞元参数
| 层数 | Lmm | hmm | β° | t1mm | t2mm | n |
| 1 | 3.25 | 1.04 | 155 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 2 | 3.48 | 1.16 | 148 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 3 | 3.67 | 1.29 | 143 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 4 | 3.88 | 1.42 | 141 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 5 | 4.11 | 1.57 | 139 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 6 | 4.37 | 1.73 | 137 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 7 | 4.65 | 1.90 | 135.5 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 8 | 4.96 | 2.09 | 134 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 9 | 5.30 | 2.28 | 133 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 10 | 5.67 | 2.50 | 131.5 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 11 | 6.08 | 2.74 | 130.5 | 0.3 | 0.3 | 1 |
| 12 | 6.39 | 2.98 | 130 | 0.3 | 0.3 | 1 |
为方便进行比较，同时获取本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构的材料物理特性数据，利用有限元仿真分析软件对本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构进行分析计算，其具体内容包括计算各层胞元的能带结构，计算附加有本发明的冲击隐身复合点阵结构的目标圆柱结构在冲击载荷作用下的应力大小，并与没有附加本发明的冲击隐身复合点阵结构的圆柱结构进行比较，以确定其实际性能，同时给出几何结构参数对频散曲线的影响。
利用有限元方法计算声子晶体的能带曲线步骤如下：
步骤1.分析冲击应力波频率成分，包括：
采集冲击应力波信号，对信号进行频谱分析，获得需要进行调控的冲击应力波的频率范围；
步骤2.获取五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的本征频率，包括：
设定初始参数和初始材料，在二维多物理场建模环境下建立物理模型，获取五模冲击隐身复合点阵环状结构的本征频率；具体实施时，在有限元仿真分析软件中模型导向中的空间维度选择二维，物理场中选择固体力学模块，在研究模块中选择特征频率用于研究点阵结构胞元在特定波矢下的本征频率
步骤3.计算五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的频散曲线；包括：
利用覆盖不可约布里渊区的波矢对各层胞元进行单独分析；设置波矢k在不可约布里渊区的分段函数，根据图3不可约布里渊区的范围设置波矢k在扫掠不可约布里渊区边界时需要用到的以s为自变量的分段函数。依据各层胞元参数表，计算出胞元x方向长度ax、胞元y方向长度ay和a0＝ay+l，使波矢沿不可约布里渊区坐标Γ0, 进行扫描,其中波矢k在x方向的分量kx在Γ-X区间的函数为/> 在X-M区间的函数为/>在M-Y区间的函数为在Y-Γ区间的函数为0；波矢k在y方向的分量ky在Γ-X区间的函数为0，在X-M区间的函数为2π*(s-1)/a0,在M-Y区间的函数为2π/a0,在Y-Γ区间的函数为2π*(4-s)/a0。
选定需要的材料参数，需要使用的胞元的尺寸，设定周期性条件；基于前述步骤2获得的模型进行有限元网格划分，对自变量s进行参数化扫描以实现对五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的第一不可约布里渊区边界的波矢扫描，获得胞元的能带曲线；具体实施时，在几何中导入已经绘制好的胞元的图形或通过有限元仿真分析软件自带的绘图工具绘制胞元图形，在材料中新建空材料，输入对应的材料参数，并在模型中选择对应的应用区域；在固体力学模块中选择周期性条件，在周期性条件设置中将周期性类型设置为Floquet周期，Floquet周期用于具有周期性几何的频率域问题；在研究模块中添加参数化扫描，在x与y方向输入之前在定义中设置好的波矢k在x与y方向的分段函数；
网格划分主要有两种方法。第一种在网格划分中可选择自由四面体网格进行自动网格划分，第二种在网格划分中可选择自由三角形网格进行自动网格划分，两种方法都需要确保结果计算出的色散曲线中每个频率对应的波长至少包含有5到6个单元；
步骤4.分析频散曲线的纵波曲线和横波曲线斜率，确定各层胞元在圆环切向和径向的横波群速度Csq、Csj和纵波群速度Cpq、Cpj，以及临界频率f，即纵波曲线上切线斜率发生明显变化的点所对应的频率；
步骤5.根据步骤2的预设参数确定胞元是否满足以下条件：
1.
2.临界频率f大于需要进行调控的冲击应力波的频率；
3.
4.由外层向内层逐渐增大；
若不是，则回到步骤2，重新设定初始参数和材料；
步骤6.将所设计的各层胞元周期性布置于圆柱结构上，对冲击应力波的传播进行调控。
对前述基于五模超材料冲击隐身复合点阵结构的参数优化方法进一步改进或具体实施方案，所述步骤2中，模型维度设置为二维，物理场设置为固体力学物理场，研究模块设置为特征频率。
在研究模块中对自变量s进行参数化扫描，即可对点阵结构胞元的第一不可约布里渊区边界进行波矢扫描，从而获得声子晶体的频散曲线。以下对如何获得第12层胞元频散曲线进行介绍。
首先对本实施例中的五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元进行建模得到图1中的胞元结构模型，将胞元结构模型导入有限元仿真分析软件，对胞元结构模型进行有限元网格划分得到如图4所示的网格划分图，本实施例中采用自由三角形网格对胞元结构模型划分网格，其最大单元大小为0.133mm，包含5038个域单元和776个边界元。
如图1所示，六边形骨架1由钢制成，弹性包覆体2由橡胶制成，加强杆3由氧化铝陶瓷制成；具体材料参数如表2所示：
表2材料参数
| 材料名称 | 密度Kg/m3 | 弹性模量GPa | 泊松比 |
| 钢 | 7800 | 200 | 0.3 |
| 橡胶 | 1300 | 7.8×10-3 | 0.47 |
| 氧化铝陶瓷 | 3920 | 340 | 0.22 |
需要说明的是，点阵结构作为一种周期性结构，因其平移对称性使其的一些性质，如质量密度，离子产生的势场等皆为周期性函数，并对这些周期性函数展开成傅里叶级数后发现，这些物理量的傅里叶展开后只存在波矢为倒格矢的分量。倒易空间是正空间的傅里叶变化，同时倒易空间是以波矢为变量去描述物理量的空间。点阵结构胞元满足Bloch-Floquet理论。所有弹性波都可以用位于倒易空间中的第一布里渊区内的波矢k描述，由于布里渊区的对称性只需指定Bloch波矢k对不可约布里渊区进行扫描即可获得频散曲线。
因为本发明的点阵结构在应用过程中，是二维周期性结构，而在Z方向不存在周期性结构，因此将点阵结构胞元模型导入至有限元仿真分析软件后，在定义中只需设置波矢在X方向的分量kx与波矢在Y方向的分量ky要沿着二维六边形周期性结构中的不可约布里渊区边缘Γ-X-M-Y-Γ进行扫描的分段函数，如图3所示，并对其分段函数的自变量s参数化扫描，分段函数的自变量s的范围为0到4。本实施例中，0到1定义为覆盖不可约布里渊区Γ-X边缘的波数，1到2定义为覆盖X-M边缘的波数，2到3则定义为M-Y边缘的波数，3到4则定义为Y-Γ边缘的波数,同时在点阵结构胞元边界设置Floquet周期性边界条件，即可求出基于五模超材料冲击隐身复合点阵结构胞元的能带结构，如图5所示。通过能带结构可以发现本发明的第12层点阵结构胞元在15000Hz以下满足步骤5前三个要求。对十二层点阵结构胞元分别进行能带结构计算，获得Csq、Csj、Cpq、Cpj和f，如表3所示。
表3频散曲线读取数据
在实际应用过程中，五模冲击隐身复合点阵环状结构是由点阵结构胞元组成的周期性结构贴附在圆柱结构进行使用，在上述计算结果的基础上，将点阵结构胞元分层周期排列贴附在要防护的目标混凝土圆柱结构上。
为了便于分析计算，如图6所示，本实施例中在直径95mm的目标圆柱结构外侧布置由12层点阵结构胞元组成的冲击隐身复合点阵环状结构。
目标圆柱结构外附的冲击隐身复合点阵环状结构上侧施加冲击荷载作用；在圆柱结构表面选取了A,B,C,D,E五个点，通过测量当载荷作用于加载区域后产生的弹性波在经过冲击隐身复合点阵环状结构后A,B,C,D,E五个点的应力去分析弹性波在经过冲击隐身复合点阵环状结构后的绕射情况。
进行冲击荷载加载，将测试模型导入至有限元仿真分析软件当中，将结构中的各个部位选定对应的材料。在定义选项中创建解析选项，建立名为Y的自变量为时间t的函数，缩写为Y(t)，函数表达式为Y(t)＝5000sin(2πFt)，t的取值范围设定在即单半正弦脉冲。在加入冲击荷载作用时选择物理场-固体力学-点载荷，在点选择选项中根据图6中选择对应的作用点，在力-载荷类型选择总力选项，并在Y方向输入--Y(t)，即作用力为Y(t)函数，且方向为Y轴负方向。本模型采用自由三角形网格进行网格划分，最大单元大小为7.01mm，域单元数为268704，边界元为89840。在研究模块选择“瞬态”选项，“瞬态”研究用于研究场量随时间变化的情况，即固体在瞬态荷载作用下的时变应力和应变，在瞬态-设置-研究设置-时间步选项中输入range(0,0.00001,0.001)，即可计算从0s时刻起，时间步长为0.00001s动态响应，直到计算到0.001s时刻结束。同时在定义中设置五个点显式，用于测量A,B,C,D,E五个点的应力时程变化。
为了体现本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构对冲击弹性波的调控效果，作为对比，在与图6相同的圆柱结构外侧附加10mm厚钢壳结构，在钢壳结构上侧分别设置相同的载荷，同时在钢管柱结构的A,B,C,D,E区域相同位置设置五个点显式，在有限元仿真分析软件中建立等尺寸的钢管柱结构模型，模型同样采用自由三角形网格进行网格划分，最大单元大小为1.85mm，域单元数为3168，边界元为390。冲击荷载设置方向为Y轴负方向，大小为Y(t)。
图7为外附有冲击隐身复合点阵环状结构的圆柱结构在F＝5000的冲击载荷作用下的应力分布图，图8为外附有均质壳结构的圆柱结构在F＝5000的冲击载荷作用下的应力分布图。如表4、表5所示，通过两个图片的对比可以发现本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构对冲击应力波的传播有着明显的调控效果，因材料各向异性，使冲击应力波的能量传播方向发生偏转，更多的沿着冲击隐身复合点阵环状结构传递，从而减轻应力波对内部保护结构的破坏作用。
表4冲击载荷下外附有冲击隐身复合点阵环状结构的圆柱结构测量点处的应力数据
表5冲击载荷下外附有均质壳结构的圆柱结构测量点处的应力数据
当F＝5000的冲击荷载作用于结构时，外附有冲击隐身复合点阵环状结构的圆柱结构测量点A,B,C,D,E五个点的应力大小分别为2.01MPa，1.55MPa，0.98MPa，0.91MPa，1.07MPa，外附有均质壳结构的圆柱结构测量点A,B,C,D,E五个点处的应力大小分别为2.55MPa，1.54MPa，1.03MPa，1.08MPa，2.38MPa。在冲击荷载作用下，圆柱结构在外附有冲击隐身复合点阵环状结构后A点处的应力峰值降低了21.2％，B点处的应力峰值升高了0.6％，C点处的应力峰值降低了4.9％，D点处的应力峰值降低了15.7％，E点处的应力峰值降低了55.0％。
当F＝10000的冲击荷载作用于结构时，外附有冲击隐身复合点阵环状结构的圆柱结构测量点A,B,C,D,E五个点的应力大小分别为1.28MPa，0.86MPa，0.72MPa，0.55MPa，0.74MPa，外附有均质壳结构的圆柱结构测量点A,B,C,D,E五个点处的应力大小分别为2.12MPa，1.42MPa，1.03MPa，1.12MPa，1.37MPa。在冲击荷载作用下，圆柱结构在外附有冲击隐身复合点阵环状结构后A点处的应力峰值降低了39.6％，B点处的应力峰值降低了39.4％，C点处的应力峰值降低了30.1％，D点处的应力峰值降低了50.9％，E点处的应力峰值降低了46.0％。
当F＝15000的冲击荷载作用于结构时，外附有冲击隐身复合点阵环状结构的圆柱结构测量点A,B,C,D,E五个点的应力大小分别为1.32MPa，0.58MPa，0.65MPa，0.32MPa，0.82MPa，外附有均质壳结构的圆柱结构测量点A,B,C,D,E五个点处的应力大小分别为2.34MPa，0.77MPa，1.48MPa，0.60MPa，1.41MPa。在冲击荷载作用下，圆柱结构在外附有冲击隐身复合点阵环状结构后A点处的应力峰值降低了43.6％，B点处的应力峰值降低了24.7％，C点处的应力峰值降低了56.1％，D点处的应力峰值降低了46.7％，E点处的应力峰值降低了41.8％。
当F＝30000的冲击荷载作用于结构时，外附有冲击隐身复合点阵环状结构的圆柱结构测量点A,B,C,D,E五个点的应力大小分别为2.06MPa，0.81MPa，0.93MPa，0.48MPa，1.59MPa，外附有均质壳结构的圆柱结构测量点A,B,C,D,E五个点处的应力大小分别为3.45MPa，0.84MPa，2.67MPa，0.37MPa，2.31MPa。在冲击荷载作用下，圆柱结构在外附有冲击隐身复合点阵环状结构后A点处的应力峰值降低了40.3％，B点处的应力峰值降低了35.7％，C点处的应力峰值降低了65.2％，D点处的应力峰值升高了29.7％，E点处的应力峰值降低了31.1％。
为通过对比去比较五模冲击隐身复合点阵环状结构对冲击弹性波的调控作用，对上述试验数据整理后得到数据表4与表5。对单半正弦脉冲进行频谱分析发现能量主要集中于低频段，即15000Hz以下，通过表4与表5的对比可以发现，本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构相较于均质壳结构，五个测点处的应力峰值总和发生明显降低，其中以迎冲面测点A降低尤为明显，其他测点有时可能会出现应力峰值大小升高的情况，从图7与图8中不难发现，这主要是因为冲击隐身复合点阵环状结构使冲击弹性波能量沿圆环切向发散，避免了冲击作用在迎冲面的集中，因此对内部结构又很好地保护作用，使圆柱表面应力分布更加均匀。
综上所述，本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构在冲击防护方面能起到一定的效果，为方便读者对本发明的五模冲击隐身复合点阵环状结构的使用，现对几何参数对胞元群速度波速的影响进行分析。
(1)六边形骨架壁厚t1对群速度波速的影响
如图9所示，随着六边形骨架壁厚t1增大，胞元切向纵波波速逐渐减小，径向纵波波速、径向横波波速和切向横波波速逐渐增大，值逐渐增大，/>值逐渐减小，因此保证较小的六边形骨架壁厚t1有利于冲击隐身复合点阵环状结构发挥作用。
(2)斜杆间夹角β对群速度波速的影响
如图10所示，随着斜杆间夹角β增加，胞元切向纵波波速逐渐增大，径向纵波波速、径向横波波速和切向横波波速逐渐减小，值逐渐减小，/>值逐渐增大，因此保证较大的斜杆间夹角β有利于冲击隐身复合点阵环状结构发挥作用。
(3)加强杆厚度t2对群速度波速的影响
如图11所示，随着加强杆厚度t2增大，胞元切向纵波波速逐渐增大、径向横波波速和切向横波波速，径向纵波波速先减小后增大，但径向纵波波速、径向横波波速和切向横波波速的变化相较于切向纵波波速可以忽略。值逐渐减小，/>值先逐渐增大后逐渐减小，因此选取合适的加强杆厚度t2，使/>值最大，从而最利于冲击隐身复合点阵环状结构发挥作用。
实际使用时应采用以下步骤。
步骤1.分析冲击应力波频率成分，包括：
采集冲击应力波信号，对信号进行频谱分析，获得需要进行调控的冲击应力波的频率范围；
步骤2.获取五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的本征频率，包括：
设定初始参数和初始材料，在二维多物理场建模环境下建立物理模型，获取五模冲击隐身复合点阵结构的本征频率；
步骤3.计算五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的频散曲线；包括：
利用覆盖不可约布里渊区的波矢对周期性胞元进行单独分析；
设置波矢k在不可约布里渊区的分段函数，所述波矢k用于对不可约布里渊区进行扫略以获取所有波的信息，其中波矢k是在扫掠不可约布里渊区边界时以s为自变量的分段函数；
选定需要的材料参数，需要使用的胞元的尺寸，设定周期性条件；基于前述步骤2获得的模型进行有限元网格划分，对自变量s进行参数化扫描以实现对胞元的第一不可约布里渊区边界的波矢扫描，获得胞元的频散曲线；
步骤4.分析频散曲线的纵波曲线和横波曲线，确定各层胞元在圆环切向和径向的横波群速度Csq、Csj和纵波群速度Cpq、Cpj，以及临界频率f，即纵波曲线上切线斜率发生明显变化的点所对应的频率；
步骤5.根据步骤2的预设参数确定胞元是否满足以下条件：
1.
2.临界频率f大于需要进行调控的冲击应力波的频率；
3.Cpq>5Cpj；
4.由外层向内层逐渐增大；
若不是，则回到步骤2，重新设定初始参数和材料；
步骤6.将所设计的各层胞元周期性布置于圆柱结构上，对冲击应力波的传播进行调控。
应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种五模冲击隐身复合点阵环状结构，用于圆柱结构的抗冲击，设置于圆柱结构外侧表面，其特征在于：
复合点阵环状结构由多层环结构组合形成，每层环结构包括多个环形阵列排布的五模冲击隐身防护胞元；
五模冲击隐身防护胞元包括六边形骨架(1)、弹性包覆体(2)、加强杆(3)；
所述六边形骨架(1)是指：六边形镂空结构；所述六边形镂空结构由两侧的短连接边(1a)以及对称设置在短连接边(1a)的四个等长的长连接边(1b)构成；所述六边形镂空结构相邻长连接边(1b)间夹角范围为120°-180°，短连接边(1a)同长连接边(1b)间的夹角范围为90°-120°；
所述六边形骨架(1)的空腔(10)内固定连接加强杆(3)和弹性包覆体(2)；
所述弹性包覆体(2)包覆加强杆(3)固定连接于空腔(10)中；
所述弹性包覆体(2)包括：上包覆体(21)、下包覆体(22)；所述上包覆体(21)、下包覆体(22)均同时与短连接边(1a)、长连接边(1b)连接；
所述加强杆(3)是指被弹性包覆体(2)包覆固定连接于空腔(10)中的杆结构。
2.根据权利要求1所述的一种五模冲击隐身复合点阵环状结构，其特征在于，所述弹性包覆体(2)端面为六边形结构，且其中五边与加强杆(3)、短连接边(1a)、长连接边(1b)连接，剩余一个朝向两个长连接边(1b)夹角一侧的边为凹型边缘，其对应的曲线函数为：
其中a＝0.5ay-nt2，ay是胞元y方向长度，t2为加强杆厚度，n≥1，曲线中心位于长连接边(1b)外侧交点处；所述胞元为空间结构一致的组成点阵结构的最小单元。
3.根据权利要求1所述的一种五模冲击隐身复合点阵环状结构，其特征在于，所述六边形骨架(1)的短连接边(1a)同长连接边(1b)截面宽度相等。
4.根据权利要求1所述的一种五模冲击隐身复合点阵环状结构，其特征在于，所述六边形骨架(1)由合金钢制成；所述弹性包覆体(2)由硅橡胶材料制成，用于强化加强杆(3)同六边形骨架(1)连接的稳定性；所述加强杆(3)由氧化铝陶瓷材料制成。
5.一种五模冲击隐身复合点阵环状结构的参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.分析冲击应力波频率成分，包括：
采集冲击应力波信号，对信号进行频谱分析，获得需要进行调控的冲击应力波的频率范围；
步骤2.获取五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的本征频率，包括：
设定初始参数和初始材料，在二维多物理场建模环境下建立物理模型，获取基于五模超材料冲击隐身复合点阵结构的本征频率；
步骤3.计算五模冲击隐身复合点阵环状结构胞元的频散曲线；包括：
利用覆盖不可约布里渊区的波矢对周期性胞元进行单独分析；
设置波矢k在不可约布里渊区的分段函数，所述波矢k用于对不可约布里渊区进行扫略以获取所有波的信息，其中波矢k是在扫掠不可约布里渊区边界时以s为自变量的分段函数；
选定需要的材料参数，需要使用的胞元的尺寸，设定周期性条件；基于前述步骤2获得的模型进行有限元网格划分，对自变量s进行参数化扫描以实现对胞元的第一不可约布里渊区边界的波矢扫描，获得胞元的频散曲线；
步骤4.分析频散曲线的纵波曲线和横波曲线，确定各层胞元在圆环切向和径向的横波群速度(Csq、Csj)和纵波群速度(Cpq、Cpj)，以及临界频率f，即纵波曲线上切线斜率发生明显变化的点所对应的频率；
步骤5.根据步骤2的预设参数确定胞元是否满足以下条件：
1.
2.临界频率f大于需要进行调控的冲击应力波的频率；
3.Cpq>5Cpj；
4.由外层向内层逐渐增大；
若不是，则回到步骤2，重新设定初始参数和材料；
步骤6.将所设计的各层胞元周期性布置于圆柱结构上，对冲击应力波的传播进行调控；所述周期性布置为将某一层胞元沿圆曲线进行连接排布。
6.根据权利要求5所述的五模冲击隐身复合点阵环状结构的参数优化方法，其特征在于，所述步骤2中，模型维度设置为二维，物理场设置为固体力学物理场，研究模块设置为特征频率。
7.根据权利要求5所述的五模冲击隐身复合点阵环状结构的参数优化方法，其特征在于，所述设置波矢k在扫掠不可约布里渊区边界的路线为Γ-X-M-Y-Γ，其中波矢k在x方向的分量kx在Γ-X区间的函数为在X-M区间的函数为/> 在M-Y区间的函数为/>在Y-Γ区间的函数为0；波矢k在y方向的分量ky在Γ-X区间的函数为0，在X-M区间的函数为2π*(s-1)/a0,在M-Y区间的函数为2π/a0,在Y-Γ区间的函数为2π*(4-s)/a0，其中a0＝ay+l，ax为胞元x方向长度，ay为胞元y方向长度，l为胞元y方向竖杆长度；
分段函数的自变量s的范围为0～4，其中0～1定义为覆盖不可约布里渊区Γ-X边缘的波数，1～2定义为覆盖X-M边缘的波数，2～3定义为M-Y边缘的波数，3～4定义为Y-Γ边缘的波数；
所述步骤3中胞元3组对边均设置为Floquet周期性条件，每组对边选取1条边采用边网格，并将其网格复制到对边，有限元网格划分采用自由三角形网格进行自动网格划分，所述网格划分应保证色散曲线中每个频率对应的波长至少包含有5个网格单元。
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| GR01 | Patent grant | ||
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