五模冲击隐身复合点阵环状结构及其参数优化方法技术

本发明专利技术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。基于本发明专利技术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。实现对冲击应力波能量的有效调控。实现对冲击应力波能量的有效调控。

【技术实现步骤摘要】
五模冲击隐身复合点阵环状结构及其参数优化方法


[0001]本专利技术属于结构抗冲击
，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]本专利技术创造的目的在于，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。
[0004]本专利技术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。
[0005]为实现前述目的，本专利技术创造采用如下技术方案。
[0006]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；
[0007]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
°
。
[0008]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；
[0009]所述弹性包覆体2包覆加强杆3固定连接于空腔10中；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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：
[0013]其中a＝0.5a
y
‑
nt2，a
y
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。
[0014]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。
[0015]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，可有效提升本专利技术的承载能力；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。
[0016]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。
[0017]本专利技术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：
[0018]步骤1.分析冲击应力波频率成分，包括：
[0019]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；
[0020]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：
[0021]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；
[0022]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：
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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C
sq
、C
sj
和纵波群速度C
pq
、C
pj
，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；
[0027]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：
[0028]1.
[0029]2.临界频率f大于需要进行调控的冲击应力波的频率；
[0030]3.C
pq
>5C
pj
；
[0031]4.由外层向内层逐渐增大；
[0032]若不是，则回到步骤2，重新设定初始参数和材料；
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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k
x
在Γ
‑
X区间的函数为在X
‑
M区间的函数为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k
y
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＝a
y
+l，a
x
为胞元x方向长度，a
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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＝0.5a
y
‑
nt2，a
y
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

【专利技术属性】
技术研发人员：张振华，韩邦熠，张展，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：