利用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置（SHPB）開展了周期性層狀管結(jié)構(gòu)的動態(tài)沖擊試驗(yàn),結(jié)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(jié)構(gòu)中瞬態(tài)應(yīng)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(jié)構(gòu)的帶隙特性,闡明了能帶結(jié)構(gòu)與應(yīng)力波頻譜衰減區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系,分析了層狀管的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對帶隙的影響。研究結(jié)果表明,周期性層狀管結(jié)構(gòu)具有良好的沖擊應(yīng)力波衰減特性和抗沖擊性能,其應(yīng)力波衰減特性主要由其帶隙引起,層狀管的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對帶隙的頻率范圍和寬度具有有效的調(diào)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

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【部分圖文】：

周期性層狀管結(jié)構(gòu)動態(tài)沖擊試驗(yàn)(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(yīng)變片、惠斯通橋路(應(yīng)變片接線橋盒)以及動態(tài)應(yīng)變儀以及高速采集系統(tǒng)組成。本試驗(yàn)采用TMＲ-200動態(tài)應(yīng)變采集儀，PC端配備配套軟件TMＲ-7200，最高采樣頻率高達(dá)100kHz。應(yīng)變片為單向應(yīng)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(jié)構(gòu)動態(tài)沖擊試驗(yàn)測試平臺如圖1(d)所示。同時(shí)，在動態(tài)沖擊試驗(yàn)測試基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)中瞬態(tài)應(yīng)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(shí)驗(yàn)情況設(shè)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(zhì)，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(zhuǎn)動，以試驗(yàn)測得的入射應(yīng)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(gè)試件之間采用綁定連接。由于計(jì)算模型形狀規(guī)整，采用六面體網(wǎng)格(Hex)對模型進(jìn)行劃分，單元類型均為C3D8Ｒ，并對周期性層狀管結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最終模型共87104個(gè)單元，其中試件的單元數(shù)量為44900個(gè)，求解器采用動態(tài)顯示求解，數(shù)值計(jì)算所選測點(diǎn)與試驗(yàn)測點(diǎn)相同，分別位于入射桿和透射桿中間。圖2瞬態(tài)應(yīng)力波有限元數(shù)值計(jì)算模型Fig．2Numericalmodelofstresswavepropagation周期性層狀管結(jié)構(gòu)動態(tài)沖擊試驗(yàn)與有限元數(shù)值模型得到入射應(yīng)力波、透射應(yīng)力波結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看到，由SHPB裝置產(chǎn)生的入射應(yīng)力波近似為矩形脈沖，當(dāng)入射應(yīng)力波經(jīng)過周期性層狀管

期性層狀管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波衰減特性和抗沖擊性能。圖3沖擊應(yīng)力波衰減特性Fig．3Impactstresswaveattenuationcharacteristics2周期性層狀管結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波衰減機(jī)理為了進(jìn)一步深入揭示周期性層狀管結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波衰減機(jī)理，本節(jié)基于固體晶格能帶理論，研究周期性層狀管結(jié)構(gòu)的帶隙特性，闡明能帶結(jié)構(gòu)與應(yīng)力波頻譜衰減區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系。為了研究層狀周期管結(jié)構(gòu)的禁帶特性，建立由鋼和環(huán)氧樹脂組成的層狀周期管結(jié)構(gòu)的原胞模型如圖4所示。選取結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)晶格具有周期性和點(diǎn)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(jìn)行參數(shù)掃描，求解各個(gè)波矢下結(jié)構(gòu)的本征模式和本征頻率，得到周期性層狀管結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)［13-14］如圖5所示。從圖中可以看到，周期性層狀管結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)在0～25kHz頻率范圍內(nèi)共有七條能帶，形成了兩個(gè)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(yīng)力波衰減的頻域特性，對入射和透射應(yīng)力波時(shí)間歷程曲線進(jìn)行傅里葉變換得到應(yīng)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(jié)構(gòu)的透射應(yīng)力波在12kHz到25kHz范圍內(nèi)相對于入射應(yīng)圖5周期性層狀管結(jié)構(gòu)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(yīng)于周期性層狀

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3568531