比翱工程实验室丨超材料防爆面板的创新设计与性能研究

想象一个每个人都对防爆结构感到安全的世界。新型防爆超构材料将是一个很好的技术和产品。这就是本期研究团队正在创造的未来，利用多类型谐振腔的非凡特性形成一个完整的带隙，这意味着来自所有频率范围的应力波传播都得到了缓解。

研究团队新设计了一种超材料面板，该设计由三个组件组成，包括两个与超桁架核芯粘合的薄面板，以提高其抗爆性和能量吸收能力。包含带有软涂层的固体夹杂物的超桁架核芯通过激活夹杂物的局部振动表现出卓越的滤波性能，导致超桁架内核在相应频带间隙中的负有效质量和刚度，从而降低了波传播。当施加的载荷频率落在带隙内时，超桁架核芯无法转移或显著减轻载荷效应。在这项研究中，先前在理想化的超桁架杆中波传播的理论推导结果用于验证数值模型。然后，分析超桁架核芯配置，例如其带隙区域的夹杂物排列和夹杂物形状以及超材料面板的瞬态响应均使用经过验证的数值模型进行。结果表明，通过适当调整夹杂物的排列，可以实现完整的能量波衰减设计，从而显著提高面板对爆炸载荷的保护效果。此项研究为用于结构保护以防止爆炸载荷的超材料面板的优化设计提供了研制基础。

 

此项研究成果“Blast resistant enhancement of meta-panels using multiple types of resonators”已由澳大利亚科廷大学土木与机械工程学院基础设施监测和保护中心的Nhi H.Vo，Thong M.Pham，HongHao，Kaiming Bi，Wensu Chen，Ngoc SanHa等人近期发表在《国际机械科学杂志》(IJMS)上。Volume 215, 1 February 2022, 106965，https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106965。

研究创新 

•   具有多种类型的谐振腔的超材料面板的新设计，以实现抗爆性。

•   生成完整的带隙频率范围。

•   增强的抗爆性能和高能量吸收。

•   利用耦合机制、塑性变形和局部共振。

 由两块薄板和超桁架核芯组成的超材料面板示意图，用作保护主结构免受爆炸载荷的牺牲覆层。
 本项研究系统地对承受爆炸载荷的超材料面板的性能进行了数值研究，并提出了具有多种类型的超材料核芯面板的新设计，作为抵抗爆炸载荷的牺牲覆层（如图）。为了验证数值模型的准确性，首先对用于形成超材料面板的超桁架杆进行数值建模。先前研究中理想化超桁架杆的理论推导结果用于验证带隙区域和透射系数方面的数值模型。经验证的模型用于建立超材料面板的数值模型，并进行一系列参数研究，以研究夹杂物排列和形状对超材料面板抑制波传播有效性的影响。确定性能最佳的设计，以最大限度地提高超材料面板的防爆性能。还深入讨论了关键参数对带隙区域的影响和面板的动态行为。这项研究通过数值和分析证明了所提议的超材料面板在爆炸载荷下的动态缓解机制。获得的结果提供了可用于各种工程应用的有趣发现。图文快览
超材料面板的设计 (a) 超面板示意图，其中部分视图显示嵌入的核芯，(b) 形成超桁架杆的模块组件包括外管、涂层和谐振腔和 c) 超桁架杆由6个模块组成及其截面尺寸
用于研究超材料面板动态响应的有限元模型示意图
超桁架杆的透射系数比较，包括左侧的解析解和右侧的数值结果。蓝色阴影区域表示理论带隙，而相应的数值预测显示在红色阴影区域
承受爆炸载荷的超面板和具有不同谐振腔排列的超桁架杆的示意图：带 (a) 3个铝芯和3个钨芯的超桁架杆，(b) 6个钨芯和 (c) 6个铝芯
包含两种谐振腔（铝和钨）的超桁架杆的两个区域的分析透射系数分布。通带PB2落入1区（LB1）的低带隙，而2区（HB2）的高带隙覆盖了1区（PB1）的通带。完整的带隙是由所有四个带隙组合而成的
不同点（a）A点、（b）B点和（c）C点的时频域位移标度图
在爆炸载荷下，三种超薄板的不同部分的能量吸收比较，包括具有两种谐振腔的超薄板和具有均匀谐振腔（Al或W）的常规超薄板
三个点的位移时间历史，即具有两种谐振腔尺寸的超桁架杆中的输入点 (A)、中间点 (B) 和输出点 (C)。在元桁架杆(A)的一端施加规定的位移激励，给出了中间点(B)和终点(C)的输出位移，以证明缓解效果
在爆炸载荷下，三个超材料面板（包括具有两种谐振腔尺寸的超面板和具有均匀谐振腔（半径为7毫米或4毫米）的常规超面板）之间的背面板的位移-时间历程曲线的比较
具有不同夹杂物形状的超桁架杆的频带结构显示了爆炸能量落入其带隙的比例，包括左侧的带隙频率和右侧的爆炸能量。蓝色和红色阴影区域分别表示与第一和第二带隙相关的带隙，而通带由虚线表示。带框的数字表示落入带隙的爆炸能量的比例
夹杂物形状对超桁架杆通带中爆炸能量百分比的影响。阴影区域表示元桁架的通带，而虚线表示第一带隙的上限和第二带隙的下限。红色虚线代表长方体谐振腔，其次是洋红色、黑色、蓝色分别代表五棱柱、六棱柱和圆柱谐振腔
爆炸载荷作用下具有不同夹杂物形状的四种超面板之间的位移和反作用力比较。蓝色阴影区域表示右侧的位移，而右侧红色阴影区域表示反作用力
爆炸载荷作用下嵌入各种夹杂物形状的超面板的能量吸收比较。红色实线代表长方体谐振腔，其次是洋红色虚线、黑色点划线、蓝色虚线分别代表五棱柱、六棱柱和圆柱谐振腔 总结此项研究对拟议的超材料面板的动态响应进行了研究，以证明与传统的超材料面板相比，其所增强的抗爆能力。通过改变内核材料、尺寸和/或几何形状，在由多种类型谐振腔组成的超桁架杆中使用非均匀夹杂物可显著增强超材料面板的瞬态性能。因此，对超桁架杆的核芯布置进行适当的设计可以导致更好的波传播抑制和结构保护。此外，超桁架内核的频带结构取决于夹杂物的形状，在本研究考虑的四种形状中，发现长方体夹杂物的带隙最宽，因此，带有长方体谐振腔的超材料面板在减轻爆炸荷载效果方面表现最好。但建议在实际应用中应包含圆柱形构型，因为其更易于制造。本项研究表明，可以适当调整超桁架杆中谐振腔芯的材料、尺寸和几何形状，以实现有效抑制波传播所需的带隙，从而更好地保护超材料面板的结构性能。通过阅读原文查看此项研究成果。

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