防爆炸冲击波超材料微结构动态响应及其阻带匹配机理

Focused on the urgent needs from weaponry and armed personnel to improve protection capabilities against explosive shock waves in battle field, this project will investigate the theoretical and scientific problems about metamaterial microstructures for the purpose of explosive shock-wave obstruction based on segmental blast wave damage effect theory. Specifically the investigation includes: (1) analyzing the spectral characteristics of explosive shock waves; investigating the inherent relationship between explosive shock-wave frequency response/bandwidth and main influence parameters; establishing the mathematical models and revealing the underlying laws of explosive shock-wave frequency response; (2) investigating the dynamic response of metamaterial microstructures under multi-directional and wideband impulsive loading; establishing the inherent relationship between the dynamic response and the influential parameters; revealing the response mechanism of the metamaterials under complex impulsive loadings; (3) investigating the matching between metamaterial stopband and frequencies of explosive shock waves under complex materials geometries; establishing the mathematical model for predicting the lower and upper limists of the stopband under the influence of resonator parameters, distributions, damping ratios and material properties so that the essence of shock-wave obstruction by metamaterials can be revealed. This project will serve as a guideline as well as scientific basis for the research and novel design of explosion-resisting metamaterial composite armor, and be of great significance for improving the anti-explosion capabilities in both military and civil applications.

针对战场中装备和人员对爆炸冲击波防护能力提高的迫切需求，提出爆炸波分段破坏效应的基础上，对具有爆炸冲击波阻隔效应的超材料微结构相关理论与科学问题展开研究。（1）进行爆炸波频率普适特征分析，通过爆炸波频率响应和频率带宽与主要影响参数之间的关联机制，构建内在数学模型，揭示爆炸冲击波频响规律；（2）研究超材料微结构在多方向冲击、宽频率谱爆炸冲击载荷下的动态响应，建立动态响应与各影响参数之间的内在关系，揭示超材料微结构在冲击波复杂载荷下的响应机理与响应规律；（3）研究复杂几何外形超材料频率阻带与爆炸冲击波频率匹配的影响规律，建立阻带上下限与共振器参数、布局方式、阻尼比、材料属性等参数之间的数学模型，以揭示超材料实现爆炸冲击波阻隔效应的实质。可为具有专门防爆炸能力的轻型防爆超材料复合装甲研制提供指导和科学依据，对于军用、民用防爆炸能力提高具有非常重要的意义。

采用高能炸药爆炸破坏目标的弹药一直是战场上装备和人员的严重威胁，装备和人员爆炸冲击波防护能力提高一直有着迫切需求，目前复合装甲都无法阻挡爆炸冲击波朝车辆内部传播。针对具有冲击波传播阻隔效应的超材料结构设计开展相关研究，可为轻型防爆超材料复合装甲研制提供科学依据，使武器装备防爆能力实现里程碑式发展。（1）开展了爆炸波冲击频率响应及其与主要影响参数的内在关系分析研究。提出了通过小波分析和时域分析相结合的方法来确定冲击波频谱分布，提出了利用能量-幅值原理确定峰值区域频率上限值的方法，爆炸冲击波峰值区域上限频率值主要分布在0到8000Hz范围内，最小范围是0到2000Hz，并受爆距影响较大，与峰值超压呈指数型增长关系。（2）开展了爆炸载荷条件下超材料微结构动态响应机理与响应规律研究。基于负有效质量理论设计了一维二组元杆状超材料微结构和三组元超材料微结构；频散、振动、衰减等特性分析表明，两者均对爆炸冲击波具有阻隔能力。杆状超材料结构的带隙形成机理与其模态振型息息相关，增加金属密度会使带隙频率降低而不影响带宽，而增加橡胶部分弹性模量会升高带隙起始频率；三组元结构则主要通过调节散射体质量与包覆层弹性模量改变带隙分布。（3）开展了超材料频率阻带与爆炸冲击波频率匹配机理研究。二维二组元结构在1390Hz到2360Hz的频率范围内产生宽度为870Hz的带隙，且与自身的周期性及外形参数基本无关。三组元结构则可在1590Hz到1870Hz之间产生带宽为280Hz的带隙。虽然其宽度不及二组元结构，但具有更强的防冲击振动能力。（4）基于防爆复合装甲结构形式，研究了平板状超材料基体结构在爆炸载荷作用下的动态响应。研究的四种平板结构中，耦合成三角形加强筋使平板的抗爆性能最佳，加强筋越多，抗冲击的能力就越强。（5）对基于声子晶体理论的防爆超材料结构进行了带隙理论计算；通过仿真分析与实验验证了超材料结构在防爆炸冲击波方面的优越性能。