含Mullins效应的锁能抗冲击超材料设计及应用研究

The impact resistance of ship equipment determines vitality of wartime warship, and the research of material with better impact resistance has become a research hotspot, meanwhile with a lot of challenges. First of all, design of traditional impact resistance element without consideration of rubber stress softening usually causes the difference between actual impact performance and the design value, which will seriously affect the safety of equipment. Secondly, traditional impact resistant element will undergo the release of energy after impact, which may cause the second impact damage to the equipment. In addition, poor repeatability caused by difficulties withstanding repeated shock contradict with replacement work for short ship maintenance cycle and small operation space. Aiming at the above bottlenecks, this project intends to put forward a self-locking metamaterial with Mullins effect for impact resistance, exploring design theory of self-locking metamaterial that can be reused and prevented from second impact damage. The Mullins effect of base material will be characterized by the indentation method, thus combined with which the integrated design method of "microstructure-material-impact resistance" will be established. Accurate forecast technology of vibration and impact based on self-locking metamaterial will be developed and a variety of impact test and application verification will be carried out. This study is expected to provide a useful reference for design and application of new shock resistant components, lay a solid foundation for further improving the impact resistance of warship equipment.

舰船设备的抗冲击能力决定了舰船的战时生命力，研发具有更好抗冲击性能的结构及元件一直是研究热点，同时也面临着诸多挑战。首先，传统抗冲击元件的设计多未考虑橡胶的应力软化特性，真实抗冲击性能与设计值的偏差将威胁设备安全；其次，传统元件在抗冲击后释放的能量可能对设备造成二次冲击破坏；另外，传统元件难以承受多次冲击而导致重复利用性差，而其更换作业又常受到舰船短维修周期、小作业空间的限制。针对上述瓶颈，本项目拟研究一种含Mullins效应的锁能抗冲击超材料，探索既可避免二次冲击破坏、又可重复利用的锁能超材料的设计理论。利用压痕方法表征橡胶材料的Mullins效应，结合该性能建立锁能超材料“微结构-材料-抗冲击性能”一体化设计方法。发展基于锁能超材料的振动及冲击响应预报技术，开展多种抗冲击试验及应用验证。本研究将为新型抗冲击元件的设计及应用提供有益借鉴，为进一步提高舰船设备抗冲击性能奠定坚实基础。

舰船通用减振降噪元件多由橡胶材料组成，材料软化特性对于器件服役特性具有重要影响。因此，考虑材料软化特性的隔振抗冲击结构设计是必要的。然而，传统抗冲击元件的设计多未考虑橡胶的应力软化特性，真实抗冲击性能与设计值的偏差将威胁设备安全；其次，传统元件在抗冲击后释放的能量可能对设备造成二次冲击破坏；因此，本项目拟开展含Mullins效应的锁能抗冲击超材料设计相关研究。.项目开展了锁能力学超材料抗冲击机理与仿真方法研究，发展了表征Mullins效应本构模型参数的压痕方法、吸管方法以及机器学习表征方法，并对含掺杂材料进行软化性能表征验证；对一维可重构锁能力学超材料结构开展数值计算研究，发展锁能力学超材料设计及冲击响应预报方法，分析一维锁能力学超材料结构的能带结构与模态；开展抗冲击手性锁能结构优化设计及试验研究，对金字塔结构以及三维星型结构能带特性进行分析。.本项目搭建了基于ISIGHT和ABAQUS的Mullins效应参数优化设计平台，可根据实际压痕/吸管试验反演获得材料软化效应参数，其中压痕方法反演参数精度可达2%，吸管方法反演参数精度可达1%；发展了利用xgboost算法的Mullins效应参数优化设计方法，基于仿真数据集确定了软化参数反演最优的算法参数配置；通过实际掺杂橡胶试验验证了压痕反演软化参数的有效性，建立了聚氨酯材料不同掺杂组分与材料本构参数之间的对应关系，提出了一种更定量地配制包含颗粒填料的弹性体组合物的方法；获得了一维锁能力学超材料结构双向拉伸的状态下的带隙特征及规律；基于Grasshopper完成了手性锁能结构的参数化建模，搭建了开展大规模实体结构有限元仿真及后处理分析的计算平台，提出了一种率相关的新型手性抗冲击锁能结构；开发了针对金字塔圆筒结构和三维星型结构的能带和振动传递计算程序，已证实在某宽低频范围内均具有显著禁带。.本研究创新性提出了基于压痕/吸管/机器学习的Mullins效应表征方法，可以为材料Mullins效应表征提供新的便捷表征手段，将为高性能纳米粒子填充聚合物和聚合物阻尼器件量化设计有所帮助；本方法可以为设计兼具设备抗冲击及减隔振性能的装置提供快速、多元化的优选方案，从而在复杂多变的工业应用场景下实现更宽频谱下良好的抗冲击和低频隔振性能；研究发现金字塔管结构以及三维星形结构可以实现弹性波的宽带隔离，将为新型减隔振元件设计提供依据。