一种用于防护工程的新型抗冲击结构及其设计方法

本发明属于工程防护，具体涉及一种用于防护工程的新型抗冲击结构及其设计方法，是一种用于防护工程的高性能钢材及其复合结构设计方法，也是一种由钢板和陶瓷组合而成的新型抗冲击防护结构及其设计方法。

背景技术：

1、提升工程设施的抗爆抗冲击能力，确保工程结构在重大灾害中的安全，减少灾后损失应是结构工程领域的重要研究方向。作为传统防护结构材料，钢材因其具有良好的塑性变形能力而被广泛应用。然而，目前应用于防护工程的传统钢材，防护效能不高，难以满足工程设施快速响应的要求。

2、twip (twinning-induced plasticity)钢，即孪生诱发塑性钢，同时拥有优异的抗拉强度（约1000 mpa）、塑性（约为80%）、成型性能，以及良好的撞击吸收能量能力，并对撞击碎片具有良好的拦截能力。其强塑积可高达50000 mpa%，为传统合金钢的4到5倍，双相钢的3倍，trip（transformation-induced plasticity）钢的2倍。基于twip钢轻质高强、高动态吸能等特点，使其有望应用于大型洞库等防爆、抗震领域，满足轻质高效的防护需求。但是单一均质twip钢材往往难以同时兼顾轻量化和防护性能，因此防护结构的复合化是必然趋势。陶瓷面板/背板结构是目前工艺最简单且应用最广泛的一种复合防护结构。当受到冲击时，陶瓷面板会首先形成陶瓷破碎锥，分散载荷，高性能的twip钢背板可以为陶瓷面板提供支撑，从而提高结构的抗弹抗爆等防护性能。

3、单次打击后，陶瓷面板便会出现较大范围的损坏，抗多发弹打击的性能较差。拓扑互锁结构是2003年由dyskin和estrin提出，该结构是指很多相同形状和尺寸的子构件通过一定的排列方式组装到一起，形成一种具有特殊功能的整体结构。整体结构中各个子构件之间相互约束但是接触面并无粘结，结构性能的差异往往与子构件的形状和排列方式有着密切关系。该结构不仅具有较大的承载能力还具有优异的抗冲击能力，当遭到碰撞等冲击时，子构件破坏缺失，毗邻的子构件会限制裂纹的扩展，使整体上仍然保持稳定。相比于整体板结构，拓扑互锁结构具有更好的韧性和稳定性。

4、因而亟需开发一种用于防护工程的高性能钢材并通过结构设计，使其效能达到最佳。

技术实现思路

1、为了提升现有防护结构抗弹防爆综合性能，本发明提供了一种用于防护工程的新型抗冲击结构及其设计方法，是一种由钢板和陶瓷组合而成的新型抗冲击防护结构及其设计方法，也是一种用于防护工程的高性能钢材复合结构的设计方法，设计了一种由twip钢和陶瓷组合而成的高性能防护结构，将twip钢和陶瓷的优异特性结合起来，成为一种新型抗冲击防护结构件；充分发挥twip钢轻质高强、高动态吸能，陶瓷层高强度、高硬度等材料性能优势，同时利用拓扑互锁结构解决现有防护结构效能不足、成本高昂、施工维护困难等问题，使构件整体设计简单、布局灵活、方便快捷，具有优异的抗冲击性能。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种用于防护工程的新型抗冲击结构，是一种由钢板和陶瓷组合而成的新型抗冲击防护结构，由陶瓷层和钢板层制成，其中的钢板层和陶瓷层通过粘合剂固定在一起；

4、陶瓷层作为防护外层，钢板层为防护内层，在陶瓷层的四周设有边缘型钢；所述的边缘型钢为twip钢框架；

5、钢板层为整体板结构，陶瓷层由若干子构件通过拓扑互锁结构组装到一起；所述的钢板层是选自化学成分为fe-18mn-0.5c-1.5al的twip钢板；

6、各个子构件通过互以共轭的凹凸面接触而相互制约，最终形成双层抗冲击防护结构；

7、所述的用于防护工程的新型抗冲击结构，兼具高强度与高塑性，具有以下性能：

8、抗拉强度≥1.3gpa，塑性均在45%以上。

9、进一步的，所述的粘合剂，选自环氧树脂胶；将环氧树脂胶进行粘接，粘接后进行24h固化。

10、进一步的，所述的子构件为正六边形板状、等腰直角三角形板状等。

11、进一步的，所述的凹凸面接触采用榫卯结构形式，包括矩形锯齿结构、梯形锯齿结构、单凹凸结构、余弦骨形结构等。

12、进一步的，所述的边缘型钢为拓扑互锁结构周边施加横向力，约束边缘子构件的横向移动。

13、进一步的，所述的边缘型钢与钢板层的连接方式为螺栓连接或焊接。

14、进一步的，所述的用于防护工程的新型抗冲击结构具有以下性能：在不同应变率下的力学性能如表1所示，其抗拉强度高达1.3gpa，塑性均在45%以上，兼具高强度与高塑性：

15、表1：不同应变率下的力学性能

16、

17、上述一种用于防护工程的新型抗冲击结构的设计方法，包括以下步骤：

18、1）钢板层和陶瓷层通过粘合剂固定：通过在陶瓷层上涂刷1mm厚环氧树脂胶，将1层陶瓷层与1层fe-18mn-0.5c-1.5al twip钢层进行粘接，并在粘接后进行24h固化，保证粘接可靠；

19、2）陶瓷层由若干子构件通过拓扑互锁结构组装到一起：陶瓷层子构件加工设置设计形状，通过榫卯结构将相互啮合的子构件连接，并按设计规则排列，最终组装为1块整体陶瓷层；所述的子构件加工设置设计形状，为正六边形板状、等腰直角三角形板状；

20、在陶瓷层的四周设置边缘型钢，对拓扑互锁结构施加边界约束，组合呈一种可承载冲击的整体结构：将twip钢加工成尺寸匹配的边缘型钢，与陶瓷层相互配合，所述的边缘型钢与钢板层采用螺栓连接或焊接以实现整体结构稳定性；

21、3）各个子构件通过互以共轭的凹凸面接触而相互制约，通过对陶瓷正六面体或等腰直角三角形板子构件设置两种型式，分别为凹子构件和凸子构件，通过将两种子构件相互共轭，使凸起与凹坑相互吻合镶嵌，最终组装成整体陶瓷层。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、1、本发明所述的一种用于防护工程的新型抗冲击结构，将拓扑互锁结构的陶瓷层作为防护结构外层，当受到集中载荷时可以有效阻挡裂纹扩展而不失去整个结构的整体性，同时削弱内层twip钢所受到的冲击力载荷，使整个结构具有高强度、高塑性、高撞击吸收能等优势。大大弥补目前防护结构效能不足、易失效、成本高昂、施工维护困难等问题，使构件整体设计简单、布局灵活、方便快捷、绿色环保，具有优异的抗冲击性能。

24、2、本发明所述的一种用于防护工程的新型抗冲击结构的设计方法，不仅结合了twip钢和陶瓷的性能优势，选择具有高吸能特性的twip钢作为内层以及具有优异抗侵彻性能的陶瓷层作为外层，在材料方面实现效能增强；同时设计拓扑互锁结构作为承载吸能层，在结构方面对抗冲击性能有所提升。该设计方法能够发挥材料和结构层面的双重优势，实现整体结构的高效能防护。

技术特征：

1.一种用于防护工程的新型抗冲击结构，其特征在于：是一种由钢板和陶瓷组合而成的新型抗冲击防护结构，由陶瓷层和钢板层制成，其中的钢板层和陶瓷层通过粘合剂固定在一起；

2.根据权利要求1所述的一种用于防护工程的新型抗冲击结构，其特征在于：所述的粘合剂，选自环氧树脂胶。

3.根据权利要求1所述的一种用于防护工程的新型抗冲击结构，其特征在于：所述的子构件为正六边形板状、等腰直角三角形板状。

4.根据权利要求1所述的一种用于防护工程的新型抗冲击结构，其特征在于：所述的凹凸面接触采用榫卯结构形式，包括矩形锯齿结构、梯形锯齿结构、单凹凸结构、余弦骨形结构。

5.根据权利要求1所述的一种用于防护工程的新型抗冲击结构，其特征在于：所述的边缘型钢为拓扑互锁结构周边施加横向力，约束边缘子构件的横向移动。

6.根据权利要求1所述的一种用于防护工程的新型抗冲击结构，其特征在于：所述的边缘型钢与钢板层的连接方式为螺栓连接或焊接。

7.权利要求1-6任一项所述的一种用于防护工程的新型抗冲击结构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种用于防护工程的新型抗冲击结构及其设计方法，本发明的防护结构是将钢板层和陶瓷层通过粘合剂固定在一起；陶瓷层作为防护外层，钢板层为防护内层；在陶瓷层的四周设有边缘型钢；钢板层为整体板结构，陶瓷层由若干子构件通过拓扑互锁结构组装到一起；各个子构件通过互以共轭的凹凸面接触而相互制约，最终形成双层抗冲击防护结构。本发明充分发挥TWIP钢轻质高强、高动态吸能，陶瓷层高强度、高硬度等材料性能优势，同时利用拓扑互锁结构解决现有防护结构效能不足、成本高昂、施工维护困难等问题，使构件整体设计简单、布局灵活、方便快捷、绿色环保，具有优异的抗冲击性能。

技术研发人员：刘希月,杨佳,冯新畅,白书欣,叶益聪,朱利安
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5