高压容器在压缩载荷作用下的力学性能及防护结构的保护效果

《Ocean Engineering》：Mechanical properties and protection effect of protective structures for high-pressure vessels under compressive loading

高压容器海洋应用中基于负泊松比蜂窝结构的保护优化研究。提出RAWH保护结构，通过等效方法量化参数关系，建立有限元模型，对比RHH、RRH等6种蜂窝结构，实验验证显示RAWH在n=0.8时实现最大减重64.46%，等效应力降低87.01%，能量吸收效率提升90.94%。研究揭示了参数n与结构性能的耦合机制，提出基于损伤缓解、结构效率和任务匹配的保护策略选择方法，为海洋工程装备提供轻量化高韧性解决方案。

　　在海洋工程领域，高压力容器（HPV）在应用过程中常常受到压缩损伤的影响。这种损伤可能源于海浪冲击、碰撞或高速压缩负载，这些情况可能导致容器失效，从而引发危险物质泄漏，造成严重的经济损失和人员伤亡。因此，开发一种能够有效减轻压缩损伤的保护结构成为提高海洋运输安全性和经济性的关键。本文提出了一种基于“Roller Arrowhead Wings Honeycomb”（RAWH）结构的保护方案，该结构在等效方法的基础上进行了设计，并与传统的“Roller Hexagonal Honeycomb”（RHH）和“Roller Re-entrant Honeycomb”（RRH）结构进行了比较研究。通过数值模拟和实验测试，分析了RAWH结构的机械性能、能量吸收能力、结构稳定性和结构效率，以评估其在海洋环境中的保护效果。

### 保护结构设计与参数关联

RAWH结构是一种结合了双箭头蜂窝（DAH）和凹陷蜂窝（RH）单元结构的新型负泊松比（NPR）结构。该结构在压缩过程中表现出优异的能量吸收能力，能够通过细胞变形和力传递路径的优化，有效缓解HPV的压缩损伤。通过推导厚度与宽度比因子n的表达式，对RAWH的结构参数进行了系统量化，并进一步将DAWH单元的参数影响规则扩展到集成的RAWH配置中。研究发现，因子n是描述RAWH填充蜂窝单元的重要参数，它与其它几何特性之间建立了关键的映射关系。随着n值的增加，RAWH的相对密度逐渐降低，而其结构的等效泊松比则呈现正向变化趋势，从而增强了结构的负泊松比特性。

为了确保保护结构在压缩过程中具有良好的能量吸收效果，研究者对不同密度的RAWH结构进行了设计。通过几何约束和代数同质化方法，推导出n与结构参数之间的关系，如连接角度、结构半径、填充层半径等。这些参数的调整机制进一步揭示了RAWH结构在压缩条件下的性能变化规律。此外，RAWH的结构设计考虑了海洋环境中的动态负载特性，包括低速碰撞和海浪冲击，这些负载条件要求保护结构具有高度的适应性和稳定性。

### 材料选择与制造工艺

为了实现RAWH结构的高保护性，研究者选择了具有良好弹性性能、成本效益和可制造性的尼龙材料作为基材。该材料在海洋环境中表现出优异的抗腐蚀性和轻量化特性，同时具备较高的强度和压缩能力。此外，研究还考虑了不同的制造工艺，如多喷射融合（MJF）和熔融沉积成型（FFF），以评估其对蜂窝结构性能的影响。其中，MJF适用于高性能能量吸收组件，如航空航天领域的抗冲击结构；而FFF则更适合低精度原型设计，但需避免薄壁结构的使用。

在实验过程中，通过选择激光烧结（SLS）技术，利用Bambu Lab H2D打印机制造了RAWH实验样本，确保了结构的精确性和细节的完整性。实验样本的制造参数包括打印速度、层厚、扫描填充速度和功率等，这些参数的选择对实验结果的准确性具有重要影响。此外，实验过程中采用了数字图像相关（DIC）技术，以获取变形模式和工程应变数据，从而对RAWH的机械行为进行深入分析。

### 数值模拟与实验分析

研究者通过有限元模型（FEM）对RAWH、RHH和RRH结构的机械性能进行了数值模拟。模拟结果表明，RAWH在三种压缩速度下均表现出优于RHH和RRH的保护效果。具体而言，在特定的比能吸收（SEA）条件下，RAWH的重量比RHH减少了64.46%，同时平均等效应力降低了87.01%，能量吸收效率提高了90.94%。这些结果表明，RAWH在压缩条件下具有更强的保护能力和更高的能量吸收效率。

实验测试则进一步验证了RAWH的保护性能。实验样本在80°C环境下进行了6小时的固化处理，并在表面喷涂了随机的斑点以用于DIC图像处理。通过高速摄像机记录变形过程，并结合工程应变和能量吸收数据，实验结果与模拟结果进行了对比分析。研究发现，RAWH的变形模式和能量吸收特性在不同压缩速度下表现出一定的差异，但在整体上，其保护效果优于RHH和RRH。特别是，RAWH在压缩过程中能够有效分散负载，减少对HPV组件的直接冲击，从而提高结构的稳定性和安全性。

### 保护结构的机械行为与损伤机制

在压缩过程中，RAWH结构表现出独特的机械行为。首先，其等效应力曲线在初始弹性阶段呈现出明显的应力峰值和下降趋势，这种现象在低速压缩条件下尤为显著。随着压缩速度的增加，RAWH的应力峰值逐渐升高，但其应力曲线的波动性相对较低，表明其具有较强的抗冲击能力。相比之下，RHH结构的应力曲线波动性较大，表明其在压缩过程中容易发生局部屈曲，从而降低保护效果。

此外，RAWH的变形模式在不同压缩速度下也表现出一定的差异。在低速压缩条件下，RAWH的变形主要集中在中心区域，表现出显著的横向收缩和纵向压缩变形。而在高速压缩条件下，变形范围扩大，应力分布更加均匀，表明其具有较强的能量吸收能力。通过分析RAWH的应力分布和变形模式，研究者发现，其负泊松比特性能够有效引导变形，从而减少对HPV组件的直接冲击，提高整体的结构稳定性。

### 保护结构的效率与应用前景

为了评估不同RAWH结构的保护效率，研究者引入了“比能吸收”（SEA）和“比应力”（Sσ）等指标。通过计算不同结构在压缩过程中的能量吸收和应力分布，研究者发现，RAWH在三种压缩速度下均表现出较高的SEA值和较低的Sσ值。这表明，RAWH在保护HPV方面具有较高的效率，能够有效降低压缩负载对结构的影响。

此外，研究还分析了不同结构在压缩过程中的力传递路径。RAWH的力传递路径能够有效分散压缩能量，从而减少对HPV的直接冲击。相比之下，RHH的力传递路径较为集中，容易导致局部应力集中，进而引发结构失效。因此，RAWH在保护结构的设计中具有明显的优势，能够有效提高HPV的抗冲击能力。

### 结论与未来研究方向

本文的研究成果表明，基于RAWH结构的保护方案能够显著提高HPV在海洋环境中的压缩保护性能。通过参数调整和结构优化，RAWH在不同压缩速度下均表现出优异的保护效果，特别是在低速压缩条件下，其能量吸收能力和应力分布特性均优于RHH和RRH。此外，RAWH的负泊松比特性能够有效引导变形，减少对HPV组件的直接冲击，从而提高整体的结构稳定性。

未来的研究方向包括：开发动态尺寸效应数据库，以覆盖典型的蜂窝单元尺寸范围；探索生物仿生曲面蜂窝的跨尺度机械行为；建立包含时间效应的尺寸效应模型；设计水下压缩实验以记录蜂窝结构在波浪冲击下的接触状态，从而验证和优化摩擦系数；以及将摩擦耗散项整合到现有的能量吸收模型中，以重新计算不同摩擦系数下的等效保护效果。这些研究将进一步完善海洋工程中蜂窝结构的应用理论，为实际工程设计提供更加精准的参考依据。