近年来，化工厂、恐怖主义炸弹袭击和重大交通事故频发，建筑物的冲击防护问题日益突出，民用建筑领域亟需研发抗冲击防护体系。材料科学和技术的进步引发了对非传统结构件的广泛研究，尤其是具有稳态转变功能的新型结构体系引起了工程师们的浓厚兴趣。 本文通过分析总结常见稳态转变结构，理论研究了弹簧和曲梁两种简单稳态转变结构并探讨了其力学机理。基于这些机理，利用遗传算法和三维拓展优化设计了一种盘状三维稳态转变结构，并进行了静力往复加载试验，研究了其基本力学性能和能量传递规律。此外，还进行了动力落槌冲击试验，以研究其动力学特性和能量耗散机理。最终，结合点阵结构设计了一种稳态转变点阵抗冲击墙体并验证了其对主体结构的保护性能。 对稳态转变结构的力学机理研究表明，稳态转变结构的形成机理在于结构内部方向可变的轴向刚度与节点弯曲刚度的平衡。不同的边界条件和结构形状会产生不同的刚度组合，从而导致不同的稳态转变效应。动力学研究表明稳态转变结构在受到冲击时，部分冲击能量会被结构以势能的方式临时储存。这种短时的能量储存能够使结构跳过冲击响应最剧烈的时间，可以有效减缓冲击作用。通过遗传算法优化设计的稳态转变结构表现出了显著的稳态转变现象，具有明显的负刚度、结构损伤小、可恢复性好等特点。而利用三维旋转扫掠拓展的盘状三维稳态转变结构在圆盘的环向自约束作用下表现出了更为明显的结构非线性行为。 稳态转变结构的静力往复加载试验研究发现，稳态转变结构可以在保持材料弹性的同时能有效消耗能量，这种能量耗散的机理在于结构发生稳态转变变形后引起的结构内能量震荡和不同稳态转变曲面之间的能量传递带来的能量路径变长。另外，对稳态转变结构的叠加效应研究表明稳态转变结构的内部叠加可以在保持结构稳态转变功能的同时有效增加结构的变形刚度，提高结构耗能效率。而稳态转变结构的外部叠加可以使结构的稳态数量翻倍，并能以两倍材料的代价换来了2.5倍的能量吸收。 动力冲击试验表明稳态转变结构能够暂时吸收并储存部分冲击能量，并在冲击峰值后逐渐释放。这种独特的能量行为使得稳态转变结构具有较长的冲击响应时间和较低的峰值冲击力。此外，对结构内应变能传递的研究表明，在稳态转变过程中，多层稳态转变曲面之间会发生能量震荡，从而进一步提高能量耗散。对比蜂窝结构和稳态转变结构的动力响应和损伤模式，结果表明稳态转变结构在冲击下的损伤模式为整体损伤，而蜂窝结构为贯穿损伤。稳态转变结构在冲击过程中表现出了更高的弹性应变能占比和更低的损伤应变能占比，有效延缓了结构损伤的发生，分散了冲击能量，提高了抗冲击性能。 通过将稳态转变结构和点阵结构相结合形成了稳态转变点阵抗冲击墙体，这种墙体的点阵形式的稳态转变单元布置方式可以有效分散冲击能量，同时内部稳态转变结构可以储存和耗散冲击能量。二者的有机结合使得稳态转变结构的点阵墙体具有单一实心夹心墙体不具备的吸能优势，能够对被防护结构起到有效的冲击缓冲和冲击防护。 综上所述，稳态转变结构在吸收和耗散冲击能量方面表现出了良好的潜力。其相对较轻的结构质量和较低的结构损伤也为开发更高效的冲击防护策略提供了一种可能性。随着制造技术的发展，类似稳态转变结构这种复杂结构构型的新型结构有望应用于民用建筑抗冲击、人防工程、道路防护等多个抗冲击防护领域，提升建筑物的抗冲击能力，增强建筑物的整体安全性和耐久性，提高其抵御自然灾害和人为破坏的能力。 本文的创新点在于将结构稳态转变的概念引入结构抗冲击领域，提出了一种新型抗冲击结构。通过理论推导和参数分析，研究了稳态转变结构的力学机理和变形特征，并利用遗传算法优化设计了具备显著稳态转变特征和低损伤的结构单元。通过试验验证了其在静力和动力冲击条件下的力学表现和能量特性。最终，结合点阵结构形成了一种抗冲击效率更高的新型抗冲击墙体，为建筑物的抗冲击设计提供了一种新的思路和方法。 |
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