本实用新型涉及工程防护结构，尤其是含高效吸能柱胞结构以增强抗爆炸冲击性能的多层曲面柱胞作为爆炸冲击吸能层的防护结构。
背景技术：
防护结构位于工程口部，如防护门等，是防止爆炸冲击波传到工程内部最重要的防护设备。与核爆炸荷载不同，常规爆炸荷载在介质中衰减比核爆炸荷载要快得多（与距离的三次方成正比），且作用时间短，一般作用时间在几毫秒到十几毫秒之间，具有早期加载迅速、高频成分丰富、爆炸波波长短等特点。在《防护工程防核武器结构设计规范》规定，防护结构的反弹按0.03-0.05MPa反向静荷载计算。分析表明，常规武器爆炸冲击波作用下的防护结构反弹力远大于此。提高防护结构防护能力一般是提高结构基层的结构强度与刚度，从而获得对冲击波荷载更高的抗力。但这一方法也增加了结构基层的重量，开启难度加大，同时对反弹作用抑制并不理想。而在传统的高强度结构基层结构中增设能够消耗冲击波能量的吸能层，也是一种有效的加固方法，原理是通过吸能层中吸能材料自身不可逆的塑性变形有效地耗散爆炸冲击能量，从而显著地降低冲击波荷载的峰值，缓解冲击波反弹效应对结构基层的破坏，保护防护结构的结构安全。
柱胞结构吸能功能层由数个柱胞结构单元排列成阵列，并在其表面设置较高强度面板构成。柱胞单元是采用薄壁金属等制作成的空心曲面体，是一种适用于爆炸冲击波等高应变率荷载的低成本、高效率的吸能结构。柱胞结构吸能功能层是由按一定规律排列的柱胞单元组成，并在上下复合一层薄面板。面板材料具有较高的抗弯曲强度和拉伸强度，能够承受由弯矩引起的面内拉压载荷，保证复合材料具有较高的承载强度。柱胞结构单元在冲击荷载作用下，通过显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度，从而达到吸能缓冲的效果。其在爆炸荷载作用下具有大变形承载稳定、变形时间长、压缩量程长等优点，且可通过填充聚氨酯泡沫、泡沫铝等多孔材料显著提高吸能性能。
上述方管、圆管、多胞/蜂窝结构的柱胞单元完全变形吸能值高，但是存在一个变形荷载“阈值”——即对于某一确定的柱胞单元，外加冲击荷载必须达到一定数值之上，该柱胞单元才会发生塑性变形，从而实现对冲击能量的吸收。否则该柱胞单元对外加冲击荷载只能起到承力、传力作用，基本不能发挥吸能作用。但其峰值可能不能达到圆管变形吸能“阈值”，导致圆管并不变形吸能，从而使得整体吸能结构吸能效率不能得到充分发挥，吸能效率显著降低。
将方管和圆管等与空心圆椎体、球壳相组合柱胞单元一般称为几何构型单元。目前研究较多的是金属空心圆柱体+空心锥体+球壳结构相结合的吸能单元。研究表明，在轴向冲击荷载作用下这种组合几何构型的吸能性能要高于所组成的两部分构型各自吸能性能之和，且随着轴向冲击速度增大，组合几何构型的吸能性能也不断提高。
这种结构能够在很大程度上克服柱胞单元变形吸能对冲击荷载“阈值”的局限。但是存在难题在于：一是空间几何形状较复杂，制备工艺复杂，加工困难，成本较高；二是任然存在较大的荷载“阈值”限制：如果是半球壳+圆管组合方式，完全变形状态下吸能值很大，但在实际工程中，由于冲击荷载的特点是作用时间短，初期荷载大而后迅速衰减。因此，当半球壳首先变形吸能后，由于冲击荷载能量的迅速降低，荷载峰值可能不能达到圆管变形吸能“阈值”，导致圆管并不变形吸能，从而使得整体吸能结构吸能效率不能得到充分发挥，吸能效率显著降低。
技术实现要素：
本实用新型针对现有技术的上述不足，提供一种多层曲面柱胞作为爆炸冲击吸能层的防护结构；具有渐进吸能的优点，增强抗爆炸冲击性能，显著增强对工程的防护作用。
本实用新型的技术方案：多层曲面柱胞作为爆炸冲击吸能层的防护结构，包括结构基层，其特征在于：在结构基层的一面，设置有吸能防护功能层，所述吸能防护功能层，包括面板和柱胞结构单元，若干个柱胞结构单元设置在面板内面；柱胞结构单元为曲面体。
进一步的特征是：所述的柱胞结构单元与面板之间，预制成一体结构，形成预制柱胞结构吸能层模块。
柱胞结构单元是单层薄壁空心曲面结构。
柱胞结构单元是多层薄壁空心曲面叠加结构。
所述柱胞结构单元，由依次排列的第一曲面体、第二曲面体、第三曲面体、第四曲面体同向叠加构成，第一曲面体位于上端，其外表面的上端与面板的内侧面连接，第一曲面体、第二曲面体、第三曲面体、第四曲面体形成包围结构。
每个柱胞结构单元的上、下相邻两块曲面体之间的间隙之间，加入填充材料。
所述面板与柱胞结构单元，是金属材质，或非金属材质；两者材质相同，或者不同。
本实用新型的防护结构，相对于现有技术，具有如下特征：
1、同厚度尺寸条件下，多级变形吸能，吸能密度高。通过变形吸能的夹芯复合材料吸能效能受在冲击荷载作用下结构变形程度制约，可变形结构体越多，变形程度越大，则吸能效能越高。多层叠加曲面体结构在同样厚度范围内，具备更多的可变形结构体。在冲击荷载下，通过面板的荷载传递，多层曲面体渐次变形吸收能量，吸能效能比单层结构显著增大，同等厚度下的吸能密度高。
2、多层曲面体变形具有渐进吸能优点，球壳柱胞结构其变形吸能没有阈值，即受到冲击荷载就会产生变形，且力-变形特点具有渐进性，对于不同类型的冲击、振动荷载都能够通过柱胞体变形吸收能量。同时，变形吸能过程中，柱胞结构承受冲击荷载的内应力随变形逐步加大，不会出现较大的内应力峰值。
3、结构基层正面含高效吸能柱胞结构，增强抗爆炸冲击性能，显著增强对工程的防护作用。
4、易于加工。相比组合式结构的复杂空间曲面，半球壳体可以采用冲压、浇注、切削等工艺，相向球壳的组装可以采用焊接、铆接、粘结、嵌固等方式，易于进行工业化生产。
附图说明
图1是本实用新型防护结构结构示意图；
图2是本实用新型防护结构安装结构示意图；
图3本实用新型柱胞单元结构排列方式结构示意图；
图４是本实用新型柱胞单元四层叠加结构示意图；
图5是本实用新型柱胞单元单层薄壁空心曲面结构示意图；
图6是不同爆炸荷载下钢板防护结构结构中间位移时程曲线图。
具体实施方式
如图1、2所示，本实用新型多层曲面柱胞作为爆炸冲击吸能层的防护结构，包括结构基层1，所述结构基层1是工程防护结构的基础层，可以是工程防护门，设置在工程入口，通常是柔性防护层与刚性防护层相结合的新型防护结构，刚性防护层为钢筋混凝土结构、钢结构、钢包混凝土，或者以钢结构、钢筋混凝土结构等作为防护基体结构的防护结构，防护基体结构采用高强度钢、钢筋混凝土或复合材料制备，具有较高的结构强度和刚度，起到结构支撑作用和抗冲击波荷载变形的功能。
本实用新型的改进，是在结构基层1的一面，通常是正面，即结构基层1面向外侧的外侧面，设置有吸能防护功能层2，所述吸能防护功能层2，包括面板3和柱胞结构单元4，若干个规则或不规则排列的柱胞结构单元4设置在面板3内面；结构基层1的正面是迎向爆炸冲击波传播面，采用柱胞结构单元4能高效吸收爆炸冲击能，起到优异的防护作用，增强抗爆炸冲击性能，显著增强对结构基层1后面的工程的防护作用。
所述的柱胞结构单元4与面板3之间，可以预制成一体结构，形成预制柱胞结构吸能层模块，安装在结构基层1的正面；也可以分体设置，分别安装。
结构基层1设置在门框体5上，可以转动式设置，安装在工程的入口处，对工程内部进行防护。图2箭头所示表示工程外部的冲击力（爆炸冲击力）的方向，作用在结构基层1上。
如图3所示，本实用新型的柱胞结构单元4，若干个，横向为多个整齐排列，纵向为多排整齐排列。柱胞结构单元4为曲面体，如形状为半球形的半球壳体，或曲线形，如常规的抛物线、二次函数曲线等等，在冲击波荷载作用下较易产生较大的塑性变形。
面板3，是金属材质，或是非金属材质，如纤维增强有机高分子材料制备的复合材料，具有较高强度的面板作为冲击波荷载的承载面；柱胞结构单元4，是金属材质，或是非金属材质，如纤维增强有机高分子材料或有机高分子材料；面板3与柱胞结构单元4，两者材质可以相同，或者不同。柱胞结构单元4的半球壳体，可以是薄壁空心半球壳体（如图5所示），也可以是薄壁空心半圆管体。柱胞结构单元4的开口端或者外表面的曲面顶端与面板3之间，通过焊接、铆接或粘结等进行连接；柱胞结构单元4也可以与面板3整体冲压或浇铸等方式加工成型，成为一体结构。
如图4、5所示，柱胞结构单元4可以是单层薄壁空心曲面结构，也可以是多层薄壁空心曲面叠加结构，形成多层叠加曲面多级吸能式柱胞结构。多层叠加曲面多级吸能式柱胞结构是由多个薄壁空心曲面结构连接构成。连接方式为多层曲面体同向叠加，曲面体之间的有一定间隙，通过曲面体顶点的轴线相重合。
本实用新型的柱胞结构单元4，由依次排列的第一曲面体41、第二曲面体42、第三曲面体43、第四曲面体44同向叠加构成，第一曲面体41位于上端，其外表面的上端（曲面顶点）与面板3的内侧面（下表面）连接，第一曲面体41、第二曲面体42、第三曲面体43、第四曲面体44 形成包围结构，第三曲面体43包围第四曲面体44，第二曲面体42包围第三曲面体43和第四曲面体44，第一曲面体41包围第二曲面体42、第三曲面体43和第四曲面体44。第一曲面体41、第二曲面体42、第三曲面体43、第四曲面体44的中心线重合。
构成柱胞结构单元4的多块曲面体可以是同一曲率半径，也可以是变曲率半径。每个柱胞结构单元4的上、下相邻两块曲面体之间的间隙（孔隙）之间，加入填充材料，可以填入金属、非金属填充材料，以提高其吸能效能。
如图5所示，不同爆炸荷载下钢板防护结构结构中间位移时程曲线图，从中可以看出，结构基层变形明显变小，尤其是反弹产生的方向位移显著降低，增强抗爆炸冲击性能，显著增强对工程的防护作用。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。