[0001] 本发明属于工程结构防护领域，特别涉及一种工程结构抗爆抗冲击防护装置，具体涉及一种基于门格海绵分形结构的多场景抗爆抗冲击防护装置。

[0002] 爆炸事件对人类生命及财产的威胁不容小觑，因此如何提高结构在爆炸冲击载荷下的防护性能受到工程界及学术界的广泛关注。随着科学技术的不断发展，人们对工程结构的设计要求不断提高。重要的工程结构不仅要满足正常服役性能的需求，而且应该具备在极端荷载（爆炸或冲击）作用下优越的防护性能。

[0003] 传统工程防护主要包括两种设计理念：一种采用“刚性防护”设计理念，即利用高强度结构部件来提高工程结构的承载能力，或建造防爆屏障来防止汽车炸弹的恐怖袭击；另一种为“柔性防护”设计概念，即在建筑结构外部安装柔性耗能装置，通过吸收能量来降低输入到结构上的荷载，进而减小工程结构损伤，如三明治结构或牺牲挂板。

[0004] 采用“刚性防护”设计，虽然抗爆抗冲击效果较好，但有时防护结构本身作为结构构件的一部分，破坏后可能对结构整体性有较大的影响，有时需要采用重建破坏构件的加固方式，维修成本高且施工周期长。

[0005] 采用“柔性防护”设计的防护装置，如轻质柔性牺牲挂板，易于安装，且利用芯层在相对较低的应力水平下的大塑性变形来吸收大量能量，同时将受控力传递到主结构。芯层结构有多种不同类型，如负泊松比结构、管状结构、波纹板结构等。

[0006] 分形结构是在不同长度尺度上自相似的实体，遵循自然的层次模式，而门格海绵结构是一种特征性的分形拓扑结构。门格海绵分形结构因其表面积大、体积小等特点已经在不同工程领域中应用，包括能源、建筑、生物医学、制造和城市设计领域。但是目前尚未有门格海绵分形结构在抗爆抗冲击领域中应用。

[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0024] 如图1‑7所示，本发明公开了一种基于门格海绵分形结构的多场景抗爆抗冲击防护装置，包括表板1、芯层2和背板3；所述芯层2利用环氧树脂粘接在表板1和背板3之间，所述背板3与被保护结构通过螺栓进行连接，该结构不仅可以降低由芯层传递到被保护结构的爆炸荷载，也可以实现防护装置模块化安装。所述防护装置关键部位均采用模块化装配式连接使得防护装置安装和维修加固更加便捷，大幅降低了时间和经济成本，因此通过模块化设计实现局部破坏局部更换的韧性防护目的。

[0025] 防护装置所有部件均为预制构件，其中芯层2可通过3D打印技术制备，且每个部件均采用模块化装配方式连接使得防护结构可在现场拼接完成。

[0026] 所述表板1和背板3均设计为具有高强度的金属板，作为防护装置的骨架，从而实现“刚性防护”的目的；优选的，所述表板1和背板3所用材料可为低碳钢板、不锈钢板、合金钢材和塑钢等材料。表板1可以将爆炸荷载较均匀地施加在芯层2上，并同时降低输入到芯层2的冲击能量。背板3不仅可以将防护装置固定于被保护结构上，同时还可以降低由芯层2传递到被保护结构上的爆炸荷载。

[0027] 所述芯层2优选采用具有较长应力平台的材料，在芯层受压过程中可以吸收更多的能量，进一步提升结构的防护性能。芯层具备弹性波带隙的特性，可以使在特定频率范围内的弹性波无法进行传播，进而减弱地下结构内部人员或设备的振动。除此之外，芯层基材还应具有易成型，施工方便，轻质环保等优点。

[0028] 进一步的，芯层2通过门格海绵分形结构21的变形来消耗爆炸能量，因此防护装置可以防护地上工程结构；芯层2由若干个相同的门格海绵分形结构组成，每一个门格海绵分形结构均可视为防护装置的自恢复韧性单元，利用芯层在爆炸冲击荷载下的压缩吸收能量，降低施加在被保护结构上的爆炸荷载的初始峰值，延长冲击作用持时，从而大幅提高结构的抗冲击性能。

[0029] 门格海绵分形结构的结构特性使其具有良好的吸能缓震性，每一个门格海绵分形结构如同人体骨骼中的骨小梁，通过变形来消耗冲击能量，因此该防护装置可以用于防护地上工程结构。分形结构通过再次复制相同形状的结构或通过连续去除相同形状结构的方法生成，故分形结构是多层次复杂结构，在不同尺度上具有自相似性。因此门格海绵分形结构可视为周期性和自相似性结构，具有波速调谐能力，可以实现波的调控。以门格海绵分形结构为芯层的防护装置可以作为能量阱减小地冲击波的传播，进而有效防护地下工程结构。

[0030] 优选的，门格海绵分形结构的结构参数对芯层抗冲击特性有着不同程度的影响，可以通过调整门格海绵分形结构的间距、几何尺寸、孔隙大小、形状以及分形等级等参数，改变门格海绵分形结构的能量吸收能力和波传播性能。门格海绵分形结构孔隙211大小可以通过增材制造技术进行精确调节。优选的，门格海绵分形结构孔隙211可以有方形、圆形、菱形、十字形或不同形状的孔隙混合排布。

[0031] 优选的，门格海绵分形结构21的材料可为聚乳酸材料、形状记忆合金、三聚氰胺泡沫等材料。由于其物理参数的可控性，在实际工程中，可针对不同工况合理调节芯层，从而提升防护装置抵御爆炸冲击的性能。门格海绵分形结构21可形成多重可调声子带隙，进而提供隔音降噪的功能。

[0032] 现针对工程结构墙体设置基于门格海绵分形结构的多场景抗爆抗冲击防护装置作为示例叙述安装步骤。

[0033] 步骤一，对工程结构墙体外表面进行清理，背板3表面四个角落处分别设置螺栓孔4，螺栓孔4中心距背板3相邻的两边均为40 mm，可以使用数控高速钻床完成螺栓孔4的精确布设。

[0034] 根据分形迭代程度，门格海绵分形结构21可以分为1，2，3…n个等级，本实施例将以第3分形等级为例进行门格海绵分形结构21制作过程的详细描述，其他等级的门格海绵分形结构21可以通过同样的制作方法得到，区别在于分形迭代的次数。增材制造技术在分辨率和成型质量方面的快速发展和不断改进，使得复杂打印架构成为可能，因此本专利将采用3D打印技术制造门格海绵分形结构21。

[0035] 步骤二，选择合适的3D建模软件，进行门格海绵分形结构21的建模。分形结构通过再次复制相同形状的结构或通过连续去除相同形状结构的方法生成。因此在建模软件中，首先创建一个初始的立方体单元（90 mm×90 mm×90 mm），再将立方体细分为27个相等的小立方体，并移除立方体中心和六个表面中心的小立方体，留下20个小立方体，将剩余的20个小方块分别按照上述操作进行分割。每个小立方体的边长为前一次分割立方体尺寸的1/k3，因此迭代k次后立方体边长为初始立方体边长的（1/3）。根据门格海绵的递归规则进行多次迭代，最终形成相对密度为0.4的第三分形等级的门格海绵分形结构21。

[0036] 分形拓扑会导致立方体结构体积不断减小，总表面积不断增加，随着迭代分割次数的增加，门格海绵分形结构21的表面积趋近于无穷大，而其体积趋近于零。显然，门格海绵分形结构21是一个部分完整的三维结构，其几何维数是在2到3之间的非整数，第三分形等级的门格海绵分形结构21的维数为2.73。当几何维数接近2时，门格海绵分形结构孔隙211趋于更平滑。几何维数越接近3时，孔隙空间分布的复杂性就越大，这也意味着门格海绵分形结构孔隙211占据空间的能力得到了增强。

[0037] 步骤三，将设计好的门格海绵分形结构21模型导入到3D打印切片软件中，根据所选用的3D打印材料（如聚乳酸材料、形状记忆合金、三聚氰胺泡沫等）和打印机类型，设置合适的打印参数，包括打印速度、温度等。将切片软件生成的打印文件传输到3D打印机上，完成打印。

[0038] 步骤四，将聚氨酯涂料均匀涂在表板1和背板3正反表面形成防腐蚀保护层，阻隔外界环境与表板1和背板3的接触，减少腐蚀的发生。

[0039] 步骤五，根据表板1或背板3的几何尺寸准备若干个门格海绵分形结构21，将门格海绵分形结构21等间距周期性排列，每个门格海绵分形结构21可视为单胞，彼此相邻单胞体间距为150 mm。利用环氧树脂将每个门格海绵分形结构21分别粘接在表板1和背板3之间。

[0040] 步骤六，将1 mm厚的背板3用高强螺栓5固定在墙体外表面，背板3的个数需要根据墙体的表面积进行确定，进而完成对防护装置的模块化安装。

[0041] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。