CN102717542A - 一种三明治防弹夹层板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三明治防弹夹层板，包括上面板、下面板和芯体，所述的芯体由多层胞元按一定规律交叉排列形成；所述的胞元为六边形，上下呈对称的燕尾形状，上下两条边为等长水平胞臂h、左右四条边为等长斜胞臂l，水平胞臂h与斜胞臂l之间具有夹角λ且λ<90°，水平胞臂h的长度与斜胞臂l的长度之间满足公式h>2l·cosλ。本发明在受到子弹冲击载荷作用时，芯体表现负泊松比性质，材料会向子弹作用区域聚集，从而使得芯体局部强度增加，防止板件尤其是芯体被子弹轻易射穿。本发明既保持了三明治夹层板能量吸收能力强的优势，同时又使其在受局部冲击载荷作用时发生局部强化，增加了三明治夹层板对冲击载荷的阻抗能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种防弹夹层板结构，特别是一种三明治防弹夹层板。
背景技术
三明治夹层板由致密金属面板和高孔隙率金属芯体组合而成，因其质量轻、吸能效率高的优点，越来越受到学术界以及工程界的重视，特别是在航空航天飞行器、高速列车以及高速舰船等高科技领域得到广泛应用。
现有的三明治夹层板芯体大多是由普通多微孔金属结构或者泡沫金属材料组成，这类芯体在受到压缩载荷作用时，在垂直于受力方向会发生膨胀，即表现出正的泊松比值。泊松比是由法国数学家西蒙·泊松得名，表示材料横向应变与纵向应变之比。泊松比为正值意味着夹层板在受到子弹冲击载荷作用时，受冲击部位的材料会向四周流动，加之多微孔结构本身强度低的特点，一旦金属面板破坏，整个板件就很容易被子弹穿透而对后面的人员或者设备造成伤害。
在自然界中，大部分材料的泊松比都为正值，范围在0~0.5之间，其中绝大部分都在0.2~0.4之间。然而自然界中也存在少数具有负泊松比的材料，例如α-方晶石的泊松比约为-0.16。负泊松比材料相比于普通材料具有特殊的微观结构和奇特的力学性能，其受拉伸时，弹性范围内横向发生膨胀；相反受压缩时，横向发生收缩。因为这种特殊的力学特性，负泊松比材料又被称为拉胀材料。材料的负泊松比特性多来自于材料的特殊微结构。自从1987年Lakes首次制备出泊松比为-0.7的内凹泡孔结构泡沫以来，迄今已经发现及制备了多种微观结构和变形机理的拉胀聚合物，主要包括多孔状拉胀结构、拉胀复合材料以及分子拉胀材料。
负泊松比现象使得拉胀材料有很多奇特的力学性能，如材料的剪切模量和断裂韧性加强、压痕阻力增加、同向曲率变形行为等等。这使得该种材料在很多领域与常规材料相比具有很大优势。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可增强板件对子弹冲击作用有较强阻抗能力的三明治防弹夹层板。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种三明治防弹夹层板，包括上面板、下面板和芯体，所述的芯体上表面与上面板连接、下表面与下面板连接；所述的上面板和下面板均为0.5~2mm厚的板件；
所述的芯体由多层胞元按一定规律交叉排列形成；
所述的胞元为六边形，上下呈对称的燕尾形状，上下两条边为等长水平胞臂h、左右四条边为等长斜胞臂l，水平胞臂h与斜胞臂l之间具有夹角λ且λ<90°，水平胞臂h的长度与斜胞臂l的长度之间满足公式h>2l·cosλ；
所述的一定规律是：第一层相邻两胞元下部的斜胞臂l正好构成第二层胞元上部的两个斜胞臂l，第一层相邻两胞元上部斜胞臂l与下部斜胞臂l的交点连线正好构成第二层胞元上部的水平胞臂h；第三层胞元上部的水平胞臂h即为第一层胞元下部的水平胞臂h，第三层相邻两胞元上部的斜胞臂l正好构成第二层胞元下部的两个斜胞臂l；依此类推，构成多层交叉排列的内凹蜂窝状结构。
所述的胞元尺寸：斜胞臂l为2.5~5mm，水平胞臂h为5~10mm，斜胞臂l和水平胞臂h的厚度t均为0.2~1mm，夹角λ为30~75°。
所述的芯体的厚度由胞元的层数确定，宽度由每层胞元的个数确定。
所述的连接方式为粘接或焊接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在受到子弹冲击载荷作用时，芯体表现负泊松比性质，材料会向子弹作用区域聚集，从而使得芯体局部强度增加，防止板件尤其是芯体被子弹轻易射穿。
2、由于本发明的芯体是由具有负泊松比特性的胞元构成的内凹蜂窝状结构，既保持了三明治夹层板能量吸收能力强的优势，同时又使其在受局部冲击载荷作用时发生局部强化，增加了三明治夹层板对冲击载荷的阻抗能力。
附图说明
图1为本发明所述负泊松比芯体结构夹层板的三维视图。
图2为负泊松比芯体结构正视图。
图3为胞元结构图及其主要设计变量。
图4为负泊松比芯体结构受集中载荷前变形模式图。
图5为负泊松比芯体结构受集中载荷后变形模式图。
图6为胞元的排列方式图。
图7为由单个胞元连接形成的双层胞元结构三维视图。
图8为多层胞元结构三维视图。
图9为六层胞元的夹层板。
图10为十四层胞元的夹层板。
图11为普通泡沫金属芯体受子弹冲击前变形模式图。
图12为普通泡沫金属芯体受子弹冲击后变形模式图。
图13为负泊松比芯体结构受子弹冲击前变形模式图。
图14为负泊松比芯体结构受子弹冲击后变形模式图。
图15为普通泡沫金属芯体夹层板受子弹冲击前变形模式图。
图16为普通泡沫金属芯体夹层板受子弹冲击后变形模式图。
图17为负泊松比芯体结构夹层板受集中载荷前变形模式图。
图18为负泊松比芯体结构夹层板受集中载荷后变形模式图。
图中：1、上面板，2、下面板，3、芯体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。本发明是一种具有负泊松比芯体3的三明治夹层板。与传统蜂窝材料、泡沫材料比较，负泊松比材料具有特殊的力学性能。
在不同载荷作用下，负泊松比结构会表现出不同的特征。负泊松比结构特有的力学特征包括材料局部强化效应，同向曲率变形等。
图4、图5显示了本发明所述的负泊松比结构在局部冲击载荷作用下的变形模式，该结构在某个方向局部受压时，在载荷作用方向以及垂直于该方向同时会发生收缩。这种现象导致受载区域以外的材料也会向载荷作用点聚集，使得该区域材料的强度、刚度都会增加，从而对局部冲击载荷产生更大的阻抗作用。
图1即为本发明的负泊松比芯体3夹层板三维视图。本发明由上面板1、下面板2和芯体3组成，上面板1与芯体3以及芯体3与下面板2之间通过粘接或焊接连接。构成上面板1、下面板2和芯体3的基体材料可以是多种多样的，并不局限于金属材料，以满足不同应用领域的不同要求。图2即为负泊松比芯体3结构正视图。
图3所示胞元结构按照一定规律排列形成负泊松比芯体3结构，该图还显示了负泊松比结构胞元的几个主要设计变量l、h、t、λ，不同的变量取值对应不同的泊松比值，如当h=10mm，l＝5mm，t＝0.5mm，λ=75°时，泊松比ν＝-2.07；当h=10mm，l＝5mm，t＝0.5mm，λ=60°时，泊松比ν=-1。同时这些变量也会影响到芯体3结构的等效弹性模量、屈服强度等力学属性。
图6~图8显示了胞元的排列规律以及形成芯体3结构的过程：第一层相邻两胞元下部的斜胞臂l正好构成第二层胞元上部的两个斜胞臂l，第一层相邻两胞元上部斜胞臂l与下部斜胞臂l的交点连线正好构成第二层胞元上部的水平胞臂h；第三层胞元上部的水平胞臂h即为第一层胞元下部的水平胞臂h，第三层相邻两胞元上部的斜胞臂l正好构成第二层胞元下部的两个斜胞臂l；依此类推，构成多层交叉排列的内凹蜂窝状结构。芯体3的厚度由胞元的层数确定，宽度由每层胞元的个数确定。
图9、图10给出了两种不同胞元层数构成的负泊松比芯体3结构夹层板。根据不同的厚度要求，胞元层数可以变化。
图11~图18显示了用有限元方法模拟的对负泊松比芯体3夹层板在子弹冲击作用下的概念验证效果图，此时h=5mm，l＝3.8mm，t 0.2mm，λ58°时，泊松比ν=-1.73。
图11~图14对比了等效厚度的普通泡沫铝材料芯体3和负泊松比芯体3在等条件子弹冲击作用下的效果。结果表明普通泡沫铝芯体3表现出正常的泊松比性质，子弹作用区域的材料被向外侧挤压；而负泊松比芯体3则表现出明显的负泊松比性质，子弹作用区域的材料向作用中心聚集，局部强度得到加强。
图15~图18对比了等效厚度的普通泡沫铝芯体3夹层板和负泊松比芯体3结构夹层板在等条件子弹冲击作用下的效果。普通泡沫铝芯体3夹层板被子弹射穿，而在同等条件下，负泊松比芯体3夹层板只被穿透一半，表明负泊松比芯体3夹层板对子弹有更好的阻抗能力。
Claims (4)
1.一种三明治防弹夹层板，包括上面板（1）、下面板（2）和芯体（3），所述的芯体（3）上表面与上面板（1）连接、下表面与下面板（2）连接；所述的上面板（1）和下面板（2）均为0.5~2mm厚的板件；
其特征在于：所述的芯体（3）由多层胞元按一定规律交叉排列形成；
所述的胞元为六边形，上下呈对称的燕尾形状，上下两条边为等长水平胞臂h、左右四条边为等长斜胞臂l，水平胞臂h与斜胞臂l之间具有夹角λ且λ<90°，水平胞臂h的长度与斜胞臂l的长度之间满足公式h>2l·cosλ；
所述的一定规律是：第一层相邻两胞元下部的斜胞臂l正好构成第二层胞元上部的两个斜胞臂l，第一层相邻两胞元上部斜胞臂l与下部斜胞臂l的交点连线正好构成第二层胞元上部的水平胞臂h；第三层胞元上部的水平胞臂h即为第一层胞元下部的水平胞臂h，第三层相邻两胞元上部的斜胞臂l正好构成第二层胞元下部的两个斜胞臂l；依此类推，构成多层交叉排列的内凹蜂窝状结构。
2.根据权利要求1所述的一种三明治防弹夹层板，其特征在于：所述的胞元尺寸：斜胞臂l为2.5~5mm，水平胞臂h为5~10mm，斜胞臂l和水平胞臂h的厚度t均为0.2~1mm，夹角λ为30~75°。
3.根据权利要求1所述的一种三明治防弹夹层板，其特征在于：所述的芯体（3）的厚度由胞元的层数确定，宽度由每层胞元的个数确定。
4.根据权利要求1所述的一种三明治防弹夹层板，其特征在于：所述的连接方式为粘接或焊接。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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