CN103009685B - 一种新型轻质抗冲击夹层结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型轻质抗冲击夹层结构。它包括两侧的面板和两面板中间的夹心材料，面板和夹心材料之间通过树脂层粘结，在夹心材料中具有若干个复合管，复合管的形状以及管径与管壁厚度，安排方式通过三维非线性有限元方程模拟获得，碳纤维管要被模拟成各向异性材料，其破坏受破坏准则控制，泡沫夹心被模拟成有塑性硬化的可压碎的泡沫，复合材料面板的模拟与碳纤维管相同，选择规则是用最少最轻的材料，通过对结构的优化使夹心结构达到最佳的吸能─重量比。

Description

一种新型轻质抗冲击夹层结构

技术领域：

本发明涉及一种夹层结构，具体涉及一种新型轻质抗冲击夹层结构。

背景技术：

现有夹层结构由于在夹心结构上存在缺陷，其性能远远不能达到用户的要求。如夹层结构太重才能抵抗潜在的巨大冲击，这使其附在危险品槽车的尾板后没有什么经济效益（太重，耗能），或使其它车辆减少机动性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具有较佳的能量吸收-重量比，抗冲击性能好的新型轻质抗冲击夹层结构。

本发明的新型轻质抗冲击夹层结构，其特征在于，包括两侧的面板和两面板中间的夹心材料，面板和夹心材料之间通过树脂层粘结，在夹心材料中具有若干个复合管，复合管的形状以及管径与管壁厚度，最佳安排方式通过三维非线性有限元方程模拟获得，碳纤维管要被模拟成各向异性材料，其破坏受破坏准则控制，泡沫夹心被模拟成有塑性硬化的可压碎的泡沫，复合材料面板的模拟与碳纤维管相同，选择规则是用最少最轻的材料，通过对结构的优化使夹心结构达到最佳的吸能─重量比。

所述的三维非线性有限元方程如下：

1.碳纤维面板和夹心管的本构关系及破坏准则

在开始破坏前，碳纤维被模拟成各向异性线弹性材料，其本构关系为

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{11}\\ {\mathrm{\σ}}_{22}\\ {\mathrm{\σ}}_{33}\\ {\mathrm{\σ}}_{12}\\ {\mathrm{\σ}}_{23}\\ {\mathrm{\σ}}_{31}\end{array}\right]\≡\left[\begin{array}{cccccc}{C}_{11}^0& C_{12}^0& C_{13}^0& 0& 0& 0\\ C_{12}^0& C_{22}^0& C_{23}^0& 0& 0& 0\\ C_{13}^0& C_{23}^0& C_{33}^0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& C_{44}^0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& C_{05}^0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& C_{66}^0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{11}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{22}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{12}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{23}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{31}\end{array}\right]---\left(1\right)$

九个用来表示未破坏材料的独立弹性常数为

$C_{11}^0=E_1(1-v_{23}{v}_{32})\mathrm{\Γ}$

$C_{22}^0=E_2(1-v_{13}{v}_{31})\mathrm{\Γ}$

$C_{33}^0=E_3(1-v_{12}{v}_{21})\mathrm{\Γ}$

$C_{12}^0=E_1(v_{21}+v_{31}{v}_{23})\mathrm{\Γ}$

$C_{23}^0=E_2(v_{32}+v_{12}{v}_{31})\mathrm{\Γ}$ （2）

$C_{13}^0=(v_{31}+v_{21}{v}_{32})\mathrm{\Γ}$

$C_{44}^0=G_{12}$

$C_{55}^0=G_{23}$

$C_{66}^0=G_{13}$

Г=1/(1-v₁₂v₂₁-v₂₃v₃₂-v₁₃v₃₁-2v₂₁v₃₂v₁₃)

如碳纤维一旦满足下面的破坏准则，则破坏开始：

（1）纤维拉伸模式，σ₁₁>0

如 ${\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{11}}{X_{1t}}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{13}}{S_{13}}\right)}^2=1,d_{\mathrm{ft}}=1---\left(3a\right)$

（2）纤维压缩模式，σ₁₁<0

如 $\frac{\left|{\mathrm{\&sigma;}}_{11}\right|}{X_{1c}}=1,d_{\mathrm{fc}}=1---\left(3d\right)$

（3）基底拉伸模式，σ₂₂+σ₃₃>0

如 $\frac{{({\mathrm{\&sigma;}}_{22}+{\mathrm{\&sigma;}}_{33})}^2}{X_{2t}^2}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{23}^2-{\mathrm{\&sigma;}}_{22}{\mathrm{\&sigma;}}_{33}}{S_{23}^2}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{12}^2+{\mathrm{\&sigma;}}_{13}^2}{S_{12}^2}=1,d_{\mathrm{mt}}=1---\left(3c\right)$

（4）基底压缩模式，σ₂₂+σ₃₃<0

如 $[{\left(\frac{X_{2c}}{{2S}_{23}}\right)}^2-1]\frac{({\mathrm{\&sigma;}}_{22}+{\mathrm{\&sigma;}}_{33})}{X_{2c}}+\frac{{({\mathrm{\&sigma;}}_{22}+{\mathrm{\&sigma;}}_{33})}^2}{{4S}_{23}^2}+\frac{({\mathrm{\&sigma;}}_{23}^2-{\mathrm{\&sigma;}}_{22}{\mathrm{\&sigma;}}_{33})}{S_{23}^2}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{12}^2+{\mathrm{\&sigma;}}_{13}^2}{S_{12}^2}=1,d_{\mathrm{mc}}=1---\left(3d\right)$

这里，d_ft和d_fc是对应于纤维拉伸和压缩的破坏变量，而d_mt和d_mc是对应于基底拉伸和压缩的破坏变量。X_1t,X_1c,X_2t和X_2c是碳纤维面内两个方向的拉伸和压缩极限应力，S₁₂，S₁₃和S₂₃是剪切极限应力。

一旦破坏开始，刚度矩阵里的元素就会退化，并满足下面的关系：

$C_{11}=(1-d_f)C_{11}^0$

$C_{22}=(1-d_f)(1-d_m)C_{22}^0$

$C_{33}=(1-d_f)(1-d_m)C_{33}^0$

$C_{12}=(1-d_f)(1-d_m)C_{12}^0$

$C_{23}=(1-d_f)(1-d_m)C_{23}^0---\left(4\right)$

$C_{13}=(1-d_f)(1-d_m)C_{13}^0$

$C_{44}=(1-d_f)(1-s_{\mathrm{mt}}{d}_{\mathrm{mt}})(1-s_{\mathrm{mc}}{d}_{\mathrm{mc}})C_{44}^0$

$C_{55}=(1-d_f)(1-s_{\mathrm{mt}}{d}_{\mathrm{mt}})(1-s_{\mathrm{mc}}{d}_{\mathrm{mc}})C_{55}^0$

$C_{66}=(1-d_f)(1-s_{\mathrm{mt}}{d}_{\mathrm{mt}})(1-s_{\mathrm{mc}}{d}_{\mathrm{mc}})C_{66}^0$

这里，总体纤维和基底破坏的变量定义为：

d_f=1-(1-d_ft)(1-d_fc)  （5)

d_m=1-(1-d_mt)(1-d_mc)

取s_mt=0.9和s_mc=0.5。

上面的方程通过图5的有限元子程序流程图编出子程序，并入商用住程序中。此外，材料的破坏还与应变率有关。

2.PVC泡沫的本构关系及破坏准则

PVC泡沫在受压达到屈服前，遵循线弹性本构关系。屈服后满足有塑性硬化的可压碎的泡沫模式，其屈服面为：

$\mathrm{\&phi;}\&equiv;\frac{1}{[1+{\left(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{3}\right)}^2]}[q^2+{\mathrm{\&alpha;}}^2{\mathrm{\&sigma;}}_m^2]-{\mathrm{\&sigma;}}_y^2\&le;0---\left(6\right)$

这里，σ_y是泡沫的拉伸或压缩屈服应力，q是Von Mises应力,σ_m是平均应力，α用来表述屈服面的形状。

优选，所述的面板是高强度合金、玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、压缩木材等。

优选，所述的夹心材料是PVC泡沫或增强塑胶。

优选，所述的复合管为竹管、玻璃钢管、碳纤维管和金属管。

优选，复合管内具有金属泡沫或弹簧或自然纤维材料的填充物。

本发明的新型轻质抗冲击夹层结构采用非常新颖可实用的设计理念，最大限度的利用材料的抗压特性，以及复合管与泡沫的相互作用，经过设计，使新型轻质抗冲击夹层结构能够最大限度的发挥抗爆抗撞的优良性能，并同时减轻重量和节省材料，使得本发明的新型轻质夹层结构达到最佳能量吸收-重量比。

附图说明：

图1是实施例1的新型轻质抗冲击夹层结构的剖视图；

1、面板；2、树脂层；3、复合管；4、泡沫；

图2是实施例1的新型轻质抗冲击夹层结构的立体透视图；

图3是实施例1的新型轻质抗冲击夹层结构的特别能量吸收-管径/壁厚图；

图4是冲击测试前后的新型轻质抗冲击夹层结构的局部图；

图5是有限元子程序流程图。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

面板；2、树脂层；3、复合管；4、泡沫；

如图1和图2所示，本实施例的新型轻质抗冲击夹层结构包括两侧的碳纤维面板1(密度：1400kg/m³，厚度：0.3mm，尺寸：150x150mm²，弹性模量：55GPa，拉伸极限应力：850MPa,拉伸极限应变：0.05,泊松比：0.07），在两碳纤维面板1之间具有PVC泡沫4（密度：80kg/m³，厚度：10mm，弹性模量：70MPa，屈服应力：2MPa,压缩极限应力：3MPa,压缩极限应变：0.7,泊松比：0.35）作为夹心材料，PVC泡沫4和碳纤维面板1通过树脂层2粘结，在PVC泡沫4之间襄嵌有碳纤维管（直径/管壁厚之比：7-43，数量：16，材料参数与面板相同）作为复合管3。夹层结构承受38gPE4炸药的爆炸。如图3所示，试验后，夹层结构的能量吸收与重量之比超过100KJ/kg。如减少直径/管壁厚之比，其夹层结构的能量吸收与重量之比趋于150KJ/kg。图4左是泡沫嵌入碳纤维管在测试前的局部图，而图4又是爆炸后的局部图，破坏的碳纤维管已成粉末状。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种新型轻质抗冲击夹层结构，其特征在于，包括两侧的碳纤维面板和两碳纤维面板中间的PVC泡沫，碳纤维面板和PVC泡沫之间通过树脂层粘结，在PVC泡沫中具有若干个碳纤维管，碳纤维管的形状以及管径与管壁厚度，安排方式通过三维非线性有限元方程模拟获得，碳纤维管要被模拟成各向异性材料，其破坏受破坏准则控制，PVC泡沫被模拟成有塑性硬化的可压碎的泡沫，碳纤维面板的模拟与碳纤维管相同，选择规则是用最少最轻的材料，通过对结构的优化使夹心结构达到最佳的吸能─重量比；所述的三维非线性有限元方程和破坏准则如下：

1.碳纤维面板和碳纤维管的本构关系及破坏准则

在开始破坏前，碳纤维被模拟成各向异性线弹性材料，其本构关系为

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&sigma;}}_{11}\\ {\mathrm{\&sigma;}}_{22}\\ {\mathrm{\&sigma;}}_{33}\\ {\mathrm{\&sigma;}}_{12}\\ {\mathrm{\&sigma;}}_{23}\\ {\mathrm{\&sigma;}}_{31}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{C}_{11}^0& C_{12}^0& C_{13}^0& 0& 0& 0\\ C_{12}^0& C_{22}^0& C_{23}^0& 0& 0& 0\\ C_{13}^0& C_{23}^0& C_{33}^0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& C_{44}^0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& C_{55}^0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& C_{66}^0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&epsiv;}}_{11}\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{22}\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{33}\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{12}\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{23}\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{31}\end{array}\right]---\left(1\right)$

九个用来表示未破坏材料的独立弹性常数为

$C_{11}^0=E_1(1-v_{23}{v}_{32})\mathrm{\&Gamma;}$

$C_{22}^0=E_2(1-v_{13}{v}_{31})\mathrm{\&Gamma;}$

$C_{33}^0=E_3(1-v_{12}{v}_{21})\mathrm{\&Gamma;}$

$C_{12}^0=E_1(v_{21}+v_{31}{v}_{23})\mathrm{\&Gamma;}$

$C_{23}^0=E_2(v_{32}+v_{12}{v}_{31})\mathrm{\&Gamma;}---\left(2\right)$

$C_{13}^0=E_1(v_{31}+v_{21}{v}_{32})\mathrm{\&Gamma;}$

$C_{44}^0=G_{12}$

$C_{55}^0=G_{23}$

$C_{66}^0=G_{13}$

Γ＝1/(1-ν₁₂ν₂₁-ν₂₃ν₃₂-ν₁₃ν₃₁-2ν₂₁ν₃₂ν₁₃)

如碳纤维一旦满足下面的破坏准则，则破坏开始：

(1)纤维拉伸模式，σ₁₁>0

如 ${\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{11}}{X_{1t}}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{13}}{S_{13}}\right)}^2=1,d_{\mathrm{ft}}=1---\left(3a\right)$

(2)纤维压缩模式，σ₁₁<0

如 $\frac{\left|{\mathrm{\&sigma;}}_{11}\right|}{X_{1c}}=1,d_{\mathrm{fc}}=1---\left(3b\right)$

(3)基底拉伸模式，σ₂₂+σ₃₃>0

如 $\frac{{({\mathrm{\&sigma;}}_{22}+{\mathrm{\&sigma;}}_{33})}^2}{X_{2t}^2}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{23}^2-{\mathrm{\&sigma;}}_{22}{\mathrm{\&sigma;}}_{33}}{S_{23}^2}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{12}^2+{\mathrm{\&sigma;}}_{13}^2}{S_{12}^2}=1,d_{\mathrm{mt}}=1---\left(3c\right)$

(4)基底压缩模式，σ₂₂+σ₃₃<0

如 $[{\left(\frac{X_{2c}}{2S_{23}}\right)}^2-1]\frac{({\mathrm{\&sigma;}}_{22}+{\mathrm{\&sigma;}}_{33})}{X_{2c}}+\frac{{({\mathrm{\&sigma;}}_{22}+{\mathrm{\&sigma;}}_{33})}^2}{4S_{23}^2}+\frac{({\mathrm{\&sigma;}}_{23}^2-{\mathrm{\&sigma;}}_{22}{\mathrm{\&sigma;}}_{33})}{S_{23}^2}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{12}^2+{\mathrm{\&sigma;}}_{13}^2}{S_{12}^2}=1,d_{\mathrm{mc}}=1---\left(3d\right)$

这里，d_ft和d_fc是对应于纤维拉伸和压缩的破坏变量，而d_mt和d_mc是对应于基底拉伸和压缩的破坏变量。X_1t,X_1c,X_2t和X_2c是碳纤维面内两个方向的拉伸和压缩极限应力，S₁₂，S₁₃和S₂₃是剪切极限应力；

一旦破坏开始，刚度矩阵里的元素就会退化，并满足下面的关系：

$C_{11}=(1-d_f)C_{11}^0$

$C_{22}=(1-d_f)(1-d_m)C_{22}^0$

$C_{33}=(1-d_f)(1-d_m)C_{33}^0$

$C_{12}=(1-d_f)(1-d_m)C_{12}^0$

$C_{23}=(1-d_f)(1-d_m)C_{23}^0---\left(4\right)$

$C_{13}=(1-d_f)(1-d_m)C_{13}^0$

$C_{44}=(1-d_f)(1-s_{\mathrm{mt}}{d}_{\mathrm{mt}})(1-s_{\mathrm{mc}}{d}_{\mathrm{mc}})C_{44}^0$

$C_{55}=(1-d_f)(1-s_{\mathrm{mt}}{d}_{\mathrm{mt}})(1-s_{\mathrm{mc}}{d}_{\mathrm{mc}})C_{55}^0$

$C_{66}=(1-d_f)(1-s_{\mathrm{mt}}{d}_{\mathrm{mt}})(1-s_{\mathrm{mc}}{d}_{\mathrm{mc}})C_{66}^0$

这里，总体纤维和基底破坏的变量定义为：

d_f＝1-(1-d_ft)(1-d_fc)            (5)

d_m＝1-(1-d_mt)(1-d_mc)

取s_mt＝0.9和s_mc＝0.5；

PVC泡沫的本构关系及破坏准则

PVC泡沫在受压达到屈服前，遵循线弹性本构关系，屈服后满足有塑性硬化的可压碎的泡沫模式，其屈服面为：

$\mathrm{\&phi;}\&equiv;\frac{1}{[1+{\left(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{3}\right)}^2]}[q^2+{\mathrm{\&alpha;}}^2{\mathrm{\&sigma;}}_m^2]={\mathrm{\&sigma;}}_y^2\&le;0---\left(6\right)$

这里，σ_y是泡沫的拉伸或压缩屈服应力，q是Von Mises应力,σ_m是平均应力，α用来表述屈服面的形状。

2.权利要求1所述的新型轻质抗冲击夹层结构，其特征在于，在所述的碳纤维管内还具有金属泡沫或弹簧或自然纤维材料的填充物。