CN104033530A - 一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高多胞材料能量吸收效率的设计方法，用于控制多胞材料受到撞击时的能量吸收能力和动态承载能力。本发明综合了两种类型能量吸收结构的优势，提出一种高能量吸收能力且低输出应力的设计方法。包括：设计高效吸能结构让轴力与弯曲变形共同参与能量吸收；引入用于反应不同类型能量吸收结构动态敏感性的微结构影响因子；引入用于反应多胞结构速度敏感性的速度相关因子；通过调节各段内的微结构几何构型、相对密度和段长，控制多胞材料的能量吸收效率。本发明控制材料的能量吸收能力，具有较高的动态承载能力和较低的输出应力，在冲击过程中可对人员和贵重物品实施有效地保护。

Description

一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法

技术领域：

本发明涉及多胞材料能量吸收控制技术领域，特别涉及一种提高并控制多胞材料的能量吸收效率的设计方法，尤其在结构的耐撞性技术领域中达到能量吸收可控性的目的。

背景技术：

由于具有优异的动力学响应特性，超轻多胞材料与结构在高速列车、超高速飞行器、装甲车和舰船等高能耗技术领域中得到广泛的应用。然而，在实际工程应用中，被防护构件往往是在质量受到一定限制的条件下或者冲击载荷相对固定的条件下被使用，这就要求在确定的条件下尽可能的发挥吸能构件的能量吸收效率。这就对多胞材料的动力学性能设计提出了更高的要求，比如，冲击应力峰值的抑制、冲击应力增强的控制以及能量吸收率的提高。根据实际的工程应用背景对多胞材料进行冲击能量吸收结构设计，要求在发挥能量吸收构件功能的过程中，尽可能的提高结构的耐撞性。

在实际冲击载荷作用下，多胞材料的胞壁可能有三种应力状态：拉伸/压缩/轴力、弯曲和剪力的作用。根据其变形机制的不同，蜂窝材料可以分为弯曲主导型结构(比如六角形、圆形、菱形或正方形结构等)和拉伸主导型结构(比如三角形、Kagome结构或混合型结构等)。前者称之为第I类能量吸收结构，后者称之为第II类能量吸收结构。在相对密度相同条件下，第II类能量吸收结构(即拉伸主导型结构)具有较高的承载能力，在一定程度上强化了结构，提高了冲击能量吸收能力，但在能量吸收方面表现出不受欢迎的更大的峰值应力；而第I类能量吸收结构(即弯曲主导型结构)却能调动试件发生整体变形，表现出一条相对“平坦”的曲线。显然，以上两种类型能量吸收结构单独使用作为吸能构件时都不是很理想。如果能够设计一种能量吸收结构让轴力/膜力也参与整体变形，则将比单纯利用弯曲塑性变形所吸收冲击能量的效率要高。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种提高并控制多胞材料冲击能量吸收能力的设计方法，对于所设计的高效能量吸收结构，通过选取胞元微结构类型和相对密度，其能量吸收过程和承受的应力水平可以有效的控制，进而提高结构的能量吸收能力和效率，对构件冲击起到有效的防护作用。

为实现上述目的，本发明提供的是多段式填充能量吸收结构的方法，所述方法包括：

步骤1：所述多段式填充能量吸收结构分别由第I类能量吸收结构胞元和第II类能量吸收结构胞元填充，且至少具有3段填充胞元段，同一填充段内包含的微结构几何尺寸和构型相同，每一填充段内至少有一个胞元层，不同填充段内的能量吸收结构类型不同。

步骤2：引入用于反应能量吸收结构类型动态敏感性的微结构影响因子。

步骤3：引入用于反应能量吸收结构类型惯性敏感性的速度相关因子。

步骤4：通过调节段长，各段内的能量吸收结构类型和相对密度，控制多胞材料的能量吸收效率。

所述步骤1中各段多胞结构具有不同的能量吸收特点，使得所设计的创新型吸能结构能够有效地抑制冲击应力峰值，控制输出应力，提高结构的能量吸收效率，对冲击构件起到有效的防护作用。

所述步骤1具体是，其设计的多段式能量吸收结构各段的长度和段数可以根据具体情况合理布置。

所述步骤2具体是，在密实应变的理论值ε_d的计算公式ε_d＝1-Δρ中引入反应与多胞材料能量吸收相关性的微结构相关因子λ，将密实应变的理论值ε_d的计算公式变为ε_d＝1-λΔρ。

所述步骤3具体是，在步骤2密实应变的理论值ε_d的基础上反应能量吸收结构类型惯性敏感性的速度相关因子g(v)，将密实应变的理论值ε_d的计算公式变为ε_d＝g(v)·(1-λΔρ)。

所述步骤4具体是，通过选取多胞材料各段内胞元微结构几何构型和尺寸，来确定多胞材料的相对密度，从而可以调控多胞材料的平台应力和长度，进一步控制多胞材料的能量吸收效率。

所述步骤4具体是，当材料空间固定时，通过调整多胞材料各段的相对密度和能量吸收结构类型，调控平台应力和单位质量(或单位体积)所吸收的能量，从而控制多胞材料的能量吸收能力。

本发明通过对各段内能量吸收结构类型的合理布置，以及段长和段数的合理选取，使多胞材料受到冲击时的能量吸收过程、承受应力水平以及输出应力可以得到控制，提高了多胞材料能量吸收效率。

由上可知，多胞材料的能量吸收效率与所承受的应力水平、材料的相对密度及能量吸收结构类型有关。第II类能量吸收结构的相对密度越大，平台应力和输出应力越大。可以通过调整两种类型能量吸收结构的相对密度和段长来控制多胞结构的应力水平和平台阶段长度，使不同胞元段发挥更好的能量吸收效果。

附图说明：

图1是多段式吸能结构计算模型示意图。

图2是两种类型能量吸收结构胞元填充示意图。

图3是多胞材料能量吸收填充结构设计示意图。

图4是多胞材料单位质量的能量吸收效率-应变曲线示意图。

图5是多胞材料在输出端单位质量的能量吸收-输出应力曲线示意图。

图中附图标记：1、第I类能量吸收结构胞元，2、第II类能量吸收结构胞元，A、冲击端刚性板，B、固定端刚性板。

图2中(A)组为第I类能量吸收结构、(B)组为第II类能量吸收结构；(A)-(i)为六角形结构、(A)-(ii)为菱形结构、(A)-(iii)为正方形结构、(B)-(i)为三角形结构、(B)-(ii)为Kagome结构、(B)-(iii)为混合型结构。

具体实施方式：

下面结合附图，对较佳实施例作详细说明。应该强调的是，下述实施说明仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围和工程应用。

本发明提供的高效能量吸收结构的方法是第I类能量吸收结构和第II类能量吸收结构共同构成的多段式吸能结构，如附图1所示。该能量吸收结构包括4个胞元段，各胞元段间的能量吸收结构类型可以相同也可以不同，每个胞元段内微结构的几何尺寸和能量吸收结构类型相同，具体胞元填充段数可以根据实 际情况进行修改。

所填充的第I类能量吸收结构胞元类型可以为六角形、菱形、圆形或方形等，第II类能量吸收结构胞元类型可以为三角形、Kagome结构或混合型结构等。如附图2所示。具体填充胞元类型可以根据实际情况进行改变。

附图3为本发明提供的多段式吸能结构的实施例横断面结构示意图。本发明实施例2与第1实施例相似，区别在于，第3段为第I类能量吸收结构胞元填充，第4段为第II类能量吸收结构胞元填充。该结构能够逐级提高各段的平台应力值和能量吸收能力，达到能量吸收可控性的目的。

通过大量的数值计算分析和实际工程应用表明，材料的平台应力值与能量吸收微结构类型、相对密度和冲击速度有关。相对密度越大，平台应力值越大。对于相同的相对密度，第II类能量吸收结构的平台应力要高于第I类能量吸收结构。对于相同的多胞结构，冲击速度越高，平台应力值越大。通过改变各段胞元层的材质、微结构横截面的形状和尺寸，可以调整该段的平台应力值。同样的，该段的输出应力值也可以相应的调整。

各段内的胞元层可以为其他类型能量吸收结构填充。各段内多胞结构的相对密度沿冲击方向也可以呈现梯度变化。

所发明的高效能量吸收结构可按照实际需求进行创新设计，每个胞元段可由更多的胞元层数填充，而不仅仅是4层。各胞元段的能量吸收结构类型和基体材料可以相同也可以不同。同样，各段的长度可以相同也可以不同。

根据一维冲击波理论，在冲击载荷作用下，超轻多胞材料的平台应力与冲击速度的关系式为：

${\mathrm{\σ}}_p={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ\ρ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_d}{v}^2---\left(1\right)$

ε_d＝1-Δρ (2)

其中，σ_p为多胞材料受到冲击后产生的平台应力，σ_cr为准静态塑性坍塌应力，v为冲击端刚性板的冲击速度，密实应变的理论值ε_d由多胞材料的孔隙率决定。Δρ＝ρ₀/ρ_s表示多胞材料的相对密度，ρ₀为多胞材料的初始密度，ρ_s为基体材料的密度。

数值计算表明，多胞材料的平台应力与密实应变和冲击速度有关。而密实应变又与能量吸收结构类型有关，因此，我们引入能量吸收结构相关因子λ和速度相关因子g(v)，反应能量吸收微结构类型和冲击速度与多胞材料平台应力的相关性。即

ε_d＝g(v)·(1-λΔρ) (3)

其中，微结构相关因子λ与能量吸收结构类型有关，对于第I类能量吸收结构，λ＝1.1～1.4，对于 第II类能量吸收结构，λ＝1.4～1.6。

其中，速度相关因子g(v)与刚性板冲击速度有关，低速冲击时g(v)＝0.7～0.8，中速冲击时g(v)＝0.8～0.9，高速冲击时g(v)＝0.9～1，g(v)的取值范围可不连续。

将公式(3)代入公式(1)得到多胞材料的平台应力

${\mathrm{\σ}}_p={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ\ρ}}_s}{g\left(v\right)\·(1-\mathrm{\λ\Δ\ρ})}{v}^2---\left(4\right)$

由公式(4)可知，平台应力σ_p与多胞材料的属性、能量吸收结构类型、冲击速度以及相对密度有关。

由于各段平台应力值不同，该能量吸收结构可能表现为功能梯度多胞材料的特性。每个胞元段平台阶段的相对长度为：

ΔS_i＝ε_diΔl_i=g(v)(1-λ_iΔρ_i)L_i/L (5)

其中，相对长度为Δl_i＝L_i/L，L_i为第i段的长度，L为冲击方向试件的总长度。

由上可知，基于已有多段式多胞材料模型，通过大量的数值计算，可以确定多胞材料的比能量吸收率，如附图4所示。单位质量的能量吸收Em可定义为：

$E_m=\frac{E_v}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ\ρ}}_s}---\left(6\right)$

其中，Ev为单位体积所吸收的能量(即应变能密度)，即

$E_V={\∫}_{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}^{{\mathrm{\ϵ}}_d}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\mathrm{d\ϵ}---\left(7\right)$

所设计的最优多胞吸能结构应具有较高的比能量吸收能力和较低的输出应力，本设计方法与相同相对密度的第I类能量吸收结构相比，具有较高的能量吸收率。如附图5所示。

基于公式(4)～(7)，本发明所提及的方法能够根据实际需求完成对多胞材料的高效能量吸收结构设计：

第一：在多胞材料的属性已知条件下，即基体材料属性、多胞材料的相对密度、各能量吸收结构类型和尺寸均为已知，通过公式(4)～(7)，可以对多胞材料的平台应力以及能量吸收率进行精确的预测；

第二：在实际工程应用中，当多胞材料的应用场合受到已知工况限制时，如最大峰值应力σ_max已知时，可以通过调整各段内的能量吸收结构填充类型和胞元尺寸，来控制材料的动力学响应和应力水平，从而实现在有效吸收冲击能量的过程中，同时满足最大峰值应力的要求；

第三：如果结构的空间尺寸受到限制时，为了满足空间的要求并提高承载能力和控制输出应力水平，可以通过公式(5)选择能量吸收结构类型和各段填充长度，来控制能量吸收效率和平台阶段长度，从而 增加单位质量的能量吸收能力，并满足输出应力的要求，提高能量吸收效率。

本发明提供的方法，数值模拟结果与理论结果吻合较好，可以用于多胞材料与结构的冲击能量吸收设计。在实际工程应用中，该方法为实现多胞材料动力学性能的多目标优化设计提供了新的设计思路。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：设计高效能量吸收结构让轴力与弯曲变形共同参与能量吸收；

步骤2：引入用于反应能量吸收结构类型动态敏感性的微结构影响因子；

步骤3：引入用于反应能量吸收结构类型速度敏感性的速度相关因子；

步骤4：通过调整各段内的能量吸收结构类型、相对密度和段长，控制多胞材料的能量吸收效率。

2.如权利要求1所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的设计方法，步骤1具体为，所述高效能量吸收结构至少具有3段多胞结构，各胞元段内包含能量吸收微结构类型相同，不同胞元段内能量吸收结构类型不同，胞元段的长度以及不同胞元段的相对密度可以相同亦可以不同。

3.如权利要求1所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的设计方法，步骤2具体为，多胞材料密实应变的理论值ε_d的计算公式ε_d＝1-Δρ中引入反应不同类型能量吸收结构的微结构影响因子λ，将密实应变的理论值ε_d的计算公式变为ε_d＝1-λΔρ。

4.如权利要求3所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的设计方法，步骤3具体为，将所述多胞材料密实应变的理论值ε_d的计算公式ε_d＝1-λΔρ中引入反应不同类型能量吸收结构惯性敏感性的速度相关因子g(v)，将所述多胞材料密实应变的理论值ε_d的计算公式变为ε_d＝g(v)·(1-λΔρ)。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的设计方法，所述高效能量吸收结构靠近输出端的胞元段为第I类能量吸收结构，冲击端或中间段为第II类能量吸收结构，所述第I类能量吸收结构为弯曲主导型结构，包括六角形、圆形、菱形或正方形结构等，所述第II类能量吸收结构为拉伸主导型结构，包括三角形、Kagome结构或混合型结构等。

6.如权利要求1-4中任一项所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的设计方法，步骤4具体为，当材料空间固定时，通过选择多胞材料的段长以及各段内的能量吸收结构类型和相对密度，调控单位质量所吸收的能量和输出应力，从而控制多胞材料的能量吸收效率。