CN106777813A - 一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多胞材料技术领域的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，该提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法的具体步骤如下：S1：在强动载荷的作用下，多胞材料中形成不连续间断面；S2：在多胞材料中的间断面上填充组合蜂窝材料，在多胞材料发生形变时以调动所有胞元整体变形；S3：分析微拓扑结构对蜂窝材料的宏观力学的影响；S4：通过调整填充组合蜂窝材料的结构类型和相对密度控制多胞材料的能量吸收率，本发明通过对蜂窝填充材料的结构模式的调整，能够达到对多胞材料能量吸收率的控制，提高了多胞材料的能量吸收效率。

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技术领域，具体为一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法。

背景技术

近年来，随着自然资源的匮乏和人类环境保护意识的逐渐提高，，航空航天业的持续发展以及交通运输手段的快速提高，材料的轻量化设计成为材料设计的一个重要目标。多胞金属材料以其优异的的重量和性能比得到了工程界的重视，被广泛地应用于能量吸收材料和微结构设计中，和实体材料不同，由于多胞金属材料具有优异的动力学相应特征，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地运用。然而在实际工程运用中，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。这就对多胞金属材料的动力学性能设计提出了更高的要求，并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，尽可能的提高构件的耐撞性。为此，我们提出了一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法投入使用，已解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，该提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法的具体步骤如下：

S1：在强动载荷的作用下，多胞材料中形成不连续间断面，变形在多胞材料中以冲击波的形式向前传播；

S2：在多胞材料中的间断面上填充组合蜂窝材料，在多胞材料发生形变时以调动所有胞元整体变形；

S3：分析微拓扑结构对蜂窝材料的宏观力学的影响，并建立有限元模型；

S4：通过调整填充组合蜂窝材料的结构类型和相对密度控制多胞材料的能量吸收率。

优选的，所述步骤S1中，当动载荷作用在结构上时，加载表面上突然获得应力或者质点速度，这种扰动从结构表面以应力波的形式向前传播，如果扰动所产生的应力低于材料的屈服应力，则应力波是弹性的，其中弹性波的传播速度可表示为：

其中，E和ρ分别表示材料的杨氏模量和密度。

优选的，所述步骤S2中，组合蜂窝材料由三角形填充蜂窝材料和六边形蜂窝填充材料组成，其中孔径较大的六边形蜂窝填充材料胞元在局部变形区域总会先于周围三角形蜂窝填充材料胞元发生变形，而孔径较小的三角形蜂窝填充材料胞元在变形同时会伴随不同程度的旋转，更容易调动所有胞元发生整体变形。

优选的，所述三角形蜂窝填充材料的侧边与加载方向成30°夹角，并以侧边壁的塑性屈服来吸收能量。

优选的，所述步骤S3中，单位体积所吸收的能量由应力应变曲线下方所围成的面积求得，即：

其中压缩应力σ是应变ε的函数，εd为试件密实前的最大应变量，可由压缩应力σ再次达到初始应力峰值时对应的应变确定，当变形处于缓冲平台段时，应力水平几乎不变(εp)，此时

W_v≈εpεd

单位质量材料所吸收的能量W_m定义为其中Δρ是多胞材料的相对密度，ρ_ε为基体材料密度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在多胞材料不连续间断面中填充组合蜂窝材料，利用三角形蜂窝填充材料的侧边壁的塑性屈服来吸收能量，其中孔径较大的六边形蜂窝填充材料在局部变形区域总会先于周围的三角形蜂窝填充材料的胞元发生变形的原理，更容易调动所有胞元的整体变形，且孔径较小的三角形蜂窝填充材料会伴随不同程度的旋转，本发明通过对蜂窝填充材料的结构模式的调整，能够达到对多胞材料能量吸收率的控制，提高了多胞材料的能量吸收效率。

附图说明

图1为本发明工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，该提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法的具体步骤如下：

S1：在强动载荷的作用下，多胞材料中形成不连续间断面，变形在多胞材料中以冲击波的形式向前传播，当动载荷作用在结构上时，加载表面上突然获得应力或者质点速度，这种扰动从结构表面以应力波的形式向前传播，如果扰动所产生的应力低于材料的屈服应力，则应力波是弹性的，其中弹性波的传播速度可表示为：

其中，E和ρ分别表示材料的杨氏模量和密度；

S2：在多胞材料中的间断面上填充组合蜂窝材料，在多胞材料发生形变时以调动所有胞元整体变形，组合蜂窝材料由三角形填充蜂窝材料和六边形蜂窝填充材料组成，其中孔径较大的六边形蜂窝填充材料胞元在局部变形区域总会先于周围三角形蜂窝填充材料胞元发生变形，而孔径较小的三角形蜂窝填充材料胞元在变形同时会伴随不同程度的旋转，更容易调动所有胞元发生整体变形，三角形蜂窝填充材料的侧边与加载方向成30°夹角，并以侧边壁的塑性屈服来吸收能量；

S3：分析微拓扑结构对蜂窝材料的宏观力学的影响，并建立有限元模型，单位体积所吸收的能量由应力应变曲线下方所围成的面积求得，即：

其中压缩应力σ是应变ε的函数，εd为试件密实前的最大应变量，可由压缩应力σ再次达到初始应力峰值时对应的应变确定，当变形处于缓冲平台段时，应力水平几乎不变(εp)，此时

W_v≈εpεd

单位质量材料所吸收的能量W_m定义为其中Δρ是多胞材料的相对密度，ρ_ε为基体材料密度；

S4：通过调整填充组合蜂窝材料的结构类型和相对密度控制多胞材料的能量吸收率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，其特征在于：该提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法的具体步骤如下：

S1：在强动载荷的作用下，多胞材料中形成不连续间断面，变形在多胞材料中以冲击波的形式向前传播；

S2：在多胞材料中的间断面上填充组合蜂窝材料，在多胞材料发生形变时以调动所有胞元整体变形；

S3：分析微拓扑结构对蜂窝材料的宏观力学的影响，并建立有限元模型；

S4：通过调整填充组合蜂窝材料的结构类型和相对密度控制多胞材料的能量吸收率。

2.根据权利要求1所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，其特征在于：所述步骤S1中，当动载荷作用在结构上时，加载表面上突然获得应力或者质点速度，这种扰动从结构表面以应力波的形式向前传播，如果扰动所产生的应力低于材料的屈服应力，则应力波是弹性的，其中弹性波的传播速度可表示为：

$C_L=\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}$

其中，E和ρ分别表示材料的杨氏模量和密度。

3.根据权利要求1所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，其特征在于：所述步骤S2中，组合蜂窝材料由三角形填充蜂窝材料和六边形蜂窝填充材料组成，其中孔径较大的六边形蜂窝填充材料胞元在局部变形区域总会先于周围三角形蜂窝填充材料胞元发生变形，而孔径较小的三角形蜂窝填充材料胞元在变形同时会伴随不同程度的旋转，更容易调动所有胞元发生整体变形。

4.根据权利要求3所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，其特征在于：所述三角形蜂窝填充材料的侧边与加载方向成30°夹角，并以侧边壁的塑性屈服来吸收能量。

5.根据权利要求1所述的一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法，其特征在于：所述步骤S3中，单位体积所吸收的能量由应力应变曲线下方所围成的面积求得，即：

$W_v={\∫}_0^{\mathrm{\ϵ}d}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)d\mathrm{\ϵ}$

其中压缩应力σ是应变ε的函数，εd为试件密实前的最大应变量，可由压缩应力σ再次达到初始应力峰值时对应的应变确定，当变形处于缓冲平台段时，应力水平几乎不变(εp)，此时

W_v≈εpεd

单位质量材料所吸收的能量W_m定义为其中Δρ是多胞材料的相对密度，ρ_ε为基体材料密度。