CN111868470A - 包括冲击接收组件和能量耗散组件的冲击吸收结构 - Google Patents
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Abstract
提供一种冲击吸收结构(1)。冲击吸收结构(1)包括冲击接收组件(3)，其能够在接收初始碰撞冲击波之后，将该冲击波分离成至少第一冲击波(S11)和与第一冲击波(S11)在时间上间隔开的第二冲击波(S122)。冲击吸收结构(1)还包括与冲击接收组件(3)相邻的能量耗散组件(5)，使得在时间上间隔开的冲击波(S11、S122)能够穿过从冲击接收组件(3)到能量耗散组件(5)的界面。能量耗散组件(5)包括化学元素或化合物，诸如方解石，其在经历第一冲击波(S11)时表现出从第一相到第二相(52)的第一位移相变，在经历第二、稍后冲击波(S122)时表现出从第二相(52)到第三相(53)的第二位移相变，以及在第二冲击波(S122)之后卸载时表现出从第三或稍后相到第一相(53)的第三位移相变，该化合物因而表现出其中耗散了弹性能量的滞后循环。
Description
技术领域
本发明涉及冲击吸收结构。
背景技术
现有技术的冲击吸收结构包含被设计成在撞击过程中耗散能量的复合材料。例如，以商品名
出售的芳族聚酰胺纤维复合材料因具有耗散与该撞击相关联的较大量能量的能力而被广泛用于防弹装甲。然而，现有技术的冲击吸收结构存在的问题在于，在撞击过程中施加到该结构中的能量通过该结构的大塑性变形和纤维之间的摩擦的内功(间隙摩擦)而耗散。这种变形是不可逆的，这意味着该结构使用寿命有限，并且在有限数量的撞击事件之后必须更换该结构。
某些材料在弹性加载和卸载时表现出滞后循环，使得能量耗散在材料内，并且材料能够恢复到其原始未变形状态。方解石就是此种材料的示例。
方解石在弹性加载和卸载过程中耗散能量的能力，是由于材料在加载循环期间经历了多个位移相变(displacive phase change)。位移相变是指其中材料的原子通过晶格的平移或变形而重新排列其自身，因此非常快速且可逆。
图1中示意性地示出方解石晶体在准静态静水力加载和卸载下表现出的滞后循环，其中x轴表示载荷“P”，y轴表示材料内的应变“L-L0/L”。可以看出，在标记为“X”的箭头方向上开始加载时，方解石处于其第一相，即相I(图1中标记为“I”)，然后在负载“A”第一相变(phase change)启动时，标记为“I-II”，其中相I方解石转变为相II方解石。在标记为“II”的相II方解石进一步加载时，达到负载“B”，在此开始第二相变，标记为“II-III”。在第二相变期间，相II方解石变成相III方解石。在第三相(图1中标记为“III”)期间，相III方解石被加载至负载“C”，随之在标记为“Y”的箭头方向上卸载。在卸载期间达到负载“D”时，开始标记为“III-I”的第三相变，其中相III方解石转变为相I方解石，然后完全卸载相I方解石以恢复其原始未变形的形状。如图1中的曲线可见，在加载和卸载期间发生的相变的结果是其中弹性能已耗散的滞后循环。
Grady，D.E.已研究了方解石的冲击压缩(1986),“在CaCO3中的高压释放波测量和相变”(High-Pressure Release-Wave Measurements and Phase Transformation inCaCO3)in Y.M.Gupta(Ed.),Shock Waves in Condensed Matter(pp.589-593页)，Spokane,WA:Springer US，并且观察到，在撞击过程中，方解石内会产生冲击波，该冲击波将方解石压缩到足以使其相变。然而，在正常的撞击条件下(即在未正确设计冲击序列时)，穿过材料的第一冲击会自动导致方解石从相I过渡到相III，绕过从相I到相II的相变。这是因为I-III冲击波速度比I-II冲击波速度更快。在图2中示意性地示出，在滞后循环中所示的绕过相II的结果。可以看出，在加载时，在负载“A’”和“B’”之间发生了从相I到相III的相变，标记为“I-III”，并且在卸载时，在类似负载之间发生了从相III到相I的相变，标记为“III-I”。这导致与图1的滞后循环中相比耗散的能量少得多。
本发明试图减轻上述问题。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种冲击吸收结构，该冲击吸收结构包括冲击接收组件(impact receiving component)，其能够在接收初始碰撞冲击波之后，将该冲击波分离成至少第一冲击波和与第一冲击波在时间上间隔开的第二冲击波；与冲击接收组件相邻的能量耗散组件(energy dissipation component)，使得在时间上间隔开的冲击波能够穿过从冲击接收组件到能量耗散组件的界面(interface)，其中能量耗散组件包括化学元素或化合物，其在经历第一冲击波时表现出从第一相(phase)到第二相的第一位移相变(displacive phase change)，在经历第二、稍后冲击波时表现出从第二相到第三相的第二位移相变，以及在第二冲击波之后卸载时表现出从第三或稍后(例如第四、第五或第六等)相到第一相的第三位移相变，该化合物因而表现出其中耗散了弹性能量的滞后循环。
换句话说，能量耗散组件包括化学元素或化合物，其表现出从第一相到第二相的第一位移相变，从第二相到第三相的第二位移相变，任何数量(包括零)的从第三相到第四相，从第四相到第五相等一直到第n相的可能的进一步的相变，以及随后在第二冲击波之后卸载时从第n相到第一相的最终位移相变。“第n相”可以是第三、第四、第五、第六等相。
本发明认识到可以设计冲击吸收结构，使得在受到抛射物撞击之后，在该结构内产生冲击传播序列，其顺序地引发化学元素或化合物内的特定位移相变。通过这样设计冲击传播序列，能够利用化合物或元素的滞后循环来耗散抛射物撞击后赋予冲击吸收结构的能量。因此，这种冲击吸收结构能够耗散能量，并在完整的滞后循环后返回其原始的未变形、无冲击的形状，因此在潜在的材料失效之前允许多个滞后循环。
该冲击吸收结构特别适合于弹道撞击。在这种情况下，弹道撞击定义为其中抛射物以至少每秒100米和至多每秒300千米的速度对冲击吸收结构进行撞击。
化学元素或化合物可以包括晶格结构。化学元素或化合物可以是表现出位移相变并且在弹性加载和卸载时表现出其中耗散能量的滞后曲线的任何化学元素或化合物。化学元素或化合物可以是方解石、二氧化钛、二氧化硅、硅酸镁、钠或铁。冲击接收组件可以是镁、方镁石、熔融二氧化硅、聚碳酸酯、PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))或铝。冲击接收组件可以是乙醇、空气或水。
冲击接收组件的冲击阻抗可低于化学元素或化合物的冲击阻抗。冲击接收组件将由抛射物的撞击生成的单个入射冲击波分离为两个或更多个具有适当的速度和时间-距离的冲击波以在能量耗散组件中引起滞后的能力取决于冲击接收组件的冲击阻抗。材料的冲击阻抗Z是材料密度ρ0和材料声速Us的函数：
Z＝ρ0Us
此处使用的术语“材料”是指冲击接收组件和/或化学元素或化合物。冲击接收组件的冲击阻抗可选择为低于可对冲击接收组件进行撞击的抛射物的冲击阻抗。抛射物可以包含铜、铝、钢、铅、碳化钨或钽，或者由其组成。
冲击吸收结构可以是由一层(或多于一层的)冲击接收组件和一层(或多于一层的)能量耗散组件形成的叠层的形式。冲击吸收结构可以包括冲击接收组件的矩阵(matrix)，其包含化学元素或化合物的颗粒的分布。颗粒可以是随机形状，并且可以在冲击接收组件的矩阵内随机分布/分散。冲击吸收结构可以具有实体架构，其中具有明确定义的几何形状的化学元素或化合物的颗粒以明确定义的几何顺序分布/分散在冲击接收组件的矩阵内。
冲击接收组件和能量耗散组件可以被构造成使得在冲击接收组件接收初始碰撞冲击波之后，由于初始碰撞冲击波在冲击接收组件和能量耗散组件之间的界面处反射，该冲击波被分离成第一冲击波和与第一冲击波在时间上间隔开的第二冲击波。冲击吸收结构可以被构造成使得第二冲击波是初始碰撞冲击波的反射，第二冲击波被反射回到冲击接收组件中并且穿过冲击接收组件到达冲击接收组件与已对冲击接收组件进行撞击的抛射物之间的界面。第二冲击波可以在冲击接收组件和已对冲击接收组件进行撞击的抛射物之间的界面处反射，在此种反射之后，第二冲击波可以在与第一冲击波相同的方向上但在第一冲击波之后行进，使得第二冲击波在比第一冲击波更晚的时间进入能量耗散组件，由此使第二冲击波与第一冲击波在时间上间隔开。
优选地，化学元素或化合物是方解石。通过适当设计冲击传播序列，方解石可以通过第一冲击波从相I方解石被驱动变成相II方解石，然后通过第二冲击波从相II方解石被驱动变成相III方解石，然后允许释放到环境压力。在该过程期间，方解石的耗散量估计为每立方米4兆焦。这比例如通过
耗散的能量低一个数量级。然而，
纤维的韧性是由于其巨大的塑性应变失效(高达10％)。相反，方解石所经历的应变小于2％。加上方解石相对较高的声速(每秒7公里，与聚合物纤维为每秒2公里相比)，方解石能够比现有的基于纤维的冲击吸收结构以大得多的体积快得多地耗散能量。方解石的能量吸收密度和声速意味着方解石可以以每微秒100千焦耳/平方米的速率耗散能量。由于滞后机制是在冲击速度下传播的基本热力学过程，因此对于行进速度高达7km/s的抛射物有效。
根据本发明的第二方面，还提供了包括根据本发明的第一方面的冲击吸收结构的装甲或装甲壳体。
装甲可以用于建筑物或交通工具，诸如坦克、卡车、飞机、直升机、飞艇、轮船或潜艇。装甲可以用于保护建筑物或交通工具的窗户，使得窗户是防爆的、防碎片的和/或防弹的。特别地，建筑物可以是机场、火车站或汽车站、体育场、礼堂、外交和/或政府建筑物、能量生成场所或工业园区的一部分。该装甲可以是用于军事和民用应用两者的个人防护。装甲壳体可以是用于高能/爆炸材料(例如炸药或火箭推进剂)和敏感弹药的壳体。
当然，应当理解，关于本发明的一个方面描述的特征可以被并入本发明的其他方面。
附图说明
现在将仅通过示例的方式，参考所附的示意图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示意性地示出了方解石的准静态静水加载和卸载期间表现出的滞后循环；
图2示意性地示出了在单冲击压缩下方解石的加载和卸载过程中的滞后循环；以及
图3a是根据本发明的第一实施例的接近冲击吸收结构的抛射物的示意图；
图3b是冲击接收组件刚被抛射物撞击后的冲击吸收结构的示意图；
图3c对应于图3b，但是在稍后的时间，其中第一冲击波S11已经进入能量耗散组件；
图3d对应于图3c，但是在稍后的时间，其中冲击波S11已经进一步穿入能量耗散组件中并且被冲击波S12接近；
图3e对应于图3d，但是在稍后的时间，其中冲击波S122已经穿入能量耗散组件中并且跟随冲击波S11，因此允许滞后循环完成；
图4示出了在铜抛射物撞击之后，冲击波传播通过冲击吸收结构的示意性位置-时间曲线图；
图5示出了在铜抛射物撞击之后，冲击波传播通过根据本发明的第二实施例或第三实施例的冲击吸收结构的示意性位置-时间曲线图；
图6示出了在铜抛射物撞击之后，冲击波传播通过根据本发明的第四实施例的冲击吸收结构的示意性位置-时间曲线图；
图7示出了根据本发明的第四实施例的装甲；
图8示出了根据本发明的第五实施例的装甲壳体；
图9示出了冲击吸收结构测试件的示意性横截面图；以及
图10示出了在铜抛射物撞击之后，冲击波传播通过冲击吸收结构的不同的示意性位置-时间曲线图。
具体实施方式
在图3a中示意性地示出了根据本发明第一实施例的冲击吸收结构1。冲击吸收结构1以包含与方解石层5相邻的聚碳酸酯层3的叠层形式示出。其中，聚碳酸酯层3用作冲击接收组件，方解石层5用作能量耗散组件。如下文将更详细讨论的那样，设计了叠层，使得在冲击接收组件在受到图3a所示箭头方向上行进的铜抛射物7的撞击时，产生冲击传播序列，其确保了在方解石卸载之前，循序启动从相I到相II的相变以及从相II到相III的相变，由此确保发生与图1相对应的滞后循环。
现在将参考图3b至3e，描述在冲击吸收结构1与抛射物7撞击时产生的冲击传播序列。图3b示出在与聚碳酸酯层3的表面撞击时的抛射物7，其中冲击波S1传播到聚碳酸酯层3中，并且冲击波S2在与冲击波S1的行进方向相反的方向上传播到抛射物7中。冲击波S1然后到达聚碳酸酯层3和方解石层5之间的界面，并被分成冲击波S11和S12，如图3c所示。冲击波S11传播到相I方解石层5，并在其穿过相I方解石层5时引发相I到相II的相变，从而在其后留下相II方解石52。冲击波S12在聚碳酸酯/方解石界面处反射，并在与冲击波S11相反的方向上返回到聚碳酸酯层3中。
图3d示出在冲击传播序列中的稍后时间，其中冲击波S12已在抛射物7与聚碳酸酯之间的界面处反射，并且当前在与冲击波S11相同的方向上行进。如图3e所示，在到达聚碳酸酯/方解石界面时，冲击波S12分为两个分量S121和S122。冲击波S121被反射回到聚碳酸酯层3中。但是，冲击波S122传播到方解石层5中，该方解石层5当前是相II方解石52，并跟随冲击波S11。与冲击波S11间隔时间的冲击波S122在其穿过方解石II层时引发了相II到相III的相变，从而在其后留下相III方解石53。请注意，冲击波S122比冲击波S11行进得更快，因此，如果方解石层5足够厚，则冲击波S122将最终追赶并拦截冲击波S11。在随后的波反射和衰减期间，相III方解石53将卸载，从而引发将相III转变为相I，因此，冲击吸收结构1内的方解石将经历对应于图1的滞后循环。
为了发生这种特定类型的冲击传播序列，冲击接收组件(在这种情况下为聚碳酸酯)的冲击阻抗，必须低于能量耗散组件(在这种情况下为方解石)和抛射物7(在这种情况下由铜制成)的冲击阻抗。为了使滞后循环吸收的能量最大化，冲击波S11必须将相I方解石转变为相II方解石，在方解石II稳定性区域中，相II方解石处于可能的最高压力下。
此外，可以优化方解石层5的厚度。图4示出在铜抛射物7撞击之后，冲击波传播通过聚碳酸酯和方解石的示意性位置-时间曲线图，y轴表示以毫秒为单位的时间，x轴表示以毫米为单位的位置。沿x轴，标记为“Cu”的区域表示铜抛射物7，标记为“Pc”的区域表示聚碳酸酯撞击接收层3，标记为“I”的区域表示相I方解石，标记为“II”的区域表示相II方解石，而标记为“III”的区域表示相III方解石。在图4中，铜撞击器击中能量吸收结构1，从而冲击形成波S1的聚碳酸酯层3，该波S1作为波S11传播到方解石层5中，并引发方解石相I转变为相II。聚碳酸酯中的反射冲击波S12大约在0.4微秒后被传递回方解石中，同时冲击波S122引发了方解石相II转变为相III。如上所述，波S122比波S11更快，因此在时间t＝0.9微秒时赶上了它前面的波S11。在这种情况下，最佳方解石厚度为550毫米，这是方解石S122波与S11波相交的地方，在图4中标记为T。一旦冲击波S122超过冲击波S11，则冲击波S11将穿过相I方解石，并因此引发从相I到相III的相变，该相变表现出图2所示的滞后循环，并且从能量耗散的角度来看是不希望出现的。
实际上，还有其他弹性冲击要考虑，这意味着必须通过实验来确定最佳厚度(例如，聚碳酸酯/方解石边界处的初始波在方解石中产生两个波：方解石I压缩波和相I到相II相变波)。
图4中给出的波位置和时间帧仅出于说明目的。实际上，对方解石观察到的位置和时间帧会有所不同。图10示出在铜抛射物的冲击之后，冲击波传播通过冲击吸收结构的更新的示意性位置-时间曲线图，该冲击吸收结构具有厚度260微米的聚碳酸酯层。图10给出了在方解石中会观察到的波位置和时间帧的更准确表达。在冲击波S122将引发方解石的II到III的相变时，大约0.3微秒后，聚碳酸酯中反射的冲击波S12将被传递回方解石。如已经描述的那样，波S122比波S11快，因此在时间t＝0.98微秒时赶上了它前面的波S11。在这种情况下，最佳方解石厚度为5毫米，这是方解石波S122与S11波相交的位置，在图10中标记为T。
上面已参考实施例描述和说明了本发明，其中冲击接收组件具有比能量耗散组件和抛射物更低的冲击阻抗。然而，本领域普通技术人员应当理解，本发明使其自身适合于本文未具体说明的许多不同的变型。仅作为示例，现在将描述某些可能的变型。
根据本发明的第二实施例，通过使用具有快速弹性波速度、较慢塑性波速度和产生“弹性前体”(elastic precursor)(即，在主塑性变形波前面行进的纯弹性冲击波)的屈服点的冲击接收组件，可以实现预期的滞后循环，该“弹性前体”具有适当的应力以参与相变。图5示出与该布置相对应的示意性位置-时间曲线图，其中标记为“W”的箭头指示弹性/塑性波分离。
根据本发明的第三实施例，使用了生成斜坡(ramp)的冲击接收组件。一些材料，例如熔融石英，或者具有渐变密度的材料会产生前驱“斜坡”(即压力在大约微秒的时间内稳定上升)，而不是在撞击时立即产生真正的冲击。使用这种冲击接收组件，会与传递单个优化的冲击具有类似效果，因为它将允许能量耗散组件有必要的时间进行相变。在图6中示出与该布置相对应的示意性位置-时间曲线图，其中标记为“V”的箭头表示斜坡前驱波。
图7示出了根据本发明第四实施例的装甲100。该装甲100包括根据本发明第一实施例的冲击吸收结构1。装甲可以用于建筑物或交通工具，诸如坦克、卡车、飞机、直升机、飞艇、轮船或潜艇等。装甲可用于保护建筑物或交通工具的窗户，使得窗户是防爆的、防碎片的和/或防弹的。可选地，该装甲可以用于军事和/或民用应用中的个人防护。
图8示出了根据本发明第五实施例的装甲壳体200。装甲壳体200包括根据本发明第一实施例的冲击吸收结构1。装甲壳体可用作高能/爆炸材料(例如炸药或火箭推进剂)和/或敏感弹药的壳体。
在前面的描述中，当提及具有已知、明显或可预见的等同形式的整数或要素时，则将此类等同形式并入本文，就如同单独阐述一样。应当参考权利要求确定本发明的真实范围，该真实范围应被解释为涵盖任何此类等同形式。读者还将认识到，被描述为优选、有利、方便等的本发明的整数或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。此外，应当理解，尽管在本发明的一些实施例中可能具有益处，但是此类可选的整数或特征在其他实施例中可能是不期望的，因此可能不存在。
实验性
对冲击吸收结构的各种构造进行了撞击测试。使用轻型气枪来加速抛射物，该抛射物经过线切割以确保平坦度，并使用低粘度环氧树脂将其附接到弹底板。图9示出了冲击吸收结构测试件10的示意性横截面图。在这种情况下，所测试的冲击吸收结构为叠层形式，包括一层冲击接收组件11以及粘结到较厚的PMMA背衬环15的一层能量耗散组件13。冲击接收组件11的前表面17被抛射物撞击，并且在撞击期间，使用激光干涉法测量能量耗散组件13的后表面19的表面速度，在图9中标记为L的位置，表面速度的测量值是使用光子多普勒测速仪获得的。通过测量抛射物的撞击速度，并将撞击器雨贡钮(Hugoniot)(由Marsh测量)与方解石雨贡钮(由Ahrens和Grady测量)进行比较，可以确定第一冲击在方解石内施加的压力。在这些参考文献中，通过使用对称撞击和压力＝密度*(冲击速度)*(颗粒速度)兰金-雨贡钮跳跃条件，对雨贡钮进行了测量。(如先前所引用的Grady.Marsh，S.P.(Ed.),(1980),LASL Shock Hugoniot Data(1st ed.),Los Angeles:University of CaliforniaPress.Ahrens,T.J.&Gregson，V.G.(1964)。晶体岩石的冲击压缩：石英，方解石和斜长石岩石的数据(Shock compression of crystal rocks:Data for quartz,calcite,andplagioclase rocks),J.Geophys.Res.,69(22)，4839-4874)。通过观察冲击波不稳定性(后表面颗粒速度中的不连续性)来确定方解石层内的相变，其中每个不稳定性对应于一个相变，而跳跃的大小对应于该相。由相变引起的速度中的这些不连续性的行为在Duvall(Duvall，G.，&Graham，R.A.(1977)中有详细描述。冲击波负载下的相转变，现代物理学评论，49(3)，523-579。http：//doi.Org/10.l103/RevModPhys.49.523)中详细描述。
为了确保条件尽可能地接近一维，至关重要的是确保飞行期间抛射物没有旋转，使得抛射物的平坦表面对冲击接收组件的平坦表面进行撞击。为此，每个冲击吸收结构试件都接近枪口安装并与激光对准，以确保其垂直(normal)于枪管。
执行六次测试。测试条件示出在表1中，其列出了所用抛射物材料、叠层的冲击接收组件(I.R.C)和能量耗散组件(E.D.C)以及抛射物的撞击速度，单位为米/秒(m/s)。测试结果示出在表2中，该表列出了第一冲击的属性，以及在存在的情况下第二冲击的属性。对于第一冲击和第二冲击，表2表明了方解石内施加的压力(单位为吉帕斯卡(GPa))以及由冲击引起的方解石相变。对于第一冲击和第二冲击，I的相表明没有相变，II表明从相I到相II的相变。对于第一冲击，III的相表明从相I到相III的相变，并且对于第二冲击，III的相表明从第一冲击相到相III的相变。仅测试2和6吸收能量，其中第一冲击相为II并且第二冲击相为III。
表1
表2
Claims (10)
1.一种冲击吸收结构，包括：
i)冲击接收组件，其能够在接收初始碰撞冲击波之后，将所述冲击波分离成至少第一冲击波和与所述第一冲击波在时间上间隔开的第二冲击波；
ii)与所述冲击接收组件相邻的能量耗散组件，使得在时间上间隔开的冲击波能够穿过从所述冲击接收组件到所述能量耗散组件的界面，其中所述能量耗散组件包括化学元素或化合物，其表现出：
-在经历所述第一冲击波时从第一相到第二相的第一位移相变，
-在经历所述第二、稍后冲击波时从所述第二相到第三相的第二位移相变，以及
-在所述第二冲击波之后卸载时，从所述第三或稍后相到所述第一相的第三位移相变，
所述化合物因而表现出其中耗散了弹性能量的滞后循环。
2.根据权利要求1所述的冲击吸收结构，其中所述化学元素或化合物包括晶格结构。
3.根据权利要求2所述的冲击吸收结构，其中所述化学元素或化合物为方解石、二氧化钛、二氧化硅、硅酸镁、钠或铁。
4.根据前述权利要求中任一项所述的冲击吸收结构，其中所述冲击接收组件为镁、方镁石、熔融二氧化硅、聚碳酸酯、PMMA、铝、乙醇、空气或水。
5.根据前述权利要求中任一项所述的冲击吸收结构，其中所述冲击接收组件的冲击阻抗低于所述能量耗散组件的冲击阻抗。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冲击吸收结构，包括由一层冲击接收组件和一层能量耗散组件形成的叠层。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的冲击吸收结构，包括冲击接收组件的矩阵，其包含所述化学元素或化合物的颗粒的分布。
8.根据权利要求6或7所述的冲击吸收结构，其中所述冲击接收组件和所述能量耗散组件被构造成，使得在所述冲击接收组件接收初始碰撞冲击波之后，由于初始碰撞冲击波在所述冲击接收组件和所述能量耗散组件之间的界面发生反射，所述冲击波分离成所述第一冲击波以及与所述第一冲击波在时间上间隔开的所述第二冲击波。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的冲击吸收结构，其中所述化学元素或化合物为方解石，并且所述冲击接收组件为聚碳酸酯。
10.一种包含根据前述权利要求中任一项所述的冲击吸收结构的装甲或装甲壳体。
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