CN113415052A - 一种轻量化frp-八面体点阵组合防护结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻量化FRP‑八面体点阵组合防护结构及其设计方法，防护结构包括FRP面层，其包括FRP上面板和FRP下面板，在FRP上面板和FRP下面板之间夹设八面体点阵芯层；点阵芯层内部中空，具有良好的变形吸能效果，其中八面体点阵结构以拉伸变形为主导，承受变形能力更大，吸能效果更优，且其有三个互相垂直的对称平面，具有三维各向同性的特点，通过设计正交试验，借助有限元分析软件，可对FRP‑八面体点阵组合防护结构进行优化设计，在满足防护等级的基础上减轻结构质量，充分发挥其轻量化的优势；本发明能弥补传统防护体系笨重，体积大的缺点，方便运输和构建，防护性能有所提高，在军事防护和民用建筑方面都具有较好的应用前景。

Description

一种轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构及其设计方法，属于复合材料领域的一种防护结构。
背景技术
为抵挡战争中的子弹射击，流弹冲击，常常需要修筑防御工事来保护作战人员的生命安全，现有的钢筋混凝土式防护体系自重大，构筑和搬运不便，机动性差，无法应对战场上多变的情况，且混凝土性能易受温度变化的影响；填土式的防护体系依赖作战区域的土地资源，应用范围受限，因此亟需一种新型防护结构的出现，在满足防护等级的基础上同时具有轻量化的特点。
发明内容
本发明提供一种轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构及其设计方法，解决了背景技术中现有防护体系笨重，机动性差以及依赖地理环境等缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，包括FRP面层，其包括FRP上面板和FRP下面板，在FRP上面板和FRP下面板之间夹设八面体点阵芯层；
作为本发明的进一步优选，所述的八面体点阵芯层包括若干个八面体芯体，且若干个八面体芯体并列排布在FRP上面板和FRP下面板之间，每个八面体芯体的顶端、底端分别与FRP上面板、FRP下面板接触形成节点；
作为本发明的进一步优选，所述的八面体芯体包括八根杆件，每四根杆件构成一个锥形状结构，两个锥形状结构的底面贴合，每个锥形状结构的锥顶分别与相邻的FRP上面板或者FRP下面板贴合；
作为本发明的进一步优选，所述杆件的横截面为方形，方形的边长范围为1mm-5mm；
作为本发明的进一步优选，每个八面体芯体的顶端至底端的距离即高度范围为10mm-60mm；
八面体芯体内杆件与锥形状结构底面夹角范围为35°-60°；
作为本发明的进一步优选，所述杆体采用铝合金制作；
作为本发明的进一步优选，所述的FRP上面板和FRP下面板均采用超高分子量聚乙烯纤维经过高温轧制形成层合板；
作为本发明的进一步优选，所述的FRP上面板和FRP下面板的厚度范围均在10mm-30mm；
作为本发明的进一步优选，在FRP上面板或者FRP下面板朝向外部的一侧均喷涂聚脲涂层；
一种基于任一所述轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构的设计方法，具体包括以下步骤：
第一步，在有限元软件中建立防护结构的模型；
第二步，对建立的防护结构模型进行正交试验，根据因素水平和考察指标建立正交试验表，采用极差分析法，确定因素水平的最优参数组合；
第三步，根据获取的最优参数组合制备FRP上面板、FRP下面板以及八面体点阵芯层；其中，八面体点阵芯层内的八面体芯体制作步骤为：
第31步，采用电火花切割法在铝合金薄板上切割出八面体芯体的桁架平面以及中间面片，
第32步，在中间面片与桁架平面固结的位置切割形成槽口，
第33步，将切割完毕的桁架平面依次十字扣合在中间面片的槽口内，形成八面体芯体；
第四步，每个八面体芯体的顶端、底端分别与FRP上面板、FRP下面板粘结形成节点。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明作为FRP面层的上面板以及下面板均采用超高分子量聚乙烯制作，依据其自身较高的比强度和比模量，以使防护结构具有优良的抗侵彻性能；
2、本发明在FRP上面板和FRP下面板的表面喷涂聚脲，使得整个防护结构具有防火性能，抑制试件分层被破坏；
3、本发明在FRP上面板和FRP下面板之间的夹层选用点阵结构，尤其是八面体点阵结构，承受变形能力更大，吸能效果更优，在抗爆方面具有较大的优势。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的结构示意图；
图2是本发明提供的优选实施例的八面体芯体结构示意图；
图3是本发明提供的优选实施例的八面体点阵芯层结构示意图；
图4是本发明提供的优选实施例的节点位置示意图；
图5是本发明提供的优选实施例中喷涂聚脲涂层的FRP上面板或者FRP下面板结构示意图。
图中：1为八面体点阵芯层，2为FRP面层，3为节点，4为杆件，5为层合板，6为聚脲涂层，201为FRP上面板，202为FRP下面板，401为锥顶，402为底面。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
现有的防护体系自重大，机动性差，因此抗爆性能较弱，基于此本申请在经过多次实验后提供一种轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，不仅质量轻，变形能力强，同时具有更优的吸能效果。
具体的图1所示，包括FRP面层2，其包括FRP上面板201和FRP下面板202，在FRP上面板和FRP下面板之间夹设八面体点阵芯层1；本申请的夹芯层采用点阵结构，其内部中空，质量轻，变形能力以及设计性均较强，尤其是其开放型的拓扑结构为发生塑性变形提供了较大的空间，具有良好的能量吸收能力；图2-图3所示，所述的八面体点阵芯层包括若干个八面体芯体，且若干个八面体芯体并列排布在FRP上面板和FRP下面板之间，每个八面体芯体的顶端、底端分别与FRP上面板、FRP下面板接触形成节点3；这里采用八面体芯体是因为在点阵芯子众多的构型中，八面体点阵结构以拉伸变形为主导，承受变形能力更大，吸能效果更优，且其在图2所示的x、y以及z方向均存在对称性，即在三维空间内具有各向同性的特性，因此在抗爆方面发挥优势较大。
具体的图3所示，八面体芯体分解后，其包括八根杆件4，每四根杆件构成一个锥形状结构，两个锥形状结构的底面402贴合，每个锥形状结构的锥顶401分别与相邻的FRP上面板或者FRP下面板贴合，锥顶与FRP面层接触形成图4所示的节点，从图4中可以清楚的显示点阵分布。
针对杆件，其横截面为方形，方形的边长范围为1mm-5mm，杆体采用金属材料制作，优选的可以采用铝合金，不仅抗压性较佳，而且质量较轻。
经过试验验证，每个八面体芯体的顶端至底端的距离即高度范围为10mm-60mm，八面体芯体内杆件与锥形状结构底面夹角范围为35°-60°时整体防护结构性能达到较佳状态，尤其是在高度为40mm，夹角为50°时为最优实施例。
本申请中，创新点除了夹芯层，还包括FRP面层材料的选择上，FRP上面板和FRP下面板均采用超高分子量聚乙烯纤维（简称UHMWPE）经过高温轧制形成层合板5，这是FRP材料中极轻的一种材料，密度仅有0.97g/cm3，拥有较高的比强度和比模量，其破坏模式为分层破坏，是一种优良的抗侵彻材料，因此超高分子量聚乙烯层合板也具有一定的抗爆性能。图5所示，在FRP上面板或者FRP下面板朝向外部的一侧均喷涂聚脲涂层6，可以有效防止表面被火焰烧蚀，抑制试件分层破坏的发生。实验中发现，所述的FRP上面板和FRP下面板的厚度范围均控制在10mm-30mm，此时结合聚脲涂层，可以大大减轻层合板表面烧蚀程度。
经过前述阐述得到的防护结构，整体结构质量较轻，抗侵彻抗爆性能好，能广泛应用于军事防护和民用建筑中。
接着本申请还提供所述轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构的设计方法，具体包括以下步骤：
第一步，在有限元软件中建立防护结构的模型。
第二步，对建立的防护结构模型进行正交试验，根据因素水平和考察指标建立正交试验表，采用极差分析法，确定因素水平的最优参数组合；
所述的因素水平包括FRP面层的板厚、八面体点阵芯层厚、杆件截面边长以及杆件倾斜角，考察指标包括FRP面层位移、比能量吸收、FRP面层穿透深度以及总质量；采用极差分析法计算各因素在不同水平下的极差值，极差值越大，表明该因素对防护性能的影响越大，结合上述所有指标，最终确定防护结构的最优参数组合。
第三步，根据获取的最优参数组合制备FRP上面板、FRP下面板以及八面体点阵芯层；其中，八面体点阵芯层在防护结构中的排列及位置，并不意味着在机械加工八面体点阵芯层的生产步骤，因此这里提供八面体点阵芯层内的八面体芯体制作步骤，具体为：
第31步，采用电火花切割法在铝合金薄板上切割出八面体芯体的桁架平面以及中间面片，
第32步，在中间面片与桁架平面固结的位置切割形成槽口，
第33步，将切割完毕的桁架平面依次十字扣合在中间面片的槽口内，形成八面体芯体；从上述关于八面体芯体的制作过程可以看出，八面体点阵芯层并非由每个八面体芯体在节点处连接制造而成。
第四步，每个八面体芯体的顶端、底端分别与FRP上面板、FRP下面板粘结形成节点，节点处是通过液态胶或者焊接进行固定连接。
综上可知，本申请提供的防护结构将FRP材料与八面体点阵结构进行组合，可以获得质量轻，抗侵彻抗爆性能较佳的效果。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：包括FRP面层，其包括FRP上面板和FRP下面板，在FRP上面板和FRP下面板之间夹设八面体点阵芯层。
2.根据权利要求1所述的轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：所述的八面体点阵芯层包括若干个八面体芯体，且若干个八面体芯体并列排布在FRP上面板和FRP下面板之间，每个八面体芯体的顶端、底端分别与FRP上面板、FRP下面板接触形成节点。
3.根据权利要求2所述的轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：所述的八面体芯体包括八根杆件，每四根杆件构成一个锥形状结构，两个锥形状结构的底面贴合，每个锥形状结构的锥顶分别与相邻的FRP上面板或者FRP下面板贴合。
4.根据权利要求3所述的轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：所述杆件的横截面为方形，方形的边长范围为1mm-5mm。
5.根据权利要求3所述的轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：每个八面体芯体的顶端至底端的距离即高度范围为10mm-60mm；
八面体芯体内杆件与锥形状结构底面夹角范围为35°-60°。
6.根据权利要求3所述的轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：所述杆体采用铝合金制作。
7.根据权利要求1所述的轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：所述的FRP上面板和FRP下面板均采用超高分子量聚乙烯纤维经过高温轧制形成层合板。
8.根据权利要求1所述的轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：所述的FRP上面板和FRP下面板的厚度范围均在10mm-30mm。
9.根据权利要求1所述的轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构，其特征在于：在FRP上面板或者FRP下面板朝向外部的一侧均喷涂聚脲涂层。
10.一种基于权利要求1至权利要求9任一所述轻量化FRP-八面体点阵组合防护结构的设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
第一步，在有限元软件中建立防护结构的模型；
第二步，对建立的防护结构模型进行正交试验，根据因素水平和考察指标建立正交试验表，采用极差分析法，确定因素水平的最优参数组合；
第三步，根据获取的最优参数组合制备FRP上面板、FRP下面板以及八面体点阵芯层；其中，八面体点阵芯层内的八面体芯体制作步骤为：
第31步，采用电火花切割法在铝合金薄板上切割出八面体芯体的桁架平面以及中间面片，
第32步，在中间面片与桁架平面固结的位置切割形成槽口，
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第四步，每个八面体芯体的顶端、底端分别与FRP上面板、FRP下面板粘结形成节点。
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