CN114239145A - 一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，尤其涉及一种可用作轻型防护结构芯层的轻质抗冲击点阵结构材料，属于材料/结构轻量化设计与防护技术领域。本发明的点阵结构材料的胞元杆件采用非恒定截面杆件，杆件与杆件之间的节点处采用蝴蝶形过渡，可以将杆件的轴向变形转变为节点处的剪切扭转变形；整个胞元结构呈现立方非对称性，从而使得材料在受到外在压缩载荷时整体发生偏转，有效限制材料内部的局部破坏坍塌，从而提高材料的变形稳定性和吸能能力，有效保护被防护对象。
Description
技术领域
本发明涉及一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，尤其涉及一种可用作轻型防护结构芯层的轻质抗冲击点阵结构材料，属于材料/结构轻量化设计与防护技术领域。
背景技术
减轻结构重量，提高有效使用载荷是先进运载工具和新型防护结构设计者追求的永恒主题，也是我国装备发展领域面临的重大战略需求。点阵结构材料具有高孔隙率(大于80％)、高比刚/强度、耐冲击(大塑性变形能力)以及多功能可设计性等特点，受到国内外航空航天飞行器和海军舰船等运载设备和诸多领域的广泛关注，是极具潜力的先进轻质高强多功能材料。在“中国制造2025”规划背景下，3D/4D打印成为推动智能制造的主线，为复杂构型轻质点阵材料的制备提供了必要的技术支持，点阵结构材料成为国内外研究的热点前沿。
点阵结构材料是由固相和空气组成的两相复合材料，具有明显的宏-细观跨尺度特征，细观尺度上主要表现为胞元拓扑构型。通过调整微点阵材料的细观尺度特征，可以根据特定应用需求实现微点阵材料宏观力学性能的人为调控。根据组成细观胞元的基本元素不同，点阵结构材料可以分为基于杆件的点阵材料和基于面的点阵材料。前者主要由一些离散的杆件构成，后者由平面或者空间曲面构成。和杆件点阵材料相比，基于面的点阵材料具有更高的比强度和比刚度，但其为制备工艺带来了极大的挑战。基于杆件的点阵材料因其开孔的特性，在制备上相对简单，但由于杆件的非连续性，在受到外加载荷作用时，容易发生局部失效，导致材料的力学性能较差。因此，开发新型高性能点阵结构材料，使其在保证轻质和易制备的同时进一步提高材料的力学性能，是当前新型轻质防护结构/材料设计的重要课题之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在性能差的问题，提供一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料；本发明的点阵结构能够在保证点阵结构材料轻质和易制备的同时，提高材料的冲击吸能能力。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，由若干点阵胞元构成，胞元杆件采用非恒定截面杆件，杆件与杆件之间的节点处采用蝴蝶形过渡，可以将杆件的轴向变形转变为节点处的剪切扭转变形；整个胞元结构呈现立方非对称性，从而使得材料在受到外在压缩载荷时整体发生偏转，有效限制材料内部的局部破坏坍塌，从而提高材料的变形稳定性和吸能能力，有效保护被防护对象。
所述蝶形结构为沿对角线对称结构。
所述点阵结构是通过3D打印工艺一体化加工制备而成；
所述点阵结构基体材料采用延展性好、低密度高强度的增韧PLA，也可以采用铝合金或者316L不锈钢等金属材料；
3D打印工艺选用最常用的熔融沉积(FDM)方法，也可以采用光固化、激光烧结、电子束熔融等方法；点阵胞元结构尺寸为8mm，整体材料尺寸为24mm×24mm×24mm。
点阵结构材料通常被用于三明治防护结构的芯层用于吸收冲击能量。冲击能量可以是爆炸产生的冲击波，也可以是高速弹体侵彻冲击。当冲击体作用至三明治结构面板时，面板推动点阵结构材料芯层压缩变形，将初始冲击能量转换为点阵结构材料的塑性变形能。由于三明治结构内、外面板层较薄，二者的变形对能量耗散影响可以忽略，因而防护结构的整体吸能效果主要与多孔芯层的变形能有关。点阵结构材料对冲击能量的耗散W可以表示为：
其中，σ和ε分别为点阵结构材料的应力和应变，V为材料的体积。
即为材料单位体积的吸能量，可由材料的应力应变响应确定。用于表征多孔芯层力学特性和吸能特性的主要参数包括比模量
比强度
单位质量能量吸收SEA和吸能效率η，其分别表示为：
其中，E和σys分别为点阵材料的初始弹性模量和初始屈服强度，ρ为点阵材料的密度，σmax为应变路径上最大的应力。
传统的杆件点阵结构材料根据变形机制的不同分为弯曲主导和拉伸主导两类，其中弯曲主导类点阵材料的由于杆件主要承受弯曲变形导致其刚/强度较低，拉伸主导型点阵材料由于杆件主要承受轴向载荷，容易出现局部失稳导致后继屈服阶段的应力强度较低。本发明提出的点阵结构材料不同于传统杆件点阵结构材料，胞元杆件采用非恒定截面杆件，杆件与杆件之间的节点处采用蝴蝶形过渡，可以将杆件的轴向变形转变为节点处的剪切扭转变形；整个胞元结构呈现立方非对称性，从而使得材料在受到外在压缩载荷时整体发生偏转，有效限制材料内部的局部破坏坍塌，从而提高材料的变形稳定性和吸能能力，有效保护被防护对象。
有益效果
1、本发明公开的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，采用非恒定截面杆件构建胞元结构，相比传统杆件点阵结构材料具有更高的比模量和比强度，进而为材料提供足够的承载能力；
2、本发明公开的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，在杆件连接处采用蝶形曲面过渡，能够有效降低传统杆件点阵材料非连续性导致的应力集中，避免材料出现严重的局部失稳破坏，提高材料的吸能能力；
3、本发明公开的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，整体表现为立方非对称性，相比传统对称点阵结构材料，可以将拉压载荷转变为剪切/扭转载荷，进而提高材料的变形稳定性；
4、本发明公开的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，本质上属于开孔多孔材料，可以用常见的桌面级3D打印工艺完成制备，在改善材料性能的同时没有对制备工艺提出更高要求；
5、本发明公开的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，采用普通桌面级FDM打印机制备时，胞元尺寸在8mm以上时能保持较好的力学性能，当采用更高精度的打印工艺时，胞元尺寸可减小至5mm以下，材料仍能保证较优异的力学性能。
6、本发明公开的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，结合3D打印技术可适用于多种基体材料，便于点阵结构材料防护性能的进一步优化和人工调控。
因此，本发明对轻质抗冲击防护材料/结构的优化设计具有重大意义。
附图说明
图1为本发明所述一种变形稳定的高强度防护点阵材料框架图；其中，图a为点阵胞元结构示意图；图b为3D打印制备工艺示意图；图c为点阵结构材料试样示意图；
图2为本发明所述点阵材料的准静态压缩响应及与传统杆件点阵材料的对比示意图。其中，图a为工程应力应变响应；图b为吸能效率对比；
图3为本发明所述点阵材料的准静态变形模式及与传统杆件点阵材料的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明；
常用的轻质防护结构通常采用多孔材料作为吸能主体部件，利用多孔材料的大塑性变形能力吸收冲击能量，从而保证被保护结构所承受的冲击应力维持在许可应力值之下，保护主体结构不发生破坏。研究表明，传统恒定截面杆件组成的点阵结构材料存在刚/强度不高、吸能能力低、变形不稳定等缺点，且杆件之间连接的不连续性以及胞元结构的周期对称性容易导致材料出现严重的局部破坏，大幅降低了点阵结构材料的服役能力。本发明提出的点阵结构材料，结合了连续曲面和杆件点阵结构材料的特点，通过改变材料的变形机理，能够在保证较高比强/刚度的同时，显著改善点阵材料的吸能能力和效率，且不会提高材料制备工艺方面的难度。
如图1a、b、c所示，为本发明所述的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵材料，由点阵胞元结构(图1a)沿x、y、z三个方向重复排列堆叠组成，每个方向的胞元个数为3，胞元尺寸为8mm，材料整体尺寸为24mm×24mm×24mm；在完成点阵材料的几何模型构建后，采用熔融沉积(FDM)3D打印制备工艺(图1b)完成点阵材料的制备；打印基体材料选用PolyMax超级增强增韧PLA材料，打印参数包括：喷嘴温度为215℃，打印速度为50mm/min，打印层厚80μm，底板温度为60℃；最终得到3D打印点阵试样(图1c)，平均成形尺寸为24.3mm×24.3mm×24.2mm，与初始设计值吻合较好，试样平均重量为3.22g，约为相同尺寸PLA基体材料重量的19％、相同尺寸钢材重量的2.9％、相同尺寸铝合金重量的8％。
与传统杆件点阵结构材料不同，点阵胞元结构1由非恒定截面的杆件构成，且在杆件的节点连接处表现为蝴蝶形过渡；材料在x、y、z三个主方向上不具备对称性，而是沿对角线方向对称。受到冲击载荷时，沿加载方向的杆件承受主要的轴向载荷，为材料提供了较高的刚度；当载荷传递至节点处时，非立方对称蝴蝶形的节点形状将沿加载方向杆件的轴向变形转变为节点处的剪切扭转变形，避免了在杆件处发生局部屈曲失稳或塑性坍塌，为材料提供了较高的强度以及稳定的变形能力。如图2所示，点阵材料试样3受到压缩载荷作用时，整体应力应变响应非常稳定，在后继屈服阶段几乎表现为理想塑性流动行为；而传统的杆件点阵材料(包括八角点阵结构、菱形十二面体结构和混杂结构)在初始屈服应力后会出现应力软化现象，且在后继屈服阶段应力存在明显的振荡；从吸能效率曲线来看，点阵材料试样3的最大吸能效率可保持在90％以上，远高于传统点阵材料。如表1所列，点阵材料试样3的比刚度、比吸能以及单位体积能量吸收均远高于传统的杆件点阵材料，比强度和八角点阵材料相当，但高于其它几种点阵材料。如图3所示，在压缩过程中，传统杆件点阵材料均出现了不同程度的局部坍塌行为，主要表现为胞元杆件的屈曲失稳和塑性坍塌；点阵材料试样3的整体变形非常均匀，没有出现明显的局部破坏。通过这种设计方法，为大幅提高轻质点阵材料的抗冲击特性和变形稳定性提供依据。
表1几种点阵结构材料力学性能对比
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，其特征在于：由若干点阵胞元构成，所述胞元包括胞元杆件和蝶形过渡结构；所述胞元杆件采用非恒定截面杆件，杆件与杆件之间的节点处采用蝴蝶形过渡，将杆件的轴向变形转变为节点处的剪切扭转变形；整个胞元结构呈现立方非对称性，从而使得材料在受到外在压缩载荷时整体发生偏转，有效限制材料内部的局部破坏坍塌，从而提高材料的变形稳定性和吸能能力，有效保护被防护对象。
2.如权利要求1所述的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，其特征在于：所述蝶形结构为沿对角线对称结构。
3.如权利要求1所述的一种变形稳定的高强度轻质防护点阵结构材料，其特征在于：所述点阵胞元结构尺寸为8mm，整体材料尺寸为24mm×24mm×24mm。
4.制备如权利要求1或2或3所述结构的方法，其特征在于：所述点阵结构是通过3D打印工艺一体化加工制备而成。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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