CN115985419B - 具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 - Google Patents
具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115985419B CN115985419B CN202211587120.7A CN202211587120A CN115985419B CN 115985419 B CN115985419 B CN 115985419B CN 202211587120 A CN202211587120 A CN 202211587120A CN 115985419 B CN115985419 B CN 115985419B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- poisson ratio
- cells
- honeycomb core
- poisson
- cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000012792 core layer Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 8
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 41
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 210000002287 horizontal cell Anatomy 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
- Vibration Dampers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法，夹心梁蜂窝芯层结构包括沿梁的轴线方向设置的多个胞元，每一个所述胞元内接于一个尺寸为Lx×Ly的矩形单元中，设计方法包括：保持Lx和Ly恒定，在Lx和Ly不变的情况下，逐步改变胞元内角θ，计算每一个胞元内角θ所对应的胞元的主要参数，所述主要参数包括胞元倾斜长度l和水平长度h，再根据所述主要参数设计具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层；本发明更好地利用了负泊松比结构的吸能特性，并最大程度降低其承载不足带来的影响。
Description
技术领域
本发明涉及结构轻量化设计与抗冲击防护运用技术领域，特别是一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法。
背景技术
结构轻量化设计在飞机、高铁车辆、汽车等领域受到越来越多的关注。冲击载荷是一类瞬时作用、危害极大的一类动载荷，会造成结构的严重塑性变形和人员的伤害。结构抗冲击防护设计能够有效地避免冲击载荷下造成严重的生命和财产损失，具有重要的工程应用价值，成为了冲击动力学领域的热点研究方向之一。
典型的结构抗冲击防护设计包括：汽车耐撞性设计、飞行器抗坠毁设计、舰船抗爆设计等。夹心结构是一类优良的轻质结构，具有高比强度、高比刚度及优良的抗冲击防护能力，它是由刚度大的上、下面板和刚度小的中间芯层组成。夹心结构的上、下面板由于刚度较大，能够保障整个结构的强度和承载功能；中间芯层一般采用刚度较小的多孔结构。在冲击载荷作用下，夹心结构的芯层发生大的塑性变形，通过变形耗能吸收大量的冲击能量，从而保障乘员和结构的安全。总的来说，夹心结构提供了一类满足结构承载条件下的轻量化设计方案，同时兼具抗冲击能量吸收，在工程结构领域具有广泛的使用前景。
夹心结构的芯层材料由于具有较轻的质量，能够在遭遇冲击载荷时发生塑性变形吸收能量，其结构设计是提升夹心梁能量吸收特性的核心。蜂窝结构是一类最常用的夹心梁芯层结构，常规使用的蜂窝芯层结构均是由外凸的六边形胞元构成的，该类结构胞元的泊松比为正，在冲击载荷作用下表现为向外膨胀的变形模式。
负泊松比蜂窝结构作为吸能材料具有天然的优势，它能够使得整个结构向内回收，整个结构的韧性更好，且能够利用整体结构吸能，发挥出结构最大的能量吸收特性。
这类外凸的正泊松比胞元构成的蜂窝芯层结构变形模式下能量耗散效率较低，且由于向外碰撞的变形，易造成周围附属结构的挤压破坏。而这类负泊松比蜂窝的一个典型问题是，结构的刚度相对外凸六边形蜂窝的刚度较小、承载能力较弱，很多时候难以满足结构的承载需求。
发明内容
为了更好地利用负泊松比结构的吸能特性，并最大程度降低其承载不足带来的影响，本发明提供了一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法，所述夹心梁蜂窝芯层结构包括沿梁的轴线方向设置的多个胞元，每一个所述胞元内接于一个尺寸为Lx×Ly的矩形单元中，所述的设计方法包括：
保持Lx和Ly恒定，在Lx和Ly不变的情况下，逐步改变胞元内角θ，计算每一个胞元内角θ所对应的胞元的主要参数，所述主要参数包括胞元倾斜长度l和水平长度h，再根据所述主要参数设计具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层。
作为本发明的进一步改进，所述主要参数的计算方法具体包括以下步骤：
步骤1、确定梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N；
步骤2、将梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N代入下式，计算每一个矩形单元的长度Lx：
步骤3、确定胞元内角θ的变化范围[θ1,θ2]；
步骤4、逐步改变胞元内角θ，计算胞元倾斜长度l和水平长度h：
作为本发明的进一步改进，所述矩形单元的长宽比为：
本发明的有益效果是：
1、本发明能够设计得到泊松比可调控且呈连续梯度变化的夹心梁蜂窝芯层结构，此种设计能够极大地发挥负泊松比结构的吸能特性，并最大程度降低其承载不足带来的影响。
2、本发明的设计灵活，可以根据实际情况设计结构的尺寸，包括结构的长度、宽度和高度。可以根据吸收冲击能量的大小，设计胞元的数量和胞元的间距。
3、本发明在承受冲击载荷时能够有效地将冲击能量转化为芯层的塑性变形能，并提供的6种梯度分布设计为实际情况下的冲击防护提供了更加多样的选择。
附图说明
图1为本发明实施例的流程框图；
图2为本发明实施例中六边形蜂窝胞元外凸胞元的结构示意图；
图3为本发明实施例中六边形蜂窝胞元内凹胞元的结构示意图；
图4为本发明实施例中梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层剖面图；
图5为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为负、两侧为正的泊松比结构的立体结构示意图；
图6为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为负、两侧为正的泊松比结构的主视图；
图7为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为负、两侧为零的泊松比结构的立体结构示意图；
图8为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为负、两侧为零的泊松比结构的主视图；
图9为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为正、两侧为负的泊松比结构的立体结构示意图；
图10为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为正、两侧为负的泊松比结构的主视图；
图11为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为正、两侧为零的泊松比结构的立体结构示意图；
图12为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为正、两侧为零的泊松比结构的主视图；
图13为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为零、两侧为正的泊松比结构的立体结构示意图；
图14为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为零、两侧为正的泊松比结构的主视图；
图15为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为零、两侧为负的泊松比结构的立体结构示意图；
图16为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为零、两侧为负的泊松比结构的主视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法：是由外凸六边形蜂窝(hexagonal honeycomb)、矩形蜂窝(rectangle honeycomb)胞元和内凹蜂窝(reentrant honeycomb)3种胞元组合而成。对于这种蜂窝设计，用3个参数来定义蜂窝的几何形状，如图2和图3所示，其中θ为胞元内角，h为水平单元长度，l为倾斜单元长度。每个胞元内接在一个尺寸为Lx×Ly的矩形单元中。
在本实施例中使用的矩形单元长宽比为胞元内角θ定义蜂窝形状，而长宽比Lx/Ly决定整个蜂窝尺寸。在具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构设计过程中，严格保持Lx和Ly恒定，在Lx和Ly不变的情况下，逐步改变胞元内角θ，通过下式计算每个胞元的倾斜长度l和水平长度h：
设计具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的主要步骤：
(1)确定梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N，如图4所示；
(2)将梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N代入下式，计算矩形单元长度Lx：
(3)确定胞元内角θ的变化范围[θ1,θ2]；
(4)逐步改变胞元内角θ，计算胞元倾斜长度l和水平长度h；
(5)根据主要参数设计具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层。
为了更好地利用负泊松比结构的吸能特性，并最大程度降低其承载不足带来的影响，本实施例能够设计得到泊松比可调控且呈连续梯度变化的夹心梁蜂窝芯层结构，此种设计能够极大地发挥负泊松比结构的吸能特性。同时，由于梯度设置能够实现泊松比的变化，该种方法既能增加结构的承载功能，也能避免传统正、负泊松比夹杂蜂窝芯层设计中的界面不连续问题，且设计灵活，可以根据实际情况设计结构的尺寸，包括结构的长度、宽度和高度，以及根据吸收冲击能量的大小，设计胞元的数量和胞元的间距。
梯度泊松比分布的夹心梁蜂窝芯层可以设计成以下6种泊松比分布：(1)中部为负、两侧为正的泊松比结构(Type I)如图5和图6所示；(2)中部为负、两侧为零的泊松比结构(Type II)如图7和图8所示；(3)中部为正、两侧为负的泊松比结构(Type III)如图9和图10所示；(4)中部为正、两侧为零的泊松比结构(Type IV)如图11和图12所示；(5)中部为零、两侧为正的泊松比结构(Type V)如图13和图14所示；(6)中部为零、两侧为负的泊松比结构(Type VI)如图15和图16所示所示。6种泊松比分布构型的整个芯层泊松比均是沿着夹心梁轴向逐步变化，其中Type IV和V结构中的整个结构均为正泊松比，Type II和VI均为负泊松比，Type I和III为正、负泊松比结构。所有6种梯度分布类型能够满足不同使用场景的需要。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法，其特征在于，所述夹心梁蜂窝芯层结构包括沿梁的轴线方向设置的多个胞元，胞元包括六边形蜂窝胞元、矩形蜂窝胞元和内凹蜂窝胞元，每一个所述胞元内接于一个尺寸为Lx×Ly的矩形单元中，所述的设计方法包括：
保持Lx和Ly恒定，在Lx和Ly不变的情况下，逐步改变胞元内角θ，计算每一个胞元内角θ所对应的胞元的主要参数，所述主要参数包括胞元倾斜长度l和水平长度h，再根据所述主要参数设计具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层；
夹心梁蜂窝芯层包括6种泊松比分布：(1)中部为负、两侧为正的泊松比结构；(2)中部为负、两侧为零的泊松比结构；(3)中部为正、两侧为负的泊松比结构；(4)中部为正、两侧为零的泊松比结构；(5)中部为零、两侧为正的泊松比结构；(6)中部为零、两侧为负的泊松比结构；
所述主要参数的计算方法具体包括以下步骤：
步骤1、确定梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N；
步骤2、将梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N代入下式，计算每一个矩形单元的长度Lx：
步骤3、确定胞元内角θ的变化范围[θ1,θ2]；
步骤4、逐步改变胞元内角θ，计算胞元倾斜长度l和水平长度h：
2.根据权利要求1所述的具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法，其特征在于，所述矩形单元的长宽比为：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211587120.7A CN115985419B (zh) | 2022-12-11 | 2022-12-11 | 具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211587120.7A CN115985419B (zh) | 2022-12-11 | 2022-12-11 | 具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115985419A CN115985419A (zh) | 2023-04-18 |
| CN115985419B true CN115985419B (zh) | 2024-06-11 |
Family
ID=85957218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211587120.7A Active CN115985419B (zh) | 2022-12-11 | 2022-12-11 | 具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115985419B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105398099A (zh) * | 2015-10-26 | 2016-03-16 | 湖南大学 | 一种梯度蜂窝复合体及其制作方法和应用结构 |
| CN107401218A (zh) * | 2017-07-25 | 2017-11-28 | 东南大学 | 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料 |
| GB201817039D0 (en) * | 2018-10-19 | 2018-12-05 | Univ Cranfield | Materials and structures exhibiting Zero Poisson's Ratio |
| CN112140647A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-12-29 | 北京航空航天大学 | 一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构 |
| WO2021139287A1 (zh) * | 2020-01-07 | 2021-07-15 | 广州大学 | 负泊松比结构的非线性本构关系分析方法、系统及装置 |
| CN113669401A (zh) * | 2021-07-26 | 2021-11-19 | 广州大学 | 一种具有回转特性的负泊松比单胞结构和蜂窝结构 |
| CN115196036A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-10-18 | 西北工业大学 | 一种基于正、负泊松比蜂窝芯主动变形的柔性蒙皮及设计和驱动控制方法 |
-
2022
- 2022-12-11 CN CN202211587120.7A patent/CN115985419B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105398099A (zh) * | 2015-10-26 | 2016-03-16 | 湖南大学 | 一种梯度蜂窝复合体及其制作方法和应用结构 |
| CN107401218A (zh) * | 2017-07-25 | 2017-11-28 | 东南大学 | 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料 |
| GB201817039D0 (en) * | 2018-10-19 | 2018-12-05 | Univ Cranfield | Materials and structures exhibiting Zero Poisson's Ratio |
| WO2021139287A1 (zh) * | 2020-01-07 | 2021-07-15 | 广州大学 | 负泊松比结构的非线性本构关系分析方法、系统及装置 |
| CN112140647A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-12-29 | 北京航空航天大学 | 一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构 |
| CN113669401A (zh) * | 2021-07-26 | 2021-11-19 | 广州大学 | 一种具有回转特性的负泊松比单胞结构和蜂窝结构 |
| CN115196036A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-10-18 | 西北工业大学 | 一种基于正、负泊松比蜂窝芯主动变形的柔性蒙皮及设计和驱动控制方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| "Insight into the negative Poisson’s ratio effect of the gradient auxetic reentrant honeycombs";Yujie Shao et.al.;《Composite Structures》;第274卷;全文 * |
| "功能梯度负泊松比蜂窝夹层板的振动特性";董宝娟等;《科学技术与工程》;第19卷(第21期);第110-116页 * |
| 新型类方形蜂窝夹芯结构泊松比研究;李响;王阳;杨祉豪;陈波文;童冠;;三峡大学学报(自然科学版);20190428(03);第91-96页 * |
| 负泊松比蜂窝夹层板的振动特性研究;朱秀芳;张君华;;应用力学学报;第35卷(第02期);第309-314页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115985419A (zh) | 2023-04-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112428949B (zh) | 一种基于增材制造的可恢复变形的汽车吸能盒 | |
| CN110843709A (zh) | 一种新型的三明治结构汽车前防撞梁和总成 | |
| CN113339440A (zh) | 一种仿足球烯结构的多向承载蜂窝缓冲组合吸能结构 | |
| CN112172721A (zh) | 一种仿玉莲叶脉分布的薄壁吸能装置 | |
| CN115985419B (zh) | 具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 | |
| CN110145562B (zh) | 一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能系统 | |
| CN109131576B (zh) | 一种连续变强度前纵梁结构 | |
| CN110816455A (zh) | 一种电动汽车及其前舱结构 | |
| CN109305120B (zh) | 一种装配式自锁型多胞能量吸收器 | |
| CN110576654A (zh) | 一种应用于汽车碰撞吸能盒上的三明治结构 | |
| CN111428394B (zh) | 一种混合截面吸能盒及其设计方法 | |
| CN114060445A (zh) | 一种三维曲壁混合相正四边形手性蜂窝 | |
| CN110758295A (zh) | 一种积木式碰撞吸能装置 | |
| CN221213869U (zh) | 抗多角度冲击的夹层填充轻质吸能盒 | |
| CN114312896A (zh) | 一种轨道车辆吸能结构 | |
| CN209290332U (zh) | 一种轻量化汽车用防撞横梁 | |
| CN111993718B (zh) | 一种复合夹芯板 | |
| CN213109504U (zh) | 一种碰撞组合结构及具有其的车辆 | |
| CN220785684U (zh) | 一种滑板底盘吸能结构 | |
| CN117774871A (zh) | 一种抗多角度冲击的夹层填充轻质吸能盒 | |
| CN220527061U (zh) | 一种动力蓄电池下箱体结构 | |
| CN112193191A (zh) | 一种分体式吸能盒 | |
| CN215204400U (zh) | 一种动力电池包的安装结构 | |
| CN218198191U (zh) | 汽车防撞梁 | |
| CN220905222U (zh) | 多功能电动全地形车车架 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |