CN117451500A - 一种调控蜂窝结构力学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
S03）确定填充物的填充长度；S04）以无填充、全填充、半填充以及界限填充的形式填充填充物；S05）进行压缩试验，绘制荷载‑位移曲线；S06）计算无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构在的荷载峰值及平台段荷载均值；S07）拟合蜂窝结构力学性能调控图；S08）依据蜂窝结构力学性能调控图增加/减少填充物数量；本申请解决了成品蜂窝无法调控力学性能的问题，本申请可蜂窝结构的力学性能进行按需调控，或预测相似结构、相似材料的力学性能变化趋势。
Description
技术领域
本发明属于测试固体材料强度特性技术领域，具体涉及一种调控蜂窝结构力学性能的方法。
背景技术
蜂窝结构在结构设计层面的自由度较高，因而成为研究最为广泛的多孔结构。典型的“结构型”蜂窝主要指夹层板蜂窝结构，结构型蜂窝的通透方向与夹层板垂直，从而使蜂窝材料全部用于抵抗剪切力，大幅增强了结构型蜂窝的承载性能。
现有技术中，结构型蜂窝的研究方向具有多个分支，例如金属蜂窝的动力学响应和冲击损伤、金属蜂窝的压缩、弯曲以及吸能性能、几何形状与夹芯结构对横向剪切刚度的影响、金属蜂窝的破碎分析和热塑性分析等，上述各分支所研究的蜂窝结构均是基于填充完成的“成品”蜂窝。成品蜂窝无法对现有蜂窝结构的力学性能进行调控，也无法预测相似结构或相似材料的力学性能变化趋势。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供了一种调控蜂窝结构力学性能的方法，可基于在先设计的蜂窝结构对后续蜂窝结构的力学性能进行按需调控，或预测相似结构或相似材料的力学性能变化趋势。
本申请的技术方案如下：
一种调控蜂窝结构力学性能的方法，包括以下步骤：
本方法基于夹层板结构的结构型蜂窝实现，结构型蜂窝中蜂窝的通透方向垂直于夹层板平面；在调控蜂窝结构的力学性能前，须确定蜂窝结构调控后的目标值，基于结构型蜂窝调控其力学性能的方法具体如下：
S01）确定蜂窝结构和蜂窝的几何参数及几何形状；
S02）基于蜂窝的几何形状计算蜂窝的几何形状的内接圆，该内接圆为蜂窝内部填充物的截面形状；
S03）参照蜂窝结构在通透方向的延伸长度，确定填充物的在蜂窝结构的通透方向的填充长度，延伸长度与填充长度相等；
S04）以无填充、全填充、半填充以及界限填充的形式向蜂窝结构中填充填充物，分别得到无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构；
无填充定义为填充率为0%的填充形式；
全填充定义为填充率为100%的填充形式；
半填充定义为向蜂窝结构中均匀填充，直至填充率接近50%的填充形式；
填充界限定义为一填充物在所有填充规则下必然出现与另一填充物紧邻的最小填充率的填充形式；
填充率定义为填充物的数量与全部可填充的蜂窝的数量的比值乘100%；
S05）分别对无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构进行沿填充物轴向的压缩试验，绘制无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构进行压缩试验后所得出的荷载-位移曲线；
S06）荷载-位移曲线中依据位移增长可依次分为弹性段及平台段，
弹性段定义为荷载-位移曲线中荷载随位置变化呈线性增长的阶段；
平台段定义为荷载-位移曲线开始出现非线性的阶段；
在荷载-位移曲线中提取并计算无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构在荷载位移曲线中的荷载峰值及平台段所对应的平台段荷载均值；
S07）分别计算全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构的平台段荷载均值相较于无填充蜂窝结构的平台段荷载均值的提升幅度，并以填充物的数量为纵坐标，提升幅度为横坐标拟合蜂窝结构力学性能调控图；
S08）基于蜂窝结构力学性能调控图，根据已填充的填充物数量计算与目标值的差值，并依据蜂窝结构力学性能调控图增加/减少填充物数量。
进一步地，所述蜂窝结构的几何参数包括：蜂窝边长、完整蜂窝的个数、开口深度。
进一步地，所述填充物为橡胶材料。
进一步地，所述步骤S04）中的填充形式还包括均匀分散填充，所述均匀分散填充定义为填充物在蜂窝结构中以均匀且分散的填充规则，使填充率近似达到界限填充的二分之一的填充方式。
进一步地，所述步骤S04）中半填充形式包括隔行填充及隔列填充；
隔行填充是在蜂窝结构的列方向上间隔填充填充物；
隔列填充是在蜂窝结构的行方向上间隔填充填充物。
进一步地，所述步骤S04）中界限填充形式在满足填充规则的条件下与填充位置无关。
进一步地，所述步骤S08）中依据蜂窝结构力学性能调控图增加/减少填充物数量时，不考虑所增加/减少填充物的填充位置。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
1.本发明改变了传统蜂窝结构的填充方式，本发明依据蜂窝的具体形状向蜂窝中填充内接圆形式的填充物，便于填充物的取出以在性能无法满足是调换填充形式。
2.本发明通过设计至少四种不同的填充形式，通过压缩试验拟合出调控蜂窝结构力学性能的荷载-位移曲线，用户可根据荷载位移曲线通过改变填充率的方法来获取所需的具体蜂窝结构。
3.本发明可基于所拟合的荷载-位移曲线预测相似结构或相似材料的力学性能变化趋势，以使蜂窝结构的设计更加合理、经济。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为实施例一中蜂窝结构示意图；
图2为实施例一中蜂窝几何形状示意图；
图3为实施例一中四种填充形式示意图；
图4为实施例一中五种填充形式的荷载-位移曲线汇总图；
图5为实施例一中的蜂窝结构力学性能调控图；
图6为实施例二中两种填充形式示意图；
图7为实施例二中荷载-位移曲线汇总图。
具体实施方式
实施例一：
一种调控蜂窝结构力学性能的方法，包括以下步骤：
如附图1和附图2所示，本方法基于夹层板结构的结构型蜂窝实现，结构型蜂窝中蜂窝的通透方向垂直于夹层板平面；在调控蜂窝结构的力学性能前，须确定蜂窝结构调控后的目标值，基于结构型蜂窝调控其力学性能的方法具体如下：
S01）确定蜂窝结构及蜂窝的几何参数及几何形状；
在本实施例中，蜂窝的几何形状为正六边形，边长为l=h=5.5mm，相邻两蜂窝之间的间距，即蜂窝材料的壁厚t=0.14；蜂窝结构整体尺寸为150mm*150mm*150mm，完整的蜂窝为247个，完整与不完整的蜂窝个数为275个。
S02）基于蜂窝的几何形状计算蜂窝的几何形状的内接圆，该内接圆为蜂窝内部填充物的截面形状。在本实施例中，内接圆的直径为9.5mm。
S03）参照蜂窝结构在通透方向的延伸长度，确定填充物的在蜂窝结构的通透方向的填充长度，延伸长度与填充长度相等；蜂窝结构整体尺寸为150mm*150mm*150mm，因此，本实施例中填充物为直径为9.5mm的圆柱体。在本实施例中，考虑到橡胶材料性能较为稳定且难以被压缩，本实施例的填充物采用橡胶。
S04）如附图3所示，以无填充、全填充、半填充、界限填充以及均匀分散填充，的形式向蜂窝结构中填充填充物，分别得到无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构、界限填充蜂窝结构以及均匀分散填充结构；无填充定义为填充率为0%的填充形式；全填充定义为填充率为100%的填充形式；半填充定义为向蜂窝结构中均匀填充，直至填充率接近50%的填充形式；填充界限定义为一填充物在所有填充规则下必然出现与另一填充物紧邻的最小填充率的填充形式；所述均匀分散填充定义为填充物在蜂窝结构中以均匀且分散的填充规则，使填充率近似达到界限填充的二分之一的填充方式；填充率定义为填充物的数量与全部可填充的蜂窝的数量的比值乘100%。
如附图3所示，在本实施例中，无填充结构为其他结构形式的对照组，无蜂窝结构的内部不填充橡胶。全填充结构的填充率为100%，即向蜂窝结构中所有的完整蜂窝填充橡胶棒。半填充为隔行填充，半填充的最终填充率为48.2%，填充根数为119根。界限填充的填充率为34.4%，填充根数为85根。在界限填充情况下，无法向蜂窝结构中再添加填充物使其不与其他填充物相邻。本实施例仅示出一种界限填充形式，对于一个具体的蜂窝结构往往具有多个界限填充形式，但其最终的填充率都相近。均匀分散填充是在界限填充的基础上再次简化填充规则，均匀分散填充的填充率为16.2%，填充根数为40根。
S05）分别对无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构进行沿填充物轴向的压缩试验，绘制无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构进行压缩试验后所得出的荷载-位移曲线；
对五种填充形式下的蜂窝结构进行单向压缩试验，如附图4所示，将五种填充形式的荷载-位移曲线绘制到同一坐标系下。
S06）荷载-位移曲线中依据位移增长可依次分为弹性段及平台段，
弹性段定义为荷载-位移曲线中荷载随位置变化呈线性增长的阶段；
平台段定义为荷载-位移曲线开始出现非线性的阶段；
在荷载-位移曲线中提取并计算无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构、界限填充蜂窝结构均匀分散填充蜂窝结构在荷载位移曲线中的荷载峰值及平台段所对应的平台段荷载均值。
在本实施例中，选取位移为3-25mm内的荷载位移曲线作为平台段，在步骤S05）中的荷载位移曲线中提取五种填充率平台段数值，如下表所示：
表1 五种填充率的平台段数值
S07）分别计算全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构的平台段荷载均值相较于无填充蜂窝结构的平台段荷载均值的提升幅度，并以填充物的数量为纵坐标，提升幅度为横坐标拟合蜂窝结构力学性能调控图；
如附图5所示，根据表1拟合的蜂窝结构力学性能调控图可知，附图5中的斜率表示填充橡胶后蜂窝结构力学性能的提升效果。本实施例中采用三次多项式对点线图进行拟合，图线形式为斜率逐渐降低的平滑曲线，斜率的明显转折点出现在34.4%填充率，说明在低于该填充率时，提升效率较高，高于该填充率后，提升效率锐减且趋于稳定（斜率变化不大）。因此，在考虑到经济效益及橡胶的利用率时，橡胶填充率宜为1/3。
根据表1及附图5，填充橡胶后的蜂窝结构其平台段的高度明显高于无填充的金属蜂窝结构。随着橡胶填充数从0到119，平台段整体长度增长；橡胶填充数119到247根之间，平台段长度发现回退。平台段荷载均值展现了橡胶填充金属蜂窝后形成的整体结构的吸能性能，数值越大表明在相同大小的变形中可以吸收更多的能量。由上表的提升幅度变化情况可以看出填充率对平台段荷载均值的提升效果随着填充率增高而越不明显。
S08）基于蜂窝结构力学性能调控图，根据已填充的填充物数量计算与目标值的差值，并依据蜂窝结构力学性能调控图增加/减少填充物数量。
本实施例依据蜂窝结构力学性能调控图最终拟合出的方程为：
其中，y表示填充率，x表示提升幅度。
通过上述方程可在多种填充形式的基础上调控蜂窝结构的力学性能。例如，原蜂窝平台段荷载均值为632kN,该蜂窝结构的平台段荷载均值需提升30%以上方可达到设计使用需求，可根据上述方法填充橡胶来调控蜂窝结构的极限承载力：
将x=30代入式，得y=31.27
需填充247×31.27%=77.25根
即至少应达到31.27%填充率，填充78根橡胶方可使达到设计使用需求，也可在界限填充的较为均匀地减少7根。
由上所述，本实施例将要进行压缩试验的填充率选取过程标准化，通过选取多个具有代表性且分布较为均匀的填充率，可实现在各个阶段对于蜂窝结构力学性能的精准调控，依据提升效果所划分的填充率能显著减小调控误差，提高调控的精准度。
基于上述调控方式，用户也可根据实际需要预测在某种具体的填充率下的蜂窝结构的力学性能。在本申请中相似结构表示蜂窝的几何形状相似，例如与正六边形相似的正五边形，正八边形，其力学性能的变化趋势与本实施例相近。相似材料是指与本实施例所采用的橡胶在力学参数方面类似的橡胶所填充的蜂窝结构也应具有与本实施例相似的调控方式。
实施例二：
本实施例通过相同填充率的不同填充形式的蜂窝结构，用以说明所述步骤S08）中依据蜂窝结构力学性能调控图增加/减少填充物数量时，不考虑所增加/减少填充物的填充位置的原因。
如附图6所示，附图6是填充率为16.2%的三种填充形式，如附图6中a图所示，排列方式a是将橡胶均匀地分散到金属蜂窝单元中，每根橡胶单元间都不接触，使用矩阵的形式，偏正方形条状布置，橡胶均匀且分散布置。如附图6中b图所示，图b中的橡胶排列形式相对图a在行方向上数量减少，在列方向上数量增多。如附图6中c图所示，图c中以蜂窝中心为原点，沿横向和纵向分成四个象限，在轴上布置橡胶，并在蜂窝结构中沿中心进行环状布置，并在较为稀疏的四个角落补上橡胶，使得总橡胶数为40根。
对三种填充形式下的蜂窝结构进行轴向压缩试验，荷载位移曲线如附图7所示，提取各种填充形式下的平台段数值，如表2所示：
由表2及附图7可以看出在三种填充形式下的蜂窝结构数据特征基本相同，曲线的变化趋势一致，曲率的变化点也相近。可认为图a、b、c的橡胶填充金属蜂窝力学性能没有差别。因此在相同填充率下的不同填充形式所造成的的力学性能差异不大，但橡胶均匀且分散的排列方式更优。
本申请中未述及的地方采用或借鉴已有技术即可实现。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技 术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种调控蜂窝结构力学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
本方法基于夹层板结构的结构型蜂窝实现，结构型蜂窝中蜂窝的通透方向垂直于夹层板平面；在调控蜂窝结构的力学性能前，须确定蜂窝结构调控后的目标值，基于结构型蜂窝调控其力学性能的方法具体如下：
S01）确定蜂窝结构和蜂窝的几何参数及几何形状；
S02）基于蜂窝的几何形状计算蜂窝的几何形状的内接圆，该内接圆为蜂窝内部填充物的截面形状；
S03）参照蜂窝结构在通透方向的延伸长度，确定填充物的在蜂窝结构的通透方向的填充长度，延伸长度与填充长度相等；
S04）以无填充、全填充、半填充以及界限填充的形式向蜂窝结构中填充填充物，分别得到无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构；
无填充定义为填充率为0%的填充形式；
全填充定义为填充率为100%的填充形式；
半填充定义为向蜂窝结构中均匀填充，直至填充率接近50%的填充形式；
填充界限定义为一填充物在所有填充规则下必然出现与另一填充物紧邻的最小填充率的填充形式；
填充率定义为填充物的数量与全部可填充的蜂窝的数量的比值乘100%；
S05）分别对无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构进行沿填充物轴向的压缩试验，绘制无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构进行压缩试验后所得出的荷载-位移曲线；
S06）荷载-位移曲线中依据位移增长可依次分为弹性段及平台段，
弹性段定义为荷载-位移曲线中荷载随位置变化呈线性增长的阶段；
平台段定义为荷载-位移曲线开始出现非线性的阶段；
在荷载-位移曲线中提取并计算无填充蜂窝结构、全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构在荷载位移曲线中的荷载峰值及平台段所对应的平台段荷载均值；
S07）分别计算全填充蜂窝结构、半填充蜂窝结构以及界限填充蜂窝结构的平台段荷载均值相较于无填充蜂窝结构的平台段荷载均值的提升幅度，并以填充物的数量为纵坐标，提升幅度为横坐标拟合蜂窝结构力学性能调控图；
S08）基于蜂窝结构力学性能调控图，根据已填充的填充物数量计算与目标值的差值，并依据蜂窝结构力学性能调控图增加/减少填充物数量。
2.根据权利要求1所述的一种调控蜂窝结构力学性能的方法，其特征在于，
所述蜂窝结构的几何参数包括：蜂窝边长、完整蜂窝的个数、开口深度。
3.根据权利要求1所述的一种调控蜂窝结构力学性能的方法，其特征在于，
所述填充物为橡胶材料。
4.根据权利要求1所述的一种调控蜂窝结构力学性能的方法，其特征在于，
所述步骤S04）中的填充形式还包括均匀分散填充，所述均匀分散填充定义为填充物在蜂窝结构中以均匀且分散的填充规则，使填充率近似达到界限填充的二分之一的填充方式。
5.根据权利要求1所述的一种调控蜂窝结构力学性能的方法，其特征在于，
所述步骤S04）中半填充形式包括隔行填充及隔列填充；
隔行填充是在蜂窝结构的列方向上间隔填充填充物；
隔列填充是在蜂窝结构的行方向上间隔填充填充物。
6.根据权利要求1所述的一种调控蜂窝结构力学性能的方法，其特征在于，
所述步骤S04）中界限填充形式在满足填充规则的条件下与填充位置无关。
7.根据权利要求1所述的一种调控蜂窝结构力学性能的方法，其特征在于，
所述步骤S08）中依据蜂窝结构力学性能调控图增加/减少填充物数量时，不考虑所增加/减少填充物的填充位置。
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