CN118094670A - 一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多稳态结构设计技术领域，公开了一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，在不改变结构体积的条件下，通过调整β值优化设计双稳态曲梁单元厚度非均匀程度，在单元层面调控双稳态曲梁的能量俘获能力，在双稳态曲梁单元阵列结构层面调控多稳态结构的耗能效率，有效提升多稳态结构的吸能性能和冲击防护性能，为定制多稳态结构吸能能力提供理论指引，极大拓展了多稳态结构的工程应用前景，能够应用于装置保护、冲击防护、缓冲吸能、防撞装置等的设计中。
Description
技术领域
本发明涉及多稳态结构设计技术领域，特别是涉及一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法。
背景技术
多稳态结构是由双稳态单元阵列组成，双稳态单元通常为曲梁、斜梁、薄壳等。在稳态的转变过程中通过双稳态单元的跳跃屈曲吸收和耗散能量，因具有可定制、可恢复和可重复使用的能量吸能和耗散能力而受到学者的广泛关注和研究，在能量吸收、隔震减震、冲击防护等领域具有广泛的应用前景。
授权公告号CN117212392A的专利中，公开了一种突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，这种吸能结构的优点是具有多稳态、多吸能平台、多步变形能力；缺点是基于均匀厚度双曲梁单元的突弹跳变吸收能量，吸能效率不能最优化。
授权公告号CN115596799A的专利中，公开了一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构，这种结构的优点是可通过更换含不同长度中间杆的单胞，串联不同数量的单胞，调控模块化多稳态超材料结构的力学性能；缺点是单元需由弹性或超弹性材料为基材，导致较低的强度和吸能能力。
多稳态结构的几何设计需要双稳态单元具有较小的厚度和较大的屈服应变以确保材料在弹性范围内，然而基于弹性不稳定性设计的多稳态超构材料通常表现出较低的强度和吸能能力。采用高强度金属材料的多稳态结构虽然能有效提高强度和吸能能力，但会出现塑性变形不可恢复以及疲劳问题，限制了多稳态结构的应用。几何优化设计是一种可以充分发挥材料利用效率、有效提升多稳态超材料结构吸能性能的策略，通过调控多稳态构造单元曲梁的厚度变化，可以改变多稳态超构材料的吸能性能和冲击防护性能，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，在不改变材料用量的条件下，通过调节β值提升多稳态结构的吸能能力、耗能效率和冲击防护性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，包括以下步骤，
S1、采用多稳态结构对被防护物进行抗冲击防护，多稳态结构中具有若干阵列排布的双稳态曲梁单元，对双稳态曲梁单元中的双稳态曲梁进行几何形状定义，
；
其中，w(x)是双稳态曲梁沿y轴的高度，x是双稳态曲梁沿x轴的跨度，h是双稳态曲梁的跨中高度，L是双稳态曲梁的跨度；
S2、在不改变多稳态结构整体体积的前提下，对S1中双稳态曲梁的厚度根据如下公式进行优化设计，提升多稳态结构的吸能性能和冲击防护性能，
；
其中，t(x)表示双稳态曲梁沿x轴的厚度，β表示厚度的不均匀程度系数，x是双稳态曲梁沿x轴的跨度，t表示双稳态曲梁的均匀厚度，L是双稳态曲梁的跨度；
S3、根据被防护物所需的抗冲击防护性能，通过调整β值对双稳态曲梁的厚度进行不均匀性调控；
S4、对不同层级中阵列排布的双稳态曲梁的β值进行分别调控，对同一层级中均匀阵列排布的双稳态曲梁中的β值进行统一调控，得到层级化的梯度多稳态结构。
优选的，S1中，多稳态结构的材质为弹性或超弹性材料。
更优选的，多稳态结构的材质为TPU超弹性材料。
优选的，S4中，不同层级的双稳态曲梁β值由上至下呈梯度递增或递减趋势。
优选的，S3中，当β＞1时，双稳态曲梁的梁端薄梁中厚，且随着β值的增大，梁端越薄梁中越厚，双稳态曲梁越具有理想双稳态属性。
优选的，S3中，当β值在[0,1]范围内时，双稳态曲梁的梁端厚梁中薄，且随着β值的减小，梁端越厚梁中越薄，在此范围内具有最优的β值。
优选的，β值的优化设计公式如下，在最优的β值下，双稳态曲梁具有最优的能量俘获能力，
；
其中，为最优的β值，h是双稳态曲梁的跨中高度，L是双稳态曲梁的跨度。
因此，本发明采用上述步骤的一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，其有益效果为：
1、本发明巧妙地利用β值调控多稳态结构中双稳态曲梁单元的双稳态曲梁的厚度不均匀程度，在不改变材料用量的条件下提升多稳态结构的吸能能力、耗能效率和冲击防护性能；
2、本发明通过改变β值对多稳态结构中双稳态曲梁单元的双稳态曲梁的几何参数进行调节，实现了多稳态结构的层级化设计、屈曲顺序调控和吸能特性可调控；
3、通过本发明提供的优化设计方法，可以得到任意几何参数多稳态结构的最优β值，实现较优吸能性能多稳态结构的快速设计，为实际工程应用提供参考；
4、相比于同样材料用量的均匀厚度多稳态超材料结构，本发明通过调控β值得到的非均匀厚度多稳态超材料结构可将冲击荷载控制在较低的阈值内，实现了结构冲击防护性能的提升。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为实施例1中非均匀厚度多稳态结构的双稳态曲梁单元、阵列结构以及层级化阵列结构的组合图，
其中，图1中的(a)为单个双稳态曲梁单元示意图，如图1中的(b)为单个双稳态曲梁单元几何参数示意图，如图1中的(c)为均匀的多稳态结构示意图，图1中的(d)为非均匀厚度多稳态结构示意图；
图2为实施例2中非均匀厚度双稳态曲梁单元不同β值的几何设计及力-位移曲线组合图；
图2中的(a)为不同β值的双稳态曲梁侧视图，如图2中的(b)为不同β值的几何设计及力-位移曲线图；
图3为实施例2中非均匀厚度的双稳态曲梁单元的Ein，Eout，Etrap与参数β值的关系组合图，
图3中的(a)为Ein，Eout，Etrap与β值的关系图，图3中的(b)为能量俘获能力与β值的关系图；
图4为实施例2中非均匀厚度的多稳态结构在三个不同β值下的压缩卸载力-位移曲线图和能量耗散效率与参数β值的关系图，
图4中的(a)为15×1的多稳态结构图，如图4中的(b)为β值为0.5的压缩卸载力-位移曲线图，如图4中的(c)为β值为0.7的压缩卸载力-位移曲线图，如图4中的(d)为β值为1的压缩卸载力-位移曲线图，图4中的(e)为能量耗散效率与β值的关系图；
图5为实施例3中多稳态结构的冲击防护性能模拟图；
图6为β值为0.5，0.1和1的多稳态超材料结构在冲击荷载下的加速度时程曲线及滤波结果对比图，
图6中的(a)为β值为0.5的加速度时程曲线图，图6中的(b)为β值为0.7的加速度时程曲线图，图6中的(c)为β值为1的加速度时程曲线图，图6中的(d)为不同β值下滤波结果对比图；
图7为实施例3中不同h/L曲梁单元的Etrap与β值的关系图；
图8为实施例4中最优β值与几何参数h/L的关系图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，包括以下步骤，
S1、采用多稳态结构对被防护物进行抗冲击防护，多稳态结构中具有若干阵列排布的双稳态曲梁单元，如图1中的(a)所示，对双稳态曲梁单元中的双稳态曲梁进行几何形状定义，
；
其中，w(x)是双稳态曲梁沿y轴的高度，x是双稳态曲梁沿x轴的跨度，h是双稳态曲梁的跨中高度，L是双稳态曲梁的跨度。
如图1中的(c)所示，将具有同一参数的双稳态曲梁单元在x轴和y轴方向均进行阵列排布，形成均匀的多稳态结构。
S1中，多稳态结构的材质为TPU超弹性材料。
S2、在不改变多稳态结构整体体积的前提下，对S1中双稳态曲梁的厚度根据如下公式进行优化设计，提升多稳态结构的吸能性能和冲击防护性能，如图1中的(b)所示，
；
其中，t(x)表示双稳态曲梁沿x轴的厚度，x是双稳态曲梁沿x轴的跨度，β表示厚度的不均匀程度系数，t表示双稳态曲梁的均匀厚度，L是双稳态曲梁的跨度。
S3、根据被防护物所需的抗冲击防护性能，通过调整β值对双稳态曲梁的厚度进行不均匀性调控。可通过调整β值实现结构吸能属性的可调控，提升多稳态结构的吸能性能和能量耗散效率，使其在冲击荷载条件下能将峰值加速度控制在更低的阈值范围内，从而具有更好的冲击防护性能。
S4、对不同层级中阵列排布的双稳态曲梁的厚度进行分别调控，不同层级的双稳态曲梁设定不同的β值，不同层级的双稳态曲梁β值由上至下呈梯度递增或递减趋势，如图1中的(d)所示。通过对不同层级中β参数的设置，实现了整体多稳态结构的层级化梯度设置和吸能调控。
对同一层级中均匀阵列排布的双稳态曲梁中的β值进行统一调控，得到层级化的梯度多稳态结构。在设计出非均匀厚度双稳态曲梁单元后，通过单元横纵向阵列，可以形成不同长度和宽度的多稳态结构构的平面几何示意。通过面外拉伸，即可形成不同平面外厚度的非均匀厚度多稳态超材料结构。在本实施例中，结构基材为TPU超弹性材料，采用3D打印制造。
S3中，当β＞1时，双稳态曲梁两端薄中间厚，且随着β值的增大，梁端越薄梁中越厚，双稳态曲梁越具有理想双稳态属性。
S3中，当β值在[0,1]范围内时，双稳态曲梁两端厚中间薄，且随着β值的减小，梁端越厚梁中越薄，在此范围内具有最优的β值。
在最优的β值下，双稳态曲梁具有最优的能量俘获能力、最优的能量吸收和冲击防护性能，最优的β值的优化设计公式如下，
；
其中，为最优的β值，h是双稳态曲梁的跨中高度，L是双稳态曲梁的跨度。
实施例2
本实施例中具体的几何参数为，双稳态曲梁的跨中高度h为4 mm，双稳态曲梁的跨度L为40 mm，平面外厚度为10 mm，双稳态曲梁的均匀厚度t为0.4 mm，设计该双稳态结构中不同层级的双稳态曲梁单元的不均匀厚度系数β从0.1变化到1，梯度间隔为0.1，如图2中的(a)所示。
采用ABAQUS/Stndard进行有限元模拟分析，不同β值的双稳态曲梁单元的力-位移曲线如图2中的(b)所示，随着β值的减小，双稳态曲梁单元的稳态属性逐渐从双稳态转变为单稳态。
双稳态曲梁单元在稳态的转变过程中俘获能量的能力Etrap由下述公式计算得到，
Etrap=Ein－Eout
其中，Ein为力-位移曲线在x轴以上的包络面积，Eout为力-位移曲线在x轴以下的包络面积。
本实施例中不同层级双稳态曲梁单元的Ein，Eout，Etrap与β值的关系图，如图3中的(a)所示。由图3中的(b)可以看出不同层级双稳态曲梁单元的能量俘获能力随着β值的减小先增加后降低，表明对于特定几何参数的双稳态曲梁单元，存在最优的β值使得双稳态曲梁具有最优的能量俘获性能。
在多稳态结构层面，采用上述几何参数的双稳态曲梁单元阵列为15×1的多稳态结构，如图4中的(a)所示。选取厚度的不均匀程度系数β值分别为0.5，0.7和1，对三种β值的阵列结构进行有限元模拟，得到压缩卸载力-位移曲线，如图4中的(b)-(d)所示。
由图4中的(e)中可以看出，随着β值的减小，多稳态结构的能量耗散效率η逐渐提高，其中，能量耗散效率计算为位移控制下阵列结构压缩卸载曲线包络的面积除以力控制下阵列结构压缩卸载曲线包络的面积。结果表明本发明中非均匀厚度双稳态曲梁的设计可以有效提升多稳态结构能量耗散效率。
实施例3
本实施例中具体的几何参数为，双稳态曲梁的跨中高度h为4 mm，双稳态曲梁的跨度L为40 mm，平面外厚度为20 mm，双稳态曲梁的均匀厚度t为0.4 mm，设计双稳态结构中不同层级的双稳态曲梁单元的不均匀厚度系数β分别为0.5，0.7和1，设计三种出2×24的双稳态曲梁单元阵列排布的多稳态结构。
如图5所示，采用ABAQUS/Stndard进行冲击模拟分析，冲击速度为1.5 m/s，冲击过程中不同β值的多稳态结构上方质量块所受到的加速度时程曲线及对比如图6中的(a)-(d)所示。可以看出，相比于均匀厚度的多稳态超材料结构，本实施例中的非均匀厚度多稳态结构能将被防护物的冲击加速度控制在更低的阈值范围内，具备更好的冲击防护性能。
如图7为不同h/L双稳态曲梁单元的Etrap与数β值的关系图，无量纲化Etrap数据处理过程如下，所有非均匀厚度双稳态曲梁的Etrap均除以β=1时双稳态曲梁的能量俘获值。
实施例4
本实施例中具体的几何参数为，双稳态曲梁的跨中高度h分别为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm，双稳态曲梁的跨度L为40 mm，平面外厚度为10 mm，双稳态曲梁的均匀厚度t分别为0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm，设计双稳态结构中不同层级的双稳态曲梁单元的不均匀厚度系数β分别为0.1变化到1，梯度间隔为0.1。
根据模拟结果，在双稳态曲梁的跨度L一定的情况下，β值对双稳态曲梁能量俘获能力的影响与双稳态曲梁的均匀厚度t/L无关，β值对双稳态曲梁能量俘获能力的影响与双稳态曲梁的厚度h/L有关；随着梁高h/L的增加，非均匀厚度双稳态曲梁最优能量捕获能力对应的β值逐渐增加。本实施例中，不同双稳态曲梁几何参数h/L对应的最优参数β值和最优Etrap如表1所示。
表1 不同曲梁几何参数h/L对应的最优β值和最优Etrap
；
如图8所示，不同几何参数双稳态曲梁单元的最优非均匀厚度参数β值仅与双稳态曲梁几何参数h/L有关，且呈三阶多项式关系，公式如下：
；
其中，为最优的β值，h是双稳态曲梁的跨中高度，L是双稳态曲梁的跨度。
因此，本发明提供的一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，在不改变材料用量的条件下，通过调节β值提升多稳态结构的吸能能力、耗能效率和冲击防护性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、采用多稳态结构对被防护物进行抗冲击防护，多稳态结构中具有若干阵列排布的双稳态曲梁单元，对双稳态曲梁单元中的双稳态曲梁进行几何形状定义，
；
其中，w(x)是双稳态曲梁沿y轴的高度，x是双稳态曲梁沿x轴的跨度，h是双稳态曲梁的跨中高度，L是双稳态曲梁的跨度；
S2、在不改变多稳态结构整体体积的前提下，对S1中双稳态曲梁的厚度根据如下公式进行优化设计，提升多稳态结构的吸能性能和冲击防护性能，
；
其中，t(x)表示双稳态曲梁沿x轴的厚度，β表示厚度的不均匀程度系数，x是双稳态曲梁沿x轴的跨度，t表示双稳态曲梁的均匀厚度，L是双稳态曲梁的跨度；
S3、根据被防护物所需的抗冲击防护性能，通过调整β值对双稳态曲梁的厚度进行不均匀性调控；
S4、对不同层级中阵列排布的双稳态曲梁的β值进行分别调控，对同一层级中均匀阵列排布的双稳态曲梁中的β值进行统一调控，得到层级化的梯度多稳态结构。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，其特征在于：S1中，多稳态结构的材质为弹性或超弹性材料。
3.根据权利要求1所述的一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，其特征在于：S3中，当β＞1时，双稳态曲梁的梁端薄梁中厚，且随着β值的增大，梁端越薄梁中越厚，双稳态曲梁越具有理想双稳态属性。
4.根据权利要求1所述的一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，其特征在于：S3中，当β值在[0,1]范围内时，双稳态曲梁的梁端厚梁中薄，且随着β值的减小，梁端越厚梁中越薄，在此范围内具有最优的β值。
5.根据权利要求1所述的一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，其特征在于：S4中，不同层级的双稳态曲梁β值由上至下呈梯度递增或递减趋势。
6.根据权利要求4所述的一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法，其特征在于：β值的优化设计公式如下，在最优的β值下，双稳态曲梁具有最优的能量俘获能力，
；
其中，为最优的β值，h是双稳态曲梁的跨中高度，L是双稳态曲梁的跨度。
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN118094670B (zh) | 2024-07-05 |
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