[发明专利]一种提高并控制多胞材料能量吸收效率的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及多胞材料能量吸收控制技术领域，特别涉及一种提高并控制多胞材料的能量吸收效率的设计方法，尤其在结构的耐撞性技术领域中达到能量吸收可控性的目的。

背景技术：

由于具有优异的动力学响应特性，超轻多胞材料与结构在高速列车、超高速飞行器、装甲车和舰船等高能耗技术领域中得到广泛的应用。然而，在实际工程应用中，被防护构件往往是在质量受到一定限制的条件下或者冲击载荷相对固定的条件下被使用，这就要求在确定的条件下尽可能的发挥吸能构件的能量吸收效率。这就对多胞材料的动力学性能设计提出了更高的要求，比如，冲击应力峰值的抑制、冲击应力增强的控制以及能量吸收率的提高。根据实际的工程应用背景对多胞材料进行冲击能量吸收结构设计，要求在发挥能量吸收构件功能的过程中，尽可能的提高结构的耐撞性。

在实际冲击载荷作用下，多胞材料的胞壁可能有三种应力状态：拉伸/压缩/轴力、弯曲和剪力的作用。根据其变形机制的不同，蜂窝材料可以分为弯曲主导型结构(比如六角形、圆形、菱形或正方形结构等)和拉伸主导型结构(比如三角形、Kagome结构或混合型结构等)。前者称之为第I类能量吸收结构，后者称之为第II类能量吸收结构。在相对密度相同条件下，第II类能量吸收结构(即拉伸主导型结构)具有较高的承载能力，在一定程度上强化了结构，提高了冲击能量吸收能力，但在能量吸收方面表现出不受欢迎的更大的峰值应力；而第I类能量吸收结构(即弯曲主导型结构)却能调动试件发生整体变形，表现出一条相对“平坦”的曲线。显然，以上两种类型能量吸收结构单独使用作为吸能构件时都不是很理想。如果能够设计一种能量吸收结构让轴力/膜力也参与整体变形，则将比单纯利用弯曲塑性变形所吸收冲击能量的效率要高。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种提高并控制多胞材料冲击能量吸收能力的设计方法，对于所设计的高效能量吸收结构，通过选取胞元微结构类型和相对密度，其能量吸收过程和承受的应力水平可以有效的控制，进而提高结构的能量吸收能力和效率，对构件冲击起到有效的防护作用。

为实现上述目的，本发明提供的是多段式填充能量吸收结构的方法，所述方法包括：

步骤1：所述多段式填充能量吸收结构分别由第I类能量吸收结构胞元和第II类能量吸收结构胞元填充，且至少具有3段填充胞元段，同一填充段内包含的微结构几何尺寸和构型相同，每一填充段内至少有一个胞元层，不同填充段内的能量吸收结构类型不同。

步骤2：引入用于反应能量吸收结构类型动态敏感性的微结构影响因子。

步骤3：引入用于反应能量吸收结构类型惯性敏感性的速度相关因子。

步骤4：通过调节段长，各段内的能量吸收结构类型和相对密度，控制多胞材料的能量吸收效率。

所述步骤1中各段多胞结构具有不同的能量吸收特点，使得所设计的创新型吸能结构能够有效地抑制冲击应力峰值，控制输出应力，提高结构的能量吸收效率，对冲击构件起到有效的防护作用。

所述步骤1具体是，其设计的多段式能量吸收结构各段的长度和段数可以根据具体情况合理布置。

所述步骤2具体是，在密实应变的理论值ε_d的计算公式ε_d＝1-Δρ中引入反应与多胞材料能量吸收相关性的微结构相关因子λ，将密实应变的理论值ε_d的计算公式变为ε_d＝1-λΔρ。

所述步骤3具体是，在步骤2密实应变的理论值ε_d的基础上反应能量吸收结构类型惯性敏感性的速度相关因子g(v)，将密实应变的理论值ε_d的计算公式变为ε_d＝g(v)·(1-λΔρ)。

所述步骤4具体是，通过选取多胞材料各段内胞元微结构几何构型和尺寸，来确定多胞材料的相对密度，从而可以调控多胞材料的平台应力和长度，进一步控制多胞材料的能量吸收效率。

所述步骤4具体是，当材料空间固定时，通过调整多胞材料各段的相对密度和能量吸收结构类型，调控平台应力和单位质量(或单位体积)所吸收的能量，从而控制多胞材料的能量吸收能力。

本发明通过对各段内能量吸收结构类型的合理布置，以及段长和段数的合理选取，使多胞材料受到冲击时的能量吸收过程、承受应力水平以及输出应力可以得到控制，提高了多胞材料能量吸收效率。