泡沫夹芯结构受撞击后的挠度分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种泡沫夹芯结构受撞击后的挠度分析方法，通过本发明的一系列公式，计算上、下面板的速度值，对中点速度值进行时间积分可得到中点的挠度值。根据计算出的挠度值，选取适当的结构尺寸，使泡沫夹芯结构在受到冲击时，结构变形最小，进而提高结构的防护能力。
【专利说明】泡沬夹芯结构受撞击后的挠度分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及夹芯结构撞击后的变形模式，更具体地，涉及一种泡沫夹芯结构受撞击后的挠度值分析方法。
【背景技术】
[0002]夹芯板(壳)是由两块高强度的薄表层(承载层)和填充其中用以保证两块表层共同工作的轻质中间层(芯层)所组成。表层通常采用金属、复合材料层板、硬塑料等。芯层可以采用塑料或金属泡沫、栅格材料、蜂窝铝、波纹金属薄片等。这种结构具有重量轻、高能量吸收的特点。因此被广泛应用于航天、航空、军事、汽车等高科技领域。
[0003]在实际的应用中，被防护物往往是在要求具有质量限制的应用场合中或者面对确定的冲击荷载作用时被使用，这就要求在同等质量情况下，尽可能的降低结构的变形，对被防护物起到更有效的冲击防护作用，并且使吸收能量的过程和效率可以控制，从而实现多孔材料的多目标优化。目前轻量化设计主要使用夹芯结构。因此，针对确定的应用场合，在质量及结构尺寸一定的条件下，如何选取和设计夹芯结构，在冲击载荷作用下，更好地减少结构的整体变形，对于实现泡沫夹芯结构的多目标优化设计有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种泡沫夹芯结构受撞击后的挠度分析方法，对于已有泡沫材料，通过选取适当的结构尺寸，使其在受到冲击时，结构变形最小，进而提高结构的防护能力。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案:
[0006]一种泡沫夹芯结构受撞击后的挠度分析方法，包括如下步骤:
[0007]所述夹芯结构包括上、下面板及泡沫夹芯，该结构的挠度分析方法包括如下步骤:
[0008]I)对泡沫夹芯结构受撞击后的变形状态进行分析；
[0009]2)根据所述变形状态建立泡沫夹芯结构的上、下面板的速度模型；
[0010]3)确定影响速度模型的参数值；
[0011]4)将确定后的参数值代入所述速度模型中，并对上、下面板的速度模型进行时间积分，得到泡沫夹芯结构中下面板的中点位移，即其挠度值。
[0012]优选地，步骤I)所述变形状态为用于描述结构动力响应的运动三相，所述运动三相分别为运动第一相，运动第二相和运动第三相；
[0013]所述运动第一相:一个塑性铰在t = O时在撞击点产生，并分别从跨中点向两个固定端传播，当塑性铰传播到固定端时，第一相结束；
[0014]所述运动第二相:当上面板的速度比下面板速度大时，上面板继续减速，而下面板继续加速，直到达到共同速度，或芯材达到致密化，第二相结束；
[0015]所述运动第三相，泡沫夹芯结构发生整体变形，以共同速度减速，直至梁和撞击物静止为止。
[0016]优选地，步骤2)所述速度模型为运动第一相、运动第二相和运动第三相中上、下面板的速度模型。
[0017]优选地，步骤3)所述参数包括上、下面板的单位长度质量，上面面板的弯矩，面板中点的压缩应变。
[0018]优选地，步骤4)所述的对速度模型进行时间积分指对运动第一相、运动第二相和运动第三相中的上、下面板的速度模型分别进行时间积分。
[0019]优选地，所述参数由如下公式计算得到:
[0020]上、下面板的单位长度质量
[0021]将芯材简化为完全塑性弹簧，弹簧连接上、下面板，上、下面板单位长度质量分别为:
[0022]mf = P fbhf+ P cbC/2, mb = P bbhb+ P cbC/2, (I)
[0023]式中hf表不上面板厚度，hb表不下面板厚度，C表不芯材的厚度；b为夹芯结构的宽度；P f表不上面板的密度，Pb表不下面板的密度，P。表不芯材的密度。 [0024]上面面板的弯矩，
[0025]简化后的上、下面板弯矩分别为:
【权利要求】
1.一种泡沫夹芯结构受撞击后的挠度分析方法，其特征在于，所述夹芯结构包括上、下面板及泡沫夹芯，该结构的挠度分析方法包括如下步骤: 1)对泡沫夹芯结构受撞击后的变形状态进行分析； 2)根据所述变形状态建立泡沫夹芯结构的上、下面板的速度模型； 3)确定影响速度模型的参数值； 4)将确定后的参数值代入所述速度模型中，并对上、下面板的速度模型进行时间积分，得到泡沫夹芯结构中下面板的中点位移，即其挠度值。
2.根据权利要求1所述的挠度分析方法，其特征在于:步骤I)所述变形状态为用于描述结构动力响应的运动三相，所述运动三相分别为运动第一相，运动第二相和运动第三相； 所述运动第一相:一个塑性铰在t = O时在撞击点产生，并分别从跨中点向两个固定端传播，当塑性铰传播到固定端时，第一相结束； 所述运动第二相:当上面板的速度比下面板速度大时，上面板继续减速，而下面板继续加速，直到达到共同速度，或芯材达到致密化，第二相结束； 所述运动第三相，泡沫夹芯结构发生整体变形，以共同速度减速，直至梁和撞击物静止为止。
3.根据权利要求1所述的挠度分析方法，其特征在于:步骤2)所述速度模型为运动第一相、运动第二相和运动第三相中上、下面板的速度模型。
4.根据权利要求1所述的挠度分析方法，其特征在于:步骤3)所述参数包括上、下面板的单位长度质量，上面面板的弯矩，面板中点的压缩应变。
5.根据权利要求1所述的挠度分析方法，其特征在于:步骤4)所述的对速度模型进行时间积分指对运动第一相、运动第二相和运动第三相中的上、下面板的速度模型分别进行时间积分。
6.根据权利要求4所述的挠度分析方法，其特征在于:所述参数由如下公式计算得到: 将芯材简化为完全塑性弹簧，弹簧连接上、下面板，上、下面板单位长度质量分别为:
mf = P fbhf+ P cbC/2, mb = P bbhb+ P cbC/2, (I) 式中1^表75上面板厚度，hb表下面板厚度,C表芯材的厚度；b为夹芯结构的宽度；Pf表不上面板的密度，Pb表不下面板的密度，P。表不芯材的密度； 上面面板的弯矩， 简化后的上、下面板弯矩分别为: Mfo - Mr + Mv !2- <Tvhlrf / 4 + Mc / 2(2a) Um =Mh+ M1- / 2 = σβξ / 4 + Mc / 2(2b) 式中Mf表示上面板的弯矩，Mb表示下面板的弯矩，σ y表示面板的屈服强度，b为夹芯结构的宽度；M。表示芯材的弯矩M。= OyeC2(1-Eni)VlS* σ y。表示芯材的屈服强度；面板整体中点的压缩应变ε m = Wf — Wb I /C (3) ε m表示面板整体中点的压缩应变，Wf表示上面板的中点挠度，Wb表示下面板的中点挠度。
7.根据权利要求3所述的挠度分析方法，其特征在于:所述运动第一相、运动第二相和运动第三相中上、下面板的速度模型为下述公式: 运动第一相，上、下面板的速度模型分别为
8.根据权利要求2所述的挠度分析方法，其特征在于:在所述第一相时，根据时间积分求得的上、下面板挠度值，如果|wfi+wbi|/C> ε D即芯材达到致密化，直接进入第三相；eD表示锁定应变； 在第二相时，当芯材达到致密化，即|wfi—wbi|/C≥ε D或上、下面板的速度一致时(f-K- = K )，第二相结束，ε D表示锁定应变; 在第三相时，当乂 = <时，或芯材发生致密化，整个梁作为一个整体进行变形，上面板和下面板没有相对运动。
9.根据权利要求2所述的挠度分析方法，其特征在于:在第三相当梁和撞击物静止时，剩余动能全部耗散于位于两个固定端和中点的驻定塑性铰中。
10.权利要求1所述的挠度分析方法用于控制结构的防护能力，其特征在于:夹芯结构的尺寸和材料强度确定时，受到质量冲击后的挠度可以积分得到，通过改变结构尺寸和材料强度，使得计算的挠度值最小，从而实现控制结构的防护能力。
【文档编号】G01M5/00GK103954416SQ201410177798
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】刘颖, 姜文征 申请人:北京交通大学