一种自相似层级多胞材料能量吸收控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于材料与结构的能量吸收控制技术领域，特别设及一种自相似层级多胞 材料能量吸收控制方法。
【背景技术】：
[0002] 近年来，随着汽车、高速列车、舰船和超高速飞行器等各种运载工具的快速发展W 及环境污染问题的日益突出，材料与结构的轻量化设计引起了许多国家和政府的高度关 注。在运样的背景下，超轻多胞材料/结构W其卓越的比刚度、比强度W及优异的动力学响 应特性在众多工程能量吸收领域得到了广泛应用。然而，在实际工程中，被防护构件往往是 在整体质量(或体积)受到一定限制的工况下应用，或者是在确定冲击强度的条件下使用， 运就要求在给定冲击条件下尽可能的发挥多胞材料的结构性和能量吸收功能性的优势，提 高吸能构件的能量吸收效率，并且能够对多胞材料的能量吸收过程智能化控制，从而实现 超轻多胞材料能量吸收智能化和结构可控性自适应设计的目的。根据工程实际需要，对多 胞材料进行结构设计，使其更加符合服役环境，充分发挥多胞材料多功能一体化设计的优 势。
[0003] 与实体材料不同，多胞材料的宏观冲击响应主要是由基体材料与微观结构、孔隙 相与固体骨架间的非线性动力禪合作用所共同决定的。事实上，真实的胞元微结构才是决 定多胞材料宏观动力学性能的关键因素。一般来说，根据其压缩应力-应变关系曲线的形 状，多胞材料与结构可分为两种类型：1型吸能结构和II型吸能结构。I型吸能结构的压缩应 力-应变曲线相对平坦，具备良好的载荷一致性，结构吸收能量随压缩变形量的增加几乎呈 线性变化;而II型吸能结构的压缩应力-应变曲线在经历了一个初始应力峰值后快速下降， 载荷一致性较差。大量研究表明，I型吸能结构对构件受到撞击后的能量吸收有利，因而被 广泛应用于各种能量吸收构件中。在冲击载荷作用下，塑性巧塌是运类多胞结构的主要失 效机制，并导致结构的进一步变形局部化。对于该类多胞结构而言，最大应力首先出现在各 胞壁的连接点处(也就是塑性较发生的位置）。如果在最大应力处引入一个层级结构（比如 增加材料或者增加结构），运样可W减弱微结构变形并使得局部动态应力发生改变，从而增 加整体结构的动态承载能力和能量吸收特性，提高被防护构件的安全性。因此，针对确定的 工程应用场合（即在整体质量及结构尺寸一定的条件下），如何选取和设计恰当的层级结 构，更好的发挥多胞材料的结构性和能量吸收功能性，对于实现多胞材料的动力学多目标 优化设计W及实现其在众多工程领域的应用具有重要的科学指导价值。
【发明内容】
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[0004] 本发明的目的在于提供一种自相似层级多胞材料能量吸收控制方法。对于所设计 的自相似层级结构，通过选取层级结构阶数、层级结构影响因子和相对密度，使其在受到冲 击载荷时，能量吸收过程和所承受的动态承载能力可W有效的控制，进而提高并控制材料 的能量吸收能力和吸能效率。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案是一种自相似层级多胞材料能量吸收控 制方法，其特征在于，所述方法包括W下步骤：
[0006] 步骤1:通过使用新的更小形状的自相似胞元微结构替代原多胞材料的各胞壁连 接点，提出自相似层级多胞材料的设计方法；
[0007] 步骤2:引入用于反应自相似层级多胞材料动态敏感性的层级结构影响因子；
[0008] 步骤3:引入用于反应冲击速度与自相似层级多胞材料能量吸收相关性的速度相 关因子；
[0009] 步骤4:通过调节层级结构的阶数、层级结构影响因子和相对密度，控制自相似层 级多胞材料的动态承载能力和能量吸收效率。
[0010] 所述步骤1具体为，所设计的层级结构阶数至少为1阶，所替代各胞壁连接点的胞 元几何构型与原多胞材料的横断面形状相似，原多胞材料的胞壁厚度和基体材料与所替代 的更小形状的自相似胞元微结构可W相同亦可W不同。
[0011] 所述步骤1中通过使用新的更小形状的自相似胞元微结构替代原多胞材料的各胞 壁连接点，相当于在所设计的创新型吸能结构中引入更多的塑性较，从而增加了结构的能 量吸收能力，对冲击构件起到有效的防护作用。
[0012] 所述步骤1具体的为，其所设计的自相似层级多胞材料的层级结构阶数和胞元结 构形状可W根据工程实际合理选取。
[OOU] 所述步骤2具体为，在所述多胞材料密实化应变的理论值Ed的计算公式Ed=l-A P 中引入用于反应所述多胞材料动态敏感性的层级结构影响因子α，将所述Ed的计算公式变 为 Ed=l-aAp。
[0014] 将所述Ed的计算公式Ed=l-a Δρ中引入反应冲击速度与自相似层级多胞材料能量 吸收相关性的速度相关因子f(V)，将所述Ed的计算公式变为Ed = f(V) · (1-αΔρ)。
[0015] 所述步骤4具体为，当结构整体质量或材料空间不变时，通过选择恰当的层级结构 的阶数、层级结构影响因子和相对密度，从而调控多胞材料的动态承载能力和密实化应变 值，调控单位质量或单位体积所吸收的能量，从而提高并控制自相似层级多胞材料的能量 吸收效率。
[0016] 本发明通过对更小的自相似胞元微结构的合理布置，自相似层级结构参数和基体 材料的合理选择，使多胞材料受到冲击时的能量吸收过程、动态冲击强化W及承受的动态 应力水平可W得到控制，提高了多胞材料的能量吸收效率。
[0017] 由上可知，多胞材料的能量吸收效率与所承受的动态承载能力、密实化应变及自 相似层级结构参数有关。通过调整层级结构阶数、自相似层级结构参数和各级结构的基体 材料来调控自相似多胞材料的动态应力水平和平台阶段长度，从而控制多胞材料的能量吸 收效率。
【附图说明】：
[0018] 图1:自相似层级多胞吸能结构计算模型示意图；
[0019] 图2:自相似层级胞元微结构演化过程示意图；
[0020] 图3:自相似层级多胞吸能结构设计示意图；
[0021] 图4:自相似层级多胞材料单位质量的能量吸收-应变曲线示意图。
[0022] 图中附图标记为：1、冲击端刚性板;2、固定端刚性板;LI、自相似层级多胞结构的 宽度;L2、自相似层级多胞结构的长度;V、冲击刚性板的冲击速度。
【具体实施方式】：
[0023] 下面结合具体实施例，进一步阐述发明。应说明的是下实施例仅用W说明本发 明而并非限制本发明所描述的技术方案。一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其 改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0024] 自相似层级多胞吸能结构计算模型示意图如附图1所示，其中^和12分别表示多胞 材料的原结构尺寸，V表示刚性板的冲击速度，1表示冲击刚性板，2表示固定刚性板。
[0025] 本发明的自相似层级多胞吸能结构的方法是在传统多胞材料的各胞壁连接点处 引入新的更小的形状自相似胞元结构，如附图2所示。胞元的层级结构阶数和层级结构参数 可W根据实际情况进行修改。多胞材料的横断面形状也可W根据工程实际进行改变。
[0026] 附图3为本发明提供的自相似层级多胞材料的实施例横断面结构示意图。本发明 实施例1是在原多胞材料的各胞壁连接点处引入第1阶形状自相似胞元结构，所引入更小的 胞元结构的长度、厚度和材质可根据实际需要改变，而不仅仅是一种尺寸和材质。本发明实 施例2与第1实施例相似，区别在于，实施例2是在第1阶层级结构(也就是实施例1)的基础上 引入的第2阶层级结构，所引入的第2阶层级胞元结构尺寸比第1阶层级结构尺寸更小。实施 例2中所引入的第2阶自相似结构的尺寸和材质也可W根据实际需求改变。第2阶和第1阶自 相似结构的厚度与原多胞材料的厚度可W相同也可W不同。对于体积或质量相同的多胞材 料，通过调整自相似层级结构因子丫 1(长度比丫 i=li/l〇，li为第i阶胞元的长度，1〇为原胞 元的长度，如附图2所示)和化(厚度比化= ti/t〇，ti为第i阶胞元的厚度，t日为原胞元的厚度， 如附图2所示）的数值，可W控制自相似层级多胞材料的相对密度，从而达到能量吸收效率 可控性的目的。
[0027] 通过大量的数值计算分析和实验验证表明，自相似层级多胞材料的平台应力与基 体材料、相对密度和冲击速度有关。相对