一种多尺度的层级三角形抗冲击结构

1.本实用新型属于三角形抗冲击技术领域，尤其涉及一种多尺度的层级三角形抗冲击结构。


背景技术：

2.目前，抗冲击性能是大型装甲车辆、舰船和航母等装备的关键技术指标，关乎其战场生存能力。通过在装备外侧易遭受打击的区域敷设牺牲层，以牺牲层的塑性变形和破坏来实现对爆炸冲击能量的吸收是目前常用的技术手段。出于对大型装备整体性能及实际工况的考虑，设计轻质高强的抗冲击吸能结构对于提高装甲防护能力、保障装甲安全具有重要意义。
3.蜂窝材料具有良好的力学性能以及轻量化的特点，目前已被广泛用于相关工程领域中。对于蜂窝结构而言，最小周期性单元的拓扑形式对宏观结构的力学性能有重大影响，例如三角形、四边形、kagome蜂窝的力学性能截然不同。通过设计单个元胞的拓扑结构，来达到提升蜂窝结构性能的目的，是研究人员的重点关注领域。随着现代装备中对质量和强度刚度等的高要求，普通形式的蜂窝结构已经难以满足其工程应用需求，具有宏微观多个尺度的层级结构设计思路对提升蜂窝结构静动态力学性能提供了技术途径。
4.层级结构是具有宏微观多个尺度的结构，其中微观结构具有宏观结构类似的拓扑特征，以附加或替换宏观结构某一边或角的形式组合成新的结构。微观结构的引入，能在保持结构质量以及体积满足应用需求的前提下，显著增强结构的力学性能，目前已被应用于航空航天、工程建筑等领域中。
5.本实用新型基于多尺度层级结构设计思路，设计了一种三角层级抗冲防爆结构，与传统三角格栅结构相比，能在保持质量不变的情况下，显著提升结构的抗压特性及抗冲击特性，具有良好的工程应用前景。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：普通形式的蜂窝结构已经难以满足其工程应用需求，具有宏微观多个尺度的层级结构设计思路对提升蜂窝结构静动态力学性能提供了技术途径。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种多尺度的层级三角形抗冲击结构。
8.本实用新型是这样实现的，一种多尺度的层级三角形抗冲击结构设置有：
9.三角层级结构；所述三角层级结构内部镶嵌有不同几何的三角型，所述三角层级设有宏观尺度三角形，所述宏观尺度三角形内部镶嵌有介观尺度三角形，所述介观尺度三角形内镶嵌有微观尺度三角形。
10.进一步，所述介观尺度三角形将宏观尺度三角形分割成四个区域，所述四个区域最上端为第一区域，中间为第二区域，左下端为第三区域，右下端为第四区域。
11.进一步，所述第一区域、第三区域、第四区域内镶嵌有微观尺度三角形。
12.进一步，所述宏观尺度三角形、介观尺度三角形和微观尺度三角结构尺寸比例均为0.5，即介观尺度三角形边长为宏观尺寸的一半，微观三角形尺寸为介观尺度三角形的一半，三种三角形之间接触无缝隙，应力波可以在结构中连续传播。
13.进一步，所述多尺度层级三角形结构中宏观尺度三角形周期性布置，其单个周期性单元可以通过层级三角形的平移和旋转得到。
14.结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：
15.新型三角层级结构相较于三角格栅结构，具有更高的抗压特性和吸能特性。在静态压缩下，多尺度层级三角形比单一尺度三角格栅结构吸能特性增幅近两倍，在动态冲击下其吸能特性也有部分提高，可用于抗压和抗冲击夹芯板结构设计，具有良好的工程应用价值。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本实用新型实施例提供的多尺度的层级三角形抗冲击结构示意图。
18.图2是本实用新型实施例提供的单一尺度三角格栅结构与多尺度三角层级抗冲击结构示意图。
19.图3是本实用新型实施例提供的三种结构在准静态压缩下和不同冲击速度下的应力应变曲线。
20.图4是本实用新型实施例提供的多尺度三角层级结构与单一尺度三角格栅结构在低速(5m/s)和高速(100m/s)时的应力应变曲线图
21.图中：1、宏观尺度三角形；2、介观尺度三角形；3、微观尺度三角形；4、第一区域；5、第二区域；6、第三区域；7、第四区域。
具体实施方式
22.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
23.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种多尺度的层级三角形抗冲击结构，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。
24.本实用新型的目的是为了克服上述背景中存在的在一定质量约束和体积约束下三角格栅结构抗压特性、吸能特性不足等问题，而设计了一种新型三角层级抗冲防爆结构。该新型三角层级结构相较于三角格栅结构，具有更高的抗压特性和吸能特性。在静态压缩下，多尺度层级三角形比单一尺度三角格栅结构吸能特性增幅近两倍，在动态冲击下其吸能特性也有部分提高，可用于抗压和抗冲击夹芯板结构设计，具有良好的工程应用价值。
25.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
26.本实用新型提供的多尺度三角层级抗冲击结构由m
×
n个层级周期单元组成，其中m为横向元胞数，n为纵向层数，m大于等于1，n大于等于1。单个层级周期单元中，存在四个多尺度层级三角形对称布置；单个层级三角形可以在宏观尺度三角形中填充一个介观尺度三角形和三个微观尺度三角形得到。多尺度三角层级抗冲击结构可应用于夹芯梁和夹芯板的设计，具有良好的抗压、抗冲击吸能特性，切实有效降低受保结构毁伤程度。
27.该多尺度三角层级结构，组成材料和几何尺寸可根据具体工程应用条件进行调整。
28.根据所设计的三角层级结构，在ls-dyna有限元软件中建立仿真模型，组成材料为tpu，材料参数为：密度1168kg/cm3，泊松比为0.48，弹性模量为72.25mpa，切线模量为10.74mpa，屈服模量为2.747mpa，应力极限为25.5417mpa。宏观尺度三角形边长为2cm，介观和微观尺度三角形边长分别为1cm和0.5cm。为证明本实用新型所提出的多尺度三角层级结构的优异性能，建立单一尺度三角形和多尺度三角形作为对比，为确保三种结构具有相同的等效密度，宏观、介观和多尺度三角形结构壁厚分别为0.3cm、0.15cm和0.088cm。
29.提取三种结构在准静态压缩下和不同冲击速度下的应力应变曲线，如图3所示。
30.为评估结构的吸能特性，根据结构在压缩和冲击下的应力应变曲线，计算结构的吸能特性：
[0031][0032]
式中，δd为结构在压缩工况下的致密化行程，f(x)为压缩力。
[0033]
根据仿真的应力应变曲线，提取结构的致密化应变、初始峰值应力、吸能特性以及平台区平均应力，用于评价结构性能。致密化应变为结构压缩至不可压缩的阶段所需的行程，初始峰值应力则为结构进入屈服阶段所需的压缩力，平台区平均应力是结构进入屈服阶段后至致密化时的平均应力，吸能特性为结构从初始状态压缩至致密化时所需的能量。
[0034]
图表1给出了在准静态压缩下三种结构的相关数据，图表2给出了在不同冲击速度下结构的相关数据。从中可以看出，在准静态压缩下，多尺度三角层级结构具有更加良好的抗压特性以及吸能特性。在相同质量和体积的情况下，多尺度三角层级结构抗压特性较单一尺度三角格栅结构提升了34.2％，吸能特性提升了近两倍左右。
[0035]
图表1
[0036][0037]
图表2
[0038][0039]
如图4，给出了多尺度三角层级结构与单一尺度三角格栅结构在低速(5m/s)和高速(100m/s)时的应力应变曲线图。从图中可以看出，在低速和高速冲击下，多尺度三角层级结构具有更加良好的吸能特性，且在冲击过程中，应力值波动较为平缓，更有利于对受保结构的防护。
[0040]
综上所述，本实用新型具有的技术效果为：
[0041]
1.具有良好的抗压特性和吸能特性。相较于传统的单一尺度三角格栅结构，多尺度三角层级结构能在相同质量的前提下显著提高吸能特性，在准静态压缩式，结构的吸能特性能提高近三倍，在动态冲击时，多尺度三角层级结构的吸能特性也略高于单一尺度三角格栅结构。
[0042]
2.在动态冲击工况下，多尺度三角层级结构应力应变曲线更为平缓，波动较小，这也意味着在冲击工况下，多尺度三角层级结构变形较为均匀，降低防护结构对受保结构的瞬态冲击，能更有效的保护结构。
[0043]
3.本文所提出的多尺度三角层级结构，具有材料和几何尺寸高度可调控的特性，可根据实际应用工况进行调整，具有良好的工程应用价值。
[0044]
如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的多尺度的层级三角形抗冲击结构三角层级结构内部镶嵌有不同几何的三角型，三角层级设有宏观尺度三角形1，宏观尺度三角形1内部镶嵌有介观尺度三角形2，介观尺度三角形2内镶嵌有微观尺度三角形3。
[0045]
介观尺度三角形2将宏观尺度三角形1分割成四个区域，四个区域最上端为第一区域4，中间为第二区域5，左下端为第三区域6，右下端为第四区域7。
[0046]
第一区域4、第三区域6、第四区域7内镶嵌有微观尺度三角形3。
[0047]
宏观尺度三角形1、介观尺度三角形2和微观尺度三角形3结构尺寸比例均为0.5，即介观尺度三角形2边长为宏观尺度三角形1尺寸的一半，微观尺度三角形3尺寸为介观尺度三角形2的一半，三种三角形之间接触无缝隙，应力波可以在结构中连续传播。
[0048]
多尺度层级三角形结构中宏观尺度三角形周期性布置，其单个周期性单元可以通过层级三角形的平移和旋转得到。
[0049]
本实用新型多尺度的层级三角形抗冲击结构的工作原理：宏观尺度三角形1内部镶嵌有介观尺度三角形2，介观尺度三角形2内镶嵌有微观尺度三角形3。新型三角层级结构相较于三角格栅结构，具有更高的抗压特性和吸能特性。在静态压缩下，多尺度层级三角形比单一尺度三角格栅结构吸能特性增幅近两倍，在动态冲击下其吸能特性也有部分提高，可用于抗压和抗冲击夹芯板结构设计，具有良好的工程应用价值。
[0050]
在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关
系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0051]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。