一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用

1.本发明属于抗冲击结构技术领域，尤其涉及一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用。


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.现有的单一尺度三角格栅结构存在着抗压特性差、在准静态压缩以及动态冲击下存在吸能特性不足的情况，在一定的质量约束下难以对受保结构进行有效防护；且在高速冲击时应力波动较大，易对结构造成二次损伤。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
7.现有的单一尺度三角格栅结构存在着抗压特性差、在准静态压缩以及动态冲击下存在吸能特性不足的情况，在一定的质量约束下难以对受保结构进行有效防护；且在高速冲击时应力波动较大，易对结构造成二次损伤。
8.解决以上问题及缺陷的难度为：在满足质量约束的情况下，提升结构吸能特性以满足工程应用需求，是当前抗冲击结构设计的关键技术瓶颈。目前，研究人员开展了一系列的结构设计研究，但仍未得出关键技术结构以及设计指导方案。此外，在高速冲击工况下，结构内应力波动情况受多种因素影响，且相关影响机理仍未明晰。因此，在满足质量约束的前提下，提升抗压特性和吸能特性存在一定技术难度；在保障吸能特性的前提下，通过设计结构拓扑以达到调控冲击载荷下应力波动的目的，存在一定技术难度。解决以上问题及缺陷的意义为：在爆炸冲击载荷下，防护结构吸能特性的不足会导致受保结构遭受过大的瞬态载荷，进而导致结构失效。吸能特性是防护结构的关键评价指标。在满足质量约束的前提下，显著提升吸能特性，对于保障受保结构安全具有重要意义，能够有效降低结构失效几
率，提高结构抗爆能力。同时，防护结构在冲击载荷下的应力波动也会对结构造成一定损伤，较为平缓的应力波动能降低来自防护结构的冲击，保障结构安全。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用。
10.本发明是这样实现的，一种多尺度的层级三角形抗冲击系统包括：
11.若干个层级周期单元；
12.所述层级周期单元包括若干不同几何尺寸的宏观尺度三角形、介观尺度三角形和微观尺度三角形；
13.所述宏观尺度三角形周期性布置，所述介观尺度三角形嵌套于宏观尺度三角形中，三个微观尺度三角形嵌于中间介观尺度三角形外侧，所述微观尺度三角形外端与宏观尺度三角形内壁接触。
14.进一步，所述介观尺度三角形的边长为宏观尺度三角形的一半，微观尺度三角形的边长为介观尺度三角形的一半。
15.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形在装配过程中各个三角形之间接触无缝隙。
16.进一步，单个所述层级周期性单元通过宏观尺度三角形的平移和旋转得到。
17.进一步，所述多尺度的层级三角形抗冲击系统由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。
18.进一步，单个层级周期单元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。
19.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过在宏观尺度三角形中嵌套多个介观和微观尺度三角形，本发明提出了一种多尺度三角层级结构。由于微观结构的存在，增强了结构的局部刚度，改变了结构的变形模式，使该结构具有更加良好的抗压特性以及动态冲击吸能特性。根据图3和表1可以看出，多尺度三角层级结构在准静态压缩下，抗压特性较单一尺度三角形提升了约35％，吸能特性提升了约204％。根据图4和表2，5m/s的低速和100m/s的高速冲击下，多尺度三角层级而机构相比三角格栅结构具有明显应力波动较小的特征，能有效降低防护结构对受保结构的二次毁伤，提高防护效果。
20.本发明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
21.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。
22.图1是本发明实施例提供的层级周期单元的结构示意图，可将其通过平移和旋转的方式得到多尺度三角层级抗冲击结构。其中，介观三角形嵌于宏观三角形其中，微观三角形嵌于介观三角形外围，相互接触无缝隙。
23.图2是本发明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的示意图。多尺度三角层级抗冲击结构可通过图1所示的周期单元平移和旋转得到。关键的，确保结构连接无缝隙。
24.图3是本发明实施例提供的相同等效密度下多尺度层级结构与单一尺度三角格栅结构准静态压缩应力应变比较图。
25.图4(a)是本发明实施例提供的单一尺度三角格栅结构在5m/s和100m/s的冲击速度下应力应变图以及局部放大图。
26.图4(b)是本发明实施例提供的多尺度三角层级抗冲击结构在5m/s和100m/s冲击速度下应力应变图以及局部放大图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
28.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
29.如图1所示，为本发明实施例提供的多尺度的层级三角形抗冲击系统的基本单元层级周期单元。
30.图2给出了多尺度层级三角形夹芯板及单一尺度三角格栅结构夹芯板。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。
31.为证明本发明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。
32.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。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：
[0033][0034]
式中，ea为结构吸能特性，δd为结构在压缩工况下的致密化行程，f(x)为压缩力。
[0035]
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。
[0036]
表1给出了在准静态压缩下三种结构的相关数据，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。
[0037]
表1：准静态压缩下多尺度层级结构与单一尺度三角格栅结构吸能特性对比
[0038][0039][0040]
表2：不同冲击速度下多尺度层级结构与单一尺度三角格栅结构吸能特性对比
[0041][0042]
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。
[0043]
本发明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。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。
[0044]
根据上述效果描述，本发明所提供的多尺度三角层级结构具有优良的吸能特性，可应用于装甲车辆底盘防护、舰船舷侧防雷舱设计、防爆罐内衬、汽车防护结构、防爆工事及建筑等易遭受爆炸冲击工况的结构和装备。
[0045]
本发明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。
[0046]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。